人工气候环境下混凝土氯离子扩散试验.pdf

2 0 1 0年 第 4期 (总 第 2 4 6期 J N u mb e r 4 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORETl CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 4 0 1 3 人工气候环境下混凝土氯离子扩散试验 张俊芝，王梁英。周建民，刘华挺，郑辉 ( 浙 江工业大学 建筑工程学院 ，浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 通过设计 的人工气 候环境下的混凝土侵蚀试验 ， 分 析了 2 4、 4 0 、 8 0 、 1 2 0 、 1 6 0 d腐蚀后 混凝 土的氯离子侵蚀特性 ， 并基 于 F i c k第 二定律进行了混凝土扩散参数的拟合。 结论表明： 人工气候环境下氯离子对混凝土的侵蚀有自然环境下侵蚀的特点， 并可得到的扩散系数 随时间的关系。 关键词： 混凝土；人工气候环境；氯离子；扩散；自然扩散法 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 3 9 0 3 Di竹us i on t e s t o f c hl or i de i on i n c onc r e t e unde r m a nua I cl i ma t e en vi r onmen t Z J V G J u n - z h i ， WANG Li a n g - y i n g， ZHOU J i a n- mi n， LI U Hu a ri n g， ZHE NG Hu i ( C o l l e g eo f Ar c h i t e c t u r e a n dC i v i l E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g Un 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 ：Ac c o r d i n g t o t he e r os i o n t e s t f o r c on c r e t e d i f f us i o n u nd e r d e s i g n e d ma n ua l c l i ma t e e n v i r o n me n t ， c h a r a c t e r i s t i c s o f e r os i o n a n d d i f f u s i o n o fc h l o rid ei o n si nt e s t c o n c r e t e a ft e r 2 4， 4 0， 8 O， 1 2 0， 1 6 0 da r e s t ud i e d， an dthe d i ff us i o npa r a m e t e r s ar ean a l y z e do nt h eb a s i so f Fi c kS s e c o nd l a w Th e e x p e rim e n t a l an d a n a l y s i s r e s u l t s s ho w tha t the r e a r e o bv i o us c h a r a c t e ris t i c s o f e r o s i o n u n d e r ma n u a l c l i m a t e e n vi r o nme n t t o s i mi la r t o tha t i n t h e n a tur a l e n v i r o n m e n t ， a nd the r e l a t i o n s h i p b e t we e n d i f f u s i o n c o e f fic i e n t a n d e r o s i o n t i me C a l l b e a l s o a n a l y z e d Ke y w o r ds ： c o n c r e t e ； ma n u a l c l i ma t e e n v i r o n me n t ； c h l o ride i o n； d i ffu s i o n； n a t u r a l d i ffu s i o n me t h o d 0 引言 氯离子在混凝土中的渗透或扩散机理， 是氯盐环境下混凝 土结构耐久性研究的基础。