海洋環境下混凝土中氯離子傳輸規律

孫朋朋，趙鐵軍，金祖權，高祥壯，徐建光

(青島理工大學土木學院，山東青島 266033)

0 引言

自19世紀20年代波特蘭水泥問世以來，混凝土逐漸被廣泛應用于各類建筑中。實際工程和實驗研究證明，混凝土結構在惡劣環境條件下會受到物理和化學的強烈侵蝕作用，最終導致結構的耐久性不足，發生破壞。全球呈現出大量混凝土結構由于耐久性問題造成的巨大經濟損失:19世紀30年代建造的美國俄勒岡州Alsae海灣上的多拱大橋，由于混凝土的水膠比問題使結構在短時間內侵入大量氯離子，造成結構最終無法修復而拆除、更換［1］;英國為解決海洋環境下混凝土建筑物的腐蝕與防護問題，每年就花費近20億英鎊［2］。當前，我國沿海及海洋工程建設增長迅速，混凝土結構的耐久性問題同樣也十分嚴重［3］。

海洋環境下混凝土結構耐久性問題日益彰顯，從而引發了一系列的耐久性研究。近年來，國內外關于混凝土結構氯離子侵蝕方面的研究較多，但不系統［4-5］。文獻［6］指出，暴露于海洋環境下的混凝土結構，由氯離子侵蝕引起的破壞損傷程度隨結構所處的暴露位置不同而不同。為了更準確地獲得海洋不同腐蝕區域下氯離子傳輸機制和規律，本人在借鑒前人的試驗方法及試驗結果的基礎上，通過采用實海暴露試驗，研究在海洋大氣區、水下區和潮汐區混凝土中氯離子的分布規律，并分析暴露時間對海洋環境下不同區域混凝土中氯離子傳輸的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料與配合比

采用水泥為P·O42.5;粗骨料為5～25mm的花崗巖碎石，連續級配，壓碎值小于12%;細骨料為中砂，細度模數2.7;聚羧酸高效減水劑。混凝土配合比如表1所示。

表1 每立方混凝土配合比及力學性能Table1 Mixingproportionsandmechanicalperformanceofconcrete

1.2 試驗方法

試驗采用100mm×100mm×100mm的立方體混凝土試塊，標準養護28d，用環氧樹脂將除靠鋼模面的2個相對面的其余4個面密封，目的在于讓氯離子在混凝土試塊內一維擴散，得到較直觀的氯離子擴散情況。待環氧樹脂在混凝土試塊表面完全干透后，將試塊運至實海暴露區(如圖1所示)。試驗區域分為大氣區、潮汐區和水下區，暴露時間為1月和3月，達到暴露時間后，從海邊取回試塊，在實驗室50℃的烘箱內烘干至恒重。用分層打磨機將試塊按mm分層磨粉取樣(混凝土試塊在經受一定時間的氯離子侵蝕后，采用自行設計加工的干磨混凝土粉末機)，如圖2所示，將試件固定在夾具上，暴露在氯鹽環境下的表面與打磨片平行，每次增進1mm打磨試塊表面，收集本層打磨出的粉末過60目篩，取粉裝入塑封密封袋內，由表及內依次打磨。用化學滴定法取氯離子質量分數平均值并繪制曲線，對比分析實海環境試驗中混凝土氯離子的傳輸機制。

2 試驗結果及分析

2.1 不同區域混凝土中氯離子傳輸的規律

將4個配合比(A，B，C，D)的試塊在大氣、潮汐和水下區暴露3月后磨粉測其氯離子質量分數，氯離子與滲透深度關系曲線如圖3所示。

從圖3可知:由于海洋大氣中的氯離子質量分數很低，所以大氣區的混凝土中氯離子質量分數很低，氯離子入侵深度小;潮汐區的混凝土主要遭受干濕交替腐蝕，3月中只有部分時間與海水接觸，氯離子質量分數較水下區低;水下區的混凝土長期處于海水浸泡環境中，氯離子來源充足，導致混凝土中的氯離子質量分數比其他2個區域都高。由于潮汐區的干濕交替作用，潮汐區的混凝土表面腐蝕比水下區嚴重。

2.2 暴露時間對混凝土中氯離子傳輸的影響

將4個配合比(A，B，C，D)的混凝土試塊在潮汐區暴露1月和3月后分別磨粉測其氯離子質量分數，氯離子質量分數與滲透深度關系曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出:隨著暴露時間的延長，氯離子通過緩慢的擴散滲入到混凝土的更深處，并且較之前相同位置的氯離子質量分數增大。

