水位变动区域混凝土中氯离子扩散试验研究

水位变动区域混凝土中氯离子扩散试验研究

0关于氯离子在混凝土中的扩散性能的研究进展metisa指出，混凝土破坏的主要原因是钢筋侵蚀、冷气候条件下的冻伤和侵蚀环境中的物理和化学性质作用，以及氯离子侵蚀。氯离子在混凝土中的侵蚀是各国学者研究的热点,关于这方面的研究取得了许多成果,这对于明确氯离子在混凝土中的扩散性能具有重要意义。其中也有部分学者考虑了荷载作用和环境特点而进行相关研究,但多集中在实验室全部浸泡条件下,如弯曲荷载作用下浸泡于盐水中的氯离子扩散性能,长期持续荷载对素混凝土氯离子渗透性能的影响等。这些研究成果对于模拟水下区域混凝土结构的氯离子扩散性能具有重要意义。现场调研表明,干湿交替的环境条件普遍存在,而且钢筋锈蚀也更为严重,因此分析干湿交替环境下,荷载作用对氯离子在混凝土中的渗透扩散影响非常必要。1试验总结1.1试验加载制度试件为100mm×100mm×400mm的混凝土小梁。试验因素为混凝土强度等级和荷载作用方式。混凝土强度等级为C25和C35,相应的水灰比分别为0.58和0.45。试验加载方式为:持续三分点加载,采用2种荷载水平0.3Pu和0.6Pu,Pu为试件弯拉强度。试验环境条件为:①在质量分数为3.5%的NaCl溶液中进行干湿循环;②在持续加载状态下,在质量分数为3.5%的NaCl溶液中进行干湿循环。试验方案见表1。1.2水泥、混凝土砂配制2种混凝土强度等级C25和C35。水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥;砂为中砂;粗骨料为碎石,最大粒径20mm;水为饮用水。混凝土配合比和28d弯拉强度见表2。1.3凝土试件加载加载装置如图1所示。通过拧紧螺栓对混凝土试件进行三分点加载,在每个钢筋拉杆的加载端都有1个压力环。荷载的大小通过与静态电阻应变仪相连接的压力环来控制。1.4渗透面面试件在钢模中浇注,24h后拆模,再洒水养护28d。用于干湿循环试验工况的试件,将2个正方形截面和3个长方形截面的表面浮浆磨去,用酒精清洗干净后,用环氧树脂涂刷封闭,只留1个长方形截面作为渗透面;用于持续三分点加载作用和干湿循环试验工况的2个试件,受拉面和受压面均作为渗透面。在浸泡试验前,取3根试件进行弯拉强度测试,确定试件加荷值。荷载比P/Pu分别取0.3、0.6,P为施加应力。2个试件为1组,每个试件留出的2个渗透面分别作为受拉面和受压面。将试件放置在2.0m×1.5m×0.5m的铁箱中,同时进行模拟水位变动区域的干湿交替试验。湿循环时,NaCl溶液应淹没试件上表面。试验期间定期检测NaCl溶液浓度,使其质量分数保持在3.5%左右。试验时间t分别为35、70、120、180d。1.5研磨面与暴露面的变化每到预定的试验时间,取出相应的试件,在暴露面从中间100mm区段位置分层取出粉末试样,对持续弯曲荷载作用试件分别从受拉面和受压面的纯弯段取样。研磨面与暴露面平行,分层深度为:0～3、3～6、6～9、9～12、12～15、15～20mm。将取出的混凝土粉末试样每层都通过孔径0.63mm的筛进行筛取,分别装入铝土盒中,置于(105±5)℃烘箱中烘2h,取出后放入干燥器,冷却至室温,根据文献中规定的方法测试混凝土中的氯离子含量。2氯离子含量的影响因素2.1混凝土中氯离子的含量C25、C35混凝土试件在盐水中进行干湿循环35、70、120、180d后氯离子含量分布见图2(图2中氯离子含量为氯离子质量与混凝土质量的百分比,后文同)。从图2可以看出,提高强度、降低水灰比可以减弱氯化物在混凝土中的扩散。由于试验时间相对比较短,氯离子在混凝土中的渗透仅在距离混凝土表面一定深度处比较明显。这里以距离混凝土试件表面4.5mm处为例来说明荷载对不同混凝土强度在相同深度处氯离子渗透的影响,见图3。从图3可以看出:在相同的暴露期,C25混凝土中氯离子的含量高于C35中氯离子的含量;随着混凝土强度增加、水灰比降低,同一深度处的氯离子含量也在减小。试验结果表明,混凝土强度和水灰比对氯离子在混凝土中的扩散存在影响,主要原因是水灰比减小,导致混凝土内部的孔隙率减小,混凝土密实度增加,抗渗透性增强,因此氯离子在混凝土中的扩散速度减小。2.2弯曲负荷2.2.1混凝土中氯离子含量的影响部分加载混凝土试件中的受拉区与未加载混凝土试件中氯离子含量沿渗透深度的分布见图4。由图4可以看出:随着荷载的增大,受拉区混凝土中的氯离子含量增加。在弯曲荷载作用下,在受拉区产生的拉应力使得混凝土微观结构逐步劣化,表面及内部产生微裂纹乃至微裂缝损伤,随着微裂纹或微裂缝的发展、扩张,氯离子在混凝土中的扩散和渗透速度加快,从而使更多的氯化物渗入混凝土中,导致氯化物含量增加。