粉煤灰混凝土中自由氯離子滲透性能試驗研究*

李懷垣 吳相豪 岳鵬君

在海洋環(huán)境中氯離子侵入混凝土內部引起鋼筋銹蝕導致混凝土結構力學性能劣化、耐久性降低,嚴重影響海工混凝土結構的安全性及其使用壽命[1-7]。氯離子侵蝕引起的鋼筋混凝土結構耐久性問題是一個十分重要的、迫切需要解決的問題。本文采用自然擴散方法研究氯離子侵蝕時間、環(huán)境氯離子濃度及干濕循環(huán)對粉煤灰混凝土中氯離子滲透性能的影響規(guī)律,為海工混凝土結構設計和耐久性評估奠定理論基礎。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

1)水泥:上海水泥廠生產的P.S42.5級普通硅酸鹽水泥;2)砂:中砂,級配良好;3)粗骨料:粒徑5 mm～20 mm的連續(xù)級配碎石;4)水:上海市飲用水;5)氯鹽:江西鹽礦有限公司生產的工業(yè)鹽;6)粉煤灰:上海外高橋電廠生產的Ⅱ級粉煤灰,其細度為14.8%,燒失量為5.79%。

1.2 混凝土配合比

混凝土試樣的配合比見表 1,粉煤灰等量取代水泥率為20%。

表1 試驗混凝土配合比 kg/m3

1.3 試樣制備

按表1配制成的100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊,成型1 d后拆模,水中養(yǎng)護28 d。將試件分為全浸泡和干濕循環(huán)兩種試驗條件,放入4個腐蝕箱中,按試驗方案分別注入濃度為1%,3%,5%,7%的NaCl溶液,將腐蝕箱置于室溫環(huán)境中。對于干濕循環(huán)的試件,按每天浸泡16 h取出自然風干8 h的規(guī)律進行人工循環(huán)。到規(guī)定腐蝕齡期后取出試件,在混凝土側面距離表面6 mm,11 mm,16 mm,21 mm處劃線做好記號,用鉆機分別在0 mm～6 mm,6 mm～11 mm,11 mm～16 mm,16 mm～21 mm各層鉆取樣品粉末30 g以上,研磨至全部通過0.63 mm的篩子。然后將樣品置于(105±5)℃烘箱中烘2 h,取出后放入干燥器中冷卻至室溫,單獨封裝,并進行編號。

1.4 自由氯離子含量的測定方法

按照交通部標準JTJ 270-98水運工程混凝土試驗規(guī)程[8]的方法測定混凝土各層樣品中自由氯離子含量。

2 試驗結果與分析

2.1 環(huán)境氯離子濃度對氯離子滲透性能的影響

不同氯離子侵蝕時間下,環(huán)境氯離子濃度影響粉煤灰混凝土中氯離子滲透性能的試驗結果如圖1所示。

從圖1中可以看出,60 d,90 d腐蝕齡期下,混凝土中各層氯離子濃度隨著環(huán)境氯離子濃度的增大相應增大,在個別分層不是很明顯或出現(xiàn)異常,隨著腐蝕齡期的增加,該規(guī)律趨于明顯。這種現(xiàn)象表明,在相同腐蝕齡期下,環(huán)境氯離子濃度越高,混凝土內外氯離子濃度差越大,增大了氯離子滲透的源動力,促使?jié)B透速度加快,因此各層氯離子濃度總體上有不同程度的增大。同時,由于腐蝕齡期總體較短,各層氯離子濃度的增加并不明顯,并且隨著距離表面深度的增大,氯離子濃度增加的幅度逐漸減小,另因試驗的離散性,導致有的分層濃度甚至降低。