2.3 混凝土配合比的影響

將4個配合比(用A，B，C，D表示)的混凝土試塊在潮汐區和水下區腐蝕3月后分別磨粉測其氯離子質量分數，氯離子質量分數與滲透深度關系曲線如圖5所示。

通過采用4個配合比的混凝土在潮汐區和水下區腐蝕3月的滴定結果進行對比，試驗發現:2個區域的混凝土氯離子質量分數由高到低的規律相同，皆為A＞B＞C＞D;在相同的干燥程度和浸泡時間的情況下，水灰比大的混凝土，氯離子侵入深度更大。由于水泥石的毛細孔是混凝土水灰比的函數，水灰比的大小決定了混凝土的孔隙分布，使混凝土的吸收量出現差異，隨著水灰比的增大，毛細孔隙率增大，相同深度處存在更多的毛細孔，使氯離子可自由分布的空間更大。

3 結論與討論

3.1 結論

1)暴露時間一定，放在不同區域的混凝土試塊氯離子質量分數由高到底依次為水下區、潮汐區和大氣區。從試塊表面腐蝕情況來看，由于潮汐區的干濕循環交替作用，潮汐區的混凝土試塊腐蝕比水下區嚴重。

2)暴露區域相同時，混凝土試塊氯離子質量分數隨暴露時間的增加而增大，并隨深度的增加而減小，最后趨于穩定。

3)在暴露時間和區域都相同的條件下，混凝土抗氯離子的侵蝕能力隨水灰比的增大而減小。隨著水灰比增大，毛細孔隙率增大，從而氯離子在混凝土中的滲透性增大。

3.2 討論

耐久性是一個復雜的問題，其研究是一個長期的過程，本文僅就海洋環境中的混凝土結構做了短期的氯離子入侵研究。就本文已有的試驗結果，筆者認為以下幾個問題可進一步研究。

1)建立實驗室加速試驗和暴露試驗之間的聯系。實海暴露試驗由于其所處環境因素的不穩定性，很難從試驗中準確得出最終結論，若能將室內加速試驗同實海暴露試驗二者同步對比，最終結果將更有參考價值。

2)制作適合長期氯離子侵蝕試驗的試塊，增加混凝土耐久性實驗數據的積累。理論研究的正確性需要大量的試驗數據和現場調查數據的支持，混凝土結構中的氯離子傳輸具有很大的離散性，只有通過長期的試驗，綜合分析數據才能完善相關理論。

［1］ 洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護［M］.北京:中國鐵道出版社，1998.

［2］ 洪乃豐.混凝土中鋼筋腐蝕與防護技術(1):鋼筋腐蝕危害與對混凝土的破壞作用［J］.工業建筑，1999(8):66-68.(HONGNaifeng.Steel corrosion and protective technology in concrete(1):Damage of steel corrosion and failure effect on concrete［J］.Industrial Construction，1999(8):66-68.(in Chinese))

［3］ 趙鐵軍.滲透型涂料表面處理與混凝土耐久性［M］.北京:科學出版社，2009.(ZHAO Tiejun.Surface treatment with permeable coating and durability of concrete［M］.Beijing:Science Press，2009.(in Chinese))

［4］ Ann K Y，Ahn J H，Ryou J S.The importance of chloride content at the concrete surface in assessing the time to corrosion of steel in concrete structures［J］.Construction and Building Materials，2009，23(1):239-245.

［5］ FAN Hong，CAO Weiqun，ZHAO Tiejun.Chloride penetration in concrete of harbor engineering after long-term exposure［C］//SHAO Yongbo，ZHOU Xingang，TAM Chattim.12th International Conference on Inspection，Appraisal，Repairs and Maintenance of Structures.Yantai:［s.n.］，2010:321-328.

［6］ 范宏，趙鐵軍，Wittmann F H.基于結構混凝土中氯離子分布的氯離子擴散模型［J］.建筑結構學報，2006(S):199-202.(FAN Hong，ZHAO Tiejun，Wittmann F H.Chloride diffusion model based on chloride profiles in concrete of structure［J］.Journal of Building Structures，2006(S):199-202.(in Chinese))

［7］ Wittmann F H，ZHANH，ZHAOT.Chloride penetration into water repellent concrete exposed to sea water in the tidal zone［C］//J.Silfwerbrand Proc.Fourth Int.Conf:Water repellent treatment of building materials.［S.l.］:Aedificatio Publishers，2005:125-132.

［8］ ZHAN H，Wittmann F H，ZHAO T.Chloride barrier for concrete in saline environment estabilished by water repellent treatment［J］.Int.J.Restoration of Buildings and Monuments，2003(9):535-550.

［9］ Odd E.Gjφrv.Durability design of concrete structures in severe environments［M］.London:Spon Press，2009.

［10］ 金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性［M］.北京:科學出版社，2002.(JIN Weiliang，ZHAO Yuxi.Durability of concrete structures［M］.Beijing:Science Press，2002.(in Chinese))

［11］ Hope B B，Page J A，Poland J S.The determination of the chloride content of concrete［J］.Cement and Concrete Research，1985(15):863-870.