Konin等对普通混凝土和高强混凝土的研究也得到了相似的结论。同样以距离混凝土表面4.5mm处为例,说明加载情况对氯离子在受拉区混凝土渗透的影响,试验结果见图5。从图5可以看出:随着荷载的增加,C25、C35混凝土在同一深度处的氯离子含量都呈现增大的趋势。当在NaCl溶液中干湿循环时间较短时(t=35d),氯离子含量变化不大,荷载作用不明显;随着干湿循环时间的增长,同一深度处氯离子含量随着荷载的增大明显增大。在相同的暴露时间,氯离子在受拉区混凝土中的渗透扩散程度高于未加载混凝土。同时可以看出,即使在受拉荷载作用条件下,C35混凝土中氯离子含量也低于C25混凝土中的氯离子含量。2.2.2荷载比作用下的氯离子含量加载混凝土试件中的受压区与未加载混凝土试件中氯离子含量沿渗透深度的分布见图6。从图6可以看出,随着荷载的增大,受压区混凝土中的氯离子含量减小。这主要是由于在弯曲荷载作用下,试件受压区产生的压应力使混凝土中的毛细孔受到压缩,限制了微裂缝的出现,从而使氯化物通过毛细孔进行渗透变得更加困难,在一定程度上抑制了氯离子在混凝土中的渗透扩散,相应地渗入到混凝土中的氯离子含量也随之减小,外部荷载越大,这种作用越显著。由于混凝土本身的离散性以及取样和化学分析过程中的误差,个别深度处的氯离子含量不服从这种规律,但这并不影响整体的规律性。以距离混凝土表面4.5mm处为例,不同荷载比作用下加载混凝土试件的受压区与未加载混凝土试件在相同深度处的氯离子含量比较见图7。从图7可以看出,随着荷载的增加,同一深度处的氯离子含量在减小。当荷载比较小时,受压区混凝土中的压应力也相应较小,其氯离子含量与未加载的混凝土试件相比变化不大,这说明压应力较小时对抑制氯离子在混凝土中的渗透扩散作用不明显。在相同的暴露时间,受压区混凝土中氯离子的含量随着荷载的增大而减小。3氯离子扩散系数3.1试验结果分析在混凝土中氯化物渗透最普遍的传输机理是扩散、毛细管吸附和渗透,这3种传输方式可能同时发生,也可能以1种为主;然而,当计算氯化物在混凝土中的侵蚀时,通常假设氯化物在混凝土中的侵蚀遵循Fick第二定律。当初始条件为t=0、x>0时,C=0;当边界条件为x=0、t>0时,C=Cs,Fick第二定律的解为C(x,t)=Cs[1−fer(x2Dct√)](1)C(x,t)=Cs[1-fer(x2Dct)](1)式中:Cs为混凝土暴露表面的氯离子质量分数,等于暴露环境介质的氯离子质量分数;t为混凝土暴露于氯离子环境中的时间;x为氯离子在混凝土中的侵蚀深度;fer为误差函数fer(u)=2π√∫u0e−t2dt(2)fer(u)=2π∫0ue-t2dt(2)根据式(1),利用最小二乘法通过优化得到氯离子扩散系数、表面氯离子质量分数和变异系数δ。在荷载作用下不考虑时间变化的试件表面氯离子扩散系数的试验结果见表3。从表3可以看出:①随着作用在试件上的荷载增大,试件受拉区中的氯离子扩散系数增大,而受压区中的氯离子扩散系数在相应地减小;由于混凝土的离散性和测量误差,造成部分试验结果出现异常;②应力性质对氯离子扩散性能影响明显,在相同应力值下,拉应力作用下的氯离子扩散系数是压应力作用下氯离子扩散系数的2～3倍;③随着混凝土强度等级增大、水灰比减小,氯离子扩散系数减小。3.2氯离子长期毒性分析将每组试件在相同的表面质量分数下对氯离子扩散系数进行拟合,研究氯离子扩散系数随时间的变化规律,试验结果见表4。从表4可以看出,根据每组试件实测的离子浓度,用式(1)计算得到的氯离子扩散系数Dc并不是常数,而是一个变量,其总的趋势是随时间增长而逐渐降低,如试件C25-CX和C35-CX,经过180d渗透后的氯离子扩散系数均小于35、70、120d的扩散系数。混凝土的成熟度对氯离子的扩散有很大的影响,因此,考虑时间因素的影响来预测氯离子长期浓度比较符合实际情况。以Fick第二定律为基础,考虑氯离子扩散系数随时间的变化D(t)=D1t-m(3)式中:D(t)为暴露时间t时的扩散系数;D1为暴露1a时的扩散系数;m为经验系数。Fick第二定律的解可以表示为C(x,t)=Cs{1−fer[x2D1t1−m/(1−m)√]}(4)C(x,t)=Cs{1-fer[x2D1t1-m/(1-m)]}(4)按式(4)拟合得到的各组氯离子扩散系数见表5。对比表3、5可以看出,考虑氯离子扩散系数随时间变化时,回归变异系数比未考虑时间变化的情况小,回归结果离散性小。在施加荷载以后,氯离子扩散系数在120、180d时的变化有些波动,荷载作用和时间在混凝土结构不同阶段对氯离子扩散系数是否存在不同程度的复合影响,还有待于进一步分析研究。4拉应力作用中的氯离子作用,在压力(1)混凝土的强度等级和水灰比是影响氯离子在混凝土中扩散速度的重要因素。随着混凝土的强度等级提高、水灰比减小,氯离子在混