環(huán)境條件和應(yīng)力水平對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/h1>
2013-08-22 06:23:52張偉平張慶章顧祥林鐘麗娟黃慶華
張偉平，張慶章，顧祥林，鐘麗娟，黃慶華
(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)
處于沿?；蚝Ｑ蟓h(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到鹽霧作用，由于鹽霧中的氯離子侵蝕會(huì)引起混凝土中的鋼筋銹蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能，影響結(jié)構(gòu)的耐久性［1-2］.雖然鹽霧環(huán)境下混凝土的自然暴露試驗(yàn)可以較真實(shí)地反映氯離子侵蝕情況，但因試驗(yàn)周期長(zhǎng)、重現(xiàn)性差，目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不足以用來(lái)揭示環(huán)境因素的影響規(guī)律，不能實(shí)現(xiàn)耐久性壽命預(yù)測(cè).加速試驗(yàn)可以成為探索氯離子傳輸規(guī)律的有效手段［3］.
鹽霧環(huán)境下，氯離子侵入混凝土的過(guò)程主要是氯離子質(zhì)量濃度差引起的擴(kuò)散過(guò)程，一般用經(jīng)典的Fick第二定律來(lái)描述該過(guò)程.其中表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯離子擴(kuò)散系數(shù)是影響氯離子擴(kuò)散的基本參數(shù).表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)是氯離子在混凝土中傳輸?shù)闹饕?qū)動(dòng)力.實(shí)際工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同角度侵蝕面會(huì)引起表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化［4］.氯離子在混凝土中的擴(kuò)散不是線性、穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，擴(kuò)散系數(shù)是隨著外界環(huán)境條件和應(yīng)力水平等變化的函數(shù)［5］.基于此，眾多學(xué)者在Fick第二定律的基礎(chǔ)上提出了考慮不同環(huán)境和荷載水平等因素的修正傳輸模型，研究了不同因素產(chǎn)生的加速效應(yīng)［6］.但是，目前已有研究成果尚難以建立加速試驗(yàn)和自然試驗(yàn)之間的相關(guān)性.
為建立加速試驗(yàn)和自然試驗(yàn)相關(guān)性，擬重點(diǎn)研究外部環(huán)境對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散的影響.為了能夠在短期內(nèi)達(dá)到較好的加速效果，選用不加摻合料的普通混凝土試件進(jìn)行不同侵蝕面角度、不同氯化鈉溶液質(zhì)量濃度、不同溫度、不同壓應(yīng)力水平下的氯離子侵蝕加速試驗(yàn)，以便更好地確定各因素對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散的影響規(guī)律.
1 混凝土鹽霧侵蝕加速試驗(yàn)
1.1 試件設(shè)計(jì)
試驗(yàn)采用兩種類型水泥.第Ⅰ種是上海海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥.第Ⅱ種采用P.I52.5水泥，其中堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以ρ(Na2O)+0.658ρ(K2O)計(jì))不大于 0.60%，細(xì)度為 350 m2·kg-1.細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模量為2.68.粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石.細(xì)骨料和粗骨料用清水沖洗干凈晾干后使用.兩種類型水泥混凝土的配合比相同，各組分質(zhì)量比m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(粗骨料)=1∶0.53∶2∶3.試驗(yàn)采用素混凝土試件，不加應(yīng)力和加應(yīng)力試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×300 mm.
除水泥種類外，重點(diǎn)研究試件侵蝕面角度θ、氯化鈉溶液質(zhì)量濃度c、環(huán)境溫度和應(yīng)力水平等參數(shù)對(duì)鹽霧侵蝕的影響，試件參數(shù)如表1所示，其中n為試件數(shù)量.試驗(yàn)時(shí)試件測(cè)試面角度分為水平向上、垂直和45°3種情況，如圖1所示，其中陰影面為氯離子侵蝕面.
表1 試件參數(shù)設(shè)置
圖1 不同侵蝕角度的試件
1.2 壓應(yīng)力施加裝置
試件澆筑后，在溫度為(20±3)℃，相對(duì)濕度大于90%的環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，然后對(duì)試件C9，C10和C11施加壓應(yīng)力.
