氯离子渗透对混凝土表层渗水系数及微观结构的影响.pdf
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1、锨 材 料 2 0 1 4 年第1 l 期( 4 5 ) 卷 文章 编号 : 1 0 0 1 9 7 3 1 ( 2 0 1 4 ) 1 1 - l 1 0 9 6 0 5 氯离子渗透对混凝土表层渗水 系数及微观 结构 的影响 刘 军 , 陈晓池 , 邢 锋 , 王卫仑 ( 深土 I I 大学 土木 工程学 院 , 广东 省滨海 土木 工程 耐久性 重点 实验 室 , 广东 深圳 5 1 8 0 6 0 ) 摘 要 : 使 用不 同配合 比的混 凝 土试 件及 颗 粒 标 准 养护 2 8 d后 , 浸泡在超纯水和 5 的 Na C l 溶液 中, 采 用表 面渗 透 性 测 试 仪 ( Au
2、 t o c l a m) 和 氮 气 吸 附 法 定 期 检 测 混凝 土的表 层 渗 水 系数 及 微 观 孔 结构 , 研 究氯 离 子对 混凝 土表层 渗水性 能及 水泥 水化 浆体微 观 结 构 的 影响 。结果 表 明 , Na C 1 溶液 浸 泡会 显著 提 高混 凝 土表 层的抗渗能力, 对 P C 1混凝土, 浸泡 9 0 d后 , 表层渗水 系数 为超 纯水 浸泡试 件 的 0 9 1 , 1 5 0 d后 仅 为超 纯水试 件 的 0 7 6 ; 氯 离子 浸入 混凝 土后 , 会使 混 凝土 的孔 结 构 细 化 , 显 著降低 1 0 0 n m 以下的 小孔 ,
3、实验 中, P C 1混凝 土在 Na CI 溶液 浸泡后 , 小于 1 0 0 n m 的孔 与超 纯 水 浸 泡 相 比减 少了 3 2 4 3 ; P C 2混凝 土在 Na C 1 溶 液 浸 泡 后 , 小 于 l 0 0 n m 的孔相 比减 少 了 5 7 2 4 ; Na C 1 溶 液 浸 泡下 , 水泥 水化 良好 , 结构 较 致 密 , 氯 离子 对 水 泥 浆 体 的水化过 程 有一定 的促进 作 用 。 关键 词 : 表层 渗水 系数 ; 孔 结 构 ; 氯 离子 ; 微 观 结 构 ; 混凝 土 中图分类 号 : T U5 2 8 文献标 识码 : A DOI :
4、 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 1 9 7 3 1 2 0 1 4 1 1 0 2 0 1 引 言 混凝 土是气 、 液 和 固三 相组 成 的多孔 混合 物 , 环境 中的有 害介质会 通过 混 凝 土 的表 层 渗 透 到 内部 , 引起 结 构 的耐 久性 问题 1 。氯离 子 渗 透 到 钢 筋 混 凝 土结 构 内 , 会 引起 钢筋 的锈 蚀膨 胀 , 影 响 结 构 的 正 常使 用 , 导致 耐久 性 问题 口 。在 混凝 土服 役 环 境 中存 在 大 量 的氯源 , 如海 洋环 境 、 道 路 除 冰盐 、 盐 渍 土 和 工 业 环 境 中的废水
5、等 。1 9 9 1年在法国召开的第 二届 国际混凝 土 耐久 性 会 议 上 , Me t h a教 授 在 “ 混 凝 土 耐 久 性 5 O年进 展” 主题报 告 中指 出 : “ 当今 世 界混 凝 土 破 坏原 因 , 按重 要性递 减顺 序排 列 为钢筋 锈蚀 、 寒 冷气 候 下 的 冻害、 侵蚀环境下的物理化学作用” 6 。因此 , 氯离子 渗 透 导 致 的 钢 筋 锈 蚀 是 结 构 失 效 的 一 个 最 重 要 原 因 。 钢 筋混凝 土结 构 受 到 氯 离 子 侵蚀 后 , 可 分 为 溶 解 于混凝 土孔 溶液 中 的游 离氯 离子 和被 水泥 水 化产 物 化
6、学结合或物理吸附的结合氯离子l g , 其 中, 孔溶液 中 的游离 氯离 子穿 透 力 非 常 强 , 当 钢筋 周 围混 凝 土 孔 溶 液中的氯离子达到一定浓度时, 氯离子容易渗入钝化 膜, 导致锈蚀发生E ” ; 另一部分被 c s H 凝胶表面或 毛细孔 物 理吸 附 , 并 在 凝胶 表 面 扩 散 。氯 离 子 的渗 透 过程与混凝土结构的微观孑 L 结构及水分的传输密切相 关l 1 。 , 随着氯离子的作用 , 会引起水泥水化浆体微观 形貌及渗透性能 的改变 , 反过来影响氯离子 的渗透过 程。本文采用不同配合比的混凝土试件及颗粒浸泡在 超纯水和 Na C t 溶液中, 用表面
