氯離子滲透性試驗(yàn)研究

姚劍虹

（甘肅恒石公路檢測科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 氯離子滲透性研究

1.1 試驗(yàn)參數(shù)

1.1.1 試驗(yàn)參數(shù)。本次試驗(yàn)研究主要分為兩組不同的溶液。第1 組為5%的氯化鈉溶液，將其編號(hào)為N1，第2 組為5%的氯化鈉及3.5%的硫酸鈉混合溶液，將其編號(hào)為N2[2]。制作3 組不同水膠比的試件，尺寸均為10×10×10cm，其水膠比為0.2,0.3,0.5。將試件浸泡于2 組溶液中，浸泡30～120d 后進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)編號(hào)及規(guī)則如表1 所示。

表1 試驗(yàn)組編號(hào)及規(guī)則表

編號(hào)說明：N數(shù)字表示溶液的組別，如N1則表示第1 組溶液；K數(shù)字表示水膠比的數(shù)值，如K0.2則表示水膠比為0.2 的試件；T數(shù)字表示浸泡時(shí)間，如T30則表示將試件浸泡30 天。組合含義則為試驗(yàn)組編號(hào)，如N1K0.2T30則表示將水膠比為0.2 的試件浸泡于第1組溶液中30 天的試驗(yàn)組。

1.1.2 溶液及試件用材料。氯化鈉溶液：采用鄂精鹽和自來水，以配制濃度為5%的氯化鈉溶液；硫酸鈉溶液：采用工業(yè)用硫酸鈉和自來水，以配制濃度為3.5%的硫酸鈉溶液；試件用水泥采用42.5 級(jí)的普通硅酸鹽水泥，粗集料粒徑約0.5～1cm，細(xì)集料采用潔凈的天然砂，細(xì)度模數(shù)為2.6。不同試件的配合比如表2 所示。

表2 不同水膠比的試件配合比

1.1.3 試驗(yàn)試件的形成。全部試件均一次在試驗(yàn)室澆筑制作完成，模板采用定制鋼模板，澆筑混凝土前先將模板清洗干凈，并涂刷脫模劑。澆筑混凝土后24h 開始拆模，并及時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天。試件制作及養(yǎng)護(hù)過程嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保試件的質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)研究

1.2.1 浸泡。當(dāng)試件制作及養(yǎng)護(hù)完成后將其取出，將非擴(kuò)散的試件表面用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封，密封方法：將環(huán)向4 個(gè)表面密封，只留取2 個(gè)相對(duì)的表面不密封，用以進(jìn)行試驗(yàn)。密封完成后即投入對(duì)應(yīng)的溶液開始進(jìn)行試驗(yàn)。分別浸泡于第1組、第2 組溶液中，浸泡時(shí)間分別為30～120 天，間隔為30天。浸泡容器采用水箱，浸泡時(shí)，溶液應(yīng)淹沒試件至少50mm，每天定期攪拌溶液，盡量使試件表面各處溶液的濃度保持一致。對(duì)于浸泡時(shí)間超過30 天的試件，每30 天應(yīng)新配制相同的溶液，更換掉舊溶液繼續(xù)浸泡。

1.2.2 檢測。當(dāng)試件分別浸泡至規(guī)定的時(shí)間時(shí)，及時(shí)將試件取出并晾干，準(zhǔn)備進(jìn)行取樣檢測工作。檢測思路：從試件表面至中心，沿著所有有可能遭受氯離子侵蝕的路徑，用來檢測距試件表面不同侵入深度處的氯離子的量值。檢測方法：利用機(jī)械分別對(duì)不同溶液、不同浸泡時(shí)間的時(shí)間進(jìn)行切片取樣。取樣共分為5 層，取樣深度分別為0～0.5cm，0.5～1cm，1～1.5cm，1.5～2cm，2～2.5cm，依照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)各樣本進(jìn)行氯離子含量檢測。具體檢測過程如下：

首先，將樣本研磨成粉狀，使用0.6mm 的細(xì)孔篩進(jìn)行篩分，并分別放置；其次，在105℃左右的溫度下，將混凝土粉末烘干，烘烤時(shí)間約2h，然后將其裝入干燥的器皿中冷卻，直至冷卻到室溫備用；第三，用電子天平（精確至0.01g）準(zhǔn)確稱取20g 烘干冷卻的樣本（G），放置到可加塞的容器中，再加入0.2L 的蒸餾水（V3），密封后用力搖晃2min 左右，再靜置24h；第四，待樣本混合液靜置滿24h 后，將混合液過濾，再分別取2 份濾液，體積均為20mL（V4），再在取出的濾液中分別加入2 滴酚酞試劑，此時(shí)濾液呈現(xiàn)出微紅色，再用稀釋后的H2SO4將溶液中和，直至溶液變?yōu)闊o色，再在兩份溶液中加入K2CrO4各10 滴后立即用AgNO3滴至溶液呈現(xiàn)出磚紅色，記錄兩份溶液所消耗的AgNO3的用量（V5）；第五，通過下式計(jì)算自由氯離子含量。

式中，P 代表溶液中水溶性氯離子含量(%)；CAgNO3代表硝酸銀溶液的標(biāo)準(zhǔn)濃度標(biāo)(mol/L)。通過計(jì)算，可以得到不同深度的氯離子含量，并可以以此繪制出不同浸泡時(shí)間及深度的氯離子含量的分布圖。