目前， 混凝土氯离子扩散性能的试 验研究方法很多， 主要包括电量法、 R C M 法、 N E L法和自然扩散 法等几种常用方法【 I 。这些主要方法的原理不同， 其在样品制 备 、 操作过程等方面也存在较大差异 ， 使得不同方法所得数据 有时相差较大， 不利于对比研究和分析 。 另外， 自然环境下氯 离子侵蚀存在的表面毛细吸附作用的对流区啊 、 扩散系数随时 间降低等特性， 包括 自然扩散法( 浸泡于 N a C I 溶液中) 的上述 其他方法很难反映。 本研究通过设计的模拟钱塘江河 口地区气候环境下的混 凝土侵蚀试验， 分析了这种方法的侵蚀特点及与自然环境下侵 蚀的相似性， 以F i c k 第二定律为基础拟合分析了混凝土扩散参 数， 并与自然扩散法试验结论进行 了对 比分析。 1 原材料及配合比和试验方法 1 1 原材料及 配合比 人工气候环境下的腐蚀试验， 混凝土采用钱潮牌 P O 3 2 5 R 级水泥， 所用骨料的最大粒径4 0 I 砌 ， 砂子采用河砂， 其细度模数 为 2 7 ， 拌和用水及养护用水为当地 自来水 ， 为模拟既有混凝土 ( 推定水闸的闸墩混凝土水灰比为 0 6 1 用 ) ， 不掺加任何外加剂。 粗骨料砾石级配( 密度) 为粒径 3 7 5 0 ： 2 6 5 0 ： 1 9 0 0 ： 1 6 0 0 ： 9 5 0 ：4 7 5 = 5 9 4 ： 4 1 1 1 ： 4 2 2 9 0 ： 1 0 8 5 9 ： 1 9 4 0 1 ： 4 4 6 9 。所有试件的配合比的 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 l l 1 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 9 0 7 9 ) 砂率均采用 3 2 0 ， 混凝土的配合 比为 C ： S ： G： W= I 0 0 ： 1 9 5 ： 4 1 5 ： 0 6 1 ， 坍落度为 5 1 0 c m。按照规范网， 2 0静水养护 2 8 d的实 测标准混凝土试块的抗压强度为 2 0 MP a 7 。 自然扩散法的混凝土也采用钱潮牌 P O 3 2 5 R级水泥， 所 用骨料的最大粒径 3 1 5 i n i 1 ， 河砂细度模数为 2 7 ， 拌和用水及 养护用水为当地 自来水 ， 也不掺加任何外加剂。粗骨料砾石级 配与人工气候环境下相同， 砂率为 2 9 5 。 混凝土的配合比接近 于上述人工环境下的， 为 C： S ： G： W= I 0 0 ： 1 3 7 ： 3 2 8 ： 0 6 0 ， 坍落度 为 5 1 0 c m【 7 】 。 1 2试 验 方 法 人工气候环境试验设备为人工模拟气候环境试验室， 室内 尺寸为3 5 0 0 mmx 4 1 0 0 m mx 2 0 0 0 m m， 可模拟 7种人工环境 。 试验模拟钱塘江河 口下游区域的气候和氯盐环境。根据混 凝土闸墩取样位置， 结合钱塘江河口下游区域的涨潮规律及附 近气候环境， 重点考虑温度、 湿度、 氯盐浓度 3 个环境因素。试 验中设置了4个环境条件 ， 相对应于该闸所处位置的春夏秋冬 四季。考虑到需要加速腐蚀， 试验时气温采用该位置的季平均 气温的 2倍。参考背景工程的气象资料， 人工气候的温度与湿 度循环， 在春夏秋冬四季分别为( 温度 相对湿度 ) ： 3 4 C 7 8 、 5 3 8 0 、 3 4 8 0 和 1 2 7 5 啊 。 根据上述配合 比制作直径 1 0 0 n l l n和高度 6 0 ton i 的混凝 土试块， 每个腐蚀时间各 3个。考虑到水工混凝土的实际养护 时间一般较长， 故试验混凝土的标准养护 2 8 d后再在 自然环境 3 9 下养护 2 8 d ， 即制作 5 6 d后在底边及四周涂抹环氧树脂， 以保 证其向上面为氯离子的侵蚀面。 试验中用 5 的盐雾从上部向下喷洒， 以加速腐蚀。 结合闸 墩混凝土取样位置潮水位的波动特征 ， 设置的喷雾腐蚀时间为 2h ， 干燥腐蚀 4 6 h 。 按照上述设定的环境条件依次循环， 相当于 经历四个气候环境后为一个大循环( 即 8 d为一个大循环) 。 自然扩散法 的试验方法的试块养护 2 8 d ， 之后按照文献 6 进行 。 2 混凝土氯 离子分布与扩散参数 2 1 混凝土中氯离子分布 上述试件分别经过 2 4 、 4 0 、 8 0 、 1 2 0 、 1 6 0d的腐蚀后 ， 将混凝 土试件从外侧逐步向内侧 ， 按 2 mm的规格， 磨成粉末， 磨取混 凝土芯样前 3 0 m n的粉末， 后置于烘箱内 2 h ， 取出冷却至室温 待用。 