混凝土中氯离子迁移的影响因素

混凝土中氯离子迁移的影响因素

在海洋环境下，混凝土结构的使用寿命与氯离子混凝土的迁移和钢筋的腐蚀有关。混凝土转移是一个极其复杂的过程，是一个运动形式的综合体，通过扩散、颗粒扩散和渗透等运动形式。除了受混凝土本身性能的影响外，它还受到各种环境因素的影响。因此，这是一个不稳定的过程。在这项工作中，我们试图研究混凝土暴露时间、凝结层材料吸附、应力、裂缝状态、室温等因素对混凝土中氯离子迁移的影响。1测试1.1粉煤灰的化学组成P·Ⅱ525硅酸盐水泥(GB175—92);比表面积为470m2/kg的矿渣微粉;Ⅱ级粉煤灰,它们的化学组成示于表1;比表面积为18000m2/kg的硅粉,其SiO2含量为92%(质量分数,本文中的含量、浓度等均为质量分数);配制混凝土的粗骨料为5～25mm连续级配碎石;砂的细度模数为2.4;减水剂为LEX-9H聚羧酸盐类高性能减水剂;拌和水为饮用水.1.2由复合聚凝材料组成和混凝土配合比通过前期的实验室试验和工程调查,确定试验用复合胶凝材料组成及混凝土配合比如表2.1.3测试方法(1)混凝土氯离子表观扩散系数的测定443—94,用浓度曲线法测试混凝土氯离子表观扩散系数.将混凝土试件浸泡于浓度为3.0%的NaCl溶液中至指定龄期后,从混凝土表面开始,以不大于2mm的厚度逐层取样,萃取并测定混凝土样品中的氯离子浓度,作出混凝土中的氯离子浓度-深度曲线,并用Fick第二定律进行非线性回归,以求得混凝土氯离子表观扩散系数.(2)混凝土试样的氯离子检测d后,浸泡于20℃的3%NaCl水溶液中.测定各龄期下混凝土试样内部的Cl-浓度变化,并计算其表观扩散系数,以考察暴露时间对混凝土氯离子扩散系数的影响.(3)不同环境浓度对混凝土中cl-的吸附量的影响d后,研磨成一定细度的粉末(不剔出集料),浸泡于不同浓度的NaCl水溶液中(试验温度为20℃).测定溶液中的Cl-浓度变化,并计算混凝土粉末中Cl-的吸附量,建立环境浓度与吸附量之间的关系.(4)不同温度对混凝土氯离子扩散系数的影响d后,浸泡于不同温度下、浓度为3%的NaCl水溶液中至一定龄期.测定混凝土试样内部的Cl-浓度变化,并计算其表观扩散系数,以考察环境温度对混凝土氯离子扩散系数的影响.2试验结果及分析2.1混凝土的稳定性不同胶凝材料组成的混凝土在人工海水浸泡下,其氯离子表观扩散系数Da的试验结果如图1所示.由图1可知,Da随暴露时间t的推移有降低的趋势,早期下降的幅度比后期大;掺有掺合料的混凝土氯离子表观扩散系数的衰减程度比纯水泥混凝土要大.在1年内,混凝土的Da随暴露时间t的变化趋势与Bamforth和Maage等的长期观测结果基本吻合.但文献,中的规律是建立在长期观察的基础上,而笔者目前所使用的混凝土在材料组成及性能上与数年或数十年前的混凝土有较大差别,因此,当前使用的混凝土是否仍适用这一规律尚需要深入研究.氯离子在混凝土中的迁移是非稳定的,其表观扩散系数Da随混凝土在氯盐环境中暴露时间的推移而逐渐减小.文献发现,在海水中浸泡3年的混凝土试块的氯离子扩散系数要远小于其在同等条件下浸泡1年的氯离子扩散系数,Bamforth等也证实了这一点,混凝土即使浸泡30～50年后其氯离子扩散系数仍然有降低的趋势.原因在于:其一,水泥等胶凝材料的水化及二次水化是一个长期过程,持续不断的水化进程不仅使得混凝土的后期强度有所增长,水泥浆体的孔隙率和孔隙尺寸也在不断降低,从而降低了混凝土的渗透性能;其二,混凝土表面暴露于海水中时,会发生离子交换,镁、钾等离子能逐步填塞混凝土中的孔隙,同时胶凝材料对Cl-的吸附在一定程度上也促使了表观氯离子扩散系数进一步减小.2.2混凝土中氯离子的吸附机理将胶凝材料组成不同的混凝土粉末放入不同浓度的NaCl水溶液中浸泡28d,测定混凝土中氯离子含量,以寻找吸附Cl-浓度cb与自由Cl-浓度cf之间的关联,其试验结果如图2所示.图2表明,不同胶凝材料对氯离子均有一定的吸附作用,但掺有掺合料的混凝土吸附能力大于纯水泥混凝土;氯离子吸附量随环境中氯离子浓度的增大而增加.采用cb=Acf的线性关系式,对试验数据进行回归分析,发现cb与cf线性相关,并且相关性良好.其分析结果如表3所示.混凝土中的氯离子至少包括2部分,即溶解于孔隙水中的自由氯离子和物理或化学吸附于胶凝材料水化物中及其表面的氯离子.但是,只有自由氯离子才会穿过混凝土保护层,并参与钢筋的腐蚀过程.因此,胶凝材料对氯离子的吸附主要在2个方面影响钢筋的锈蚀时间——也可以认为是其使用寿命:(1)由于吸附作用,使参与渗透的自由氯离子数量减少,氯离子在混凝土中的传输速度减慢;(2)降低钢筋表面的氯离子浓度.2.3温度对deff的影响不同环境温度下胶凝材料组成不同的混凝土Da值的试验结果如图3所示.从图3可以看出,环境温度对于混凝土的氯离子表观扩散系数影响很大,如10℃时的Da测定值仅为40℃时的1/3～1/4.虽然关于环境温度对于氯离子运动速率的影响在国内外已有共识,但由于氯离子渗透研究工作的难度和时间上的要求,环境温度对海洋环境下氯离子在混凝土中渗透的影响研究并不多.一般来说,钢筋腐蚀速率随环境温度的上升而增加.比较年平均温度在10℃左右的北欧地区和年平均温度在30℃左右的中东地区的海工混凝土,可发现不同环境温度下氯离子的有效扩散系数Deff差别明显,北欧地区海工混凝土的Deff只有同期中东地区同类混凝土的1/4.2.4拉应力状态下的混凝土裂缝中氯离子扩散系数将增混凝土所处的应力状态将在多方面影响氯离子在混凝土中的迁移.处于压应力状态下的混凝土中氯离子扩散系数将比处于无应力状态下的小,而处于拉应力状态下的混凝土中氯离子扩散系数则较无应力状态下的大.混凝土开裂会影响到氯离子进入混凝土中的扩散速率,进而影响其使用寿命.在裂缝部位,氯离子的扩散不再是半无限大的一维扩散.裂缝中将充满盐水,在裂缝面也将存在氯离子的扩散现象.因此,裂缝区域混凝土的氯离子扩散系数将有所增大,邻近裂缝区域的钢筋表面的氯离子浓度相比较于无裂缝区域将有所增加.3环境对混凝土中氯离子的吸附混凝土的氯离子表观扩散系数随暴露时间的推移而衰减,掺有掺合料的混凝土其衰减程度要大于