干湿循环条件下混凝土氯离子侵蚀的模拟试验及相似性.pdf

2 0 1 2 年 第 1 2期 (总 第 2 7 8 期 ) Nu mb e r l 2 i n 2 01 2( To t a l No ．27 8) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 1 2 ． 0 0 2 干湿循环条件下混凝土氯离子侵蚀的 模拟试验及相似性 黄俊 ，张俊芝 ，吴灵杰 ，金汉阳 ( 浙江工业大学 建筑工程学 院，浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 以典型海洋环境干湿循环环境下氯盐侵蚀混凝土的现场试验为背景 ， 分析沿海地 区混凝土在 干湿循 环条件下氯离子侵蚀 的参 数 ； 以潮差 区环境 区域 为例 ， 模 拟现场环境参数 ， 完成 了室 内加速模拟试验方案 。 对 比研究 了 自然环境和室 内试 验数据结果 ， 分析了主要 侵蚀参数之间的相似性 。 关键词 ： 于湿循环 ；混凝 土 ；氯离子 ；模拟试验 ；相似性 中图分类号 ： T U5 2 8 ．O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 1 2 — 0 0 0 4 — 0 2 Si mul a t i on e x per i men t a nd i t s s i mi l ar it y on ch l or i de i on pe ne t r a t i on i n t o c on c r et e unde r wet t i ng- dr yi ng c y c l e HU ANGJ t m， Z HA NGJ t m- z h i ， WUL i n g -tic ， J I NHe m-y a n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n dA r c h i t e c t u r e ， Z h e j i angUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：On t h e ba s i s o fo ns i t e e x p e rime n t o f c hl o rid e i o n p e ne t r a t i o n i n t o c o n c r ~e i n ty pi c a l ma r i ne e n v i r o n me n t u n d e r we t t i n g — d r y i n g c y c l e， t h ei n g r e s s pa r a me t e r so f c h l o r i d ei o np e ne ~Ni o ni n t o c o nc r e t eun d e r we tti n g — d r yi n g c yc l ei nl i t t o r a 1 ． F o r i ns t a n c et h e e n v i r o n me n t so f t h et i d a l z o n e， t h e o n s i t e e n v i r o n me n t a l e l e me n t s we r e s i mu l a t e d an d t h e a c c e l e r a t e d t e s t p r o gr a m wa s c o mpl e t e d ．By c o mpa r i n g th e r e s u l t s f r o m t h e ind o o r a c c e l e r - a t e d t e s t andt h e o n s i t e t e s t i n v e s t i g a t i o n ， the s i mi l a r i ty o f t h e ma i ni n g r e s s p a r a me t e r s b e t we e n the i n d o o r ando n s i t e d u r a b i l i t y t e s t s we re ana l y z e d ． K e y wo r d s ： c ~ j - w e t c y c l e ； c o n e r ~e ； c h l o ri d e i o n ； s i mu l a t i o n e x p e r i me n t ； s i mi l a r i ty 0 引言 国内外的学者研究表明， 混凝土结构破坏的主要原因有钢 筋锈蚀、 寒冷气候下的冻坏和侵蚀环境下的物理化学作用。 在这 些破坏形式中， 钢筋腐蚀破坏被认为是第一要素， 而氯离子的侵 蚀是引起钢筋锈蚀最主要的原因_ 1 _。 国内外很多地区都存在着以 氯盐为主 的“ 盐害” 问题 ， 尤其是海洋环境 的潮差 区。 