鹽湖地區(qū)混凝土的氯離子擴(kuò)散性

張立明，余紅發(fā)，何忠茂

(1. 南京航空航天大學(xué) 土木工程系，江蘇 南京，210016；2. 甘肅土木工程研究院，甘肅 蘭州，730020)

鹽湖地區(qū)混凝土由于經(jīng)常或周期性地與鹽湖鹵水相接觸，受鹽湖鹵水或鹽霧、含鹽粉塵(含有Cl-)的物理化學(xué)作用，或溫度變化大、相對濕度低和風(fēng)速大引起的收縮等作用，容易使混凝土遭受損害而縮短其使用壽命，導(dǎo)致鹽湖地區(qū)許多建筑物在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕破壞，造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。調(diào)查表明[1-4]：在我國內(nèi)蒙古、青海、新疆和西藏等地區(qū)，建筑物結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是氯鹽侵蝕導(dǎo)致的鋼筋銹蝕，而混凝土 Cl-擴(kuò)散性與鹽湖地區(qū)混凝土的耐久性之間有著密切的關(guān)系。由此可見：研究我國鹽湖地區(qū)混凝土的 Cl-擴(kuò)散性能，綜合評估其耐久壽命具有十分重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。美、英等發(fā)達(dá)國家從 1950年先后建立混凝土及鋼筋混凝土的在鹽湖環(huán)境下的長期暴露實(shí)驗(yàn)站，研究混凝土在鹽湖環(huán)境下的破壞機(jī)理及主要影響因素[5-6]，發(fā)現(xiàn)：隨著礦物摻合料摻量的增大，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低；暴露時(shí)間越長，混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)越小。據(jù)此，本文作者對混凝土在現(xiàn)場鹽湖環(huán)境和試驗(yàn)室同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，借助自然擴(kuò)散法的原理，采用分層取樣和化學(xué)分析方法，應(yīng)用氯離子三維擴(kuò)散理論，探討試驗(yàn)室干濕循環(huán)和鹽湖輕鹽漬土地區(qū)混凝土 Cl-擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

原材料為：金寧羊牌42.5級P.II型硅酸鹽水泥；青海橋頭電廠生產(chǎn)的粉煤灰；青海華電鐵合金股份有限公司生產(chǎn)的硅灰；江南粉磨公司生產(chǎn)的S95級礦渣；中砂；粒度為 5～20 mm 連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石；江蘇省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的 JM-B型萘系高效減水劑；同濟(jì)大學(xué)以天然野生植物皂莢為主要原料研制的SJ 22 引氣劑；普通飲用水。主要材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土的成型與養(yǎng)護(hù)

按表2所示的配合比成型100 mm×100 mm×400 mm(長×寬×高)的混凝土試件 OPC30，HSC70和HPC80。將水泥、砂、石、外加劑、礦物摻合料等原材料在攪拌機(jī)中干拌1 min，再加水濕拌3 min。出料后測定混凝土拌合物的坍落度，之后澆注、振動(dòng)成型混凝土試件。試件靜置24 h后拆模，然后移入混凝土養(yǎng)護(hù)室(溫度為(20±3) ℃，相對濕度95%以上)內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

混凝土試件經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，運(yùn)至青海察爾汗鹽湖的混凝土暴露試驗(yàn)站。在現(xiàn)場進(jìn)行鹽湖輕鹽漬土暴露試驗(yàn)。混凝土試件的暴露時(shí)間分別為170 d和270 d。同時(shí)，實(shí)地采取鹽湖鹵水運(yùn)回試驗(yàn)室，將混凝土試件置于試驗(yàn)室鹽湖鹵水中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，干濕循環(huán)制度是：干燥4 h(采用電吹風(fēng)于50 ℃熱風(fēng)快速干燥10 min然后自然干燥)+鹽湖鹵水常溫浸泡68 h，直到混凝土試件腐蝕破壞為止。