施加壓應(yīng)力裝置由2塊鋼板和4根螺桿組成(見(jiàn)圖2)，通過(guò)擰螺栓施加壓力.為了方便操作，4根螺桿底部與鋼板焊接連接.施壓之前，利用一組P.O42.5水泥混凝土棱柱體試件測(cè)定試件混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為25.8 MPa.利用試驗(yàn)機(jī)加壓至預(yù)設(shè)值水平，然后擰緊螺栓，試驗(yàn)機(jī)逐漸釋放壓力，在試驗(yàn)機(jī)卸載過(guò)程中混凝土有一定的應(yīng)力恢復(fù).利用應(yīng)變片測(cè)量的4根螺桿的應(yīng)變值計(jì)算卸載后混凝土實(shí)際受力水平值(小于預(yù)設(shè)值)，然后通過(guò)擰螺栓施壓，直至達(dá)到目標(biāo)應(yīng)力.為防止裝置在試驗(yàn)中發(fā)生銹蝕，對(duì)其進(jìn)行了防腐處理.
圖2 壓應(yīng)力試驗(yàn)裝置
1.3 鹽霧侵蝕環(huán)境的模擬
鹽霧侵蝕試驗(yàn)是在鹽霧箱內(nèi)進(jìn)行的，其中鹽霧箱的工作原理如圖3所示.該方法借助于壓縮空氣將鹽溶液壓入噴嘴，再將鹽溶液噴成細(xì)霧狀，并充滿鹽霧箱空間，沉降在鹽霧箱內(nèi)放置的混凝土試件上.
圖3 鹽霧箱原理示意圖
選擇試件的一個(gè)側(cè)面作為侵蝕面，其他5面涂刷2遍環(huán)氧樹(shù)脂，以模擬氯鹽一維傳輸.將經(jīng)表面處理后的試件置于鹽霧箱，開(kāi)始鹽霧加速侵蝕試驗(yàn).試驗(yàn)采用上海昱新儀器有限公司生產(chǎn)的SH-90型鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)，模擬海洋大氣環(huán)境下鹽霧侵蝕環(huán)境.噴霧期間，箱內(nèi)相對(duì)濕度接近100%，通過(guò)調(diào)整氯化鈉溶液質(zhì)量濃度和溫度可實(shí)現(xiàn)混凝土鹽霧侵蝕的加速試驗(yàn).
在海洋大氣的自然環(huán)境中，與海岸線之間距離的不同以及距離海平面高度的不同，大氣中的鹽霧濃度及其沉降量均不同［7］.由于在鹽霧侵蝕加速試驗(yàn)中，鹽霧沉降量不易控制，因此，試驗(yàn)之前，對(duì)氯化鈉溶液質(zhì)量濃度與鹽霧沉降量之間的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)定.鹽霧箱連續(xù)噴霧24 h后，在鹽霧箱中放置量杯，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后測(cè)量氯化鈉溶液的質(zhì)量濃度，即為鹽霧沉降量.測(cè)定的鹽霧沉降量與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度關(guān)系如表2所示.
表2 鹽霧沉降量與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的關(guān)系
由表2可知:鹽霧沉降量隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度增加而增加，說(shuō)明可以用氯化鈉溶液質(zhì)量濃度來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)鹽霧的加速侵蝕;但隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度增大，兩者偏差也增大.
分別在連續(xù)噴霧15，30，45和60 d時(shí)，取出試件.沿氯離子傳輸方向用直徑23 mm的鉆頭分3次鉆孔取粉，鉆取深度以鉆頭前端達(dá)到的深度為準(zhǔn).取粉深度分別為 0～3，3～6，6～9，9 ～12，12～15，15～20，20 ～25，25 ～30，30 ～35，35 ～40，40 ～45，45～50 mm.從不同深度的混凝土粉末中用分析天平稱取1.5 g，與RCT氯化物萃取液相混合，放置24 h，然后測(cè)試混凝土中的總氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(總氯離子質(zhì)量占混凝土質(zhì)量的百分比).
2 鹽霧環(huán)境混凝土中的氯離子傳輸
分別于鹽霧作用15，30，45和60 d時(shí)測(cè)定試件C1，C6和C7中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其分布曲線如圖4所示.
由圖4可知:隨著時(shí)間增長(zhǎng)，鹽霧逐漸在混凝土表面沉降，近表面處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加.隨著近表層處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加和試驗(yàn)時(shí)間的持續(xù)，混凝土內(nèi)不同深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有不同程度的增長(zhǎng).然而隨著鹽霧在混凝土表面的逐漸液化，液態(tài)水分的流動(dòng)可能將部分表面處氯離子洗去.
