碳化作用对混凝土中氯离子扩散的影响

碳化作用对混凝土中氯离子扩散的影响

在高氧化浓度的城市和工业环境中，由于碳排放而导致的钢筋侵蚀是混凝土结构破坏的主要原因。它位于除冰盐和海洋环境外的混凝土结构中。氯离子侵蚀是钢筋腐蚀的主要原因。处于海洋环境尤其是海洋大气环境中的混凝土结构,长期受到氯离子侵蚀和碳化的双重作用,虽然引起混凝土中钢筋锈蚀的主要原因是氯离子侵蚀,但是碳化作用一方面会改变混凝土微观结构,从而影响氯离子的扩散进程。并且会使原来对钢筋无害的结合氯离子转化为对钢筋有害的自由氯离子,从而加速氯离子的扩散速度,缩短混凝土中钢筋发生锈蚀的时间。针对碳化与氯离子侵蚀双重作用下混凝土中的氯离子扩散性能,金祖权等、苏卿等、张鹏等通过将碳化混凝土浸泡到腐蚀溶液方式进行了研究,分析了碳化对混凝土中氯离子分布的影响。但是上述研究是通过先将混凝土碳化,再进行氯离子扩散的方式来考察碳化作用对氯离子扩散的影响,而处于海洋大气环境中的混凝土结构长期受到氯离子侵蚀和碳化的共同作用。Tumidajski等和Chindaprasirt等通过将混凝土浸泡在充入二氧化碳气体的腐蚀溶液方式进行了试验研究,分析了碳化作用对氯离子扩散的影响,但这又与混凝土碳化的气体腐蚀特征不符。实际结构发生碳化时,环境中的二氧化碳气体先是通过孔隙进入混凝土内部,然后在有水分存在条件下发生碳化反应。为更好模拟实际海洋大气环境,本研究采用盐溶液浸泡与碳化交替方式,通过测试混凝土中不同深度处的氯离子含量,研究碳化作用对混凝土中氯离子扩散的影响,并分析碳化混凝土中碳酸钙分布状况,为准确预测混凝土结构使用寿命奠定基础。1实验1.1试件的养护和碳化水泥为黑龙江省宾州水泥有限公司生产的虎鼎牌P·O42.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰为青岛鲁青粉煤灰公司生产的Ⅱ级粉煤灰,细集料为细度模数2.62的河砂,粗集料为5~20mm的碎石。混凝土配合比及抗压强度见表1。按表1配合比制备尺寸为100mm×100mm×300mm的混凝土试件。试件成型24h后拆模,放入标准养护室养护28d,然后置于自然环境中养护至90d,随后将试件2个正方形截面和3个长方形截面用环氧树脂涂刷密封,只留出一个长方形侧面作为渗透面。将密封好的试件在3.5%氯化钠溶液中浸泡7d,取出用布擦除试件表面水分,置于50℃烘箱中烘2d,取出冷却至室温后,将试件置于碳化箱中[二氧化碳浓度为(20±3)%,温度为(20±5)℃,湿度为(70±5)%]进行快速碳化。试件C1、试件C2、试件C3分别碳化2、3、4d后取出,置于自然环境中分别晾3、2、1d,为1个循环,共进行10个循环,其中每2个循环取出相应试件测试其碳化深度、碳酸钙含量和氯离子含量,同时更换NaCl溶液。切取试件中间100mm区段,沿渗透面用混凝土打磨机逐层磨取粉末,深度在0~10mm范围内每1mm取1个试样,深度大于10mm后每2mm取1个试样,每个试样均要通过0.63mm的筛,然后置于(105±5)℃烘箱中烘2h,取出后放入干燥器中冷却至室温备用。1.2测试1.2.1固碳深度按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)中的方法测试试件的碳化深度。1.2.2自由氯离子和总氯离子的配比按照《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270—98)分别测试计算试样中自由氯离子和总氯离子占混凝土的质量百分比。用碳酸钙含量数字压力分析仪(德国GMH3150)测试试样中的碳酸钙含量。2结果与讨论2.1深、深度碳氟含量随深度的变化图1为不同循环制度下混凝土中碳酸钙含量随深度分布图,图2为混凝土中碳酸钙含量随深度分布示意图。从图1可以看出,混凝土中的碳酸钙含量随着深度的增加而降低,其分布曲线可分为4个区段,如图2所示。