凍融環境下混凝土中氯離子傳輸特性研究

高德軍 涂曉慧 姚惠芹 高 軍

(1.湖北省防災減災重點實驗室(三峽大學)，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

在寒區海洋環境中，凍融損傷和氯鹽侵蝕是混凝土耐久性失效的主要原因.在海洋混凝土結構和使用除冰鹽的路橋工程中，鋼筋混凝土結構在服役期內經常發生過早破壞或提前退出的現象，造成巨大的經濟損失，這與混凝土結構氯鹽侵蝕破壞有很大關系.近年來，國內外學者對氯離子侵蝕引起的混凝土結構耐久性破壞進行了大量研究，主要研究了不同干濕環境下氯離子在混凝土中的遷移模型[1-5]，不同因素對混凝土中的氯離子擴散系數的影響[6-10]，混凝土表面氯離子濃度的演化特征[11-13]，以及鋼筋銹蝕時臨界氯離子濃度的變化規律[14-15].然而現有的研究成果主要基于正溫環境，很少考慮氯離子擴散系數與凍融損傷深度的關系以及低溫抑制氯離子在混凝土中遷移[16]等因素.為此，本文對凍融后氯離子在混凝土內部的傳輸特性進行了試驗研究，探究了混凝土的氯離子擴散系數及其表層氯離子質量分數與凍融循環次數的相關性.

1 試驗設計

1.1 材料參數

由于試驗周期較長，本文試件暫不考慮材性變化，以常用的混凝土C30為例展開，膠凝材料為P·O 42.5級的普通硅酸鹽水泥；細骨料選用細度模數為2.86、級配為Ⅱ區中砂的天然河沙；粗骨料采用5～20 mm碎石連續級配；外加劑使用HPWR液體標準型高性能減水劑和SA-20聚羧酸液體引氣劑.配合比見表1.

表1 混凝土各項參數

1.2 試件設計

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[17]，本文設計Φ100 mm×200 mm的圓柱體混凝土試件，用快速氯離子遷移系數法(RCM法)測定不同凍融循環次數后的混凝土氯離子擴散系數.試件成型后，用塑料薄膜覆蓋，然后移到標準養護室，24 h后拆模再水養.待凍融試驗7 d前，采用DQ-4型混凝土自動切割機，將試件從正中間切割，形成2個Φ100 mm×100 mm的部分，然后將這兩部分分別從正中間切割，形成4個Φ100 mm×50 mm試件，電遷移試驗時每個試件的第一次切口面作為測試面，浸潤于氯離子溶液中.

設計100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，用于開展混凝土抗氯離子侵蝕自然浸泡試驗，測試混凝土內部不同深度處的氯離子質量分數，用以研究凍融循環次數N及浸泡時間t對氯離子傳輸特性的影響.

1.3 試驗方法

1)快速凍融試驗

快速凍融試驗采用TDRF-2型風冷式混凝土快速凍融箱，按照標準[17]中的“快凍法”進行試驗.

圓柱體混凝土試件(Φ100 mm×50 mm)每6個試件放在一個凍融試件盒內，立方體混凝土試件(100 mm×100 mm×100 mm)每3個試件放在一個凍融試件盒內，開展凍融試驗.為使各試件均勻受凍，每10次凍融循環后把試件調換方向.

2)氯離子擴散系數測試

每10次凍融循環(共100次)后，取出1組(3個)圓柱體試件，采用RCM法測試混凝土氯離子擴散系數.為提高測試精度，在RCM法中的電遷移試驗結束后，采用前期課題組發明的固形物上端面掃描儀及測試軟件[18]提取試塊的氯離子滲透深度.然后依據標準[17]，計算得到該組試件的氯離子擴散系數的均值.

3)氯離子質量分數的測試方法

每50次凍融循環(共150次)后，將立方體試件取出，選擇一對相對面(除澆筑面外)作為直接侵蝕面，其余4個面均封膠，再將試塊置于質量分數為10%的氯化鈉溶液中，自然浸泡20 d、40 d和60 d，為維持溶液濃度恒定，每10 d更換溶液，室溫保持在(20±2)℃，模擬氯離子一維侵蝕混凝土的情況.

達到齡期之后，取出立方體試件在DF-4混凝土磨粉機上沿侵蝕面逐層磨粉，間隔1 mm取一層粉，每層粉樣的粒徑≤0.63 m，再在(105±5)℃的烘箱中烘2 h，從每個試樣組中取出(5±0.005)g粉末，溶于(50±0.005)g去離子水中，采用DY-2501B型快速氯離子測定儀測試氯離子質量分數.

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土氯離子擴散系數

對經歷不同次數凍融循環后測得的混凝土氯離子平均擴散系數，采用最小二乘法進行非線性擬合分析得擬合函數，見式(1)，結果如圖1所示.

