再生混凝土中氯離子傳輸性能研究

祁兵

摘 要：筆者主要研究再生混凝土中氯離子傳輸隨侵蝕周期的變化規(guī)律。將試件放置于質(zhì)量分數(shù)為3.5%的氯化鈉溶液中，侵蝕周期達到設計條件時，利用電位滴定儀測定再生混凝土內(nèi)不同深度處的氯離子含量，并對擴散系數(shù)以及結(jié)合能力進一步分析。分析試驗結(jié)果表明，氯離子含量隨著侵蝕周期的增加而變大，而擴散系數(shù)以及結(jié)合能力則相反。再生骨料完全取代天然骨料后會加快氯離子傳輸。

關鍵詞：耐久性;氯離子;再生混凝土

中圖分類號：TU528 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）12-0087-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.018

Study on Chloride Ion Transport Performance in Recycled Concrete

QI? Bing

（ Shanghai Shimao Yixin Real Estate Co.， Ltd.， Shanghai 200127， China）

Abstract： The author studies the variation law of chloride ion transmission in recycled concrete with erosion cycle. The test pieces was placed in mass fraction 3.5% sodium chloride solution. When the erosion cycle reached the design conditions， the potentiometric titrator was used to measure the chloride ion concentration at different depths in the recycled concrete， and the diffusion coefficient and bonding capacity was further analyzed. The results show that the chloride ion content increases with the increase of erosion cycle， while the diffusion coefficient and binding capacity are opposite. When recycled aggregate completely replaces natural aggregate， chloride ion transmission will be accelerated.

Keywords： durability; chloride ion; recycled concrete

0 引言

隨著建筑廢棄物問題的日益加劇，廢棄資源的循環(huán)利用尤為重要。再生混凝土是利用再生材料取代天然材料的一種新型混凝土[1]。研究者們對氯離子傳輸行為的研究成果較多，但對于再生混凝土中氯離子傳輸性能的研究較少。再生混凝土中氯離子傳輸性能的研究仍須基于其自身材料特性以及環(huán)境因素進一步探討。筆者以再生混凝土為研究對象，即用再生粗骨料完全取代天然粗骨料，在考慮材料、環(huán)境因素的基礎上，研究了其在氯化鈉溶液侵蝕下的氯離子傳輸規(guī)律?；谄胀ɑ炷谅入x子傳輸?shù)幕A研究成果[2-4]，對氯離子在再生混凝土中的傳輸性能進一步研究。試驗測定不同侵蝕周期內(nèi)試件中的氯離子含量，利用Matlab軟件計算相應的擴散系數(shù)，并建立水溶和酸溶氯離子含量數(shù)值關系。

1 試驗進程

1.1 配合比設計

水泥采用P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥，Ⅱ類再生粗骨料[5]，天然中砂。依據(jù)再生混凝土配合比設計規(guī)程要求[6-7]，最終得到再生混凝土配合比，如表1所示。

1.2 試件準備

本研究僅考慮一維尺度上氯離子在再生混凝土中的傳輸規(guī)律?；炷猎嚰殚L方體，長、寬、高分別為280 mm、70 mm、70 mm，僅預留2底面（70 mm×70 mm）作為氯化鈉溶液侵蝕面，將試件其余4面進行密封處理，盡量減少水化對氯離子傳輸?shù)挠绊?，試件標準養(yǎng)護60 d后，放置于質(zhì)量分數(shù)為3.5%的氯化鈉溶液中，在侵蝕30 d、90 d、180 d、270 d后分別取樣。

1.3 測試方法

1.3.1 氯離子含量測定。本研究主要測定4個不同深度（0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm）處氯離子含量。鉆取上述不同深度處樣品粉末并烘干過篩（篩孔直徑0.15 mm）。采用電位滴定儀進行滴定。具體測試方法如下。

①將2 g左右粉末置于錐形瓶中，稱重并記錄粉末質(zhì)量m，g。

②加入50 mL溶液對樣品粉末進行浸泡，測定水溶（自由）氯離子含量時，浸泡溶液為蒸餾水，測定酸溶（總）氯離子含量時，浸泡溶液為稀硝酸溶液。

③浸泡24 h并過濾，移取10 mL過濾后的溶液進行滴定。采用0.025 mol/L AgNO3溶液進行滴定。記錄消耗的AgNO3溶液的體積V1，mL。氯離子含量計算公式為式（1）。

1.3.2 擴散系數(shù)計算。再生混凝土中氯離子傳輸方式與普通混凝土一致，基于傳輸理論[8-9]，可用式（2）計算擴散系數(shù)。

式中：[cx，t]為與侵蝕時間和深度相關的含量方程;[cs]為表面氯離子含量;[D]為氯離子擴散系數(shù);[erf]為誤差函數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 再生混凝土中氯離子含量

在不同侵蝕周期內(nèi)，試件中氯離子含量分布如圖1所示。從圖1可以看出，氯離子含量隨侵蝕周期的增加而變大，且隨著取樣深度的增加而變小，這與之前普通混凝土氯離子傳輸規(guī)律一致。這表明再生混凝土中氯離子含量與侵蝕時間呈正向相關，與取樣深度呈負向相關，與普通混凝土研究結(jié)果基本一致。在侵蝕30 d、270 d時，0～5 mm處水溶氯離子含量分別為0.272%、0.523%，酸溶氯離子含量分別為0.353%、0.657%。雖然隨著侵蝕周期的增加氯離子含量增量較大，但氯離子含量絕對值較小，其傳輸速度較慢。

