宋魯光 孫 偉 高建明

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京211189)

(東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)試驗(yàn)室，南京211189)

氯離子侵蝕所導(dǎo)致的鋼筋銹蝕是海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)損傷劣化的主要因素［1］.海水中的氯離子通過擴(kuò)散、對(duì)流等作用進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在鋼筋表面累積，當(dāng)達(dá)到臨界氯離子濃度時(shí)鋼筋便會(huì)脫鈍而銹蝕.氯離子在混凝土中的傳輸問題是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究重點(diǎn)［2-5］.氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)是表征氯離子在混凝土中傳輸?shù)囊粋€(gè)重要參數(shù).由于混凝土中膠凝材料的不斷水化及其與氯離子的結(jié)合，混凝土的孔結(jié)構(gòu)不斷密實(shí)，表觀擴(kuò)散系數(shù)隨暴露時(shí)間的延長而減小［6］;同時(shí)，表觀擴(kuò)散系數(shù)還隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而減?。?-8］.故表觀擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)變規(guī)律與混凝土在氯鹽溶液中暴露時(shí)間及暴露前的養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān).在常用的表觀擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變規(guī)律模型中，并沒有考慮養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)表觀擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變規(guī)律的影響.本文基于自然浸泡試驗(yàn)測(cè)得不同養(yǎng)護(hù)齡期及暴露時(shí)間條件下混凝土的表觀擴(kuò)散系數(shù)值，研究了養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響.并根據(jù)文獻(xiàn)［9］提出的方法，建立了表觀擴(kuò)散系數(shù)與即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的聯(lián)系，研究了養(yǎng)護(hù)齡期與即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴性常數(shù)之間的關(guān)系.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)中，選用南京中國水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ42.5R 水泥、南京江南粉磨有限公司生產(chǎn)的S95 級(jí)磨細(xì)礦渣.細(xì)集料采用江西贛江中砂，細(xì)度模數(shù)為2.39，級(jí)配合格.粗集料采用江蘇盱眙Ⅱ類玄武巖碎石，5 ～20 mm 連續(xù)級(jí)配.外加劑采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸類系JM-PCA 高效減水劑.水泥及礦渣的化學(xué)成分見表1.

1.2 配合比和養(yǎng)護(hù)條件

本文研究了不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土表觀擴(kuò)散系數(shù)及時(shí)間依賴性的影響，試驗(yàn)中采用的配合比見表2.

1.3 試驗(yàn)方法

按照表2的配合比制備混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7，28，90 d 后取出.采用自然浸泡試驗(yàn)研究氯離子在混凝土中的傳輸規(guī)律.試驗(yàn)時(shí)首先將養(yǎng)護(hù)完成的試件放入烘箱中，60 ℃下保持72 h;取出試件待其冷卻后，將試件的一個(gè)側(cè)面作為氯離子侵蝕的暴露面，其余各面涂抹環(huán)氧樹脂予以密封;然后，將處理后的試件暴露于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% 的NaCl 溶液中，暴露時(shí)間t=60，90，120，180，270，360 d;為保證NaCl 溶液濃度恒定，每7 d 更換一次溶液;試件浸泡至規(guī)定時(shí)間后取出，于烘箱中60 ℃下烘干2 d，以備取樣.

表1 水泥和礦渣的化學(xué)成分 %

表2 混凝土配合比

采用鉆孔取樣法獲取試件不同深度的粉末樣品.鉆孔設(shè)備為小型沖擊鉆機(jī)，取樣時(shí)采用直徑為6 mm 的合金鉆頭從暴露面開始采集樣品.每個(gè)試件從暴露面中間位置鉆16 ～20 個(gè)孔，取樣深度依次為0 ～3，3 ～6，6 ～9，9 ～12，12 ～15，15 ～18，18 ～21 mm.每一取樣深度處收集的樣品質(zhì)量約為5 g.然后，將樣品用孔徑為0.15 mm 的標(biāo)準(zhǔn)篩過篩，將細(xì)粉末密封保存，以備進(jìn)行氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)試.

自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定方法主要參照國家交通部標(biāo)準(zhǔn)《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 270—98)［10］.為更加精確測(cè)定氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)取樣量及實(shí)驗(yàn)條件等因素對(duì)具體的測(cè)定方法進(jìn)行了調(diào)整［11-12］.

2 結(jié)果及討論

2.1 養(yǎng)護(hù)齡期與表觀擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系

采用Fick 第二定律誤差函數(shù)形式的解析解來求解氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù).當(dāng)暴露時(shí)間為t 時(shí)，距混凝土表面x 處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為式中，Dapp為混凝土的表觀擴(kuò)散系數(shù);Cs為混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù);erf()為誤差函數(shù).

