掺合料对自然潮差环境下混凝土氯离子扩散系数时变性的影响.pdf

2 0 1 5 年 第 1 0期 (总 第 3 1 2 期 ) N u mb e r 1 0 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 0 0 2 3 掺合料对 自然潮差环境下混凝土氯离子扩散 系数时变性的影响 陈伟 。 石佳乐 ，张俊芝 ， 庄华夏 ， 黄俊 ( 1 浙江工业大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ； 2 浙江省工程结构防灾减灾技术研究重点实验室， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ； 3 同济大学 土木工程学院， 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 通过现场试验测定并分析 了掺加火成岩纤维 、 硅粉 、 粉煤灰时混凝土氯离子扩散系数 ， 研究 了在同等水灰比情况下， 不 同掺合料对混凝土氯离子扩散系数时变性的影响。 结果表明： 掺人掺合料能有效提高混凝土抗氯离子渗透性能； 单掺火成岩纤 维、 单掺粉煤灰以及复掺硅粉和粉煤灰时氯离子扩散系数的时间衰减系数均增大， 又 以复掺效果最为显著 ； 掺人硅粉， 能有效降 低氯离子扩散性能， 但时间衰减系数减小。 关键词 ： 潮差环境 ； 掺合料 ； 混凝土； 氯离子扩散系数 ； 时变性 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 9 2 0 3 I n f l u e n c e o f a d mi x t u r e s o n t i me v a r i a b i l i t y o f c on c r e t e c h l o r i d e d i ffu s i o n c o e ffi c ie n t u n d e r t h e n a t u r a l t i d a l r a n g e e n v i r o n me n t CHEN We i ， SHI J i a l e ， ZHANG J u n z h i ， ZHUANG Hu a x i a ， HUANG J t m ， ( 1 Co l l e g e o f Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i l E n g i n e e ri n g， Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4， Ch i n a ； 2 Z h e j i a n g K e y L a b o r a t o r y o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d D i s a t e r P r e v e n ti o n a n d Mi t i g a ti o n T e c h n o l o g y ， Hang z h o u 3 1 0 0 1 4， Ch i n a ；3 C o l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， T o n g j i Un i v e r s i t y， S h a n g h m 2 0 0 0 9 2， Ch i n a ) Abs t r ac t ： Ac c o r di n g t o a s e rie s o f fie l d t e s t ， t he d i f f us i o n c o e ffi c i e nt s o f c o n c r e t e mi x i n g i g n e o u s r o c k fi b e r ， s i l i c a fume a n d fly a s h we r e an a l y z e d Un d e r t h e i d e n ti c a l wa t e r c e me n t r a tio， e f f e c t s o f the d i f f e r e n t a d mi x t u r e s o n ti me v a r i a b i l i t y o f c h l o rid e di ffus i o n c o e f f i c i e n t o f c o n c r e t e we r e s t u d i e d The r e s u l t s s h o w tha t a d mi x tur e s c a n i mp r o v e r e s i s t a n c e t o c hlo r i d e i o n pe r me a b i l i t y Ad d i ng i g ne o us r o c k fi be r o r f l y a s h s i n gl