混凝土中的自由氯离子浓度( 占混凝土的质量百分数) 用 美国T h e r mo 7 2 0 A酸度计测定。其中， 腐蚀 1 6 0 d的混凝土为 相同环境和配合比试验构件( 梁) 在支座处( 未受力状态) 的芯 样 ； 自然扩散法为标准养护后 3 5 d的氯离子浓度网 。 测试得到的 5个腐蚀时间段 ， 相同水灰比3个试件， 人工 气候环境下混凝土中自由氯离子浓度均值、 自然扩散法 自由氯 离子浓度( 占混凝土的质量分数) 均值随深度的变化为图 1 ， 其 中 自然扩散法 的浓度按 1 r r w f l 的规格取至 1 3 l -l ll Y l 。 芝 键 礴 腐蚀2 4d 腐蚀4 0d 腐 蚀8 0d 腐 蚀1 2 0 d 腐 蚀1 6 0 d 自然扩散法(水灰t L 0 6 0 ) 0 2 4 6 8 1 0 l 21 4l 61 8 2 0 2 2 2 4 2 6 28 3 0 距离表 面深度 ra m 图 1 混凝土中的氯离子浓度随深度变化 上述分布中， 人工气候环境下的混凝土表面存在明显的对 流区， 其对流区的厚度均值随腐蚀时间的增加而增加。而 自然 扩散法因为是浸泡于预先配置好的氯化钠( Na C 1 ) 溶液中， 其扩 散不存在对流区。因此 ， 人工气候环境下的氯离子侵蚀试验结 果与自然环境下侵蚀的特征类似 。 2 2 试验混凝土氯 离子扩散参数的拟合 对于浸泡在氯盐溶液中的混凝土试件， 由于 Na C 1 溶液的浓 度保持不变，这样混凝土表层的氯离子含量 C 。 逐渐与浸泡溶液 含量趋于一致， 在浸泡混凝土试件中的氯离子传输以扩散为主， 其侵蚀规律基本符合 F i c k第二定律 。 因为不存在对流区， 无初 始氯离子浓度， 故氯盐浸泡试验条件下混凝土试件中氯离子扩 散特性参数用最小二乘法和 F i c k 第二扩散定律拟合 ： f C x ,尸 _ l - e J J 式中 ： 试验 时间， 对 于 自然扩散法 为 3 5 d ； c 一 混凝土表面处氯离子浓度； 混凝土的扩散系数； 广一时刻 t 距混凝土表面 处氯离子浓度； e o ( x ) 误差函数。 而人工气候环境下， 由于近混凝土表面的氯离子浓度并不 符合扩散规律， 则从混凝土表面开始依次排除不符合的数据， 4 0 用其余的数据要求相关系数尽可能接近 1 作为拟合优度的检 验 ， 拟合公式 ( 2 ) ： - X 矿 【 J J ) 式中： 卜一 腐蚀试验时间； C 。 对流区与扩散 区之界面处氯离子浓度 ； 。 对流 区厚度。 如果不满足拟合条件， 则在拟合的过程中继续从混凝土表 面依次排除数据， 直到对相关系数尺： 满意。这个过程可以识别 对流区和扩散区 9 】 。 在对流区， 数据偏离了拟合曲线； 在扩散区， 氯离子主要通过扩散传输。 根据上述方法， 对人工气候环境下的 5个腐蚀时问段氯离 子浓度的均值和自然扩散法的浓度进行扩散参数的拟合， 结果 如表 1 ， 表中3 5 d为自然扩散法的扩散参数。 表 1 人工气候环境下混凝 土氯离子扩散特性参数 3 结果分析 3 1 氯离子扩散 与时间的关 系 以上述表 1 的人工气候环境下模拟结论分析， 尽管是进入 人工气候环境模拟试验室 ， 但随着腐蚀时间的增加， 混凝土的 水化进一步发展， 使得同样配合比的混凝土扩散系数减小， 而表 面浓度持续增加。图 2 是表 1中人工气候环境下混凝土的扩散 系数随腐蚀时间增加而降低， 表面浓度增加的趋势图。 0 2 垛 越 搓 嚏 腐蚀 时间 ， d 图 2混凝土 中的氯离子扩散系数及表面浓度与时间关系 用上述扩散系数，可得到以下扩散系数 D与养护 5 6 d 后 的腐蚀时间 t 的关系( 相关系数为 0 9 4 4 7 ) ： D( t ) = 3 7 7 4 5 t 。 。 ( 3 ) 如果以腐蚀时间2 4d ( 从养护 2 8 d 后的时间开始计算， 加上 腐蚀时间则为 5 2 d ) 的扩散系数为初始扩散系数 ， 则该试验条 件下扩散系数与时间的关系为： D( t ) = ( “ t ) ( 4 ) 式中： 一时间 t 。 ( 5 2 d ， 包括腐蚀试验时间) 的扩散系数 ， 即 3791 5 x1 0一 ”m2 s 。 如果根据文献 1 0 的不 同水灰 比混凝土试 验结果取 的经验 系数m计算， 在水灰比为0 6 1 时m为0 9 2 5 。由于试验的原材料、 初始扩散系数的时间起点及腐蚀环境的不同， 经验系数是有一 定差异的。