7、渗透性测试仪 ( Au t o c l a in) 定 期检 测 昆 凝 土 的表 层 渗 水 系数 , 使 用 比表 面 积 分析仪和扫描 电镜等手段 检测混凝土微 观结 构 的变 化 , 研究氯离子渗透 对混凝土表层渗水 系数及水泥水 化浆体 微 观结构 的影 响 。 2 实 验 2 1原 材料与 配合 比 水泥 : 深圳 海 星小 野 田水 泥有 限公 司生 产 的海 星 小野 田普 通硅 酸盐水 泥 ( P O 4 2 5 ) , 其化 学成 分 见表 1 所示 。 表 1 水 泥 的化学 组成 Ta bl e l Ch e m i c a l c o mpo s i t i o ns
8、 o f c e m e n t i t i ou s m a t e r i al s 细集 料 : 河 砂 , 细度 模 数 为 2 6 1 , 表 观 密 度 为 2 6 3 2 k g m。 , 河砂满足标准 J G J 5 2 2 0 0 6的质量要求。 粗集料 : 制备混凝土用的石子为深圳安托 山采石 场 的 碎 石 , 公 称 粒 径 为 5 2 0 mm, 表 观 密 度 为 2 7 0 0 k g m。 。 水 : 超 纯水 , 采用滤 膜 过滤 , 除去 自来水 中的杂质 。 由于水 灰 比对 昆凝 土 性 能 的影 响 明 显 , 因此 配 合 比设计 主要 考 虑 水
9、灰 比的 变 化 , 水 灰 比采 用 0 3 8和 O 4 7 两个水平 , 详细配合 比见表 2所示。 * 基金项 目: 国 家 自然 科 学 基 金 青 年 基 金 资 助 项 目 ( 5 1 1 0 8 2 7 1 ) ; 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 ( 9 7 3计 划 ) 资 助 项 目 ( 2 0 1 1 C B 0 1 3 6 0 4 ) ; 深圳市科技计划资助项 目( J C Y J 2 O l 2 O 6 1 3 1 1 5 6 2 2 1 5 4 ) 收到初稿 日期 : 2 0 1 3 1 1 一 O 7 收 到修 改稿 日期 : 2 0 1 4 0
10、2 2 6 通讯作者 : 邢锋 , E ma i l : x f e n g S z u e d u c n 作者简介 : 刘 军( 1 9 7 9 一) , 男 , 湖北襄樊人 , 博士 , 副教授 , 从 事混凝 土结构 耐久性研究 。 刘 军 等 : 氯离 子渗透对混凝土表层渗水 系数及微 观结构的影响 表 2混凝 土 配合 比与 强度 Ta b l e 2 M i x pr o po r t i o ns o f c o nc r e t e s p e c i m e n s 2 2 实验 方法 进行混 凝 土表层 渗 透性 实 验 时, 采 用配 合 比为 P C1的混凝 土 ,
11、制 备 试 件 的尺 寸 为 1 0 0 mm 的 立 方 体 块 , 试件在标准养护 2 8 d后 , 分别浸泡在超纯水及质量 浓度为 5 的 Na C 1 溶液中, 如图 1所示 , 浸泡龄期分别 为 3 o , 6 O , 9 0 , 1 2 0和 1 5 0 d 。采 用表面渗 透性测 试仪 ( Au t o c l a m) 进行混凝 土表层 的渗水实验 。此 实验 由 C a l m 实验 发展 而 来 , 开始 于 2 0世 纪 8 0年 代 , 最 初 只 能进行渗水性实验 , 后经改进 可以做水分和气体 的渗 透 实验 。2 0世纪 9 O年 代 , B a s h e e
