冻融循环及龄期对混凝土氯离子渗透性的影响.pdf

第 1 4 卷第 2期 2 0 1 1年 4月 建筑材料学报 J 0URNAL 0F B UI LDI NG MATERI AL S Vo 1 1 4 ， No 2 Ap r ， 20 11 文章 编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 2 5 4 0 4 冻融循环及龄期对混凝土氯离子渗透性 的影 响 洪 雷 ， 唐晓 东 ( 大连 理工 大学 海岸 和近 海工 程 国家重 点实验 室 ， 辽 宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘 要 ：采 用 电迁移试 验 ( RC M 法) 测定 了不 同龄 期 和 冻融循环 后混 凝 土 中的 氯 离子扩 散 系数 结 果 表 明 ： 因冻融循 环导致 的 混凝 土性 能劣化及 龄期 对 于混 凝 土损 伤 的修 复对 混凝 土 的氯 离子渗 透 性 能具有双重影响 ， 从而使所测得的氯 离子扩散 系数与标养 2 8 d的氯 离子扩散 系数产生较 大差别 模拟渤海地 区海洋环境 ， 利用 F i c k定律计算 了 1 0 0 a的混凝土保护层厚度 ， 发现采用标养 2 8 d的 氯离子扩散 系数所得的计算结果明显偏大 关键词 ：冻融循 环 ；氯 离子 扩散 系数 ；电迁移 试验 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 0 1 文献 标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 O 2 O 2 1 I n f l u ne nc e o f Fr e e z i n g 。 Th a wi n g Cy c l e s a n d Cu r i n g Ag e o n Ch l o r i d e Pe r m e a bi l i t y o f Co n c r e t e H oNG Le i，TA NG X i a o do ng ( S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f C o a s t a l Of f s h o r e En g i n e e r i n g，Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Da l i a n 1 1 6 0 2 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t f r e e z e t h a w c y c l e s a t d i f f e r e n t a g e s we r e me s a u r e d b y e l e c t r o mi g r a t i o n ( RCM )t e s t s Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n du e t o f r e e z e t ha w c yc l e s a n d r e p a r a t i o n o f da m a g e wi t h a g e ha v e d ou bl e i n f l ue n c e o n c h l o r i d e p e r me a b i l i - t y，whi c h c a us e s t h e c hl o r i de d i f f us i o n c o e f f i c i e nt qu i t e d i f f e r e n t f r o m t ha t a f t e r 2 8 d s t a nd a r d c ur i n g Th e ma r i ne e n v i r on m e nt o f t h e Boh a i Se a a r e a wa s s i m u l a t e d t o c a l c u l a t e t he t h i c kne s s o f c o nc r e t e p r ot e c t i ve l a y e r i n 1 0 0 ye a r s u s i n g t h e Fi c k s l a w The c o m p a r i s on s h ows t h a t t he t hi c kne s s o f c o nc r e t e p r o t e c t i ve l a y e r c a l c u l a t e d us i ng t h e c ho l i d e di f f u s i o n c oe f f i c e nt a f t e r 2 8 d s t a n d a r d c ur i ng e x hi b i t s a hi g he r v a l ue Ke y wo r d s ：f r e e z e t h a w c y c l e ；c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t ；e l e c t r o mi g r a t i o n t e s t 氯 离子 对混凝 土 的侵蚀 是影 响混凝 土 耐久 性 的 重 要 因素之 一 近 年来 海 洋 环 境 混凝 土结 构 工 程 日 益增加 ， 尤其是对耐久性要求严格的重点工程 ， 如跨 海 大 桥 、 海底 隧道等工 