但根据计算， 用式( 4 ) 可较准确预测腐蚀( 暴露) 时间 较长后的扩散系数 ， 如利用式( 3 ) 或( 4 ) 计算 3 0年后的扩散系 数大致在 1 0 mV s 量级， 与既有混凝土实测的扩散系数接近 5 3 1 ， 这也证实了试验结论的可靠性。 上述结论还表明， 表面浓度随腐蚀时间增加有趋于稳定的 趋势， 这也与自然环境下外界氯离子浓度一定时的侵蚀特征类 似 。 3 2与 自然 扩散 法 比较 自然扩散法得到的 3 5 d时扩散系数为 1 3 7 9 3 x 1 0 m： s ， 用 式( 4 ) 计算时的时间为3 5 d ， 则计算的扩散系数为 6 2 9 3 x 1 0 m2 s ， 仍然处于同一个数量级。如果考虑到其试件的养护时间仅为 2 8 d ， 而且未处于干湿循环及温度变化等腐蚀环境， 自然扩散法 得到的扩散系数应该更大些 ， 故该方法评价混凝土抗氯离子侵蚀 能力高于实际环境下的抗侵蚀能力 ， 也有一定 的误差 。 需要说明的是 ， 上述扩散系数与时间的关系等结论是在给 定配合比的混凝土条件下得到的， 其他试验条件及配合比时的 规律还需要进一步研究。 4结论 ? 昆 凝土扩散性能与时间的关系研究， 是 目前混凝土耐久性 研究的重要问题之一。本试验通过设计的人工气候环境条件， 对既有混凝土的氯离子扩散性能进行了模拟腐蚀试验研究， 得 到的如下初步结论 ： ( 1 ) 人工气候环境下混凝土的氯离子侵蚀重要特征之一是 存在对流区， 表面浓度随腐蚀时间增加趋于稳定 ， 与 自然环境 下的侵蚀特点相似， 能较好地模拟 自然环境因素对氯离子扩散 性能的影响。 ( 2 ) 利用人工气候环境进行混凝土抗氯离子侵蚀性能的研 究， 可方便地得到扩散系数与时间的关系， 为既有混凝土的评 上接 第 2页 ( 1 ) 评价体系的量化指标与我国已颁发的规范 、 标准一致 ， 并把现行规范、 标准作为评估体系指标的基础。 ( 2 ) 其次评价体系应该客观并且结果直观明了， 使公众可 以简单明确的了解建材产品的6 E指标性能和品质。 ( 3 ) 把对乡村建材产品的评价作为规范管理乡村建材市场 的有效手段 。 现阶段在制定我国建材评价体系时应注意下几点： ( 1 ) 既要考虑对宏观环境的影响， 如 C O 的排放量 、 节约水 资源， 建筑材料生产和建筑运行时的能源消耗， 有利于使用者， 又要对建材企业有吸引力， 挺高其经济性。 ( 2 ) 然而 目前在经济方面， 6 E指标建材普遍需要更多前期 费， 通常用于生态设施方面投资所带来的回报， 最终并不一定 由建材企业获得， 而是多由使用者和社会分享， 这些都会使建 材企业对 6 E指标 建材 望而却步 。 要彻底解决这一问题 ， 就应 当 在可持续原则的基础上建立一套新的价值观和行为规范， 通过 政府立法 、 税收等方面的政策凋整 ， 建立激励体制用以补偿开 发商由于额外收入所带来的损失， 加强 6 E指标建材在经济上的 可行性 。 ( 3 ) 加快 对定量 指标研究 ， 准确 的量化 数据是评 价系 统的 灵魂 ， 而我国目前还缺少生态评估的一些基本数据 ， 例如各种 建筑材料生产过程、 使用过程中的能源消耗数据、 C O： 排放量数据 等等 ， 而难以做定量评价。新型乡村建材认证评价体系将对评 价指标的定量和定性化做进一步的研究。 价提供了一种途径。 ( 3 ) 人工气候环境下的结论与自然扩散法的结论处于相同 的数量级， 但扩散系数比后者的要大。 参考文献 ： 1 董必钦， 徐建芝 混凝土渗透性试验方法进展研究 J J 混凝土， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 4 0 4 4 2 】 杨医博， 梁松 ， 莫海鸿， 等 混凝土抗氯离子渗透性能试验方法的探 讨l J 1 中国港湾建设， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 6 4 8 【 3 杨进波， WI T F MA N N F H， 赵铁军， 等 混凝土氯离子扩散系数试验研 究f J 】 建筑材料学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 2 ) ： 2 2 3 2 2 9 4 】 林忠斌 ， 杨忠军， 刘炜峰 ， 等 海工混凝土扩散系数的试验研究 J 混 凝土 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 6 0 6 2 5 5 郑辉 