混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的研究綜述

王敏楊 劉文會(huì)* 杜朋飛 李嘉明 王新宇

（吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

混凝土因其強(qiáng)度高、成本低、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，一直是人們首選的建筑材料[1]。若不滿足環(huán)境和經(jīng)濟(jì)要求，這種偏好會(huì)改變。混凝土耐久性具有深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)混凝土過(guò)早失效或變質(zhì)時(shí)，就必須拆除，需要人力和財(cái)政資源來(lái)修理和更換現(xiàn)有的RC 結(jié)構(gòu)，影響RC 結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因是氯離子對(duì)RC 結(jié)構(gòu)進(jìn)行侵蝕，使混凝土結(jié)構(gòu)中的CHS 凝膠失效，混凝土發(fā)生脆化，表面嚴(yán)重脫落，外部氯離子進(jìn)入保護(hù)層，腐蝕鋼筋，令RC 結(jié)構(gòu)的鋼筋處于酸性環(huán)境中，鋼筋銹蝕加劇。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的研究綜述較少，不夠新穎，且內(nèi)容陳舊，眾模型中缺少控制氯離子擴(kuò)散系數(shù)比值的水泥漿體厚度。本文論述了該領(lǐng)域近年來(lái)的研究成果，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估RC 結(jié)構(gòu)耐久性有著重要意義。

1 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的基本理論

Fick 第一定律為

式中：D稱為擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)，C為擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度(原子數(shù)/m3或kg/m2)，C?/X? 為濃度梯度。

一般假定氯離子通過(guò)多孔介質(zhì)的擴(kuò)散遵循Fick 第二定律

上式中，C為擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度(kg/m3),t為擴(kuò)散時(shí)間(s),x為距離(m)。

2 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的量化模型

現(xiàn)有的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)量化模型可分為現(xiàn)象學(xué)模型、類比模型、統(tǒng)計(jì)模型和混合模型。這些模型之間最大的區(qū)別是它們的目標(biāo)。采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和材料模型對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行量化，以比較和評(píng)價(jià)不同的混合物；另一些模型則采用統(tǒng)計(jì)模型和現(xiàn)象學(xué)模型相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)和配合混凝土混合物。此外，有些模型采用表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，主要是基于浸沒試驗(yàn)數(shù)據(jù)；另一些模型采用有效擴(kuò)散系數(shù)(DCl)對(duì)氯離子結(jié)合進(jìn)行修正，主要是利用遷移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 Luciano 和 Miltenberger [2]

Luciano 和 Miltenberger 氯離子擴(kuò)散系數(shù)的確定是建立了一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型。在美國(guó)運(yùn)用恩斯特愛因斯坦方程制造實(shí)驗(yàn)室混凝土和一個(gè)擁有12V 電位差的穩(wěn)定遷移測(cè)試裝置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。該數(shù)據(jù)庫(kù)包括水灰比、水泥含量、硅灰(SF)、粉煤灰(FA)和磨粒級(jí)高爐爐渣(GGBFS)的摻入比例、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和混凝土拌和溫度等參數(shù)，建立了一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型，用于估計(jì)穩(wěn)態(tài)遷移試驗(yàn)得出的有效氯離子擴(kuò)散系數(shù)。該模型考慮了膠結(jié)材料的類型以及集料顆粒的含量、時(shí)間、溫度和角度等。它們是混凝土孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力指標(biāo)，但不足以充分量化混凝土的擴(kuò)散特性。因此，由于認(rèn)識(shí)到該模型是統(tǒng)計(jì)的，它的應(yīng)用僅限于開發(fā)該模型的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 Mangat 和Molloy[3]

Mangat 和Molloy[3]提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，用于預(yù)測(cè)混凝土在給定時(shí)間的擴(kuò)散系數(shù)。這是通過(guò)使用Fick 第二定律的封閉解析解來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即單向流動(dòng)假定擴(kuò)散系數(shù)恒定，表面氯離子濃度固定[4]，利用回歸分析工具和非穩(wěn)態(tài)自然滲透試驗(yàn)獲得的氯離子濃度分布，在三種不同的暴露條件下，即海洋噴霧循環(huán)、潮汐循環(huán)和浸泡槽，將年齡因子m 確定為w/cm 的線性函數(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)包括有或沒有補(bǔ)充膠凝材料(SCM)的混合物，w/cm 范圍為0.4 至0.58，粘結(jié)劑含量為430 至590 kg/m3，接觸期最長(zhǎng)為5年。該模型直接考慮了水膠比和時(shí)間的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反演的參考氯離子擴(kuò)散系數(shù)考慮了其他變量的影響。這意味著w/cm 是唯一被認(rèn)為對(duì)擴(kuò)散率的時(shí)間變化有效的變量，這是不具有說(shuō)服性的。隨后，這一數(shù)學(xué)解釋被其他研究人員用來(lái)建立氯化物擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