程逐 渐增 多 ， 因此 有关 复杂 环 境条件下氯离子对混凝土的渗透影响等研究已越来 越引起人们 的重视 1 _ 6 然而 ， 众多 的研究主要集 中 于采用标养 2 8 d或 5 6 d的混凝土抗氯离子渗透能 力 ， 以此来评判混凝土的耐久性能或计算结构所需 的保护层厚度 ， 借以指导工程设计和施工 显然 ， 该 静态指标与实际工程结构所处的复杂环境存在很大 差别 ， 因而不可避免地使混凝土的设计产生偏差 本 文针 对这 一情 况 ， 采 用模 拟 北 方 寒 冷 地 区海 洋 环 境 混凝 土在 不 同冻 融循 环 和间歇 养护条 件 下其 氯离 子 渗透系数的变化 ， 来 阐述在设计要求 的不同使用寿 命期 内， 混凝土的抗氯离子渗透能力及所需 的保护 层厚度等问题 1 试验 1 1 原 材 料及 配合 比 水泥( C ) ： 大连小野 田水泥有 限公司 ， 普通硅酸 盐水泥 P O 4 2 5 R； 细集料 ( S ) ： 河砂 ， 细度模数 2 7 ； 粗集料( G) ： 碎石， 粒径 5 2 5 mm， 连续级配优质石 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 2 - 1 4 ；修订 15 I 期 ： 2 0 1 0 0 3 0 1 基金项 E t ： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 4 7 9 0 5 9 ) 第一作者 ： 洪雷 ( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 黑龙江牡丹江人 ， 大连理工大学副教授 ， 博士E - ma i l ： h o n g l e i a 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 洪雷 ， 等 ： 冻融循环及 龄期对混凝土氯离子渗透性 的影响 灰石 ； 粉煤灰( F A) ： 内蒙古赤 峰东元某 电厂 产 I级 粉煤灰 ； 硅 灰 ( S F) ： S i O。含量”9 2 1 ， 比表 面积 1 6 8 0 0 r r l k g ； 外加 剂 ： 格雷 斯 中 国 ( 上 海 ) 有 限 公 司 产 ， 非引气型聚羧酸系 AD2 3 5高效减水剂及 AE A 引气剂 ； 水( W) ： 自来水 混凝土配合 比见表 1 ， 混凝 土基 本 性能 见表 2 表 1 混凝士配合比 Ta ble 1 M i x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e 表 2混凝土基本性能 T a b l e 2 Pr o p e r t i e s o f f r e s h a n d h a r d e ne d c o n c r e t e 1 2 试 件制 备及试 验 内容 混 凝 土 立 方 体试 件 ( 1 0 0 mm 1 0 0 mm x 1 0 0 ram) 9组 ， 用 于测 定不 同龄期混凝土试 件 的立 方体抗 压 强 度 混 凝 土 圆柱 体 试 件 ( 4 1 0 0 mm 1 0 0 mm) 5 0组 ( 每组 3 块) ， 其中 5组试件用于 R C M 方法 7 测定龄期分别为 2 8 ， 5 6 ， 9 0 ， 1 2 0 ， 1 5 0 d的 C l 一 扩散系数 ； 2 5组试件用 于每 1 0次冻 融循环测定 1 次 C l 一 扩散系数， 累计共进行到 3 0 0次冻融循环 ； 2 O 组试件用于测定冻融循环次数 分别为 1 O ， 5 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0 ， 2 5 0 ， 3 0 0次后 ， 继续标养至 3 0 ， 6 O ， 9 0 d的 C l 一 扩散 系数 2 试 验结果与分析 2 1 龄 期对 混凝 土 C r 扩散 系数 的影 响 对不 同龄 期 ( 2 8 ， 5 6 ， 9 0 ， 1 2 0 ， 1 5 0 d ) 的混 凝 土试 件采用 RC M 法测定其 C I 一 扩散 系数 ， 结果见 图 1 由图 1 可知， 养护 龄期对混凝 土 C l 一扩散系数有 明 显影响 将不同龄期混凝土试件的 C l 一扩散系数( 1 0 ( m S ) ) 试验数据与龄期进行拟 合 ， 得到 两 者关 系为 ： C3 0： Y= ： = 1 1 2 4 6 e ， R。 一 0 9 8 7 9 ( 1 ) C3 5： y一 1 o 2 6 5 e _ 。 叽 缸， R。 一 0 9 8 1 3 ( 2 ) 1 ) 本文所涉及的含量等除特别说明外均为质量分数 C4 O ： = = = 8 2 0 2 e 叫 ， R 一 0 9 8 8 8 ( 3 ) 言 意 g 疆 g Ag e d 图 1 龄期与混凝土 C l 一 扩散系数的关 系 Fi g 1 Re l a t i ons hi p b e t we e n a ge a nd c hl or i de d i f f us i o n c oe f f i c i e nt o f c o nc r e t e 2 2 冻 融循 环对 混 凝土 C r扩 散 系数 的影响 经过不同冻融循环次数后 ， 混凝 土试件 的 c l 扩散 系数 变 化见 图 2 由 图 2可 见 ， 随水 灰 比 增 大 ， 冻融对 C 1扩散系数影响增大 水灰比分别为 0 4 2 ， 0 4 0 ， 0 3 8 的 C 3 0 ， C 3 5 ， C 4 o混 凝 土 ， 当冻 融 循 环 达 i 0 0次时 ， 其 C l 一 扩散 系数分别增大约 5倍 、 2倍和 1 5倍 ； 当 冻 融 循 环 达 2 0 0次 时 ， 水 灰 比 为 0 4 0 ， 0 3 8 的 C 3 5 ， C 4 0混凝土 ， 其 C l扩散系数分别增大 约 4倍、 3 5倍 将冻融循环次数 与混凝土 C l 一 扩散 系数 ( 1 0 ( m S ) ) 进行数值拟合得 ： C3 O： y= = = o 3 3 9 2 z+ 7 5 0 4 5，R 一 0 8 9 0 2 ( 4 ) C3 5： Y一0 1 4 0 5 x+ 6 6 6 9 2 ， R 一 0 9 4 5 3 ( 5 ) C4 0： Y一0 1 0 6 4 x+ 5 4 0 4 4， R。 