y a n d a d di n g s i l i c a fume， fl y a s h t o g e the r c a n e n l a r g e t h e a t t e n u a t i o n c o e ffi c i e n t o f c h l o rid e d i f f u s i o n c o e f fi c i e nt o f c o n c r e ， t he e f f e c t o f a d d i n g s i l i c a f ume a n d fly a s h t o g e the r i s t he mos t o bv i o u s Ad d i n g s i l i c a f u me s i n g l y i n c o n c r e c a n r e d u c e t h e c h l o r i d e di f f u s i o n e f f e c t i v e l y， b u t the a t t e n u a tio n c o e ffic i e n t o f c h l o rid e d i f f u s i o n c o e ffic i e n t i s d e c r e a s e d Ke y WOr ds ： t i d a l e n v i r o n me n t ； a d mi x tur e s ； c o n c r e t e ； c h l o ri d e d i f f u s i o n c o e ffi c i e n t ； ti me v a r i a b i l i ty 0 引言 1 试验 原材料和 配合 比 通过对既有海工混凝土结构 的耐久性检测 表明 ， 混凝 土内部钢筋锈蚀是 引起混凝土结构破坏的第一 因素， 其 中 氯离子又是引起钢筋腐 蚀 的“ 元 凶” 。 提高混凝 土的抗氯 离子侵蚀能力 ， 可以有 效地延 缓钢筋锈蚀 。 已有研究表 明 ， 合理地使用矿物掺合料能够显著提高混凝土的抗 氯离子渗透性 ， 降低混凝 土的氯离子扩散 系数 ， 而氯离子 扩散系数 又是反 映 混凝 土抗 氯 离子 渗透 的一个 重要 参 数 j 。目 前 ， 有关掺合料对混凝土扩散 系数 长期时变性 的 研究不多 ， 且多 以室 内加速或人工模拟为背 景。 本文通过 现场试验 ， 计算 了单掺硅粉 、 粉煤灰 、 火成岩纤维 以及复掺 硅粉和粉煤灰时 ， 掺合 料对混凝土氯离子扩散 系数 ， 研究 了不同掺合料对混凝 土氯离子扩散 系数 的时间衰减系数 的影响。 1 1 原材料 成型的混凝 土试件 采用钱潮牌 P C 3 2 5级水 泥 ； 粗 骨料为最大粒径 4 0 i n n l 的砾石 ； 细骨料为细度模数 2 4的 中细河砂 ( 级配合格 ) ； 拌和水和养护水均采用杭州 当地 自 来水 ； 短切火成岩纤维单丝直径为 1 7 2 0 iz m， 抗拉强度为 3 9 0 4 5 0 MP a ； 粉煤灰为 I 级粉煤灰； 硅粉细度 3 5 0目， S i O ： 含量 9 1 3 。 为消除砂率对侵蚀结果 的影 响 ， 各混凝 土试件的砂率统一为 3 2 。 1 2 配合 比 为研究单掺纤维 、 硅粉 、 粉煤灰和复掺硅粉 、 粉煤灰等 对混凝土抗氯离子侵蚀性能 的影响 ， 本现场试验设计 的混 凝土试件水灰 比为 0 5 0 。 现场试验混凝土 的配合 比设计见 收稿 日期： 2 0 1 5 0 1 - 1 8 基 金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 9 0 7 9， 5 1 2 7 9 1 8 1 ) ； 浙江省 自然科学基金项 目( L Y1 3 E 0 9 0 0 0 8 ) ； 浙江省水利厅科 技项 目( RB 1 3 0 2) 9 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 自然潮差环境下混凝土配合比 。 表 1 E 6 1 ， 其中矿 物掺合料是 以 占水泥质 量 的百分 比表示 ， 火成岩纤维是以占水泥体积的百分 比表示 。 2现场试验环境与试验方法 2 1现 场 试 验 环境 试验现场位于舟山定海新城某滨海码头附近 ( 浙江海 洋学院舟山长峙新校区对面 ) 滩涂 的潮差 区内。 该 区域年 平均气温 2 0 ， 试验 潮差 区每天被 浸没 两次 ， 时间约 为 4 5 h ， 干湿循环时间比为 5 ： 1 。 从现 场采集水样 的检测结 果 知 ， 该 区 域 海 水 中 年 平 均 游 离 氯 离 子 含 量 均 为 1 3 0 0 0 mg L 一 。 2 2试 验 方 法 根据上述配合 比， 制作 A1 、 A 2 、 A 3 、 A 4 、 A 5五组混凝 土试件， 试件规格为直径为 1 0 0 i n m， 高度为 5 0 mm的圆 饼型 ， 可测定分析 6个时间点的扩散系数 ， 分别为 6 0 、 1 2 0 、 2 4 0 、 3 6 0 、 4 8 0 、 6 0 0 d ， 每个侵蚀时间点每组混凝土试 件个数 均为 5 个 。 