混凝土表面渗透层氯离子分布模型通式.pdf

弟 l 6巷 ，弟 4别 2 0 1 3年 8月 连巩 种 - -T - 佩 J OURNAL 0F B UI LDI NG MATERI AL S V U1 10 U Au g， 2 01 3 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 5 8 2 0 5 混凝土表面渗透层 氯离子分布模型通式 黄 智 山 ， 刘 磊 ( 哈尔 滨工业 大学 土木 工程学 院 ，黑龙 江 哈尔滨 1 5 0 0 0 6 ) 摘要 ： 基 于混凝土表 面渗透层 H 研 究具有的重要意义， 在建立单位横断层 S与单位横断层性能 参数 C H S 及其分布的表征方法基础上， 对渗透层表层 H眦 的值域进行 了量化， 指 出了 Z 。 ( 一( 2 5 0 5 ) mm) 断层 的特 征和表 层影 响混 凝土渗 透性 的 主要 因素 ； 将 He划分 为 H B I 和 He ， I l a r 两个 层 区， 建立了氯离子质量分数分布模型通式， 并阐明其参数的物理意义与应用； 分层取样 断距量级 宜为亚毫米级 ， 运用 S与C 的表征方法分析归纳同类试验研究结果， 量化混凝土与层有关的参数， 给 出了与层有关的结构层次量化模型 结果表明： S和 c 的表征方法具有普适性 关键词 ： 混凝土 ； 表面渗透层 ；单位横断层表征方法；亚毫米级；氯离子分布模型 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 3 0 4 0 0 5 Ge n e r a l F o r m u l a o f Ch l o r i d e Di s t r i b u t i o n M o d e l wi t hi n Pe r m e a b l e La y e r o f Co n c r e t e S u r f a c e HUAN G Zhi s ha n，LI U Le i ( Sc h o ol o f Ci v i l Eng i ne e r i ng，Ha r b i n I ns t i t u t e o f Te c h no l o g y，Ha r b i n 15 0 00 6，Ch i na ) Ab s t r a c t ：Ba s e d on t he c ha r a c t e r i z a t i o n me t h o ds o f un i t c r o s s s e c t i o na l l a y e r S a nd i t s p e r f o r ma n c e C H S t he r a n g e o f H H 1 h a s b e e n e v a l u a t e d Th e f e a t u r e o f f a u l t Z 3 ( 一 ( 2 5 0 5 )ram)a n d t h e ma i n f a c t o r s t h a t a f f e c t t he p e r me a b i l i t y o f c o nc r e t e i n s u r f a c e l a y e r ha v e be e n p r o v i de dThe H B c o ul d b e d i v i de d i nt o t wo l a y e r s，HB ，【 a n d H B ， Th e d i s t r i bu t i o n mod e l f o r m u l a o f c h l o r i de ha s b e e n e s t a bl i s he d， i t s p hy s i c a l m e a ni ng a n d a p pl i c a t i o n ha ve a l s o be e n c l a r i f i e d The r e s ul t s s ho we d t ha t t he ma g ni t ud e o f s t r a t i f i e d s a m pl i ng i s a p pr o p r i a t e a t t h e s u b m i l l i m e t e r l e v e 1 A qu a n t i t a t i v e m o d e l f o r c o nc