在这些典型 的氯盐环境下 ， 混凝土结构面临着严峻的久性问题嘲 。 然而 ， 实际 混凝 土结构在 自然环境下 的耐久性失效过程是一个长期且缓慢 的过程， 研究实际环境下的混凝土结构的耐久性参数， 存在着试 验周期长、 成本高和环境条件变化不定等问题【 3 ] 。 通过以相似理 论为指导的模型试验， 通过确定相似条件即可在较短时间内利用 有限的资源在室内实现对混凝土结构耐久性问题的研究， 解决了 对实际环境下耐久lf生 研究试验周期长 、 环境条件不定等问题 。 本研 究以典型 海洋环境干 湿循 环条件下 氯离子侵 蚀混凝 土的现场试验为背景， 模拟现场环境参数 ， 并改变其参数进行 加速氯盐侵蚀的室内模拟试验。 通过对比现场和室内试验数据 结果， 初步分析了主要侵蚀参数之间的相似性。 1 自然环境 下的氯 离子侵蚀 试验 1 ． 1 试验原材料及配合比 成型 的混凝土试 件采用钱潮牌 P C 3 2 ． 5 R级水 泥 ， 粗骨料 收稿 日期 ：2 0 1 2 - - 0 6 - 3 0 基金项 目：国家 自然科学基 金项 目( 5 0 8 7 9 0 7 9 ) 4 为最大粒径 4 0 ml r l 的砾石 ， 细骨料为细度模数 2 ． 5的 中细河沙 ( 级配合格 ) ， 拌和水和养护水采用杭州当地 自来水， 无任何外 加剂 。 配合比设计时， 所有成型的混凝土试件单位用水量均采用 1 9 0 k g ／ m3 ， 砂率均为 3 2 ％， 共设计 3种水灰比( 0 ． 4 0 ， 0 ． 4 5 ， 0 ． 5 0 ) 。 试验混凝土的配合 比见表 1 。 表 1 自然环境下侵蚀试验混凝土配合比 k ed m 1 ． 2试 验 方 法 自然海洋环境下的侵蚀试验在浙江舟山某临海潮差区内 进行 。 根据上述配合 比结果制作直径为 1 0 0 l a i n ， 高度为 5 0 mm 的混凝土 圆盘型试件 。 为消除试验材料 的影 响 ， 每种水灰 比混凝 土试件均成型 5 个。 试件在室内成型， 标准养护 2 8 d后， 在其侧 面和底面涂抹环氧树脂 ， 进行密封隔绝处理， 以保证氯离子的 一 维侵蚀。 待其硬化后 ， 将所有成型试件放人特制的钢筋笼内， 通过钢丝绳将钢筋笼固定与舟山某临海潮差区的试验现场， 进 行自然环境下的现场侵蚀试验。 1 ． 3 试 验 结果 上述混凝土试件经过 1 2 0 d的现场侵蚀后， 将其取回， 在室 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 内将混凝土试件从外侧向内侧按照 2 m m 的规格磨成粉末， 并 过 O ． 6 3 mm水泥筛后收集粉末至 2 0 1 T l r f l 深度。 将粉末置于烘箱 内 2 h后 ， 冷却至室温待用。 混凝土中自由氯离子浓度( 自由氯 离子 占混凝土的质量百分数 ) 利用美国 T h e r mo 7 2 0 A +酸度计 测定 ， 每个试件可得到 1 0个样本浓度值。 取 5个同水灰比试 件对应深度处的样本浓度值的均值作为该水灰比的最终浓度 样本值。 自由氯离子浓度( 占混凝土的质量分数) 在混凝土中的 分布 图见 图 1 所示。 琶 烂 褪 撅 距 表 面深 度 ／ mm 图 1 现场试验混凝土 中的 自由氯离子浓度分布图 从上述 自由氯离子浓度分布图可知， 在 自然含氯环境干湿 循环条件下 ， 氯离子侵蚀混凝土时 ， 在混凝土表面存在明显的 对流区， 且对流区深度均在 4n l lT l 左右位置。 除此之外， 分布图 中的峰值浓度与水灰比有关， 水灰比越小 ， 峰值浓度越小 ， 且在 整个分布图中， 同一深度处水灰比大的自由氯离子浓度值总是 大于水灰 比小的结果 。 通过数据拟合得到 ， 水灰比为 0 ．4 0 、 0 ． 4 5 、 0 ． 5 0的扩散系数 分别为 0 ．9 8 6 、 2 ． 7 0 0 、 2 ． 9 9 0 ( 单位： 1 0 mV s ) ， 这一结果同样说明， 水灰比越小 ， 混凝土的抗氯离子侵蚀性能越好。 水灰比为 0 ． 4 5 时 的扩散系数为水灰比为 0 ．4 0时的2 ． 7 4倍， 而水灰比为 0 ． 5 0的扩 散系数却只有 0 ．4 5时的 1 ． 1 1 倍。 2室 内模拟试验 2 ． 1 试验原材料及配合比 为了使试验结论具有可比性， 室内模拟试验的原材料及配 合比与自然海洋环境下的现场试验完全相同， 即表 1 。 自然环境 试验试件强度等级记为 A， 室内试验试件编号记为 B 。 2 ． 2试 验 方法 室内试验试件尺寸为直径 1 0 0 tur n ， 高度 5 0 mm的圆盘型 。 为消除混凝土随机性的影响， 每个规格成型试件 7个。 试件成型 后 ， 标准养护 2 8 d ， 在其侧面和底面涂抹环氧树脂， 进行密封隔 绝处理 ， 与现场试验一致。 待环氧树脂硬化后， 将试件放置于养 护室内进行室内模拟试验， 室内模拟试验采用 自然扩散法的改 进方法 ( 干湿循 环法 ) _ 5 】 。 