2.2 侵蝕時間對氯離子滲透性能的影響

不同環(huán)境氯離子濃度浸泡下,氯離子侵蝕時間影響氯離子滲透性能的試驗結果見圖2。由圖2可以看出,在同樣浸泡濃度下,隨著腐蝕齡期的增加,各層氯離子濃度都不同程度地增大。同時,隨著離混凝土表面距離的增加,這種增加的幅度逐漸減小,在深度18.5 mm分層處,氯離子濃度增加已經(jīng)不明顯。這是因為混凝土內外氯離子存在濃度差,氯離子由外部高濃度環(huán)境向低濃度的混凝土內部擴散,并在混凝土內部集聚。隨著腐蝕齡期的增加,各層氯離子濃度都會因集聚而增加。同時,距離混凝土表面越深,內部氯離子濃度差越低,氯離子滲透速度越慢,因此隨著混凝土深度的增加,由侵蝕時間引起的氯離子濃度變化越不明顯。

2.3 干濕循環(huán)對氯離子滲透性能的影響

環(huán)境氯離子濃度為5%時,干濕循環(huán)影響粉煤灰混凝土中氯離子滲透性能的試驗結果見圖3。

由圖3可以看出,干濕循環(huán)狀態(tài)下各層氯離子濃度都要比相同腐蝕齡期全浸泡試樣中的氯離子濃度大,表明干濕循環(huán)加快了氯離子在混凝土中的滲透速度。干濕循環(huán)的影響在混凝土淺層比較明顯,在混凝土內部較深處干濕循環(huán)與全浸泡試驗條件下的氯離子濃度相差不大。對于全浸泡狀態(tài)下的混凝土試件,主要是因為混凝土處于飽水狀態(tài),外部環(huán)境和內部的孔隙液中的氯離子有濃度差,這種濃度差促使氯離子由表面向內部擴散。而對于干濕循環(huán)條件下的混凝土試件,當混凝土由飽水狀態(tài)進入干燥狀態(tài)時,表面水分蒸發(fā),表層混凝土中氯離子濃度增大,內外濃度差增大加快了氯離子向內部擴散的速度。當表層大部分水分蒸發(fā)后進入浸泡狀態(tài)時,混凝土表面的毛細管吸附作用使氯離子隨水吸入,并通過混凝土內部孔隙與毛細管水一起向混凝土內部滲透。但是,到了混凝土內部一定深度后,毛細管作用明顯減弱,擴散作用起主導作用,而且由于內部氯離子濃度差較小,擴散作用也相對減弱,因此內部氯離子濃度差別不大。

3 結語

1)在相同的腐蝕齡期下,隨著環(huán)境氯離子濃度的增加,混凝土內外氯離子濃度差增大,氯離子滲透速度加快,各層氯離子含量都有所增加。2)在相同的環(huán)境氯離子濃度下,隨著腐蝕齡期的增加,混凝土內部氯離子不斷累積,各層氯離子含量都有所增加。隨著離混凝土表面距離的增大,混凝土中氯離子含量呈減少趨勢。3)干濕循環(huán)加快了粉煤灰混凝土中氯離子的滲透速度。干濕循環(huán)對氯離子滲透性能的影響隨著離混凝土表面距離的增加逐漸減弱。

[1] 霍洪媛,陳愛玖,姚 武,等.海洋工程混凝土耐久性研究[J].混凝土,2008,6(3):7-10.

[2] 吳 瑾,程吉昕.海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結構耐久性評估[J].水力發(fā)電學報,2005,24(1):69-73.

[3] 馬亞麗,張愛林.基于規(guī)定可靠指標的混凝土結構氯離子侵蝕耐久壽命預測[J].土木工程學報,2006,39(2):36-41.

[4] 田冠飛.氯離子環(huán)境中鋼筋混凝土結構耐久性與可靠性研究[D].北京:清華大學,2006.

[5] 余紅發(fā),孫 偉,麻海燕,等.鹽湖地區(qū)鋼筋混凝土結構使用壽命的預測模型及其應用[J].東南大學學報(自然科學版),2002,32(4):638-642.

[6] 余紅發(fā),孫 偉,麻海燕,等.混凝土在多重因素作用下的氯離子擴散方程[J].建筑材料學報,2002,5(3):240-247.

[7] 吳慶令,余紅發(fā),王甲春,等.現(xiàn)場海洋區(qū)域環(huán)境中混凝土的Cl-擴散特性[J].河海大學學報(自然科學版),2009,37(4):410-414.

[8] JTJ 270-98,水運工程混凝土試驗規(guī)程[S].