圖1為不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)的對(duì)比.由圖可知，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液暴露時(shí)間的延長，各養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)都逐漸減小.且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同暴露時(shí)間下的表觀擴(kuò)散系數(shù)也逐漸減小.

圖1 不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土的表觀擴(kuò)散系數(shù)對(duì)比

圖2為養(yǎng)護(hù)齡期與氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系曲線.由圖可知，表觀擴(kuò)散系數(shù)的減小幅度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而趨緩.養(yǎng)護(hù)齡期與表觀擴(kuò)散系數(shù)符合冪函數(shù)的關(guān)系.將各暴露時(shí)間下表觀擴(kuò)散系數(shù)的平均值與養(yǎng)護(hù)齡期擬合，可以得到相同暴露時(shí)間下，氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系為

式中，tc為養(yǎng)護(hù)齡期;tc0為參考養(yǎng)護(hù)齡期;Dc，Dc0分別為其對(duì)應(yīng)的表觀擴(kuò)散系數(shù).

圖2 表觀擴(kuò)散系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線

2.2 表觀擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性

文獻(xiàn)［13］指出，氯離子擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨著暴露時(shí)間的變化而變化.文獻(xiàn)［5，14］采用不同試驗(yàn)方法建立了擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系.指數(shù)函數(shù)形式的時(shí)間依賴性公式被廣泛應(yīng)用于氯離子在混凝土中傳輸?shù)膲勖A(yù)測(cè)模型中.

氯離子在混凝土中的時(shí)間依賴性關(guān)系可表示為［3-5］

式中，t0為參考暴露時(shí)間;D(t)，D0分別為暴露時(shí)間t，t0時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;m 為時(shí)間依賴性常數(shù)，決定了擴(kuò)散系數(shù)的衰減速率.在利用式(3)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常取t0=28 d 時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)D28作為不同配比表觀擴(kuò)散系數(shù)的參考值.

通過曲線擬合的方法，可以計(jì)算得到不同配比的混凝土材料在不同條件下的時(shí)間依賴性常數(shù)m及其對(duì)應(yīng)的28 d 表觀擴(kuò)散系數(shù)D28.本文中，表觀擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴性常數(shù)與28 d 擴(kuò)散系數(shù)的擬合結(jié)果見表3.

2.3 表觀擴(kuò)散系數(shù)與即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系

表觀擴(kuò)散系數(shù)可以看作是暴露時(shí)間段內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)變化的積分平均值［9］.表觀擴(kuò)散系數(shù)與每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系可表示為

表3 不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土的時(shí)間依賴性常數(shù)和28 d擴(kuò)散系數(shù)

式中，tex為混凝土成型至開始暴露的時(shí)間(本文中即為養(yǎng)護(hù)齡期);Dins(t)為在t 時(shí)刻氯離子的即時(shí)擴(kuò)散系數(shù).

表觀擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性關(guān)系是通過對(duì)不同暴露時(shí)間得到的表觀擴(kuò)散系數(shù)及暴露時(shí)間t 進(jìn)行擬合得到的.表觀擴(kuò)散系數(shù)的值不僅與t 有關(guān)，也與tex有關(guān).不同的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)氯離子在混凝土中的傳輸起著重要影響，但是這種影響并沒有在式(3)中體現(xiàn)出來.此外，表觀擴(kuò)散系數(shù)值是整個(gè)暴露時(shí)間段的積分平均值，但卻被用來表征暴露結(jié)束時(shí)間點(diǎn)的擴(kuò)散系數(shù).由于擴(kuò)散系數(shù)隨著時(shí)間的延長而減小，在暴露結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，擴(kuò)散系數(shù)是被高估的［6］.

Stanish 等［9］提出了一種用于建立表觀擴(kuò)散系數(shù)與即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)聯(lián)系的方法.該方法通過求解一個(gè)特定時(shí)間teff，使得teff時(shí)刻的即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)等于從tex時(shí)刻開始暴露于氯鹽環(huán)境且暴露時(shí)間為t 的表觀擴(kuò)散系數(shù)Dapp(t)，即

運(yùn)用這種方法，可以根據(jù)不同的養(yǎng)護(hù)齡期tex、暴露時(shí)間t 及時(shí)間依賴性常數(shù)m，求得各暴露時(shí)間下表觀擴(kuò)散系數(shù)所對(duì)應(yīng)的有效時(shí)間teff.

