干湿交替环境下氯离子在承压混凝土内的传输特性.pdf
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1、第 1 8卷第 5期 2 0 1 5年 1 0月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS Vo 1 1 8 。 No 5 Oc t , 2 0 1 5 文章编 号 : 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 5 - 0 7 2 7 0 6 干湿 交替环境下 氯离子在 承压 混凝土 内的传 输特性 徐港 。 , 李运攀 , 王谊敏 , ( 1 三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 王 青 4 43 0 0 2; 2 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协 同创新中心 , 湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要 :通过试验模拟海
2、洋环境下氯 离子对在役混凝土柱 的侵蚀 , 探 究 了干湿交替环境 下应力水平 及试验周期对氯 离子在混凝土中传输特性的影响规律 采用干湿时间比为 2; 1的干湿循环制度 , 试验历时 1 a , 研 究了不同应力水平下混凝土 内的氯 离子含量分布特性 通过数据分析得到应力水 平和试验周期对混凝土 内氯 离子传输进程、 表 面氯 离子含 量、 对流 区深度及峰值氟 离子含 量的影 响规 律 ; 建 立 了同 时考虑应 力水 平和 试 验 周 期 影 响 的 氯 离子 扩 散 系数 预 测 公 式 ; 阐释 了应 力 水 平 对 干湿 交替环 境 下混 凝土 中氯 离子 不 同传 输机 制 的影
3、响机 理 关键 词 : 钢 筋 混凝 土柱 ;应 力 水平 ;氯 离子 ;扩散 系数 中图分 类号 : T U5 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 5 0 5 0 0 2 Tr a n s p o r t a t i o n o f Chl o r i d e I o n i n S u s t a i n e d - Lo a d Co nc r e t e u nd e r Dr y - W e t Cy c l e s XUGa n g ”, LI Yu n p a n ”, W
4、ANG Yi mi n g , WANG Qi n g ( 1 Co l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g Ar c h i t e c t u r e ,Ch i n a Th r e e Go r g e s Un i v e r s i t y,Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ,Ch i n a ; 2 Co l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r f o r Ge o - h a z a r d s a n d E c o - e n v i r
5、o n me n t i n Th r e e Go r g e s Ar e a ,Yi e h a n g 4 4 3 0 0 2 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :By t h e t e s t o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s i n s i mu l a t e d ma r i n e e n v i r o n me n t u n d e r s u s t a i n e d 1 o a d, t h e i n f l u e n c e r u l e s o f s t r
6、e s s l e v e l a n d t e s t p e r i o d we r e e x p l o r e d o n t r a n s p o r t c h a r a c t e r i s t i c s o f c h l o r i d e i o n s Us i n g d r y - we t t i me r a t i o o f 2 l 1 ,c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c h l o r i d e i o n
7、 s we r e s t u d i e d b y t h e e x p e r i me n t o f s p e c i me n s wi t h d i f f e r e n t s t r e s s l e v e l s f o r o n e y e a r Th e i n f l u e n c e r u l e s o f s t r e s s l e v e l a n d t e s t p e r i o d we r e o b t a i n e d o n c h l o r i d e i o n t r a n s p o r t p r o