一 0 9 5 2 4 ( 6 ) 墨 备 考 鼋 8 图 2 不 同冻融循环次数时混凝土试件的 C l 一 扩散系数 F i g 2 Ch l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t f r e e z e t ha w c y c l e s 2 3冻 融循 环及 氯离 子侵 蚀 共同作 用下 。 混 凝 土保 护层 计算 实 例 由上述结果可见 ， 冻融循环及养护龄期对混凝 土氯离子扩散系数会产生显著影 响， 单一地 以静态 2 8 d混凝土氯离 子扩散系数来进行保护层厚度预测 计算显然是不合理的 ， 应综合 考虑冻融循环及养护 龄期对混凝土的双重影 响 以辽宁滨海公路辽河特 大桥水 中区 C 4 0混凝土为例 该工程位于辽河人海 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 4卷 ( 渤海 ) 口上游 3 k m 处 ， 渤海 地 区海水 平均 氯离 子含 量 C 。 一0 9 5 ， 导致钢筋锈蚀 的氯离子含量临界值 c 一0 3 0 ， 工程设计使用寿命 1 0 0 a L 8 ， 计算所需 保护 层厚 度 2 3 1 年均 自然养护对 C 1 一 扩散系数的影响系数 忌 表 3为 辽宁 省月平 均气 温统计 值 、 表 3辽宁省月平均气温 Ta b l e 3 M o n t h l y me a n t e mp e r a t u r e o f Li a o n i n g p r o v i n c e J a n F e b Ma r Ap r Ma y J u ne J u l y Au g S e p t Oc t No v De c 渤海地区每年非冻融期 平均约为 2 1 5 d ( 4 1 0 月) ， 冻融期平均约为 1 5 0 d ( 1 1月至次年 3月) 根 据混凝土成熟度准则口 。 。 ： M 一 ： K ( T + 1 0 ) t ( 7 ) 式中： M 为成熟度 ， ( o C d ) ； T 为混凝 土养 护温 度， ； t 为在养护温度 T 下 的养护时间 ， d ； K 为 温度影 响系数 ， 它 的含 义是某温 度 下相 当于 2 0 的影响效应( 倍数) 渤海 地 区 年 平 均 非 冻 融 期 2 1 5 d ， 平 均 气 温 1 7 4 1 ， 由式( 7 ) 换算约相当于标养龄期 1 9 6 4 7 d 由 式( 3 ) 可得 ， 每经 1 9 6 4 7 d标准养护后混凝土的氯 离子扩散系数降低 比例， 即年均 自然养护对其氯离子 扩散 系数 的影响 系数 足 一e 毗 。 一0 0 5 3 5 4 2 3 2 年均冻融期 对 C 1 一 扩散系数的劣化影响增 加值 根据渤海地区混凝土每年平均冻融损伤程度约 相 当 于 1 2次 标 准 冻 融 循 环 所 造 成 的 混 凝 土 劣 化 I l ， 由式 ( 6 ) 可 知 ， 每冻 融 循 环 1 2次 ， 混 凝 土 C l 一 扩散系数增 加值约 为 一 1 20 1 0 6 41 0 一 1 2 7 6 81 0 一 。m s =0 4 0 2 6 c m。 a 2 3 3 1 0 0 a 设计使用寿命期内混凝土 c l 一 扩散系 数平均值D 同时考虑冻融期混凝土的劣化和非冻融期混凝 土养护修复两种因素 ， 并按非冻融期和冻融期 两阶 段分别进行计算 ， 得 出每年非冻融期末和冻融期末 的 C l 一 扩散系数 ， 然后求其 1 0 0 a 使用寿命 内的 C l 一 扩散系数平均值 ( D) ， 作为混凝土保护层厚度计算 时使用的 c 1扩散系数 第 1年非冻融期末 C l 一扩散系数 ： D 一D。 k ； 冻 融期末 c l扩散系数 ： D 一D + = = = D。 忌 + 第 2年非冻融期末 c l 一扩散 系数： D。 = ： = D k = ( Do k 4 - ) k ； 冻融期末 C l 一 扩散系数： D； = = = D 2 +一 ( D。 k + A) k + A 以此类推 ， 则第 i 年非冻融期末 C 1扩散 系数 D ， 冻融期末 C l 一 扩散 系数 D：以及 1 0 0 a使用寿命 内 C l扩散系数平均值D为 ： D D 。 k 4- ( I I k ) ( 8 ) D ： 一D 。 k + ( I I k ) + ( 9 ) 一 + I O O ( D i 4- D ： 式 中 ： D0 为 2 8 d测 定 的 C l 一 扩 散 系数 ， D o 一5 4 0 4 1 0 一 m s 2 3 4 保护 层厚 度 z值 计算 根据式 ( 8 ) ， ( 9 ) ， ( 1 0 ) 计算， 可得 1 0 0 a设计使用 寿命期内混凝土 C 1 一扩散系数平均值 ： D一0 7 2 3 1 1 0 一 。