12、r 1 在 其 博 士 论 文 里 标 准化 了整个 实验 过程 , 实 现 了实验 的 自动 化 , 因此 这 个实验被称作 Au t o c l a m 实验 , 与其它表面渗透性实验 相 比, Au t o c l a m实验的精度较高 , 而且操作简单。 图 1 混凝 土试 块浸 泡 示意 图 Fi g 1 The s o a ki n g s c h e m a t i c d i a g r a m o f c o nc r e t e s a m p i e 进行 混凝 土 微 观 孔 结 构 的 实 验 时 , 试 件 标 准 养 护 2 8 d后 , 制取 P C 1和 P
13、C 2混凝 土试 件 的 小 颗 粒 , 去 除 其 中 的 石 子 和 表 面 砂 子 , 浸 泡 在 超 纯 水 和 Na C 1 溶 液 中 , 如 图 2所示 。试件 浸泡 到期 后 , 采 用 Mi c r o me r i t i c s 公司的 T r i S a r 3 0 0 0比表面积分析仪分析混凝土材料的 微观孔结构 , 吸附质为氮气 。同时使用扫描 电镜观察 样 品的微 观形 貌 。 越 笋 l i 水 成 5 v, 0 删 Na l 精 撒 颗 粒 o O o o O O 3结果与讨论 3 1 氯 离子对 混凝 土 表层渗 水 性能 的影 响 混凝土试件在常温下浸 泡
14、到期后取 出试件 , 实验 前将试件放人烘箱 , 在 8 o的温度下烘 1 2 h , 确保所 有试 件 的含 水率 处 于 同一 水 平 , 烘 干后 , 在 干 燥 的 环境 中放置 , 待试件温度下降后 , 采用 比大气压高 2 k P a的 压 力 进 行 渗 水 实 验 。 用 Au t o c a l m 记 录 混 凝 土 在 1 5 mi n 内每分 钟 的渗 水 量 , 由 于 实 验初 期 吸 水 过 程 不 稳定 , 所 以 舍 去 前 5 rai n的 实 验 数 据 。根 据 第 5 1 5 mi n 之 间 的数 据 作 图 3 。渗 水量 与时 间 的平 方 根成
15、 直线 关 系 , 直线 的斜 率 即 为 渗水 系 数 , 单 位 为 m。 mi n 。水灰 比 O 4 7的 混凝 土 不 同 龄期 数 据 的 回归 直 线如 图 3所示 , 通过对数据点的拟合 , 见表 3所示 , 得 出水 灰 比 0 4 7的 混凝 土 在 标 准养 护 2 8 d后 表 层 渗水 系数 为 2 0 1 4 m。 mi n , 常 温 下 Na C 1 溶 液 浸 泡 3 0 , 6 0 , 9 0 , 1 2 0和 1 5 0 d后 所 对 应 的 表层 渗水 系数 分 别 为 2 8 1 6 , 2 8 7 6, 2 4 5 3 , 1 8 0 1和 1 9
16、7 2 m。 mi n 。在 超 纯 水 中浸 泡 的混 凝 土渗 水 数 据 处 理 方 法 相 同 , 根 据 回 归直线的斜率得到的渗水系数列于表 4 。 图 3 P C 1混凝土 不 同龄 期 的表 层渗 水 系数 Fi g 3 Sur f a c e pe r m e a b i l i t y c o e f f i c i e nt o f c o n c r e t e PC1 a t di f f e r e nt a g e s 表 3 P C 1混凝 土 不 同龄 期渗 水 系数 的拟合 Ta b l e 3 The f i t t i n g o f p e r m e
17、 a bi l i t y c oe f f i c i e nt of c o n c r e t e PC1 a t d i f f e r e n t a ge s 图 4为 Na C 1 溶液和超纯水浸泡对混凝土表层渗 水系 数影 响 的对 比 。从 图 4可 以看 出 , 随着 Na C 1 溶液 浸泡会减 小 混凝 土 的表 层 渗水 系 数 , 浸 泡 9 0 d后 , Na C 1 溶液浸泡混凝 土的表层渗水系数仅为超纯水 的 0 9 1 , 浸泡 1 5 0 d后 , Na C 1 溶液浸泡混凝土的表层渗水 系数仅为超纯水的 0 7 6 。这是 因为氯离子对混凝土的 水化有促