第一区段即表面浮浆层,碳酸钙含量随深度增加而急剧降低,这主要是因为混凝土表面浮浆层中的氢氧化钙含量相对于基体混凝土较高,碳化后生成的碳酸钙含量较高,由表及里随着浮浆量的减少,碳酸钙含量也随之降低,最终接近基体混凝土完全碳化时的碳酸钙含量;第二区段即基体混凝土完全碳化区,基体混凝土完全碳化区长度较小,但随着碳化时间的延长呈增大趋势,此区段碳酸钙的含量基本保持恒定,其值约为10.5%;第三区段即基体混凝土部分碳化区,部分碳化区的长度约为7~10mm,此区段碳酸钙含量随深度的增加而降低;第四区段即混凝土未碳化区,此区段中碳酸钙属于基体混凝土中原有的,碳酸钙含量基本恒定,其值约为3.5%。总体上看,碳化时间对混凝土的影响主要体现在基体混凝土完全碳化区的长度变化上。2.2各犯碳时间及碳化时间采用化学试剂法对混凝土碳化深度进行测试,测试结果见表2。图3为混凝土碳化深度对比图。从图3可以看出,混凝土碳化深度随循环次数及碳化时间的增加呈增大趋势。表3为混凝土碳化与未碳化交界处(不变色边缘)的碳酸钙含量,其变化范围为5.4%~10.8%,平均值为7.6%,标准差为1.45%。将混凝土碳化与未碳化交界处的碳酸钙含量与图1比照发现,5.4%~10.8%的碳酸钙含量基本上对应混凝土部分碳化区,即用化学试剂法测试混凝土碳化深度时,碳化与未碳化交界处位于混凝土部分碳化区,而并非混凝土碳化的最前沿。2.3氯离子混凝土中的含量2.3.1循环次数对流场扩散的影响图4为不同循环制度下混凝土中自由氯离子和总氯离子含量随深度分布图。从图4可以看出,氯离子在混凝土中的迁移存在对流区和扩散区(见图5),在对流区氯离子主要以毛细管吸附的形式迁移,在扩散区氯离子主要以扩散的形式迁移;循环次数对对流区氯离子含量的影响并不明显,扩散区同一深度处的氯离子含量随循环次数的增加而提高;对流区中出现两个大小相近的氯离子含量峰值,其中第1个峰值是混凝土未经烘干时浸泡在盐溶液时由毛细管吸附作用形成的,第2个峰值是混凝土经过烘干和碳化后浸泡在盐溶液时由毛细管吸附作用形成的。由于氯离子含量峰值处的混凝土孔溶液一般处于饱和状态,且孔结构差别不大,因此两含量峰值的大小相近,不同循环制度对氯离子含量峰值的影响并不明显;随着循环次数的增加,第1个峰值的位置并无明显变化,而第2个峰值逐渐地向混凝土内部推移,说明对流区长度逐渐增大,扩散区长度未有明显变化,但其位置随之向内部推移。2.3.2提高混凝土中自由氯离子含量图6为10个循环时,不同碳化制度下混凝土中的自由氯离子和总氯离子含量分布图。从图6可以看出,碳化作用对混凝土中氯离子含量的影响主要体现在扩散区,即混凝土中同一深度处的氯离子含量随着碳化时间的延长而提高。虽然碳化作用会使部分结合氯离子释放出自由氯离子,从而提高混凝土中的自由氯离子含量。但从图6a和图6b可以看出,混凝土中氯离子含量随碳化时间延长而提高主要源于碳化作用导致的混凝土微观结构重分布,这也得到了部分学者的证实。苏卿通过测试碳化28d和未碳化粉煤灰混凝土的孔结构发现,碳化后混凝土的孔隙率有所降低,即由碳化前的6.8628%降为6.8107%,但碳化后混凝土的平均孔径和最可几孔径则由碳化前的38.68和20.05nm分别增大至45.71和33.52nm,而氯离子在混凝土中的扩散速度与混凝土孔径的平方成正比,因此碳化作用加快了氯离子扩散速度,从而提高了混凝土中的氯离子含量。3混凝土的阳离子传输特性采用盐溶液浸泡与快速碳化交替方式,研究了碳化作用对混凝土中氯离子扩散性能的影响,并对碳化混凝土中的碳化钙分布状况和碳化深度进行了深入分析,得出如下结论:1)碳化作用对混凝土中氯离子传输的影响主要体现在扩散区。碳化作用加快了混凝土中氯离子扩散速度,提高了混凝土中的氯离子含量。相对于碳化对结合氯离子的释放作用,碳化导致的混凝土微观结构重分布对氯离子扩散的加速作用占主导地