張立明，余紅發(fā)

ZHANG Liming, YU Hongfa

腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的早期破壞現(xiàn)象非常普遍,其原因是環(huán)境中自由氯離子進入混凝土內(nèi)部,引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕,同時環(huán)境中的硫酸根引起混凝土劣化,促進了自由氯離子擴散性。因此混凝土氯離子擴散性是腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的主要考慮的因素之一,并成為國內(nèi)外學者[1-4]關(guān)注的焦點。目前,對混凝土氯離子擴散性的研究主要集中在室內(nèi)環(huán)境下的單一氯鹽溶液[5-8],對氯鹽、硫酸鹽復(fù)合溶液[7-11]的研究還不多見,對現(xiàn)場環(huán)境下[12-13]混凝土結(jié)構(gòu)氯離子擴散性研究就更少了。目前對腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測主要依賴于室內(nèi)試驗的結(jié)果，如果能夠建立混凝土氯離子擴散性的室內(nèi)環(huán)境與現(xiàn)場暴露環(huán)境之間聯(lián)系,今后就可以以室內(nèi)氯離子性試驗為基礎(chǔ),以內(nèi)外關(guān)系為紐帶,更準確地預(yù)測實際環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子擴散性。因此,建立室內(nèi)環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境之間聯(lián)系,利用室內(nèi)外關(guān)系對氯離子擴散方程進行修正,并驗證修正模型的準確性,是本文的研究目的。最后將其應(yīng)用到實際工程的壽命預(yù)測。

1 試驗計劃

1.1 原材料及配合比

水泥、硅灰、減水劑和粗細集料等原材料為項目組統(tǒng)一購買,其物理及化學指標見文獻[9]?；炷翗?gòu)件的配合比、抗壓強度、坍落度、含氣量見表1。

1.2 試驗程序

1.2.1 室內(nèi)浸泡和現(xiàn)場暴露試驗

腐蝕溶液為青海察爾汗鹽湖的鹵水,其化學成分見表2。

混凝土構(gòu)件的配筋圖及模具見圖1,混凝土拌合后,測定其工作性后,澆筑到成型后, 在標準條件下養(yǎng)生28 d后,分別在室內(nèi)腐蝕溶液進行浸泡試驗和國道215K617+900處進行現(xiàn)場暴露試驗見圖2。

圖1 構(gòu)件配筋及模具尺寸

混合料水膠比原材料質(zhì)量/(kg·m-3)水泥硅灰砂石子PCA?I水坍落度/mm含氣量28d抗壓強度/MPaC300533680—7351103—1957564313C500354122—687114514216016846586C80SF1002353105970810625851364635806

SF-silica fume; PCA?(I)-Sup- performance( water reducing admixture)

表2 青海察爾汗鹽湖鹵水化學成分

圖2 鹽湖暴露站

1.2.2 混凝土取樣和氯離子分析測試

混凝土構(gòu)件在室內(nèi)浸泡和現(xiàn)場環(huán)境下,分別暴露了90 d、270 d、493 d和721 d。采用如圖3所示的位置對其進行鉆孔取樣,取樣方法和化學分析方法詳見文獻[14]。

圖3 鉆孔位置布置圖

圖4 二維氯離子擴散模型

2 混凝土氯離子擴散模型及室內(nèi)外轉(zhuǎn)換關(guān)系的方法

2.1 混凝土氯離子擴散理論模型

采用文獻[15]基于Fick’s第二定律推導(dǎo)的二維氯離子擴散理論模型：

(1)

式(1)中：L1、L2分別為混凝土梁截面的寬度和厚度；t為混凝土暴露于Cl-環(huán)境中的時間；x和y分別為L1和L2方向的擴散深度；Cf為t時刻(x,z)坐標位置處的自由Cl-含量；C0為混凝土內(nèi)部初始Cl-含量；CS為混凝土表面Cl-含量,按照實測的Cf-y之間的一元二次多項回歸式計算確定；m、n為計算時的迭代次數(shù)；Dt為t時刻的混凝土表觀Cl-擴散系數(shù),可用編制好的SAS程序計算得出,計算時取L1= 100 mm、L2= 75 mm,C0=0 、x=30 mm、y分別為2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm和22.5 mm。

氯離子結(jié)合能力計算如式(2)所示：

(2)