由圖4還可知:部分氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最高值不在表面，而在離表面一定距離處，即距表面的第2個(gè)測(cè)點(diǎn)處.這與文獻(xiàn)［8］對(duì)青島某碼頭的實(shí)際調(diào)查結(jié)果相同.因此，鹽霧環(huán)境下混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線主要包括表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)、純擴(kuò)散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)特征參數(shù)，其中氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)是根據(jù)總氯離子分布擬合確定的氯離子擴(kuò)散系數(shù).
如果將混凝土模擬成宏觀均勻、各向同性的處于飽和狀態(tài)的介質(zhì)，則氯離子在這一區(qū)域混凝土中傳輸是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程.應(yīng)用Fick第二定律建立氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與時(shí)間t的關(guān)系為［5］
式中:C(x，t)為t時(shí)刻距混凝土表面x處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(氯離子質(zhì)量占混凝土質(zhì)量的百分比)，%;Cs為純擴(kuò)散區(qū)界面L處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Dc為氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1;x為距混凝土表面的距離，mm;t為時(shí)間，s;L為純擴(kuò)散區(qū)邊界距混凝土表面的距離，mm，根據(jù)本研究中不同深度氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，如圖4所示，L=7.5 mm.
圖4 不同鹽霧作用時(shí)間混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布
3 侵蝕面角度對(duì)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響
圖5為2組不同水泥混凝土試件在鹽霧箱中加速侵蝕60 d后的實(shí)測(cè)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線.試件C1，C2和C3侵蝕面角度不同.
由圖5可知:侵蝕面水平向上的試件C1的表面及內(nèi)部的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于侵蝕面為45°的試件C2，但均明顯高于侵蝕面垂直的試件C3.侵蝕面豎直時(shí)，氯離子不容易在侵蝕面上累積，導(dǎo)致表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，氯離子侵蝕速度減慢.圖5的結(jié)果還驗(yàn)證了文獻(xiàn)［4］中關(guān)于橋面板實(shí)測(cè)表面的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于梁側(cè)面，梁側(cè)面又高于梁底面的現(xiàn)象.
圖5 不同放置角度試件內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)
4 溶液濃度對(duì)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
測(cè)得試件C4，C5和C6距混凝土表面1.5 mm處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將其作為表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的變化如圖6所示.
由圖6可知:隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的增加，混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，在NaCl溶液質(zhì)量濃度70 g·L-1時(shí)，兩種水泥混凝土的表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)最終穩(wěn)定在0.4%左右.
圖6 表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度關(guān)系
圖7 表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度比值關(guān)系
5 溫度對(duì)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響
我國(guó)沿海地區(qū)環(huán)境溫度在9～26℃左右［9］.試件C5，C7和C8鹽霧加速侵蝕試驗(yàn)時(shí)的溫度分別為35，45和25℃.圖8為鹽霧作用15，30 d前后不同試件實(shí)測(cè)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線的比較.由圖8可知:隨著溫度升高，水泥混凝土試件表面處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增大.
根據(jù)純擴(kuò)散區(qū)不同深度處實(shí)測(cè)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線，把7.5 mm處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為純擴(kuò)散區(qū)的界面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用公式(1)擬合得到不同溫度下混凝土的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)，如表3所示.由于鹽霧箱工作中出現(xiàn)故障，圖8c中，35℃時(shí)，30 d氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比圖8a中25℃時(shí)還小;圖8d中，45℃時(shí)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度增加而迅速下降.因此，不分析這兩組異常數(shù)據(jù)的表觀擴(kuò)散系數(shù).由表3可知，隨著溫度升高氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)明顯增大.
表3 不同溫度下氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)
圖8 不同溫度下混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布
6 應(yīng)力水平對(duì)表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響
為了排除兩端約束作用的影響，在受力試件中間部位鉆粉取樣.鹽霧箱中持續(xù)噴霧60 d后，測(cè)得不同應(yīng)力水平試件的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況如圖9所示.
由圖9可知:隨著壓應(yīng)力的增大，相同混凝土深度的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低.然而由于混凝土的離散性，無(wú)應(yīng)力試件近表面處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于施加應(yīng)力試件近表面處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).為了消除這種離散帶來(lái)的誤差，取圖9中不同應(yīng)力水平下1.5 mm和7.5 mm處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值作為7.5 mm處純擴(kuò)散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).然后根據(jù)圖9中純擴(kuò)散區(qū)不同深度處的實(shí)測(cè)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用公式(1)經(jīng)擬合獲得不同應(yīng)力水平下混凝土中的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù).