8、 c e s s s u r f a c e c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a - t i o n,c o n v e c t i o n z o n e d e p t h a n d t h e p e a k v a l u e o f c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n b y d a t a a n a l y s i s Fo r mu l a wa s e s t a b l i s h e d t o p r e d i c t t h e c h l o r i d e
9、i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t c o n s i d e r i n g b o t h s t r e s s l e v e l a n d t e s t p e r i o d Th e i n f l u e n c e o f s t r e s s l e v e 1 wa s i l l u s t r a t e d o n t h e d i f f e r e n t t r a n s mi s s i o n me c h a n i s ms o f c h l o r i d e i o n i n c
10、 o nc r e t e und e r dr y we t c yc l e s Ke y wo r d s :r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn;s t r e s s l e v e 1 ;c h l o r i d e i o n;d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t 海洋气候环境下, 处于海水干湿交替区的钢筋 混凝土结构较水下 或陆上结构 更容易 引起钢筋锈 蚀 , 其耐久性问题更为突出 学者们针对钢筋锈蚀诱 因就干湿交替作用下混凝土中氯离子传输特性进行 了一定的试 验及理论研究 1
11、 。 , 但 多数 未考虑荷载 存在对氯离子在混凝 土中传输特性 的影响 , 既有成 果也多集 中于 弯 曲荷 载 下 混凝 土 内 的氯 离子 传 输 1 1 - 1 4 , 对于受轴压作用下钢筋混凝 土柱 中氯离子 传输特性的研究甚少 , 鲜有 的公开文献中混凝土压 应力的施加也是通过预拉试件内钢筋实现的 1 , 试 件受力状态与在役混凝 土柱有一定差别 , 而且持载 时间较短 , 故所得结论的适用性 尚待进一步验证 因 此本文采用了更为合理 的试 验方法 , 通过为期 1 a 的试验, 研究了干湿交替环境下在役 钢筋混凝土柱 收稿 日期 ; 2 0 1 4 0 3 - 0 7 I修订 日
12、期 : 2 0 1 4 0 4 2 1 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 0 9 1 2 1 , 5 1 3 7 9 1 1 1 ) , 湖北省 自然科学基金资助项 目( 2 0 1 2 F F B 0 3 8 0 3 ) 第一作者 : 徐港 ( 1 9 7 4 一) , 男 , 内蒙古达茂旗人 , 三峡大学教授 , 硕士生导师 , 博士 E - ma i l : p o s t x g 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 8 建筑材料学报 第 1 8卷 中氯离子的传输进程, 探究了不 同应力水平对混凝 土中
13、氯离子传输深度、 氯离子含量分布 、 表面氯离子 含量 、 对流区深度 、 峰值氯离子含量以及氯离子扩散 系数 的影响规律 筛) , 取粉间隔为 1 mm, 最大深度为 2 5 mm, 从每层 粉样中称取 5 g粉样加入装有 5 O mL去离子水的试 瓶中剧烈摇晃 3 5 mi n , 静置 4 8 h后采用 B Y - 2 5 0 1 B 氯测仪测量氯离子含量 I 试验设计 2 试验结果及分析 试件尺寸为 1 5 0 mm1 5 0 mm3 0 0 mm, 内配 4根直径为 1 4 mm 的 HR B 3 3 5纵筋 , 保护层厚度为 2 5 mm; 混凝土设计强度为 C 2 5 , 配合
14、比为 m( 水 ): m( 水 泥 ):m( 砂 ):m( 石 ) = 1 8 8:3 8 4 i 6 4 0: l 1 8 9 , 实测 2 8 d标准立方体试件抗压强度平均值为 3 4 76 M Pa 采用徐变仪对试件进行 长期加载 , 应力水平分 别为试件 承载力设计值 的 0 , 2 0 , 4 0 9 6 和 6 O ( 对应试件分别记为 F O , F 2 , F 4和 F 6 ) 试件置于可 伸缩式储水袋 中, 通过 向水袋 中注、 抽 N a C 1 溶液 ( Na C l 质量分数为 3 ) 来模 拟干湿交替环境 , 干湿 时间比为 2:1 , 试验总周期为 1 a , 期间
15、分别在 1 2 0 , 2 4 0 , 3 6 0 d时采 用 P r o f i l e G r i n d e r P F - I 1 0 0混 凝 土 磨 削工具 , 对试件钻粉取样( 粉样可全部通过 0 6 3 mm 2 1 氯离子传输深度 沿传输路径 , 绘制不同深度处氯离子含量分布 图, 见图 1 由图 1可知 , 1 2 0 , 2 4 0 , 3 6 0 d时 , 试件 内 氯离子的传输深度( z 。 ) 分别约为 l l , l 5 , 1 8 mm, 随 着试验周期的延长, 氯离子的传输深度逐渐增大 , 且 同一深度处的氯离子含量( ) 也逐渐增加 ; 不 同深 度处的氯离
