黃 俊，張 昀，張 杉，莊華夏，周巧萍

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014）

潮差環(huán)境下砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機性

黃 俊1，張 昀1，張 杉2，莊華夏2，周巧萍2

（1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014）

通過自然海洋潮差環(huán)境下砂漿氯離子侵蝕的現(xiàn)場試驗，根據(jù)測試得到的砂漿中的自由氯離子濃度分布情況，分析了砂漿中氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機性。結(jié)果表明，在自然潮差環(huán)境下，砂漿均出現(xiàn)了氯離子侵蝕的對流區(qū)；砂漿中氯離子侵蝕對流區(qū)厚度均值為4～6mm；可用正態(tài)分布描述砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機性；暴露時間、摻合料及水灰比等對其隨機特性的影響不明顯。

潮差環(huán)境；砂漿；氯離子；對流區(qū)；隨機性

引 言

由氯離子引起的鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的耐久性問題，在氯離子引起鋼筋銹蝕的機理、考慮荷載等耦合影響及其防治措施等研究方面，已取得了不少的研究成果［1，2］。在干濕循環(huán)環(huán)境下的水泥基材料，無論是混凝土還是水泥砂漿，其孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對氯離子遷移過程都有重要影響［3，4］。

一般地，國內(nèi)外學者傾向于用Fick第二定律及其恒定邊界條件的非穩(wěn)態(tài)解析解來分析混凝土或砂漿中氯離子的傳輸過程，但干濕循環(huán)條件下的氯離子侵蝕機理不同，該定律在恒定邊界條件的解析解忽略了對流效應，得到的結(jié)果并不令人滿意［3］。干濕交替區(qū)的混凝土或砂漿表層存在對流和擴散耦合的區(qū)域，即對流擴散區(qū)域，其氯離子含量峰值距離表面的深度即為對流區(qū)厚度［3～7］。由于受環(huán)境因素及材料等的隨機性的影響，對流區(qū)厚度實際上應該是一個隨機變量，它是氯離子侵蝕環(huán)境下水泥基材料構(gòu)件的耐久性壽命評價的主要參數(shù)之一［3～8］。

目前，關于氯離子侵蝕對流區(qū)厚度有一些研究成果［3］，如Gehlen在不考慮距氯離子源距離時，通過對127條海洋環(huán)境的混凝土氯離子侵蝕曲線的分析，認為對流區(qū)深度符合Beta分布［5］，但多是其平均值的研究，而對其隨機特性的研究很少，尤其是對水泥砂漿氯離子對流區(qū)厚度［9］。氯離子在混凝土或砂漿中的侵蝕機理、對流區(qū)厚度及其隨機特性等，與膠凝材料體系的孔隙結(jié)構(gòu)、干濕循環(huán)時間比例和漿體結(jié)合氯離子性能等有關［9，10］。

本文基于自然海洋潮差區(qū)氯離子環(huán)境下的現(xiàn)場暴露試驗測試得到的3種水灰比、5種規(guī)格和不同暴露時間后的水泥砂漿中自由氯離子濃度，研究了不同水灰比、不同暴露時間及摻合料的砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度，并分析了其隨機分布特性及影響因素。分析的結(jié)論可為深入研究水泥基材料的氯離子侵蝕機理、控制水泥基材料中氯離子遷移以及混凝土構(gòu)件的耐久性壽命評估等提供一定的參考。

1 試驗砂漿的原材料和配合比

1.1 試驗砂漿的原材料

按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）［11］，制作的水泥砂漿試件采用的原材料如下：

細骨料為細度模數(shù)為2.4的中細河沙（級配合格），表觀密度為2 600kg/m3；拌合水和養(yǎng)護水均采用杭州當?shù)刈詠硭?；水泥為錢潮牌 P.C32.5復合硅酸鹽水泥，水泥密度為3 100kg/m3；短切火成巖纖維由浙江某火成巖纖維有限公司生產(chǎn)，纖維單絲直徑為17～20 μm，抗拉強度為390～450 MPa，密度為2 800kg/m3；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，購自杭州某建材有限公司生產(chǎn)的商品粉煤灰。