圖9 不同壓力下混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)
無(wú)壓力試件隨深度變化非常陡峭(見(jiàn)圖9)，因此擬合時(shí)選取距表面1.5 mm處作為邊界，選取該處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為純擴(kuò)散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行擬合氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù).應(yīng)力等級(jí)為0，0.31fc，0.47fc和0.66fc時(shí)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)分別是5.36×10-11，3.82 ×10-11，0.69 ×10-11和0.28×10-11m2·s-1.可以看出，隨著壓應(yīng)力增大，氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)降低.
壓應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其表觀擴(kuò)散系數(shù)將比無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的小.將不同應(yīng)力水平下氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)和無(wú)應(yīng)力時(shí)系數(shù)的比值與對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，得到
式中:δ為壓應(yīng)力水平(試件壓應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的比值);f(δ)為氯離子擴(kuò)散的壓應(yīng)力影響系數(shù)，f(δ)=Dc/D0，Dc為應(yīng)力水平為δ時(shí)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù);D0為無(wú)應(yīng)力時(shí)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù).
壓應(yīng)力水平對(duì)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響與文獻(xiàn)［10］持續(xù)荷載作用下氯鹽浸泡試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律類似.當(dāng)壓應(yīng)力水平不太高時(shí)，混凝土中的毛細(xì)孔在壓應(yīng)力作用下發(fā)生壓縮變形，孔隙數(shù)量與連通性降低，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散作用減弱.
7 結(jié)論
混凝土試件在鹽霧箱中的放置角度對(duì)侵蝕嚴(yán)重程度有很大的影響.以平面或45°側(cè)面為侵蝕面時(shí)，表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，氯離子侵蝕程度嚴(yán)重;以混凝土側(cè)面為侵蝕面時(shí)，表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小;同一深度處對(duì)應(yīng)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)小.隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的增大，鹽霧沉降量增加，表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加.隨著溫度升高氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)增大.隨著壓應(yīng)力的增加，氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)顯著減小.
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張偉平，張慶章，顧祥林，鐘麗娟，黃慶華
(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)
處于沿?；蚝Ｑ蟓h(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到鹽霧作用，由于鹽霧中的氯離子侵蝕會(huì)引起混凝土中的鋼筋銹蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能，影響結(jié)構(gòu)的耐久性［1-2］.雖然鹽霧環(huán)境下混凝土的自然暴露試驗(yàn)可以較真實(shí)地反映氯離子侵蝕情況，但因試驗(yàn)周期長(zhǎng)、重現(xiàn)性差，目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不足以用來(lái)揭示環(huán)境因素的影響規(guī)律，不能實(shí)現(xiàn)耐久性壽命預(yù)測(cè).加速試驗(yàn)可以成為探索氯離子傳輸規(guī)律的有效手段［3］.
鹽霧環(huán)境下，氯離子侵入混凝土的過(guò)程主要是氯離子質(zhì)量濃度差引起的擴(kuò)散過(guò)程，一般用經(jīng)典的Fick第二定律來(lái)描述該過(guò)程.其中表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氯離子擴(kuò)散系數(shù)是影響氯離子擴(kuò)散的基本參數(shù).表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)是氯離子在混凝土中傳輸?shù)闹饕?qū)動(dòng)力.實(shí)際工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同角度侵蝕面會(huì)引起表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化［4］.氯離子在混凝土中的擴(kuò)散不是線性、穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，擴(kuò)散系數(shù)是隨著外界環(huán)境條件和應(yīng)力水平等變化的函數(shù)［5］.基于此，眾多學(xué)者在Fick第二定律的基礎(chǔ)上提出了考慮不同環(huán)境和荷載水平等因素的修正傳輸模型，研究了不同因素產(chǎn)生的加速效應(yīng)［6］.但是，目前已有研究成果尚難以建立加速試驗(yàn)和自然試驗(yàn)之間的相關(guān)性.
為建立加速試驗(yàn)和自然試驗(yàn)相關(guān)性，擬重點(diǎn)研究外部環(huán)境對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散的影響.為了能夠在短期內(nèi)達(dá)到較好的加速效果，選用不加摻合料的普通混凝土試件進(jìn)行不同侵蝕面角度、不同氯化鈉溶液質(zhì)量濃度、不同溫度、不同壓應(yīng)力水平下的氯離子侵蝕加速試驗(yàn)，以便更好地確定各因素對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散的影響規(guī)律.