2.2 再生混凝土中氯離子擴散系數(shù)

上述研究結(jié)果表明，在長期浸泡條件下，氯離子傳輸速度相對較慢。因此，為更準確地描述再生混凝土中氯離子的傳輸規(guī)律，在試驗數(shù)據(jù)的基礎上進行理論推導。在上文水溶氯離子含量結(jié)果的基礎上，可用式（2）計算氯離子擴散系數(shù)。由于式（2）中[cs]和[D]均為未知參數(shù)，可設定誤差函數(shù)為限制條件，利用Matlab軟件進行求解，計算結(jié)果如圖2所示。再生混凝土試件在侵蝕30 d后擴散系數(shù)為8.70×10?12 m2/s，在侵蝕270 d后擴散系數(shù)為4.26×10?12 m2/s，可以發(fā)現(xiàn)氯離子擴散系數(shù)隨侵蝕周期的增加有明顯降低。

2.3 再生混凝土氯離子結(jié)合能力

氯離子進入混凝土內(nèi)部后，部分氯離子會以物理或者化學方式結(jié)合，物理吸附主要是孔結(jié)構吸附，結(jié)合較弱，化學結(jié)合主要是發(fā)生化學反應生成Friedel's鹽，結(jié)合較強。結(jié)合氯離子會在一定程度上影響氯離子的傳輸[10-11]，通常酸溶氯離子含量（[Ca]）為結(jié)合氯離子含量（[Cb]）與水溶氯離子含量（[Cw]）之和，結(jié)合氯離子含量[Cb=Ca?Cw]。混凝土氯離子結(jié)合能力[R=Cb/Cw]，將上述結(jié)合氯離子含量關系式代入后可得出酸溶氯離子含量和水溶氯離子含量關系，即[Ca=（1+R）Cw]。

再生混凝土酸溶氯離子含量與水溶氯離子含量的關系擬合結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，酸溶氯離子含量和水溶氯離子含量有較好的線性關系，具體擬合方程及數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，再生混凝土試件酸溶氯離子含量與水溶氯離子含量擬合方程相關系數(shù)在0.900 0以上，表明具有良好的線性擬合關系。在侵蝕30 d時，氯離子結(jié)合能力為0.351 9，在侵蝕270 d時，氯離子結(jié)合能力為0.332 4。由此可以看出，隨著侵蝕時間的增加，氯離子結(jié)合能力有明顯的下降趨勢，主要原因是可用于化學結(jié)合的產(chǎn)物隨侵蝕時間而減少。

3 結(jié)論

①在氯化鈉溶液長期浸泡侵蝕下，再生混凝土試件中，無論水溶氯離子含量或酸溶氯離子含量均隨侵蝕時間的增加而增大，呈現(xiàn)較好的正向相關關系，但隨取樣深度的增加而減小，呈現(xiàn)明顯的反向相關關系。再生混凝土僅是骨料的變化，并未對混凝土中氯離子傳輸造成根本性改變。

②利用Matlab可以計算出再生混凝土試件中氯離子表觀含量，氯離子擴散系數(shù)隨侵蝕時間的增加而降低，呈現(xiàn)較為明顯的反向相關關系。且與普通混凝土相比，再生混凝土試件中氯離子的傳輸抗性較差。

③再生混凝土試件中氯離子結(jié)合能力表現(xiàn)為酸溶氯離子含量與水溶氯離子含量的線性關系，相關系數(shù)較高，且氯離子結(jié)合能力隨侵蝕時間的增加而降低，呈現(xiàn)出反向相關關系。

參考文獻：

[1] 肖建莊.再生混凝土[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] ANDERS K A，BERGSMA B P，HANSSON C M. Chloride concentration in the pore solution of Portland cement paste and Portland cement concrete [J]. Cement and Concrete Research，2014，63：35-37.

[3] CONCIATORI D， SADOUKI H， BRUHWILER E. Capillary suction and diffusion model for chloride ingress into concrete[J].Cement and Concrete Research，2008，38（12）：1401-1408.

[4] YU L，F(xiàn)RANCOIS R，DANG V H，et al. Development of chloride-induced corrosion in pre-cracked RC beams under sustained loading：Effect of load-induced cracks，concrete cover，and exposure conditions [J]. Cement and Concrete Research，2015，67：246-258.

[5] 住房和城鄉(xiāng)建設部.混凝土用再生粗骨料：GB/T 25177—2010 [S].北京：中國標準出版社，2010.

[6] 住房和城鄉(xiāng)建設部.再生骨料應用技術規(guī)程：JGJ/T 240—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[7] 住房和城鄉(xiāng)建設部.普通混凝土配合比設計規(guī)程：JGJ/T 55—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[8] FANAHASHI M. Predicting corrosion free service life of a concrete structure in a chloride environment [J].ACI Materials Journal，1990，87：581-587.

[9] West R E，HIME W G. Chloride profiles in salty concrete [J].Materials Performance，1985，24：29-36.

[10] PREZZI M，GEYSKENS P，MONTERIRO P J M. Reliability approach to service life prediction of concrete exposed to marine environments[J]. ACI Materials Journal， 1996，93（6）：544-552.

[11] FLOREA M V A，BROUWERS H J H. Chloride binding related to hydration products Part I：Ordinary Portland Cement [J]. Cement and Concrete Research，2012，42（2）：282-290.