1.2.3 取樣和化學(xué)分析

對試驗(yàn)室干濕循環(huán)和現(xiàn)場暴露后的混凝土試件分層取樣，用蘇州百得電動(dòng)工具有限公司生產(chǎn)的DW861型石材切割機(jī)分層切割，采用的金剛石圓形鋸片由石家莊金鋒金剛石制品有限公司生產(chǎn)，鋸片厚度為 1.8 mm；樣品切割的4個(gè)深度依次為0～5，6～10，11～15和16～20 mm，收集混凝土不同擴(kuò)散深度的粉末樣品，并用孔徑0.16 mm的方孔篩過篩，以除去粗顆粒。化學(xué)分析參照國家交通部標(biāo)準(zhǔn)JTJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[7]，采用水溶萃取法分析得自由 Cl-濃度。在分析過程中，由于原標(biāo)準(zhǔn)與國外同類標(biāo)準(zhǔn)相比存在許多不足之處，應(yīng)用時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整[8-9]：(1) 提高了混凝土粉末樣品的細(xì)度，將篩孔由0.63 mm改為0.16 mm；(2) 提高了分析天平的精度，將原標(biāo)準(zhǔn)感量0.01 g的天平改成感量為0.1 mg的分析天平；(3) 減小樣品的質(zhì)量，原標(biāo)準(zhǔn)的粉末質(zhì)量為10～20 g，本文改為2 g；(4) 減少萃取溶液的體積，萃取溶液(蒸餾水)由200 mL改為40 mL；(5) 減少滴定時(shí)分析濾液的體積，分析時(shí)每次移取的濾液由 20 mL改為10 mL。

表1 主要材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of main materials %

表2 混凝土配合比及28 d抗壓強(qiáng)度Table 2 Concretes properties and compressive strength of 28 d

2 混凝土氯離子擴(kuò)散理論模型

Collepardi等[10]于 1970年開始對 Cl-在混凝土中的擴(kuò)散進(jìn)行研究，并得出基于Fick第二定律的Cl-擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算結(jié)果。由于Fick第二定律能夠?qū)l-的擴(kuò)散濃度與擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散時(shí)間結(jié)合起來，因此，它已成為預(yù)測Cl-在混凝土中擴(kuò)散的經(jīng)典方法。

圖1所示為混凝土棱柱體在鹽湖鹵水介質(zhì)中的三維氯離子擴(kuò)散理論模型。本文采用余紅發(fā)等[10-12]中基于Fick第二定律推導(dǎo)得到三維氯離子擴(kuò)散理論模型：

式中：L1，L2和L3分別為混凝土棱柱體截面的長度、寬度、厚度；t為混凝土暴露于Cl-環(huán)境中的時(shí)間；x，y和 z分別為L1，L2和L3方向的擴(kuò)散深度；cf為t時(shí)刻(x，y，z)坐標(biāo)處的自由Cl-濃度；c0為混凝土內(nèi)部初始Cl-濃度；cS為混凝土表面Cl-濃度，按照實(shí)測的cf之間的一元二次多項(xiàng)回歸式計(jì)算確定；m，n和p為計(jì)算時(shí)的迭代次數(shù)；Dt為t時(shí)刻混凝土Cl-的擴(kuò)散系數(shù)，可用編制好的 SAS程序計(jì)算得出，計(jì)算時(shí)取L1=L2=L3=100 mm，c0=0。由于取樣時(shí)沿著事先確定的平面點(diǎn)(x，z)，從1個(gè)方向取不同深度的粉末試樣，這不改變?nèi)S擴(kuò)散的理論條件，因而，本文將x和z固定為15～20 mm。式(1)中，取x=z=25 mm，y分別為5，10，15和20 mm。

圖1 混凝土棱柱體三維擴(kuò)散示意圖Fig.1 Three-dimensional diffusion diagram of cubic concrete

3 結(jié)果討論與分析

3.1 試驗(yàn)室干濕循環(huán)時(shí)間對Dt的影響

試驗(yàn)室干濕循環(huán)時(shí)間是指混凝土試件從開始干濕循環(huán)試驗(yàn)起至發(fā)生腐蝕破壞終止時(shí)干濕循環(huán)試驗(yàn)所經(jīng)歷的時(shí)間。表3所示為OPC，HSC和HPC在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，在試驗(yàn)室中分別進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)得到的Cl-擴(kuò)散系數(shù)。