1 混凝土鹽霧侵蝕加速試驗(yàn)
1.1 試件設(shè)計(jì)
試驗(yàn)采用兩種類型水泥.第Ⅰ種是上海海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥.第Ⅱ種采用P.I52.5水泥，其中堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(以ρ(Na2O)+0.658ρ(K2O)計(jì))不大于 0.60%，細(xì)度為 350 m2·kg-1.細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模量為2.68.粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石.細(xì)骨料和粗骨料用清水沖洗干凈晾干后使用.兩種類型水泥混凝土的配合比相同，各組分質(zhì)量比m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(粗骨料)=1∶0.53∶2∶3.試驗(yàn)采用素混凝土試件，不加應(yīng)力和加應(yīng)力試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×300 mm.
除水泥種類外，重點(diǎn)研究試件侵蝕面角度θ、氯化鈉溶液質(zhì)量濃度c、環(huán)境溫度和應(yīng)力水平等參數(shù)對(duì)鹽霧侵蝕的影響，試件參數(shù)如表1所示，其中n為試件數(shù)量.試驗(yàn)時(shí)試件測(cè)試面角度分為水平向上、垂直和45°3種情況，如圖1所示，其中陰影面為氯離子侵蝕面.
表1 試件參數(shù)設(shè)置
圖1 不同侵蝕角度的試件
1.2 壓應(yīng)力施加裝置
試件澆筑后，在溫度為(20±3)℃，相對(duì)濕度大于90%的環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，然后對(duì)試件C9，C10和C11施加壓應(yīng)力.
施加壓應(yīng)力裝置由2塊鋼板和4根螺桿組成(見(jiàn)圖2)，通過(guò)擰螺栓施加壓力.為了方便操作，4根螺桿底部與鋼板焊接連接.施壓之前，利用一組P.O42.5水泥混凝土棱柱體試件測(cè)定試件混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為25.8 MPa.利用試驗(yàn)機(jī)加壓至預(yù)設(shè)值水平，然后擰緊螺栓，試驗(yàn)機(jī)逐漸釋放壓力，在試驗(yàn)機(jī)卸載過(guò)程中混凝土有一定的應(yīng)力恢復(fù).利用應(yīng)變片測(cè)量的4根螺桿的應(yīng)變值計(jì)算卸載后混凝土實(shí)際受力水平值(小于預(yù)設(shè)值)，然后通過(guò)擰螺栓施壓，直至達(dá)到目標(biāo)應(yīng)力.為防止裝置在試驗(yàn)中發(fā)生銹蝕，對(duì)其進(jìn)行了防腐處理.
圖2 壓應(yīng)力試驗(yàn)裝置
1.3 鹽霧侵蝕環(huán)境的模擬
鹽霧侵蝕試驗(yàn)是在鹽霧箱內(nèi)進(jìn)行的，其中鹽霧箱的工作原理如圖3所示.該方法借助于壓縮空氣將鹽溶液壓入噴嘴，再將鹽溶液噴成細(xì)霧狀，并充滿鹽霧箱空間，沉降在鹽霧箱內(nèi)放置的混凝土試件上.
圖3 鹽霧箱原理示意圖
選擇試件的一個(gè)側(cè)面作為侵蝕面，其他5面涂刷2遍環(huán)氧樹(shù)脂，以模擬氯鹽一維傳輸.將經(jīng)表面處理后的試件置于鹽霧箱，開(kāi)始鹽霧加速侵蝕試驗(yàn).試驗(yàn)采用上海昱新儀器有限公司生產(chǎn)的SH-90型鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)，模擬海洋大氣環(huán)境下鹽霧侵蝕環(huán)境.噴霧期間，箱內(nèi)相對(duì)濕度接近100%，通過(guò)調(diào)整氯化鈉溶液質(zhì)量濃度和溫度可實(shí)現(xiàn)混凝土鹽霧侵蝕的加速試驗(yàn).