混凝 土试件放入 温度为 ( 2 0 2 ) ， 相对湿度 为 9 0 的养护室中养护 2 8 d ， 取 出后在侧面和下表面涂上 环氧树脂 ， 保 留上表面为侵蚀 面， 然后将 所有试件一 同放 置于试验现场进行侵蚀。 2 3测 试 方 法 至设定侵蚀时问后 ， 取 回相应试件 ， 研 磨得到混凝 土 粉末， 并隔离， 收集和包装。 其中， 对暴露 6 O O d的试件研磨 至深度 3 0 r n r n 。 将磨好的粉末配制成溶液 ， 静置4 8 h 后用美 国 T h e r mo 7 2 0 A+ 酸度计进行 自由氯离子浓度测试 ， 所得 的 浓度值即为 自由氯离子 占混凝土粉末的质量百分比 一 。 3 混凝 土氯 离子扩散 系数及 时变性分析 度值的平均值作为该组混凝土自由氯离子浓度值， 可得不 同侵蚀时间后 各组混凝 土试件 中 自由氯 离子浓度 分布 。 图 1 为侵蚀 4 8 0 d 后各组混凝土 自由氯离子浓度分布。 图 1 自然 潮差 环境 下侵蚀 4 8 0 d后 混凝 土 中的 自由氯离子浓度分布图 由图 1 可知 ， A 2 A 5组混凝土试件侵蚀 4 8 0 d之后 ， 表面仍存在明显的对流区 ， 对流区深度为 4 6 mm； 在相同 水灰 比的情况下 ， 掺入掺合料能不 同程度上 降低混凝土中 自由氯离子浓度 ， 以复掺硅粉和粉煤灰的混凝土 自由氯离 子浓度最低 ， 其 自由氯离子浓度 的降低 效果按从大到小依 次为 ： A 5A 4 A 3 A 2 。 3 2混凝 土氯 离子扩散 系数及 时变性 测得的各组试件的自由氯离子浓度值， 通过最小二乘 法最优化拟合可得到相应侵蚀时间的扩散系数， 同时采用 格拉布斯 ( G r u b b s ) 准则 ， 取显著性水平 o L = 0 0 5 ， 剔除异常 数据 ， 取剩余扩散系数 的平均值作为该时间点该组试件的 扩散系数 。 。 文献 5 已计算 了暴露 3 6 0 d之前 的扩散 系数 ， 6 0- 6 0 0 d的计算结果如表 2 。 表 2的结果表 明 ， 随着 混凝 土龄期 的增长 ， 水化 反应 3 1 试验结果 愈加完全， 其内部密实度不断提高， 致使氯离子扩散系数 以相同规格相同侵蚀时间的5个试件对应深度处浓 不断衰减。 已有研究表明 ， 氯离子扩散系数随时间增 表 2 自然 潮差 环境 下侵 蚀 6 0 6 0 0 d的 混凝 土氯离 子扩 散 系数 1 O m s 加而降低 的现象可用幂函数表征 ， 则暴露时 间为时混凝土 的氯离子扩散系数模型可以描述为 ： D( f )= D o ( t o ( t + t 0 ) ) ( 1 ) 式 中： m 时间衰减 系数 ； 混凝土养护龄期 ， d ； 卜一 暴露时问 ， d ； 参考期( 2 8 d ) 的扩散系数 ， m s 。 对上述各侵蚀时间的计算结果进行 曲线拟合 ， 得到各 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 组混凝土氯离子扩散系数时变 曲线 图， 如图 2所示 ： 分析图 2可知 ： 吕 2 韫 褪 0 l 20 2 40 36 0 48 0 6O O 侵 蚀时 间， d 图 2 自然潮 差环境 下混 凝土 氯离 子 扩散系数时变曲线 ( 1 ) 随着侵蚀时间的延长 ， 混凝 土的氯离子扩 散系数 逐渐降低 ， 验证了混凝土氯离子扩散性能随时问而衰减这 一 现象 ， 且前期降低的幅度较高 ， 后期 的扩散系数趋于平稳 。 ( 2 ) 相同水灰比情况下 的五组混凝土试件 中 ， 参 考组 ( A1 组) 的氯离子扩散 系数 明显高于其他 四组 ， 这 一结果 说明 ， 加入不 同的掺合料 ， 均 能不 同程度的降低混凝 土氯 离子扩散系数 ， 从而提高混凝土抗氯离子渗透性能。 3 3 掺合料对混凝土氯 离子扩散 系数时变性的影响 根据上述结果， 可拟合 和推求加入不 同掺合料情况下 混凝土氯离子扩散系数的时间衰减系数 m， 参考期 ( 2 8 d ) 的扩散系数 ， 得到 自然 潮差环境下混凝 土氯离子 扩散 系数 的衰减模型 ， 如表 3 。 表 3 自然潮差环境下混凝土扩散系数的衰减系数 m值以及参考期 ( 2 8 d ) 的扩散系数 D 0 根据 以上结果可知 ： ( 1 ) 单掺硅粉的混凝 土 ( A 3 ) 氯离子时间衰减系数 明 显小于参 考组 ( A1 ) 、 火 成 岩 纤 维 组 ( A 2 ) 和 粉煤 灰组 ( A 4 ) ， 分别为后者的 4 1 7 ， 3 4 2 ， 3 7 0 。 这是 由于掺人 硅粉的混凝土二次水化反应较掺其他掺合料更为迅速 ， 较 早龄期 内即可基本完成。 因此 ， 在试验初始阶段 ， 硅粉对混 凝土抗氯离子的侵蚀能力有着非常明显的改善效果 。 单 掺硅粉的混凝土氯离子扩散 系数 在早期 阶段随时 问的衰 减速率就趋于稳定 ， 故时间衰减系数较小。 ( 2 ) 火成岩纤维组 ( A 2 ) ， 粉煤 灰组 ( A 4 ) 以及复掺硅 粉和粉煤灰组( A 5 ) 的混凝土氯离子扩散系数时间衰减 系 数较参考组的数值要大。 