2.4 即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性常數(shù)

利用式(5)計(jì)算得到的各暴露時(shí)間下表觀擴(kuò)散系數(shù)所對(duì)應(yīng)的有效時(shí)間teff見表4.利用式(3)對(duì)各養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土表觀擴(kuò)散系數(shù)與對(duì)應(yīng)的有效時(shí)間teff進(jìn)行擬合，可以得到28 d 即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)及即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性常數(shù)n(見表5).

圖3為不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土的即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴性常數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線.由圖可知，即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性常數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，且增加幅度逐漸減緩.即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴性常數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期成平方根關(guān)系.對(duì)曲線進(jìn)行擬合，可以得到如下關(guān)系式:

表4 混凝土的有效時(shí)間 d

表5 不同養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土的即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴性常數(shù)和28 d 即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)

圖3 即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴性常數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線

3 結(jié)論

1)利用自然浸泡試驗(yàn)研究了養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)的影響.氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)與其在NaCl 溶液中的暴露時(shí)間和養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān).隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，表觀擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小，且減小幅度逐漸趨緩.養(yǎng)護(hù)齡期與表觀擴(kuò)散系數(shù)符合冪函數(shù)的關(guān)系.

2)表觀擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性關(guān)系未考慮養(yǎng)護(hù)齡期的影響，無法直接建立表觀擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性常數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的聯(lián)系.本文將表觀擴(kuò)散系數(shù)看作暴露時(shí)間內(nèi)即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的積分平均值，將表觀擴(kuò)散系數(shù)轉(zhuǎn)化為即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)，建立了養(yǎng)護(hù)齡期與即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴性常數(shù)的關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即時(shí)擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴性常數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期成平方根關(guān)系.

References)

［1］ 余紅發(fā)，孫偉，麻海燕，等.鹽湖地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測(cè)模型及其應(yīng)用［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，32(4):638-642.Yu Hongfa，Sun Wei，Ma Haiyan，et al.Prediction model for service life of reinforced concrete structures in salt lakes and its applications［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2002，32(4):638-642.(in Chinese)

［2］ Otieno M，Beushausen H，Alexander M.Effect of chemical composition of slag on chloride penetration resistance of concrete［J］.Cement and Concrete Composites，2014，46:56-64.

［3］ Thomas M D A，Bamforth P B.Modelling chloride diffusion in concrete:Effect of fly ash and slag［J］.Cement and Concrete Research，1999，29(4):487-495.

［4］ Leng Faguang，F(xiàn)eng Naiqian，Lu Xinying.An experimental study on the properties of resistance to diffusion of chloride ions of fly ash and blast furnace slag concrete［J］.Cement and Concrete Research，2000，30(6):989-992.

［5］ Mangat P S，Molloy B T.Prediction of long term chloride concentration in concrete［J］.Materials and Structures，1994，27(6):338-346.

［6］ Song Luguang，Sun Wei，Gao Jianming.Time dependent chloride diffusion coefficient in concrete［J］.Journal of Wuhan University of Technology:Materials Science Edition，2013，28(2):314-319.

［7］ 盧一亭，余紅發(fā)，馬好霞，等.海洋環(huán)境下混凝土自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，28(4):86-91.Lu Yiting，Yu Hongfa，Ma Haoxia，et al.Experiment on free chloride diffusion coefficient of concrete exposed to marine environment［J］.Journal of Architecture and Civil Engineering，2011，28(4):86-91.(in Chinese)

［8］ 曾翔超，余紅發(fā)，胡蝶.礦渣混凝土在海洋環(huán)境中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)演變規(guī)律［J］.硅酸鹽通報(bào)，2014(5):993-998.Zeng Xiangchao，Yu Hongfa，Hu Die.Research on chloride diffusion coefficient of SGC exposed to marine environment［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2014(5):993-998.(in Chinese)

［9］ Stanish K，Thomas M.The use of bulk diffusion tests to establish time-dependent concrete chloride diffusion coefficients［J］.Cement and Concrete Research，2003，33(1):55-62.

［10］ 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTJ 270—98 水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［11］ 余紅發(fā).鹽湖地區(qū)高性能混凝土的耐久性、機(jī)理與使用壽命預(yù)測(cè)方法［D］.南京:東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2004.

［12］ 宋魯光.持續(xù)荷載同干濕循環(huán)耦合作用下氯離子在混凝土中的傳輸性能研究［D］.南京:東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2015.

［13］ Takewaka K，Mastumoto S.Quality and cover thickness of concrete based on the estimation of chloride penetration in marine environments［J］.ACI Special Publication，1988，109:381-400.

［14］ Luping T，Nilsson L O.Rapid determination of the chloride diffusivity in concrete by applying an electric field［J］.ACI Materials Journal，1993，89(1):49-53.