r e t e s t r uc t u r e r e l a t e d t o t he l a ye r h i e r a r c hy i s gi v e n The c ha r a c t e r i z a t i on me t ho ds of S a n d C H s a r e u ni v e r s a 1 Ke y wo r ds ：c o nc r e t e；s ur f a c e pe r m e a bl e l a ye r；c ha r a c t e r i z a t i on m e t h od o f u n i t c r o s s s e c t i o na l l a y e r ；s u b m i l l i me t e r 1 e v e l ：d i s t r i bu t i o n mo de 1 o f c hl o r i de 对 混凝 土表 面 渗 透性 的研 究 与评 价 ， 均 与 表 面 层 的次级层 量 化及 其 性 能 表征 有 关_ 1 在 海 洋 环境 服役 的混凝 土构 筑 物 ( 如涵 洞 、 堤 坝 、 港 口设 施 等 ) ， 当其 钢筋表 面 积 聚 的 自 由氯 离 子 含量 达 到 阈值 时 ， 会引起 电化学腐蚀 ， 导致失效破坏 。 文献 1 建立 了单位横断层 s和单位横断层性能参数 c ( 单位横 断层氯 离子 质量 分数 ) 的表征 方法 ， 给 出了单位 横 断 层 s的位置与分布模型及部分与层有关的结构层分 布模型 在此基础上 ， 本文对文献 1 中有待深入探 讨 的几 个关 键 问题 进行 了研 究 ， 结 果表 明 ， 运 用单 位 横 断层 S和单位横 断 层性 能 参 数 C 的 表征 方 法 能 很 好地分 析归 纳 同类试 验结 果 1 粉末 制备与分析方法 配 制 了水 灰 比 m m 分 别为 0 3 5 ， 0 4 0 ， 0 4 5 ， 0 5 0的 4种混凝土 ， 并按文献 1 制备 了一维方 向 氯离子渗透的单面基准试件 将 试件 浸 入 质 量 分 数 为 3 0 的 C l 一溶 液 ， 以 干 、 湿 各 6 h作 为 1次 循 环 ， 以 7 5次循 环 的经 时作 为基 准经 时 t 。 ( 3 7 5 d ) ， 在 t 。 后 取 出试 件 备测 沿 氯 收稿 日期 ： 2 O 1 2 0 1 1 8 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 - 1 2 - 2 6 第一作者 ： 黄智山( 1 9 6 3) ， 男 ， 黑龙江哈尔滨人 ， 哈尔滨工业大学副教授 ， 硕 士 E ma i l ： h y z s 3 6 9 1 2 6 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 4 建筑材料学报 第 1 6卷 2 4 1 基准 经 时 t 。的 C H S 分布模 型通 式 c H S l 一 在 H ， I 层区内， c 的分布模型为 ： f H s 一 3 一一Az +B， z( 0 ， 3 O ( 1 ) 式 中 ： B是与 H 层 区混凝 土质 量 和环 境 中氯 离 子 质量 分数 有关 的系数 ； A 是 与 H B I lI 层 区混 凝 土 质量和 H 层 区内孔隙率有关 的系数 ， 表征氯离子 在 H I J a 层 区混 凝 土 内 的传输 能 力 ； C 一 。 中 的 下标 z 一3表示 He l a 层 区距表 面断距 z一3 mm 在 H B I Il 层 区内 ， c 的分布 模型 为 ： C H S 一 P e x p ( 一 D z ) ，Lz ( 3 o ， l O 0 J( 2 ) 式 中 ： P是 与 内部 层 区混凝 土质 量有 关 的 系数 ； D 为基 准氯 离子 表观扩 散 系数 ， 表 征 t 。的 氯离 子在 混 凝土 内部层区 H眦 ( 也是 H I1 a 层区) 内的传输能 力 ； C H s 一 玑 中 的下标 3 x表 示 H B l ll 层 区距 表 面 断距 的取值范围 -z E( 3 0 ， 1 0 O 在 t 。 一3 7 5 d时 ， H 层 区 内 C 的分 布 模 型 通 式 C H S I 为 ： C H S t C H S l f。 ： 3+ C H S I t O 3 z 一一 Az+ B + Pe x p( 一 D -z ) ， X E ( O ， 1 0 O ( 3 ) 2 4 2 经时 t 的C H s 分布模型通式 C H s f 氯离子表观扩散系数 D 随经时 t ( 。 ) 衰减 ， 与 D 的关 系为 ： D 一 D 。-厂 ( ) ( 4 ) 式 中 ： m( m 1 ) 为常 数 任 意经 时 t ( t t 。 ) 时 ， HB I n 层 区 内 的 c H s 分 布 模型 c H 为 ： 咖 一 P e x p ( 一 D af0 ， ( 等 ) z ) ( s 氯离子由一维单面侵入混凝 土， 任意经时 ( t 。 ) 表面渗透层 H 内的 C H S 分布模型通式 C 为： c H s I f = C H s l 3 + c H s l 3 一一 A z 十 B + P e x p ( 一 D ( 了t o ) z ) ， ( O ， 1 0 0 ( 6 ) 由式 ( 6 ) 可计 算 出任 意 经 时 t ( f t 。 ) 侵 人 混凝 土核心区渗透层 中距表面断距 z处的 C 和氯离子 可达 到 的最大侵 入深度 2 5 C H S 的应 用 以水 灰 比 0 4 5的混 凝 土 为 例 ， 其 H B ， I ， H ， He 层 区 C n s 的分 布模型 通式分 别为 ： C H S I ： 3 = = = Alz + B一 一 0 0 8 7 x + 0 4 2 3， R ：0 9 9 9 ，zE( 0， 3 0 ( 7 - 1 ) C H S I 3 一Pe x p ( 一 D ， “) 一0 2 8 7 e x p ( 一 0 1 9 3 x ) ， R 一0 9 9 7 ，zE( 3 0 ， 1 0 0 ( 7 - 2 ) C H S I 一 一A + B+ Pe x p ( 一 D ， ) 一 0 4 2 3 0 0 8 7 x+ 0 2 8 7 e x p ( 一 0 1 9 3 x)。 z E( 0 ， 1 0 0 ( 7 - 3 ) 文献 1 建立的 C H S 表观分布模型 C h为： C H S ,b 1 = = P e x p ( 一D ， fn z ) 一 0 3 7 7 e x p ( 一0 2 3 1 x) ， R 一0 9 7 0，zE( ， 1 0 0 l ( 8 ) 式 中 ： P 是 与 表 面 渗 透 层 表 层 H眦 质 量 有 关 的 系 数； D 为基准经时 t 。 一3 7 5 d时 D： ， ( t 。 ) 的常 数项 ， 表征 t 。 一3 7 5 d时氯离子在混凝土表面渗透 层内的传输能力 表面渗 透 层 H。内表 面 H 可分 为 内表 面 H 一 + 0 mm 和外 表 面 HB 0 一 一 0 I T I I T I 由 式 ( 7 - 3 ) ， ( 8 ) 可得 到 H 层 区 内表 面 H 处 的氯 离 子 质量 分数 C 。 ， 并 可 预测 侵 入 混 凝 土 核 心 区渗 透 层 H ， 中 z处 的 c s 及 氯离 子可 达到 的最 大 渗 透深 度 z ， 结果 见 表 1 ， 其 中 C 。为混 凝 土原 材料 中含 有 的 氯离子 质量分 数 当 t 。 一3 7 5 d且 在 z 处 的 C 相 同时 ， 采 用 氯 离子质 量分数 表 观分 布模 型 预 测 的 z 较真 实 分 布模 型预测 的小 2 6 混 凝土渗 透性 和表层 抗渗 性评价 由式 ( 2 ) ， ( 3 ) 可见 ， H S 一 。 中的 A 和 C H S l 中 的 D a 均是与氯离子传输能力有关的系数 ， 其值越 小 ， 混凝 土孔隙率越小 ， 抗渗 透性越 高 ； 混凝 土表层 的 表 1 由 t o时不同氯离子质量分数分布模型预测氯离子最大侵入深度 一 的比较 Ta b l e 1 Co mp a r i s o n o f ma x i mu m p e n e t r a t i o n d e p t h p r e d i c t e d b y d i f f e r e n t d i s t r i b u t i o n mo d e l s o f c h l o r i d e i o n ma s s f r a c t i o n a t t 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 黄智山 ， 等 ： 混凝土表面渗透层氯离子分 布模 型通式 5 8 5 抗渗性可由 A与 D 的比值大小来表征 以水灰比 为 0 4 0 ， 0 4 5的 2种 混 凝 土 为 例 ， 其 H B 1 ， 表 2 由表 2可见 ， A与 D一 的比值越小 ， 混凝 土表 H B ，1 a r e a 层 区 内 C n s l ； 。 ， C H S I 中的有关参数见 层 H眦 的抗渗透性越好 表 2 混凝土 HB l l 一 ， HB I - 一层 区 B S l ， c H s I 中的有 关参数 Ta b l e 2 P a r a me t e r s r e l a t i ng t o c rt s l 一3 i n HB I a n d C H S l 3 i n HB i n c o n c r e t e m wm c LH S 一3 CHSf3 3 单位横断层与其性能参数表征 方法 的应用 工程 实 践和 研 究 结 果 表 明 ， 混 凝 土 表层 质 量 对 混凝土结构 的耐久 性具有重要 的影 响 在文 献 6 中 ， 混凝 土桥 面风 化 层 厚度 为 2 0 mm， 为 了 提高 桥 面的抗风化能力 ， 该文建议桥面板涂刷防水剂 ， 且要 求现 浇桥 面板 防水 剂 渗透深 度 为 2 0 mm， 预制桥 面 板渗透深度2 5 mm； 文献 7 实测 了高密度、 低透 气性 混凝 土 桥 板 的碳 化 深 度 ， 结 果 表 明 ， 服 役 3 0 a 的混凝土桥板其碳化深度为 4 0 mi D _ ； 文献 4 显示 ， 2 O 3 0 mm 的 表 层 区域 是 混 凝 土 体 积 密 度 和 孔 隙率等性 能参数显著变化区域 ， 而在大于 4 0 mm 的表 面层 ， 各性 能参 数 均趋 于定 值 综上所述 可见 ， 外 界 物质 的渗 透 深度 一般 为 2 O 4 0 mm， 可用距表面断距 Lz E 2 0 ， 4 0 的横 断层表征 ， 其表层 区 H 的最 大、 最小和平均厚度 分 别 为 2 0 ， 3 0 ， 4 0 mm， C H S 分 布 的渐 变 断 层 为 Z ( 一( 3 5 0 5 ) ram) 或 3 7 E 3 0 ， 4 0 这与本文 的 研究结果完全相吻合 4取样分层断距量级 由 5 一H j l o j可将混凝土表面渗透层分层 取 样 ， 当 J取 1 0 ， 2 0 ， 2 5 ， 4 O时 ， 单 位横 断层 的 断距 分 别 为 1 0 0 ， 0 5 O ， 0 4 0 ， 0 2 5 mm， 本 文 将 断 距 为 0 1 1 0 mm 的单 位横 断 层 称 之 为亚 毫 米 级 单 位 横断 层 S ， 将 断距 1 0 mm 的狭义 横 断层 称 之 为 毫 米级 横 断层 S 测 试分 析 了 6个 粉 末 试 样 的 c 阶 结 果 表 明 ， 分 层 取样 断层 s 一1 0 mi D _ 时 ， c 能表 征 侵入 He层 混 凝 土 内的氯 离子 质量 分数 及其 分 布规 律 经 量 化 ， 显 著影响混凝土渗透性的表层厚度为 2 03 0 mm ( 断层 s 1 0 ram) ， 渗 透层 的最 大 、 最小 和平 均 厚 度 分 别为 2 0 ， 3 0 ， 4 0 mI T l ， Z 3 ( 一 ( 2 5 0 5 ) mm) 为 混凝土特征性能转变断层 由此可见 ， 分层取样断层 宜为亚 毫 米级 ， s 1 0 IT I Y D 在文献 4 中， 制样切片的厚度 S 一2 0 mm， 其 相关性能参数分布的拐点为距模板间距 3 0 mm， 因 此分 层 制 样 的 最 大 断 距 应 为 毫 米 级 ， s 一 2 s 一 2 0 mm， 以 s 一1 0 1 T i m 为 宜 5 与层有关的结构 层次 参数量化 渗透层表层 区 H。 的量化 值域 见 2 2 与成 型模 板 接触处 至 混 凝 土 核 心层 区 ， 依 次 可 为水 泥浆 体 膜 层 、 水泥砂浆层 、 表面渗透层 H 、 混凝 土核 心层 区 水 泥浆体膜层和水泥砂浆层的厚度大小 ， 与混凝土原材 料颗粒粒度大小与其分布和组成 比例有关， 也与新拌 混凝土工作性有关， 研究表明， 含有细小颗粒 的水泥 浆体膜层距表面断距 0 z 2 0 mm， 因此将距表面 断距 z 。时 ， 侵 入混 凝 土 内部 氯离 子深 度可超 过保护 层 厚度 H 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m