1.2 砂漿的配合比

試驗砂漿單位用水量為280kg，為了研究水灰比對砂漿氯離子侵蝕的影響，現(xiàn)場試驗采用0.40、0.50和0.60共3種不同的水灰比?，F(xiàn)場試驗砂漿的配合比設計見表1［12］。

同時，為研究摻加火成巖纖維和粉煤灰對砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的影響，還設計了水灰比為0.50時，分別摻加上述摻合料的現(xiàn)場試驗試件，如表2所示［12］。

表1 現(xiàn)場暴露試驗砂漿配合比

表2 現(xiàn)場試驗砂漿編號及強度

2 試驗環(huán)境與試驗方法

2.1 試驗環(huán)境

砂漿氯鹽侵蝕試驗現(xiàn)場，位于浙江舟山定海新城某濱海碼頭附近灘涂的潮差區(qū)內(nèi)。根據(jù)氣象資料，該區(qū)域的年平均氣溫約為 20℃；每天被海水浸沒的時間約4 h，干濕循環(huán)時間比為5：1；該區(qū)域海水中年平均游離氯離子含量約為13 000 mg/L［12］。

2.2 現(xiàn)場暴露試驗方法

試驗試件為直徑d=100mm，高度h=50mm的圓柱型試件。試件成型之后，標準養(yǎng)護28 d后，在其側(cè)面和成型面涂上環(huán)氧樹脂，然后將所有試件按批次放置在定制鋼筋籠中，通過鋼絲繩將鋼筋籠固定在試驗現(xiàn)場。制備試件的同時，按規(guī)范制備各規(guī)格的3個立方體抗壓強度試件，28 d標準養(yǎng)護后測定其抗壓強度，強度值見表2。

現(xiàn)場試驗設置多個取樣時間點?？紤]到暴露初始氯離子侵蝕較快，第一批和第二批暴露時間分別為60 d和120 d；之后的間隔時間為120 d，共6批；暴露的總時間為5×120=600 d。為消除隨機性對試驗結(jié)果的影響，每個批次每種規(guī)格制備5個試件。因此，5種規(guī)格（3種水灰比）和6個取樣時間點的試件總數(shù)為5×5×6=150個。

2.3 砂漿中的自由氯離子濃度

至設定取樣時間點時，到現(xiàn)場取回對應侵蝕時間的試件，在室內(nèi)進行氯離子濃度測試。方法是：從試件表面開始向內(nèi)研磨粉末，以每2mm厚度粉末的平均氯離子濃度作為對應深度處的氯離子濃度值，研磨至20mm止，各試件均取得10個樣本濃度值。本文所述的氯離子濃度均為砂漿中自由氯離子占砂漿粉末的質(zhì)量百分比［12］。

3 砂漿氯離子侵蝕對流區(qū)厚度隨機性分析

3.1 砂漿中的自由氯離子濃度

按照上述試驗方法測試得到的各規(guī)格、各時間段試件中的自由氯離子濃度，各試件均出現(xiàn)了對流區(qū)［12］，對流區(qū)厚度4～6mm。符合自然干濕循環(huán)下的侵蝕現(xiàn)象［3，5］；而室內(nèi)自然擴散法（浸泡）無法模擬這一現(xiàn)象［9］。

圖1是自然潮差環(huán)境下暴露360 d后試驗砂漿自由氯離子濃度的（5個試件的平均值）分布。

圖1 自由氯離子濃度平均值分布

3.2 氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機性分析

干濕交替區(qū)表層氯離子峰值及對流區(qū)的形成是水泥基材料的表層對流效應與擴散效應耦合的結(jié)果，而影響這種耦合作用的自然環(huán)境因素有很強的隨機性。因此，峰值濃度及對流區(qū)厚度也存在隨機性。為研究暴露時間及摻合料等因素對砂漿氯離子對流區(qū)厚度隨機性的影響，分別統(tǒng)計和分析了各時間段、不同規(guī)格的砂漿氯離子對流區(qū)厚度的隨機分布及參數(shù)。

1）對流區(qū)厚度的均值

6個暴露時間段的砂漿氯離子對流區(qū)厚度的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，暴露時間對其均值的影響并不明顯。如水灰比0.50砂漿（C2），對流區(qū)厚度平均值隨暴露時間的延長有所增加，但增加不大，如表3。