式(2)中:Cb為結(jié)合氯離子、Cf為自由氯離子。

2.2 室內(nèi)外關(guān)系轉(zhuǎn)變的方法

選擇室內(nèi)溶液浸泡為標準環(huán)境,現(xiàn)場暴露環(huán)境與標準環(huán)境的轉(zhuǎn)換系數(shù)用K表示：

(3)

式(3)中：Z為浸泡環(huán)境下的氯離子擴散參數(shù)；Z1為現(xiàn)場暴露環(huán)境下的氯離子擴散參數(shù)。

實際混凝土結(jié)構(gòu)氯離子擴散參數(shù)F可用式(4)表示：

F=KZ

(4)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 混凝土自由氯離子結(jié)合能力R

從圖5可知：混凝土的氯離子結(jié)合能力是混凝土自身的特性,它與混凝土自身的配比有關(guān),與試驗環(huán)境無關(guān)。隨著抗壓強度的增大而增大。

圖5 混凝土氯離子結(jié)合能力

3.2 混凝土表面自由離子含量Cs

表面自由氯離子含量是根據(jù)滴定試驗測得的平均深度為2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm和22.5 mm的自由氯離子含量。利用電子表格進行二次項回歸, 得到自由氯離子含量與擴散深度的關(guān)系式。當深度x=0時,計算得到混凝土表面自由氯離子含量CS值。從圖6可知：混凝土構(gòu)件表面自由氯離子含量(CS)隨著腐蝕時間的增加先快速增加后趨于穩(wěn)定,隨著混凝土抗壓強度的增加而降低,長期浸泡環(huán)境下混凝土CS大于其在現(xiàn)場環(huán)境下CS。

圖6 混凝土表面自由氯離子含量(Cs)與腐蝕時間的關(guān)系

混凝土表面氯離子含量可用式(5)表示：

CS=CS0(1-e-st)

(5)

式(5)中：Cs0為最大表面自由氯離子含量,CS為混凝土表面自由氯離子含量,t為腐蝕時間。

3.3 混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)

利用式(1)可計算出,各混凝土的表觀自由氯離子擴散系數(shù)(Dt)。不同腐蝕時間表觀自由氯離子擴散系數(shù)可用式(6)[15]表示：

(6)

式(6)中：Dt為混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)/10-7mm2s-1,D0為腐蝕28 d表觀自由氯離子擴散系數(shù)/10-7mm2s-1,t為腐蝕時間/d,t0是腐蝕時間28 d,m為時間依賴系數(shù)。

表3 混凝土氯離子擴散性參數(shù)

如圖7所示：混凝土構(gòu)件的Dt隨著暴露時間的增加而下降,隨著混凝土的抗壓強度增大而降低；長期浸泡環(huán)境下混凝土Dt大于其在現(xiàn)場環(huán)境下Dt。

圖7 混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)與腐蝕時間關(guān)系

4 基于室內(nèi)外相關(guān)系數(shù)的修正氯離子擴散模型及驗證

余紅發(fā)教授等[15]修正的氯離子擴散方程。

(7)

引入室內(nèi)相關(guān)性系數(shù)后式(7)變?yōu)橄率剑?/p>

(8)

式(8)中：Cf為t時刻自由氯離子含量/%,距表面距離為x處,CS0為長期浸泡環(huán)境下混凝土表面最大氯離子含量,D0為長期浸泡環(huán)境下混凝土28 d表觀氯離子擴散系數(shù),R為氯離子結(jié)合能力,m為時間依賴系數(shù),KC、KD和Km分別為CS0、D0和m的室內(nèi)外換算系數(shù),K為混凝土劣化系數(shù)取1,t為腐蝕時間/s。

5 模型驗證

對鹽湖現(xiàn)場暴露1546 d的C30、C50和C80SF10混凝土構(gòu)件取樣,測定距表面深度分別2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5 mm處的自由氯離子含量,分別用式(7)和式(8)計算各混凝土的不同深度處的自由氯離子含量。如圖8 所示：以室內(nèi)長期浸泡數(shù)據(jù)為基準式(7)預(yù)測混凝土構(gòu)件不同深度自由氯離子含量均大于現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù),預(yù)測數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)偏差很大；當考慮室內(nèi)外相關(guān)系數(shù)時式(8),預(yù)測混凝土構(gòu)件不同深度自由氯離子含量均與現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)接近,說明式(8)更適合預(yù)測鹽湖現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子含量。