m s 一0 2 2 8 0 c m0 a 代 入 F i c k第 二定 律可得 ： 一 1一 一1一 _ 0 6 84 21 2 D t o u b 。 一 0 7 09 3 2 瓜 z 一2 0 7 0 9 3 瓜：1 4 1 8 6 一6 7 7 c m 即 C 4 0混凝 土在渤海 地 区海洋 环境 、 使用 寿命为 1 0 0 a内所需的最小保护层厚度为 6 7 7 c m 若采用静 态标养 2 8 d混凝土的 C 1 一 扩散系数( D o一 5 4 0 4 1 0 。m s ) 计 算 ， 其 所 需 混 凝 土 保 护 层 厚 度 为 1 8 6 9 c m 可见 ， 基于混凝 土标养 2 8 d的氯离子渗 透 系数这 一静 态指 标来 预测 计算结 构所 需 的保 护层 厚度 明显偏大 该 结论 与近 2 O年 我 国沿海地 区混凝 土结构保护层厚度 的调查统计结果相一致 3 结论 1 混凝 土氯 离子扩 散 系数 随标 准 养护 龄期 的增 长而近似呈指数 函数关系下降， 随冻融循环次数的 增加而近似呈直线关系增大 2 综合考虑养护龄期和冻融循环对混凝土的影 响所求得的氯离子扩散系数 ， 与静态标养 2 8 d的氯 离子扩散系数有较大差别 利用标养 2 8 d的氯离子 扩散系数 ， 代入 F i c k第二定律计算所得的混凝土保 护层 厚度 明显偏 大 参考 文献 ： 1 施惠生 ， 王琼 海工混凝土使用寿命 预测研究 J 建筑材料 学 报， 2 0 0 4 ， 7 ( 2 ) ： 1 6 2 1 6 7 S HI Hu i s h e ng， W ANG Qion g Re s e a r c h o n s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n o f ma r i n e c o n c r e t e - J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， ( 下转 第 2 6 2页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 2 建筑材料学报 第 1 4卷 ( 上接第 2 5 6页 ) 2 3 4 5 6 7 8 2 0 0 4， 7 ( 2) ： 1 6 2 1 6 7 ( i n Ch i n e s e ) 王军强 混凝土 中冻融循环 和氯离子侵 蚀的耦合 效应试验 研 究 J 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 2 9 3 1 W ANG J u n q i a n g Exp e r i me n t s t u d y o n t h e c o u p l e d e f f e c t o f f r e e z i n g t h a wi n g a n d c h l o r i d e p e n e t r a t i o n in c o n c r e t e J Co n c r e t e ， 2 0 0 8 ( 1 1 )： 2 9 - 31 ( i n Ch i ne s e ) 刘秉京 混凝 土结构 耐久性设计E M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 00 7： 2 01 - 2 1 4 L I U B i n g - j i n g D u r a b i l i t y d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e M B e i j i n g ： Ch i n a C o mmu n i c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 7 ： 2 0 1 2 1 4 ( i n C h i n e s e ) FEl DMAN R F， CHAN G W ， BR0USS EAU R J ， e t a 1 I n v e s t i g a t i o n o f t h e r a p i d c h l o r i d e p e r me a b i l i t y t e s t J ACI Ma t e r i a l s J o ur n a l ， 1 9 9 4， 9 1 ( 3 )： 2 4 6 2 5 5 TANG Lu p i n g， LARS - OLOF N Ra p i d d e t e r mi n a t i o n o f t h e c hl o r i d e d i f f u s i v i t y i n c o n c r e t e b y a p p l y i ng a n e l e c t r i c a l f i e l d J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 2 ， 8 9 ( 1 ) ： 4 9 5 3 杨进波 ， WI TTMANN F H， 赵铁军 ， 等 混凝 土氯离子扩散 系 数试验研究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 2 ) ： 2 2 3 2 2 9 YANG J i n b o ， WI TT MANN F H， Z HAO T i e - j u n ， e t a 1 E x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o f c h l o r i d e d i f