18、进作用 , 如黄华县等 。 研究了模拟海砂对混 凝土性能的影响 , 发现 内掺氯盐可 以提高混凝土的抗 d n 图。 意 i 示 粒 颗m 土 凝J 昆g 、 n 图 g F 1 1 o 9 8 助 锨 财 料 2 0 1 4 年第1 1 期( 4 5 ) 卷 渗性。同时氯离 子的掺人超过一定量 时, 水泥水化浆 变得密实 , 降低混凝土结构的渗透性 。 体会产生膨胀 , 填充? 昆 凝土内部孔 隙中, 使 昆凝土内部 ; 曼 E n E 卜 b r 暴 1 蝌 表 4 P C 1混凝 土不 同龄期 的表 层渗水 系数 ( 1 0 m。 mi n 。 。 ) Ta bl e 4 Sur f a
19、 c e p e r m e a bi l i t y c oe f f i c i e nt o f PC1 c on c r e t e s a mpl e s a t di f f e r e nt a g e s 超 纯 水 Na Cl 3 O3 3 2 87 9 2 69 4 2 41 4 2 36 9 2 87 6 2 8l 6 2 45 3 1 97 2 1 8O 1 Day d 图 4 氯离子 作用对 混凝 土表层 渗水 系数 的影 响 Fi g 4 Th e i nf l u e n c e o f i o n e r o s i on o n c on c r e t e
20、s u r f a c e p e r m e a bi l i t y c o e f f i c i e nt 3 2 氯离子 对水 泥水化 浆体微 观孔 结构 的影 响 孔 结构是 水 泥 水 化浆 体 细 观 结 构 的 重 要 内容 , 它 直 接影 响混凝 土 的许 多性 能 , 如强 度 、 变形 性 能 及 耐久 性 。P C1 和 P C 2混凝 土样 品浸泡 9 0 d后 , 剔 除其 中的石 子和 大颗 粒 砂 子 , 放 在 ( 6 0 5 ) 的温 度 下 烘 5 h , 然后置于干燥皿中冷却并进行脱气处理。将这样 处 理过 的样 品放入 液氮 中 , 分 别测 出对
21、氮 气 的 吸 附量 , 绘 出 吸附和脱 附等 温线 。根据 滞后 环 的形 状 确 定孔 的 形态。对于大多数孔使用 B J H( B a r r e t t J o y n e r Ha l e n d a ) 原理进行计算孔径分布, 计算公式如下 r 2 1 一 I - A 一 A t A-4cj ( 1 ) n I L n n 厶 u 1 , 1r l 式中, 为孔隙容积 , r 。 为最大孔半径 , r 为毛细 管半径 , 为毛细管体积, t 为吸附的氮气层厚度 , A 为先前 排空后 的面 积 。按 照 式 ( 1 ) 得 出混 凝 土样 品在 超 纯水 和 Na C 1 溶 液
22、 中浸 泡 9 0 d的 孔 径 分 布 , 如 图 5 所示 。按照文献 1 9 对 昆凝土孔结构 中不 同的孔径进 行 分类 :大 孔 ( 大 于 1 0 。 n m) 、 毛 细孔 ( 1 0 。 1 0 。n m) 、 过 渡孔 ( 1 0 1 0 0 n m) 、 凝 胶 孔 ( 小 于 1 0 n m) 。从 图 5 可以看 出 , 氯 离 子溶 液 浸 泡 对 混 凝 土 的孔 结 构 有 一 定 的影响 , Na C 1 溶液浸泡后, 相 比于超纯水浸泡 的混凝 土样品过渡孑 L ( 1 0 0 n m 以内) 的体积明显减少, 这也解 释了在氯离子作用下 , 昆凝土 的表层渗
23、透系数减少 的 原 因。 图 6把孔结构分为 3个部分 : 3 1 0 0 , 1 0 0 2 0 0 n m 和大 于 2 0 0 n m, 一 般情 况 下 , 孔 径 分 布 的范 围为 3 1 0 0 n m的孔径 约 占 6 O 7 O , 1 0 0 2 0 0 n m 的孔 径大约 占 1 7 3 2 , 大 于 2 0 0 n m 的孔 径 大约 占 1 O 2 0 l 2 。超纯水浸泡情况下 , P C 1混凝土 3 1 0 0 n m 范 围 内的孔 占 7 6 2 2 , Na C 1 溶 液 浸泡 后 , 3 1 0 0 n m 范 围 内 的孔 占 4 3 7 8 ,
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