D=12.637 7e0.006 35N

(1)

由圖1可見，實測值與擬合值吻合度較高.各組試件的氯離子擴散系數D與凍融次數N的變化關系基本趨于一致，呈指數函數關系.當N在30次以內時，D基本保持不變；當N>30后，D隨N增大而增大，且增速越來越快；當N=60、80和100時，D分別增大約為未凍融時的1.25、1.41和1.81倍.

圖1 氯離子平均擴散系數隨凍融循環次數變化曲線

2.2 氯離子質量分數分布特征

經歷不同凍融循環次數后，試件內沿侵蝕深度氯離子質量分數的變化，如圖2所示，可見同一深度處氯離子質量分數隨N的增加而增大.當N在50次以內時，混凝土中同一深度處氯離子質量分數隨凍融循環次數的增加增幅較小；當N在100次以上，同一深度處氯離子質量分數增幅逐趨顯著.這表明當凍融循環次數較少時，混凝土遭受凍融循環的劣化程度并不明顯，混凝土氯離子擴散系數變化不大，當混凝土遭受的凍融循環次數超過50次以后，混凝土微小孔洞開始增多，凍融劣化程度較為明顯，混凝土抗氯離子滲透性能快速降低.

圖2 不同深度下氯離子質量分數

各組試件表層(距表面1 mm深度內)氯離子質量分數，見表2.

表2 凍融后混凝土表面氯離子質量分數 (單位：%)

據表2分析可知，混凝土經歷不同凍融循環次數后，不同試件表層氯離子質量分數隨受侵蝕時間的變化規律較為一致，如圖3所示，采用文獻[19]模型擬合分析得擬合函數，見表3.

表3 凍融循環次數與侵蝕時長擬合函數關系

圖3 表層氯離子質量分數隨時間的變化曲線

3 氯離子擴散模型

3.1 模型構建

在氯離子侵蝕混凝土過程中，一部分與水泥水化產物C-S-H化學結合生成Friedel鹽；另一部分吸附在C-S-H凝膠表面和孔壁，物理結合為自由氯離子.只有自由氯離子向混凝土內部擴散才造成鋼筋腐蝕.為此，氯離子在混凝土中的傳輸基于Fick第二定律，并考慮氯離子的結合作用采用Langmuir模型[20]，按式(6)計算.

(6)

式中：Cf為自由氯離子質量分數；D為混凝土氯離子擴散系數；t為時間；α和β為Langmuir結合常數，與混凝土膠凝材料種類有關.Ishida[21]等通過大量試驗研究得出，β取值為4.0，普通硅酸鹽混凝土α取11.8.

文獻[22]基于Fick第二定律，綜合考慮結合效應、溫度效應、濕度效應、混凝土齡期和凍融損傷效應等因素，提出了凍融條件下氯離子遷移模型.基于該模型，混凝土表觀氯離子擴散系數可取為：

D=D28·f1(T)·f2(H)·f3(t)·f4(N)

(7)

式中：D28為養護齡期為28 d混凝土氯離子擴散系數(m2/s)；f1(T)、f2(H)、f3(t)、f4(N)分別為溫度、相對濕度、浸潤齡期、凍融損傷對氯離子擴散系數的影響.

3.2 仿真分析

采用Comsol Multiphysics對所建立的模型進行數值求解，建立與試件尺寸相同的仿真模型，將不同凍融循環次數混凝土表層氯離子質量濃度隨時間變化的函數設置為各工況的邊界條件，將RCM法測得的相應凍融循環次數的氯離子擴散系數設置為混凝土初始擴散系數(D28)，其余參數同試驗參數.

仿真分析結果如圖4所示.從圖中可知，仿真值與實測值吻合程度較高，表明該模型對預測經歷凍融損傷后混凝土中氯離子的傳輸進程具有較強的適用性.同時考慮到在寒區混凝土中，負溫時氯離子傳輸幾乎停滯，主要在正溫時擴散[16]，因此該法也適用于寒區氯鹽環境下鋼筋混凝土結構的氯離子傳輸研究.

圖4 氯離子質量分數隨時間的變化圖

4 結 論

1)在寒區氯鹽侵蝕環境下，混凝土氯離子擴散系數隨凍融循環次數的增長呈指數型上升；凍融后混凝土層氯離子質量分數隨侵蝕時間的增長呈指數型變化.

2)取RCM法快速測得的氯離子擴散系數為表觀氯離子質量分數的初始值，同時考慮氯離子在混凝土中的結合作用和表層氯離子質量分數的變化，所建立的擴散模型可較為真實地揭示凍融環境下混凝土中氯離子的侵蝕進程.