表3 厚度均值隨暴露的時間變化與分布類型

分析結(jié)果還表明，摻和料和水灰比對砂漿對流區(qū)厚度的均值影響也并不明顯。根據(jù)各個暴露時間段6批（1個時間段共5種規(guī)格，每種規(guī)格5個）30組砂漿試件中對流區(qū)厚度的統(tǒng)計，各規(guī)格砂漿中氯離子的對流區(qū)厚度均值為4～6mm，這與混凝土的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度均值相當［3，5］。根據(jù)統(tǒng)計，C1、C2、C3、C4和C5的各規(guī)格6批30個試件的對流區(qū)厚度均值分別為 4.93mm、4.80mm、4.93mm、4.73mm和5.47mm；其中，C5（摻20 %水泥質(zhì)量的Ⅰ級粉煤灰）的最大（5.47mm），說明摻加粉煤灰對砂漿的對流區(qū)厚度有一定的影響，但并不明顯。

2）對流區(qū)厚度的概率分布

分別以正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和極值I分布進行對流區(qū)厚度分布的假設檢驗，結(jié)果表明，暴露時間、摻合料和水灰比等對氯離子對流區(qū)厚度分布的影響也不明顯。如表3中，水灰比0.50砂漿（C2）6個暴露時間段中，4個時間段內(nèi)的對流區(qū)厚度為對數(shù)正態(tài)分布。分析表明，30組砂漿試件中，20組為對數(shù)正態(tài)分布，10組為極值I分布。

圖2是不同暴露時間后，砂漿C2的對流區(qū)厚度的概率分布密度函數(shù)。

圖2 概率密度分布

由于摻合料、暴露時間和水灰比等因素對砂漿氯離子侵蝕的對流區(qū)厚度的影響不明顯，在不考慮這些因素時，在本文所述的自然潮差環(huán)境下，統(tǒng)計150個砂漿試件氯離子侵蝕的對流區(qū)厚度，其均值為4.97mm，為正態(tài)分布，密度函數(shù)為：

圖3是自然潮差環(huán)境下砂漿氯離子侵蝕的對流區(qū)厚度的概率分布密度函數(shù)。

圖3 概率密度分布

因此，在總體上，砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度屬于正態(tài)分布。考慮到摻合料、暴露時間和水灰比等因素對氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的影響均不明顯，這一結(jié)論符合中心極限定理。

4 結(jié) 論

1）在自然潮差環(huán)境下，水泥砂漿均出現(xiàn)了氯離子侵蝕的對流區(qū)。

2）在自然潮差環(huán)境下，砂漿中氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的均值為4～6mm；暴露時間、摻合料和水灰比等因素對砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度的隨機特性的影響不明顯。

3）在不同的暴露時間段內(nèi)，砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度大多數(shù)都屬于對數(shù)正態(tài)分布；但在總體上，可以正態(tài)分布描述砂漿的氯離子侵蝕對流區(qū)厚度。

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Randomness of Convection Region Thickness of Mortar Chloride Ion Erosion in Tidal Range Environment

Huang Jun1，Zhang Yun1，Zhang Shan2，Zhuang Huaxia2，Zhou Qiaoping2
（1.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China； 2.College of Architecture & Civil Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310014，China）

Based on the field test of mortar chloride ion erosion in natural tidal range environment，the concentration distribution of free chloride ions in mortar is used to analyze the randomness of convection region thicknesses of chloride ion erosion in mortar.The analysis results show the occurrence of convection region of mortar chloride ion erosion in natural tidal range environment，and the mean thickness of convection regions is 4～6mm.The randomness of convection region thickness can be described by normal distribution.The exposure time，admixtures and water-cement ratio have no obvious influence on the randomness of convection region thickness.

tidal range environment； mortar； chloride ion； convective region； randomness

TV43

A

1004-9592（2016）05-0001-4

10.16403/j.cnki.ggjs20160501

2016-01-25

國家自然科學基金項目（51279181）

黃?。?987-），男，博士研究生，主要從事工程結(jié)構(gòu)耐久性研究。