主要原 因是三种掺合料均有效改 善 了混凝土 内部孔隙结构， 提高了混凝土 的抗氯离子渗透 性能。 其 中， 以复掺硅粉和粉煤灰 组的混凝土氯离子扩散 系数的时间衰减系数最大 ， 较单掺火成 岩纤维 、 单掺粉煤 灰 以及 参 考 组 的 时 问 衰 减 系 数 ， 分 别 增 大 了 3 0 3 、 4 7 1 、 6 6 0 。 这一结 果说 明， 复掺硅粉 和粉煤 灰的混凝 土 ， 由于叠加效应 ， 对 提高混凝土抗氯离 子渗透性能 的效 果最好 ， 且对氯离子扩散性能衰减 的影响最为明显。 4结 论 ( 1 ) 在 自然潮差环境下 ， 混凝土氯离子扩散 系数 随侵 蚀时间的增长而逐渐减小 ， 但不同掺合料对混凝土氯离子 扩散系数时变性影 响的效果不 同。 ( 2 ) 掺人不 同的掺合料均能 降低混凝土氯离子扩散 系 数。 其中， 复掺硅粉和粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透 l生 能的改 善效果最优， 氯离子扩散系数较参考组下降达N8 0 。 ( 3 ) 掺人硅粉后 ， 混凝土氯离子扩散系数 的时间衰减 系数减小 ， 对扩散性能 的长期衰减影 响较小。 掺入 火成岩 9 4 纤维 、 粉煤灰 以及复掺硅粉和粉煤灰 ， 衰减系数均提高 ， 对 扩散性能的衰减影 响较大 。 其 中又 以复掺效果最 明显 ， 较 未掺合其他材料的参考组提高效果达到 6 6 0 。 参考文献 ： 1 陈 J 平， 王向东 ， 李玉素， 等 氯离子环境下混凝土钢筋的锈蚀 过程F J 腐蚀与防护 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 3 ) ： 1 9 01 9 2 2 T H O MA S M D A MA T T H E WS J D P e r f o r m a n c e o f p f a c o n c r e t e i n m a ri n e e n v i r o n me n t ： 1 0一y e a r r e s u l t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e Co mp o s i t e s ， 2 0 0 4， 2 6 ( 1 )： 52 O 3 Y E A N K Y， K I M E K A n e x p e r i me n t a l s tu d y o n c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e w i t h g r o u n d g r a n u l a t e b l a s t f u r n a c e s l a g J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 7 ) ： 1 3 9 1 1 3 9 9 4 谢友均， 马昆林 ， 龙厂成， 等 矿物掺合料对混凝土中氯离子渗 透性的影响 J 硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 1 1 ： 1 3 4 5 1 3 5 0 E 5 张俊芝， 庄华夏 ， 黄俊 ， 等 自然潮差环境下掺合料对混凝土氯 离子扩散 IN B 衰减的影响 J 自然灾害学报， 2 0 1 4 ， 2 3 ( 6 ) ： 2 6 32 71 6 黄俊 潮差区水泥基材料氯离子1 曼 蚀模拟试验的相似性研究 D 杭州 ： 浙江工业大学， 2 0 1 3 1- 7 庄华夏 潮差区混凝土氯离子侵蚀试验及钢筋初锈时间研究 D 杭州 ： 浙江工业大学， 2 0 1 4 8 T H O MA S M D A， B A MF O R T H P B Mo d e l i n g c h l o ri d e d i f f u s i o n i n c o n c r e m： e f f e c t o f fl y a s h a n d s l a g J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 4 8 7 4 9 5 9 金伟良， 张奕 ， 卢振勇 非饱和状态下氯 离子在混凝土 中的渗 透机理及计 算模型 J 硅酸盐 学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 O ) ： 1 3 6 2一 】 3 6 9 第一作者 ： 陈伟 ( 1 9 9 1 一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 主要从事混凝土结构 耐久性研究。 联系地址 ： 浙江省杭 州市浙江 工业大 学朝8 军 校 区研 4 3 1信 箱 ( 3 1 0 0 1 4 ) 联 系 电话 ： 1 3 7 3 8 1 2 1 9 4 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m