圖2 不同溶液下的氯離子分層含量曲線（60d）

圖3 不同溶液下的氯離子分層含量曲線（90d）

圖4 不同溶液下的氯離子分層含量曲線（120d）

2 不同溶液對(duì)氯離子擴(kuò)散特性的影響

不同溶液和不同浸泡時(shí)間對(duì)氯離子含量的影響如圖1～4 所示。

圖1 不同溶液下的氯離子分層含量曲線（30d）

圖1～4 表明，試件中的氯離子濃度均隨著試件的深度加深而減小，變化趨勢滿足Fick 第二擴(kuò)散定律。在剛開始浸泡時(shí)，試件在不同溶液內(nèi)表層的氯離子含量增長都較快，浸泡一段時(shí)間后，試件表層氯離子濃度逐漸趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)樵嚰韺优c環(huán)境中的氯離子濃度達(dá)到了平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致其濃度增長速率降低[3]。

對(duì)于浸泡時(shí)間為30 天的試件，浸泡在N1溶液內(nèi)的試件和浸泡在N2溶液內(nèi)的試件相比，前者氯離子含量比后者多大約20%～40%，并且越往試件內(nèi)部，降幅越來越低。但是隨著浸泡時(shí)間的增加，兩者在相同部位的氯離子含量比較接近。由此可以推斷，在侵蝕的初期，硫酸鹽能在一定程度上阻止氯離子對(duì)混凝土的侵蝕作用，從而導(dǎo)致兩者之間初期氯離子含量的不同。但是隨著浸泡時(shí)間的增加，硫酸鹽并未有效的阻止氯離子對(duì)混凝土的侵蝕。

3 不同水膠比對(duì)氯離子擴(kuò)散特性的影響

水膠比是混凝土密實(shí)度的重要指標(biāo)之一，因此水膠比能體現(xiàn)混凝土對(duì)氯離子侵蝕阻止作用。經(jīng)過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在水膠比不同時(shí)，各試件的氯離子含量如圖5 所示。

圖5 不同水膠比時(shí)氯離子分層含量曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，在浸泡齡期相同的情況下,隨著水膠比的增加，試件中各深度處的氯離子濃度均在增加，但隨著試件深度的增大，這種增大的幅度明顯降低。導(dǎo)致這一試驗(yàn)結(jié)果的原因是當(dāng)水膠比增加時(shí)，試件的密實(shí)程度逐步減小，其抗?jié)B性能逐漸降低。水膠比降低能使粗細(xì)集料的強(qiáng)度及彈性模量增大，從而使得粗集料、細(xì)集料之間的彈性模量的差值減小，進(jìn)一步使混凝土的滲透性降低。研究表明，當(dāng)水膠比大于或等于0.55 時(shí)，其滲透性能大幅增加。工程實(shí)踐表明，混凝土的水膠比若小于0.3[4]，其滲透性能極小，幾乎不可滲透。因此，為降低氯離子對(duì)混凝土的侵蝕作用，在工程實(shí)踐中可以采取降低水膠比的措施。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在剛開始浸泡時(shí)，水膠比的差異對(duì)試件表面的氯離子含量作用不大。浸泡時(shí)間越長，氯離子越容易通過混凝土的毛細(xì)孔隙侵入到混凝土內(nèi)部，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果有明顯差異。

4 混凝土齡期對(duì)氯離子擴(kuò)散特性的影響

在不同水膠比、不同齡期的情況下，氯離子的分層含量曲線如圖6 所示。

圖6 不同齡期時(shí)氯離子分層含量曲線（C0.2）

從圖6 不難得到，當(dāng)水膠比相同時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的增加，試件不同位置處的氯離子含量都有所增加，只是增加的快慢不同。剛開始浸泡時(shí)，氯離子含量增長率較快，當(dāng)浸泡時(shí)間的增加，其增長率趨于穩(wěn)定，直至幾乎不再增長，同時(shí)，氯離子含量與試件深度成反相關(guān)。在試件切片第5 分層的位置，氯離子含量幾乎趨于零。試驗(yàn)結(jié)果證明，氯離子侵入混凝土內(nèi)部是一個(gè)從高濃度處逐步向較低濃度處侵入，并不斷積累的長期過程。隨著浸泡時(shí)間的加長，試件各切片層的氯離子含量均會(huì)由于氯離子在混凝土內(nèi)部的積累從而增加[5]，并且由于濃度分不均，氯離子一定會(huì)從高濃度處向低濃度處轉(zhuǎn)移，最終會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

5 氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

根據(jù)上式，在確定混凝土深度及侵蝕時(shí)間的情況下，即可通過計(jì)算得出混凝土表面氯離子濃度、氯離子初始濃度及擴(kuò)散系數(shù)。

6 結(jié)論

在3.5%的氯化鈉溶液和3.5%的氯化鈉及5%硫酸鈉混合溶液浸泡試驗(yàn)中，試件內(nèi)的氯離子含量均伴隨浸泡齡期的增加而增加，和氯化鈉溶液比較，在侵蝕前期，由于硫酸鹽的存在，能有效降低試件中氯離子含量，從而能提高抗氯離子侵蝕的能力，但是在侵蝕末期，硫酸鹽溶液并未降低試件中氯離子的含量，兩者之間的含量幾乎一致，證明硫酸鹽沒有長期抗氯離子侵蝕的能力。

浸泡時(shí)間相同時(shí)，水膠比越大，氯離子含量越大。因此，為提高混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力，可以適當(dāng)降低混凝土的水膠比，以提高其抗?jié)B能力。在水膠比相同時(shí)，氯離子含量與浸泡時(shí)間成正相關(guān)，在浸泡初期增長率較高，隨著時(shí)間的推移，增長率越來越慢，并逐漸趨于穩(wěn)定，并在隨著深度的增加，其含量有所降低，由此證明氯離子侵蝕混凝土的過程是一個(gè)從高濃度處向低濃度處轉(zhuǎn)移的過程。