3 試驗(yàn)方法

3.1.非穩(wěn)態(tài)浸沒試驗(yàn)：NT BUILD 443[5]

NT BUILD 443[5]是采用濃度較高的NaCl 溶液加速試驗(yàn)的方法，以確定混凝土對(duì)28 天以上的樣品抗氯離子擴(kuò)散的抵抗力。以最小直徑為75 mm、最小長(zhǎng)度為100 mm 的圓筒作為試件，在一個(gè)平面表面溫度為23±2°C，即除曝光面外，將試樣的所有表面密封在濃度為165±1g NaCl/dm3的NaCl 溶液中。經(jīng)過(guò)至少35 天的曝光時(shí)間后，薄層試樣被沿平行于曝光表面磨平。氯化物的含量是根據(jù)相應(yīng)的深度繪制的。通過(guò)將Fick 第二定律的封閉解擬合到實(shí)測(cè)的氯化物剖面上，計(jì)算出試件中氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)和表面氯離子濃度，并計(jì)算了試樣中氯離子的初始濃度。根據(jù)NT BUILD 443[5]，表面氯離子濃度和表觀氯擴(kuò)散系數(shù)的期望變異系數(shù)分別為20%和15%。

3.2.加速氯遷移試驗(yàn)：NT BUILD 492[6]

NT BUILD 492[6]是一種非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移試驗(yàn)方法.該試件為圓柱形，直徑為100 mm，長(zhǎng)度為50±2mm，從圓柱體中心部分切割。在開始測(cè)試之前，將試樣放置在真空飽和處理的干燥器中，用飽和氫氧化鈣溶液進(jìn)行真空飽和處理，然后試樣的側(cè)面被硅橡膠套緊覆蓋。在溫度為23±2°C 的條件下，試樣放置在兩個(gè)液體儲(chǔ)集層之間，分別為10%NaCl 溶液和0.3N 氫氧化鈉溶液。然后，在試樣上施加電壓為10～60V，周期為6～96h，根據(jù)30 V 的初始電流，根據(jù)測(cè)得的氯離子滲透深度計(jì)算出非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)NT BUILD 492[6]，該試驗(yàn)方法對(duì)硅酸鹽水泥混凝土的重復(fù)性和重復(fù)性的變異系數(shù)分別為9%和13%，對(duì)GGBFS 水泥混凝土的重復(fù)性的變異系數(shù)為24%。

4 急需深入解決的科研難題

至今，氯離子擴(kuò)散系數(shù)的研究在混凝土領(lǐng)域仍有很多需解決的難題。首先，該領(lǐng)域理論不充分、完善，例如濃電解質(zhì)中的氯離子擴(kuò)散機(jī)理本身還不明確，只存在一些經(jīng)驗(yàn)性的理論；其次，對(duì)于混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型能夠預(yù)測(cè)是否與源溶液和孔溶液成分有關(guān)，預(yù)測(cè)氯離子在混凝土中的自然擴(kuò)散過(guò)程仍需方法解決。因此,有必要針對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究:①為了提高筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，急需找出降低氯離子侵入速度的有效理論方法。②筆者認(rèn)為導(dǎo)致氯離子擴(kuò)散系數(shù)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的原因是氯離子會(huì)與混凝土結(jié)構(gòu)中的膠凝物質(zhì)結(jié)合反應(yīng)掉，結(jié)合的含量，以及混凝土配合比是否對(duì)結(jié)合程度有影響，無(wú)從得知。

勘誤啟示

刊登于《四川水泥》2019年3 期，題目為《 屋面防水質(zhì)量問(wèn)題分析及處理措施 》，作者名姓名：楊敏 更正為：杜慶芳。

特此聲明！