在海洋大氣的自然環(huán)境中，與海岸線之間距離的不同以及距離海平面高度的不同，大氣中的鹽霧濃度及其沉降量均不同［7］.由于在鹽霧侵蝕加速試驗(yàn)中，鹽霧沉降量不易控制，因此，試驗(yàn)之前，對(duì)氯化鈉溶液質(zhì)量濃度與鹽霧沉降量之間的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)定.鹽霧箱連續(xù)噴霧24 h后，在鹽霧箱中放置量杯，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后測(cè)量氯化鈉溶液的質(zhì)量濃度，即為鹽霧沉降量.測(cè)定的鹽霧沉降量與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度關(guān)系如表2所示.
表2 鹽霧沉降量與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的關(guān)系
由表2可知:鹽霧沉降量隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度增加而增加，說(shuō)明可以用氯化鈉溶液質(zhì)量濃度來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)鹽霧的加速侵蝕;但隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度增大，兩者偏差也增大.
分別在連續(xù)噴霧15，30，45和60 d時(shí)，取出試件.沿氯離子傳輸方向用直徑23 mm的鉆頭分3次鉆孔取粉，鉆取深度以鉆頭前端達(dá)到的深度為準(zhǔn).取粉深度分別為 0～3，3～6，6～9，9 ～12，12～15，15～20，20 ～25，25 ～30，30 ～35，35 ～40，40 ～45，45～50 mm.從不同深度的混凝土粉末中用分析天平稱取1.5 g，與RCT氯化物萃取液相混合，放置24 h，然后測(cè)試混凝土中的總氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(總氯離子質(zhì)量占混凝土質(zhì)量的百分比).
2 鹽霧環(huán)境混凝土中的氯離子傳輸
分別于鹽霧作用15，30，45和60 d時(shí)測(cè)定試件C1，C6和C7中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其分布曲線如圖4所示.
由圖4可知:隨著時(shí)間增長(zhǎng)，鹽霧逐漸在混凝土表面沉降，近表面處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加.隨著近表層處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加和試驗(yàn)時(shí)間的持續(xù)，混凝土內(nèi)不同深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有不同程度的增長(zhǎng).然而隨著鹽霧在混凝土表面的逐漸液化，液態(tài)水分的流動(dòng)可能將部分表面處氯離子洗去.
由圖4還可知:部分氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最高值不在表面，而在離表面一定距離處，即距表面的第2個(gè)測(cè)點(diǎn)處.這與文獻(xiàn)［8］對(duì)青島某碼頭的實(shí)際調(diào)查結(jié)果相同.因此，鹽霧環(huán)境下混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線主要包括表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)、純擴(kuò)散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)特征參數(shù)，其中氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)是根據(jù)總氯離子分布擬合確定的氯離子擴(kuò)散系數(shù).
如果將混凝土模擬成宏觀均勻、各向同性的處于飽和狀態(tài)的介質(zhì)，則氯離子在這一區(qū)域混凝土中傳輸是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程.應(yīng)用Fick第二定律建立氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與時(shí)間t的關(guān)系為［5］
式中:C(x，t)為t時(shí)刻距混凝土表面x處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(氯離子質(zhì)量占混凝土質(zhì)量的百分比)，%;Cs為純擴(kuò)散區(qū)界面L處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;Dc為氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1;x為距混凝土表面的距離，mm;t為時(shí)間，s;L為純擴(kuò)散區(qū)邊界距混凝土表面的距離，mm，根據(jù)本研究中不同深度氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，如圖4所示，L=7.5 mm.
圖4 不同鹽霧作用時(shí)間混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布
3 侵蝕面角度對(duì)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響
圖5為2組不同水泥混凝土試件在鹽霧箱中加速侵蝕60 d后的實(shí)測(cè)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線.試件C1，C2和C3侵蝕面角度不同.
由圖5可知:侵蝕面水平向上的試件C1的表面及內(nèi)部的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于侵蝕面為45°的試件C2，但均明顯高于侵蝕面垂直的試件C3.侵蝕面豎直時(shí)，氯離子不容易在侵蝕面上累積，導(dǎo)致表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，氯離子侵蝕速度減慢.圖5的結(jié)果還驗(yàn)證了文獻(xiàn)［4］中關(guān)于橋面板實(shí)測(cè)表面的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于梁側(cè)面，梁側(cè)面又高于梁底面的現(xiàn)象.
圖5 不同放置角度試件內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)
4 溶液濃度對(duì)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
測(cè)得試件C4，C5和C6距混凝土表面1.5 mm處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將其作為表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的變化如圖6所示.