f us i o n c o e f f i c i e n t i n c o nc r e t e J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 2 ) ： 2 2 3 2 2 9 ( i n Ch i n e s e ) J T G T B 0 7 一 O 1 2 o 0 6 公路工程混 凝土结构 防腐蚀技 术规 范E s J TG T B 0 7 0 1 2 O O 6 S p e c i f i c a t i o n f o r d e t e r i o r a t i o n p r e v e n t i o n o f h i g h w a y c o n c r e t e s t r u c t u r e s S ( in C h i n e s e ) 洪雷 ， 唐晓东 ， 闫大伟 辽河特大桥混 凝土设计及 耐久性研究 9 1 0 3 1 1 J 施工技术 ， 2 0 0 8 ( 3 7 ) ： 2 0 5 2 0 7 HONG Le i ， TANG Xi a o d o n g， YAN Da we i St u d y o n d ur a b i l i t y a n d d e s i g n o f c o n c r e t e i n L i a o b r i d g e J C o n s t r u c t i o n Te c h n o l o g y， 2 0 0 8 ( 3 7 )： 2 0 5 2 0 7 ( i n Ch i n e s e ) 侯依玲 ， 李栋梁 ， 施雅风 ， 等 我国东北及邻近地 区年平均气 温 异 常及其对北半球气候变暖和欧亚雪 盖面积 的响应 J 冰 川 冻土， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 6 ) ： 9 0 0 9 0 8 H0U Yi l i n g， LI Do n g l i a n g， S H I Ya f e n g， e t a 1 Va r i a t i o n o f a n nu a l me a n t e mp e r a t u r e i n n o r t h e a s t o f Ch i na a n d i t s r e s p o n d i n g t O t he n o r t h e r n he mi s ph e r e wa r mi n g a n d s n o w c o v e r a r e a c h a n g i n g i n Eu r a s i a J J o u r n a l o f Gl a c i o l o g y a n d Ge o c r y o l o g Y，2 0 0 6， 2 8( 6 )： 9 0 0 9 08 ( i n Chine s e ) 方光秀 ， 李 发千， 郑文忠 混 凝土成熟 度新论及 新成熟 度准则 应用L J 低温建筑技术 ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 2 - 4 FANG Gu a n g - x i u， LI F a q i a n， ZHENG W e n z h o n g Th e s t u d y o n t h e t r a n s i t i o n z o n e a n d a p p l i c a t io n c r i t e r i a o f c o n c r e t e J Lo w Te m p e r a t u r e Ar c h i t e c t u r e Te c hn o l o g y， 2 0 0 2 ( 2 )： 2 - 4 ( i n Ch i ne s e ) 中国工程院土木水利 与建筑学部工程结构安全性与耐久性研 究咨询项 目组 混凝 土结 构耐 久性设 计 与施工 指南 M 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ： 2 0 0 4 5 7 5 8 ， 1 2 0 1 2 9 ， 1 5 8 1 6 8 Re s e a r c h a n d c o n s u l t i n g p r o j e c t t e a m f o r s a f e t y a n d d u r a b i l i t y o f e n g i n e e r i n g s t r u c t ur e o f t h e f a c u l t y o f c i v i l e n g i ne e r i n g& hy d r a u l i c i n Chi n e s e a c a de my o f e n g i n e e r ing Gu i d e s p e c i f i c a t i o ns f o r d e s i g n a n d c o ns t r u c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e du r a b i l i t y M B e ij i n g ： C h i n a Ar c h i t e c t u r e 8 L Bu i l d i n g P r e s s ， 2 0 0 4： 5 7 5 8， 1 2 0 1 2 9， 1 5 8 1 6 8 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m