16、子含量分布具有明显的干湿循环侵蚀特 征 , 即氯离子含量峰值 出现在距试件表 面一定距离 处 , 对流区显著 , 这与文献E 1 6 的结论类似 2 2 表面 氯 离子含量 本文以距试件表面 0 1 mm 深度处钻取 的粉 样氯离子含量作为表面氯离子含量 ( ) , 不 同应力 水平下混凝土 的表面氯离子含量见图 2 由图 2可 知 , 应 力水 平对 混 凝 土表 面氯 离 子 含 量 具有 明显 影 De pt h l mm ( a ) 1 2 0d De p t h ram ( b ) 2 4 0d De pt h l mm ( c ) 3 6 0d 图 1 不同深度 处氯离子含量分布
17、F i g 1 Di s t r i b u t i o n o f c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n a t d i f f e r e n t d e p t h s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 徐港, 等; 干湿交替环境下氯离子在承压混凝土内的传输特性 7 2 9 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 q 0 0 2 0 0 01 5 0 01 0 0 0 0 5 0 l U 2 U 3 O 4 O 5 U 6 O S t r e s s l e v e l P A 图
18、2 不 同应 力水平下混凝土 的表 面氯离 子含量 F i g 2 S u r f a c e c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t s t r e s s l e v e l s 响, 相同试验周期内混凝土应力水平越高 , 其表面氯 离子含量越低 , 两者基本呈线性关系 , 且随试验周期 增长, 应力水平对表面氯离子含量 的影响程度加大 , 表面氯离子含量的降幅增大 由图 2还可知 , 随着干湿循环周期 的增长 , 在无 应力的情况下 ,
19、表面氯离子含量逐渐增加并趋于平 稳 , 这与文献 1 6 的描述一致 ; 在压应力作用下, 应 力水平一定时 , 试件表面氯离子含量 随试验周期增 长而先增大后减小 , 且随着应力水平 的增加其变化 幅度减小 2 3 对 流 区特 征 由图 1可见 : 试件 F 0 , F 2和 F 4的对 流区深度 主要集中在 2 mm 附近 ; 而试件 F 6的对流区深度基 本在 3 mm 以上 这说明应力水平较高时 , 对流 区深 度受到一定影响 , 但具体影响规律尚待进一步研究 图 3为不 同应力水平下混凝土的峰值氯离子含 量 ( ) 由图 3可见 , 峰值氯 离子含量随应力水平 和试验周期 的变化规
20、律与表面氯离子含量的变化规 律十分类似 0 0 5 5 0 0 5 0 0 0 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 O 0 3 0 0 0 2 5 00 2 0 O01 5 001 0 O0 o 5 O 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 S t r e s s l e v e lP o 图 3 不同应力水平下混凝土的峰值氯离子含量 Fi g 3 P e a k v a l u e o f c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t
21、 s t r e s s l e v e l s 2 4 氯 离子 扩散 系数 沿传输路径 , 取峰值点后不 同深度处 的氯离子 含量 , 由 F i c k第二定律可求得试件的氯离子扩散系 数 计算表明, 取不同深度处氯离子含量值求得 的氯 离子扩散系数值虽有差异 , 但波动不大 , 故取传输区 平稳段内氯离子扩散系数的平均值作为承压混凝土 的氯离子扩散系数 ( D) , D值 随应力水平 的变化如 图 4所示 由图 4可见 , 在应力水平较低( 2 0 以内) 时 , 压应力的存在会使氯离子扩散系数减小 ; 但随着 应力水平的增加 , 氯离子扩散系数反而增大 这与文 献- 1 7 - 对承
22、压素混凝土 内氯离子扩散系数的研究结 果相似 进一步分析可知 , 承压混凝土试件的氯离子 扩散系数变化规律与未承压试件相似 , 均 随试验周 期的增长而减小 , 且在 2 4 0 d周期 内承压试件 D 值 的降低速度似乎更快 , 这可能与试件在长期受压过 程 中产生徐变从而有利于其内部损伤的愈合有关 U l O 2 U 3 O 4 U 5 U 6 o 7 U S t r e s sl e v e l P o 图 4 氯离子扩散 系数 随应力水 平的变化 F i g 4 Ch l o r i d e i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t v
23、 a r y i n g wi t h s t r e s s l e v e l s 充分考虑应力水平和试验周期对混凝土氯离子 扩散系数的影响 , 经数据拟合分析, 可得出在压应力 状态下混凝土氯离子扩散系数与应力水平和服役时 间( 即试验周期) 的经验公式 : D = ( Do+a + b 。 )( t o I t ) ( 1 ) 式 中: D。为应力水平为 0 , 周期为 2 8 d时混凝土的 氯离子扩散 系数 ; 为应力水 平 ; t为服役 时间 ; t 。 为基准服役时间, t 。 一2 8 d ; a, b , C为经验 系数 , 分别 为一6 4 9 9 1 0 , 2 5 3
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