圖8 1546 d混凝土自由氯離子含量實測值與計算值對比

6 結(jié) 語

研究了3種典型強度等級的混凝土構(gòu)件在室內(nèi)外環(huán)境下的氯離子擴散性,以長期浸泡環(huán)境為基準,引入室內(nèi)外轉(zhuǎn)換系數(shù)K, 對二維氯離子擴散模型進行修正,并對修正模型進行了驗證,主要得到以下結(jié)論：

1)混凝土構(gòu)件的Dt值隨著腐蝕時間的增加而下降,而CS值卻呈現(xiàn)出相反的規(guī)律,R值與腐蝕齡期無關(guān)；混凝土構(gòu)件的CS、R值均隨著其抗壓強度的增加而增大,而CS值卻呈現(xiàn)出相反的規(guī)律。

2) 混凝土構(gòu)件的氯離子結(jié)合能力(R)、表面自由氯離含量(CS)和自由氯離子擴散系數(shù)Dt的變化規(guī)律與試驗環(huán)境無關(guān),說明混凝土構(gòu)件氯離子擴散性符合室內(nèi)外相關(guān)性試驗的設(shè)計原則。

3)引入室內(nèi)外相關(guān)系數(shù)的修正氯離子擴散系數(shù)模型更適合預(yù)測鹽湖現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)的自由氯離子含量。

[1] 張立明,李長成,何忠茂. 浸泡與干濕循環(huán)混凝土氯離子結(jié)合能力[J].低溫建筑技術(shù),2014(5)：4-6．

[2] 張立明,李長成,何忠茂.干濕循環(huán)和暴露對混凝土氯離子結(jié)合能力相關(guān)性研究[J].粉煤灰綜合利用,2014(2)：8-10．

[3] Bernal Camacho J, Mahmoud Abdelkader S, Reyes Pozo E. The influence of ion chloride on concretes made with sulfate-resistant cements and mineral admixtures[J].Construction and Building Materials,2014,70(5):483-493．

[4] Liu X, Zhang N, Sun H, et al. Structural investigation relating to the cementious activity of bauxite residue-red mud [J]. Cem. Concr. Res,2011, 41 (2):847-853．

[5] 朱海威,余紅發(fā),麻海燕,等. 硅灰混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)影響因素的研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(10)：2753-2756．

[6] 盧劍雄,余紅發(fā),馮滔滔,等. 粉煤灰混凝土在海洋環(huán)境中的氯離子擴散系數(shù)演變規(guī)律[J].硅酸鹽通報,2015,34(7)：1731-1735．

[7] 曾翔超,余紅發(fā),胡蝶.礦渣混凝土在海洋環(huán)境中的氯離子擴散系數(shù)演變規(guī)律[J].硅酸鹽通報,2014,33(5)：993-998．

[8] 達波,余紅發(fā),胡蝶,等.海洋環(huán)境下礦渣混凝土的表面氯離子濃度規(guī)律[J].硅酸鹽通報,2014,33(5)：1059-1063．

[9] 張立明,余紅發(fā),何忠茂. 鹽湖地區(qū)混凝土的氯離子擴散性[J]. 中南大學學報：自然科學版,2011,42(6)：1752- 1755．

[10] 張立明,余紅發(fā).干濕循環(huán)次數(shù)對混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)的影響[J].湖南大學學報：自然科學版,2014,41(3)：25-30．

[11] 李強,余紅發(fā),張立明.凍融循環(huán)對粉煤灰混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報,2015,23(3):622-628．

[12] 趙暉,張亞梅,明靜.海工碼頭結(jié)構(gòu)混凝土耐久性檢測與評估[J].水利水運工程學報,2013,10 (5)：54-60．

[13] 丁威,馬孝軒,冷發(fā)光,等.格爾木鹽湖地區(qū)地下基礎(chǔ)混凝土分析評價和應(yīng)用措施[J].混凝土,2005(4):78-83．

[14] 胡蝶,麻海燕,余紅發(fā).礦物摻合料對混凝土氯離子結(jié)合能力的影響[J].硅酸鹽學報,2009,37(1)： 129-134．

[15] 余紅發(fā),孫偉,麻海燕,等.混凝土在多重因素作用下的氯離子擴散方程[J].建筑材料學報,2002,5(3): 240-247．