为模拟 现场 环境并 达到室内加 速模 拟的 目的 ， 调查现场环 境资料得到， 现场的海水年平均氯离子浓度为 1 ． 4 9 ％， 年平均温 度为 1 6 ． 5℃。 为达到加速腐蚀的效果 ， 室内模拟试验中采用浓度 为 5 ％的Na C I 溶液， 折算氯离子浓度为 3 ． 0 3 ％， 氯离子浓度约 为现场海水的2倍。 考虑到试验室的现有条件， 将养护室的试验 温度设置为现场年平均温度的 1 ． 2 倍 ， 即试验温度为 2 0℃。 结合 现场 自然环境的潮水位波动特征， 设置的浸泡时间为 2 h ， 干燥 时 间 4 6 h ( 2 d一个周期 ) 。 2 ． 3 室 内模拟 试验 结果及 相 似性 分析 上述混凝土试件经过 4 0 d的室内侵蚀后 ， 将其取出并至表 干状 态 。 混 凝土粉末 取样 时 ， 前 l 0 r n l n以 1 l a i n规 格取 样 ， 后 1 0 mm以 2 r r l l T l 规格取样。 收集到的混凝土粉末样本的后处理 及氯离子浓度测试同上述现场试验 ， 7个试件的混凝土中的自 由氯离子浓度的均值分布图见图2中B 2所示( 水灰比0 ． 4 5 ) 。 从图2中可以知 ， 室内模拟试验混凝土试件中也存在着明 显的对流 区， 对流区深度为 2 mr n左右。 2 n ff l q 之后可近似认为是 稳定扩散区。 通过数据拟合可以得到， 水灰比0 ．4 5的试验混凝土 试件的扩散系数为 4 ．9 8 0 ( 单位 ： 1 0 — 1 2 m 2 ／ s ) 。 距 表 面深 度 ／ mm 图 2 室内模拟试 验和现场试验 混凝土 中的 自由氯离子浓度分布 图 ( 水灰 比 0 ． 4 5) 比较图 2的自由氯离子浓度分布曲线可知， 现场和室内模 拟试验均存在对流区 ， 即两者在侵蚀机理上具有相似性。 混凝 土在干湿循环环境 下 ， 在混凝土 内部某一深度处会 出现氯离子 浓度极大值 ， 与混凝土内部和表层形成浓度差 ， 继而向内部和 外部扩散同 。 这一过程会持续到向内和向外扩散平衡时才稳定 ， 表现出来 的就是对流区厚度一直增大， 但增大速率不够减小 ， 最后对流 区厚度趋 于不变 。 对流 区深度 随时 间变化 的情况 需要 后续试验去验证。 现场试验的对流区厚度约是室内模拟试验的 2 倍 ， 由对流 区形 成理论旧 可 知 ， 室内模 拟试验加速 了氯离 子的 侵蚀。 在分析混凝土钢筋锈蚀问题时， 主要关注的是峰值浓度的 大小及所在的位置。 比较两者的峰值浓度可知， 水灰比 0 ． 4 5的混 凝土现场试验峰值浓度约为室内模拟试验峰值浓度的 1 ． 7 倍 。 有效扩散系数是混凝土抗氯离子侵蚀能力的综合指标 ， 室内模 拟试验与现场试验的扩散系数在同一数量级上， 即 1 0 — 1 2 m2 ／ s ． 且 前者是后者的 1 ． 8 4 倍。 其他水灰比? 昆 凝土也有类似的结论。 在上述这些侵蚀参数中， 室内模拟试验氯离子扩散系数大 于现场试验的结果 ， 其 主要原 因是 ， 室 内加速试验环境 氯盐浓度 较高， 氯离子侵蚀时就形成了较大的浓度梯度同 ； 另外， 室内温度 较现场温度高， 较高的温度也提供了自由氯离子较大的活化能， 从而影响氯离子的扩散能力[蜘 。 比较现场和室内模拟试验的结果 可以得到， 室内加速模拟试验( 干湿循环法) 能较好的实现加速 侵蚀， 与 自然环境下的侵蚀试验在侵蚀参数上有一定的相似性。 不过， 侵蚀参数随时间变化的相似性需要进一步深入研究。 3结论 相似性研究是是混凝 土耐久性 问题 的一个 新的研究方 向 ， 是 目前混凝土 耐久性研究 的重要 问题 之一。 本研究 以 自然海洋 氯盐干湿循环环境下的混凝土侵蚀试验为背景， 设计了室内加 速模拟试验 ， 并进行了主要侵蚀参数的相似性分析 ， 得到了如 下结论 ： ( 1 ) 干湿循环条件下混凝土的氯离子侵蚀均存在对流区 ， 用改进的 自然扩散法可以模拟这一 主要侵蚀特征 ； 下转第 8页 5 O 0 O O O O 0 O O 、 糕 枢碾 皿 如 " 如 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 开裂弯矩计算值与试验值 的E B 较 混凝土梁， 在相同条件下 ， 加入橡胶集料后， 梁的开裂弯矩 比普 通混凝土梁提高 1 0 ％～ 6 0 ％之间。 按式( 1 2 ) 得到的计算值与试验值之比均值为 O ． 9 9 4 ， 均方 差 o - = 0 ． 0 6 8 。 式( 1 3 ) 得到的计算值与试验值之比均值为 1 ． 0 3 3 ， 均方差 = 0 ．0 7 4 。 从计算结果可以看出， 表明式( 1 3 ) 具有一定的适 用性， 可以用于钢筋混凝土橡胶集料混凝土梁开裂弯矩的计算。 5结 语 为了改善普通混凝土的抗裂性能， 将钢筋橡胶集料混凝土 应用于建筑结构 ， 对钢筋橡胶集料混凝土梁在静力荷载作用下 的抗裂性能进行了分析， 并与其他试验梁的试验值进行了对比 分析 。 ( 1 ) 橡胶集料的加入 ， 提高了钢筋橡胶集料混凝土梁的开 裂弯矩， 提高幅度在 1 0 ％- 6 0 ％之间。 ( 2 ) 以橡胶集料混凝土的应力应变关系为出发点， 采用与 普通混凝土梁相 似的基本假定 ， 推导 了钢筋橡胶集料混凝 土梁 在荷载作用下的开裂弯矩。 公式表明影响开裂弯矩的主要因素 有 ： 橡胶集料混凝土的强度、 峰值压应变、 峰值拉应变 、 极限拉 应变等几个特征参数。 ( 3 ) 根据本试验的推导公式 ， 对其他研究者的试验结果进 行验证 ， 结果表明， 式( 1 3 ) 的计算结果与试验结果基本吻合， 可 满足工程精度要求。 上接第 5页 ( 2 ) 室内加速腐蚀模拟试验在对流区厚度 、 自由氯离子峰 值浓度以及有效扩散系数等主要侵蚀参数与现场自然环境下 的侵蚀参数有一定的相似性。 参考文献 ： [ 1 ]ME T H A P K ． D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e — fi f t y y e a r s o f p r o g r e s s [ C ] ／ ／ D u r a b i l - i t y o f Co n c r e t e — G．M ．I d o m I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m． S P一1 2 6， Ame ric a n C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， D e t r o i t ， 1 9 9 1 ， 8 0 ( 3 ) ： 1 2 0 — 1 3 2 ． [ 2 ] 陈驹． 氯离子侵蚀作用下混凝土构件的耐久性[ D ] ． 杭州： 浙江大学建 工学院， 2 0 0 3 ． 【 3 】 张瀚宇， 简筠， 李培， 等． 氯离子在混凝土中扩散过程的相似理论研 究 l J 1． 工程 与试验 ， 2 0 0 9 ， 4 9 ( 1 ) ： 1 5 — 2 2 ． [ 4 ] 张俊芝， 王梁英， 周建民， 等．人工气候环境下氯离子扩散试验【 J J _ 混 凝土 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 3 9 — 4 1 ． 8 参考文献 ： [ 1 ]Z HU H a n ． A d d i n g c r u mb rub b e r i n t o e x t e r i o r w a l l ma t e r i a l s f J 1 ． Wa s t e Ma n a g e m e n t a n d R e s e a r c h， 2 0 0 3 ( 2 0 ) ： 4 0 7 — 4 1 3 ． [ 2 ]袁琳．橡胶集料钢筋混凝土梁受弯性能初探【 J J ． 混凝土， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 7 0 — 7 6 ． [ 3 ]李强， 朱涵， 杨林虎， 等． 橡胶集料混凝土梁正截面抗裂性能研究 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 4 3 — 4 5 ． 【 4 ] 刘娟红， 刑锋 ， 钟兰兰． 橡胶粉混凝土简支梁静力荷载下性能研究【 J ] ． 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 2 ) ： 2 4 — 2 8 ． [ 5 ] 李悦， 吴玉生， 杨玉红 ， 等． 钢筋橡胶集料混凝土结构性能研究『 J 1 ．北 京工业大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 1 2 ) ： 1 2 8 0 — 1 2 8 5 ． [ 6 ] 杨林虎， 朱涵， 李艳茹． 橡胶集料对钢筋混凝土梁截面延性影响的理 论分析I J 】 ． 应用基础与工程科学学报， 2 0 1 0 ， 1 8 ( 4 ) ： 6 0 9 — 6 1 5 ． [ 7 ] 朱涵， 刘春生， 张永明， 等．橡胶集料掺量对混凝土压弯性能的影响啪． 天津大学学报， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 7 ) ： 7 6 1 — 7 6 5． [ 8 ]B I G N O Z Z I M C， S A N D RO L I N I F ． T y r e r u b b e r w a s t e r e c y c l i n g i n s e l f — c o mp a c t i n g c o n c r e t e 叨．C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 6 ( 3 6 ) ： 7 3 5 — 7 3 9 ． [ 9 ] G B 5 0 0 1 0 - 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