由圖6可知:隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的增加，混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，在NaCl溶液質(zhì)量濃度70 g·L-1時(shí)，兩種水泥混凝土的表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)最終穩(wěn)定在0.4%左右.
圖6 表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度關(guān)系
圖7 表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值與氯化鈉溶液質(zhì)量濃度比值關(guān)系
5 溫度對(duì)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響
我國(guó)沿海地區(qū)環(huán)境溫度在9～26℃左右［9］.試件C5，C7和C8鹽霧加速侵蝕試驗(yàn)時(shí)的溫度分別為35，45和25℃.圖8為鹽霧作用15，30 d前后不同試件實(shí)測(cè)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線的比較.由圖8可知:隨著溫度升高，水泥混凝土試件表面處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同深度處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增大.
根據(jù)純擴(kuò)散區(qū)不同深度處實(shí)測(cè)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線，把7.5 mm處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為純擴(kuò)散區(qū)的界面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用公式(1)擬合得到不同溫度下混凝土的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)，如表3所示.由于鹽霧箱工作中出現(xiàn)故障，圖8c中，35℃時(shí)，30 d氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)比圖8a中25℃時(shí)還小;圖8d中，45℃時(shí)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度增加而迅速下降.因此，不分析這兩組異常數(shù)據(jù)的表觀擴(kuò)散系數(shù).由表3可知，隨著溫度升高氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)明顯增大.
表3 不同溫度下氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)
圖8 不同溫度下混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布
6 應(yīng)力水平對(duì)表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響
為了排除兩端約束作用的影響，在受力試件中間部位鉆粉取樣.鹽霧箱中持續(xù)噴霧60 d后，測(cè)得不同應(yīng)力水平試件的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況如圖9所示.
由圖9可知:隨著壓應(yīng)力的增大，相同混凝土深度的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低.然而由于混凝土的離散性，無(wú)應(yīng)力試件近表面處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于施加應(yīng)力試件近表面處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).為了消除這種離散帶來(lái)的誤差，取圖9中不同應(yīng)力水平下1.5 mm和7.5 mm處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值作為7.5 mm處純擴(kuò)散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).然后根據(jù)圖9中純擴(kuò)散區(qū)不同深度處的實(shí)測(cè)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用公式(1)經(jīng)擬合獲得不同應(yīng)力水平下混凝土中的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù).
圖9 不同壓力下混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)
無(wú)壓力試件隨深度變化非常陡峭(見(jiàn)圖9)，因此擬合時(shí)選取距表面1.5 mm處作為邊界，選取該處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為純擴(kuò)散區(qū)界面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行擬合氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù).應(yīng)力等級(jí)為0，0.31fc，0.47fc和0.66fc時(shí)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)分別是5.36×10-11，3.82 ×10-11，0.69 ×10-11和0.28×10-11m2·s-1.可以看出，隨著壓應(yīng)力增大，氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)降低.
壓應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其表觀擴(kuò)散系數(shù)將比無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的小.將不同應(yīng)力水平下氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)和無(wú)應(yīng)力時(shí)系數(shù)的比值與對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，得到
式中:δ為壓應(yīng)力水平(試件壓應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的比值);f(δ)為氯離子擴(kuò)散的壓應(yīng)力影響系數(shù)，f(δ)=Dc/D0，Dc為應(yīng)力水平為δ時(shí)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù);D0為無(wú)應(yīng)力時(shí)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù).
壓應(yīng)力水平對(duì)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響與文獻(xiàn)［10］持續(xù)荷載作用下氯鹽浸泡試驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律類似.當(dāng)壓應(yīng)力水平不太高時(shí)，混凝土中的毛細(xì)孔在壓應(yīng)力作用下發(fā)生壓縮變形，孔隙數(shù)量與連通性降低，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散作用減弱.
7 結(jié)論
混凝土試件在鹽霧箱中的放置角度對(duì)侵蝕嚴(yán)重程度有很大的影響.以平面或45°側(cè)面為侵蝕面時(shí)，表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，氯離子侵蝕程度嚴(yán)重;以混凝土側(cè)面為侵蝕面時(shí)，表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小;同一深度處對(duì)應(yīng)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)小.隨著氯化鈉溶液質(zhì)量濃度的增大，鹽霧沉降量增加，表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)也增加.隨著溫度升高氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)增大.隨著壓應(yīng)力的增加，氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)顯著減小.
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