自然环境下混凝土氯离子侵蚀的随机性及寿命预测【 D 杭州： 浙江工业大学 ， 2 0 0 9 6 N o r d t e s t N T B u i l d 4 4 3 C o n c r e t e h a r d e n e d ： a c c e l e r a t e d c h l o r i d e p e n e t r a t i o n S F I N L AN D： NO R D T E S T， 1 9 9 5 【 7 】周建民 既有混凝土及构件的氯盐侵蚀模拟试验研究 D 杭州 ： 浙江 工业大学 ， 2 0 0 9 8 D L r f 5 1 5 0 - - - 2 0 0 1 ， 水工混凝土试验规程 s 】 9 K HA T I B J M， MA NG A T P S I n fl u e n c e o f h i g h t e m p e r a t u r e a n d l o w h u m i d i t y c u ri n g o n c h l o ri d e p e n e t r a t i o n i n b l e n d e d c e m e n t c o n c r e t e 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 2 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 1 7 4 3 1 7 5 3 1 0 MA N GA T P S， MO L L O Y B T P r e d i c t i o n o f l o n g t e r m c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 4 ， 2 7 ( 7 ) ： 3 3 8 3 4 6 作者简介： 张俊芝( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 博士 ， 教授。 单位地址： 浙江省杭州市潮王路 1 8 号( 3 1 0 0 1 4 ) 联 系电话 ： 0 5 7 1 8 8 3 2 0 4 3 6 参考文献 ： 1 HU NG E R D E s s e n t i a l s o f s t r a t e g i c ma n a g e m e n t P r e n t i c e H a l l I n c ， 2 0 0 2， 1 5 2 】 周书勤I S 0 9 0 0 0 认证体系对管理工作的促进作用 J 安阳师范学院 学报 ， 2 0 0 2 3 潘王， 曹晓红 实施 I S O 1 4 0 0 0 规范企业环境行为 J J 污染防治 4 邓杰帆 如何实施 I S O I 4 0 0 0 M 华南理工出版社， 1 9 9 2 ， 5 方爱华 我国企业界对 I S O 1 4 0 0 0环境管理体系标准反应冷淡的原 因浅析 J 1 标准化报道， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 4 ) 6 】 王须革浅 口 快I S O 1 4 0 0 0 体系认证促进企业可持续发劂2 0 0 0 ( 4 ) 7 】 袁俊 实施 I S O 1 4 0 0 0 标准促进中国企业可持续发展 J 1 中国工程科 学 ， 2 0 0 2 ， 4 ( 7 ) 8 苏为华 多指标综合评价理论与方法问题研究 D 】 厦门： 厦门大学， 2 0 0 0 9 】 邱东 多指标综合评价方法的系统分楠 M 】 ， 北京： 中国统计出版社， 1 9 91 f 1 O 苏为华 论统计指标的构造过程J 1 统计研究， 1 9 9 6 ( 6 ) 【 1 1 】 邓聚龙 灰技术基础及应用【 M 京： 科学出版社， 2 0 0 5 1 2 徐洛屹 墙体材料的评价体系【 M E 京： 中国建材工业出版社， 2 0 0 7 1 3 】 蒋善史 生产与i 乍 管理 大连： 大连理工大学出版社， 2 0 0 2 ： 3 3 2 - 3 1 3 1 4 艾芳懈 析我国中小企业发展现状 J 北京经济日报 ， 2 0 0 2 0 7 0 2 作者简介： 王立久( 1 9 4 5 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师。 单位地址： 大连理工大学建筑材料研究所 2 2 0 室( 1 1 6 0 2 4 ) 联系电话 ： 1 3 6 1 0 9 5 8 2 0 1 41