表3 干濕循環(huán)時(shí)間對OPC，HSC和HPC濃度cf和擴(kuò)散系數(shù)Dt的影響Table 3 Influence of wetting-drying time on concentration and diffusion coefficient of OPC, HSC and HPC

由表3可得：混凝土中的自由Cl-濃度cf隨著擴(kuò)散深度的增加而降低；Dt與混凝土的種類有關(guān)；Dt從小到大的變化順序是HPC，是HSC和OPC。其中：OPC的Dt是HPC的2.54倍，HSC的1.89倍, HSC的Dt是HPC的1.35倍。這充分說明：Dt隨著水灰比的增大而變小，礦物摻合料(FA，SF和SL)可以降低Cl-擴(kuò)散系數(shù)。這完全歸功于HPC中的火山灰效應(yīng)生成的C-S-H相以及孔隙結(jié)構(gòu)中斷效應(yīng)(Pore-blockingeffect)[5]，使得HPC的孔隙結(jié)構(gòu)致密化，孔隙結(jié)構(gòu)連通性中斷，進(jìn)而提高了混凝土的抗?jié)B性和耐久性。

3.2 鹽湖環(huán)境下Dt的經(jīng)時(shí)變化

表4所示為OPC，HSC和HPC暴露于鹽湖輕鹽漬土環(huán)境下Cl-擴(kuò)散系數(shù)Dt隨暴露時(shí)間的變化結(jié)果。從表4可見：于170，270和522 d時(shí)OPC的Dt均比HSC和 HPC的大；522 d時(shí)，Dt(OPC)=10.54×10-6mm2/s，Dt(HSC)=6.29×10-6mm2/s，Dt(HPC)=4.98×10-6mm2/s，可見：Dt(OPC)≈1.68Dt(HSC)；Dt(OPC)≈2.11Dt(HSC)。這說明磨細(xì)硅灰水泥和粉煤灰水泥為膠結(jié)料的HPC，與硅酸鹽水泥為膠結(jié)料的OPC和HSC相比，抵抗 Cl-擴(kuò)散性強(qiáng)，應(yīng)用于鹽湖地區(qū)混凝土的技術(shù)優(yōu)勢明顯。

從表4還可以得到：OPC，HSC和HPC的Dt均隨著暴露時(shí)間的增加而逐漸降低；在相同暴露時(shí)間下，Dt從小到大的順序是HPC，HSC，OPC；當(dāng)暴露時(shí)間為522 d時(shí)，HPC現(xiàn)場取樣試件Dt僅為OPC的47%，這表明 HPC中鋼筋周圍氯離子濃度到達(dá)鋼筋鈍化膜破壞臨界值的時(shí)間為OPC的2倍多。

表4 暴露時(shí)間對OPC，HSC和HPC擴(kuò)散系數(shù)的影響Table 4 Influence of exposure time on diffusion coefficient of OPC, HSC and HPC 10-6mm2/s

4 結(jié)論

(1) 在輕鹽漬土現(xiàn)場暴露環(huán)境下，混凝土的 Cl-擴(kuò)散系數(shù)(Dt)均隨著暴露時(shí)間的增加而降低，抗Cl-擴(kuò)散性能力由大至小是高性能混凝土、高強(qiáng)混凝土和普通混凝土；隨著水灰比的增大而變小，礦物摻合料(FA，SF和SL)可以降低Cl-擴(kuò)散系數(shù)。

(2) 在模擬鹽湖鹵水干濕循環(huán)試驗(yàn)環(huán)境下，混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)(Dt)均隨著暴露時(shí)間的增加而降低，抗 Cl-擴(kuò)散性能力由大至小是高性能混凝土、高強(qiáng)混凝土和普通混凝土；Cl-擴(kuò)散系數(shù)隨著水灰比的增大而增大，礦物摻合料(FA，SF和 SL)可以降低 Cl-擴(kuò)散系數(shù)。

(3) 采用較小的水膠比及摻加礦物摻合料可降低鹽湖地區(qū)混凝土Cl-擴(kuò)散系數(shù)。

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