人工气候环境下混凝土梁中氯离子浓度分布规律的研究.pdf

浙江建 筑 ， 第 2 7卷 ， 第 1 2期 ， 2 0 1 0年 1 2月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n，Vo 1 2 7，No 1 2，De c 2 01 0 人工气 候环境 下混凝 土梁 中氯离子 浓度分布规律 的研 究 St u d y o n Ch lor i d e I o n Den s i t y Di s t r i b u t i on L a w i n Co n c r e t e Be a m Un de r Ar t i f ic i al Cl i ma t e Con dit i o n s 王 建 东 ， 徐 惠芳 ， 曾凡 信 ， 沈妙金 WA NG J i a n d o n g，XU Hu i -f a n g，Z E NG F a n x i n ，S HE N Mi a o - j i ( I 浙江工业大学建筑工程学 院， 浙 江 杭州 3 1 0 0 3 2 ； 2 浙江天都实业有限公司 ， 浙江 杭 州 3 1 1 1 0 0 ) 摘要 ： 在设 定的人 工气候 氯盐腐 蚀的环境下 ， 对两种不同水灰比的钢筋 混凝土梁进 行 了腐 蚀试验研 究 ， 分析 了氯盐腐 蚀后 的钢筋混凝土梁在不 同部位 氯离子含量随深度的变化趋 势。结论 表明氯离子浓度和水 灰比 、 受 拉区内力大小有 关。 关键词 ： 人工气 候； 氯离 子； 钢筋混凝 土梁 ； 腐蚀 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 8 3 7 0 7 ( 2 0 1 0) 1 20 0 5 70 3 我 国海域 辽 阔 ， 海 岸线很 长 ， 岸边 水 工混凝 土 应 用广 泛 。海 岸 边 的混 凝 土 工 程 ， 无 论 是 原 有 的 还 是 新 建 的 ， 都 受 不 同潮 位 ( 即 干 湿 交 替 和 温 度 变 化 等 环境 下 ) 和含 氯 盐 潮 水 ( 或 盐 雾 ) 的作 用 ， 使 得 混 凝 土不 同程度 地受 氯 离子 侵蚀 、 碳 化 、 裂 缝 以及钢 筋 锈 蚀 等 问题 。 因此在设 计 中 除 了满 足 安全 性 和适 用性的要求外 ， 为了满足其 5 01 0 0年的服役寿命 ， 水 工混凝 土 的耐 久性 是必 须 考虑 的 内容 。 一 般情 况 下 ， 氯 离 子 侵 蚀 环境 下 钢 筋 混凝 土 结 构 的腐蚀 过 程分 为 两 个 阶 段 ， 第 一 阶 段 为混 凝 土 结 构 的腐蚀 诱 发期 ， 即氯离 子经 由混 凝土 保护 层 ， 扩散 至 钢筋 表面并 积 聚到 临界 浓度 的这 一段 时期 。第 二 个 阶段是 腐蚀 发展 期 ， 即氯 离 子侵 蚀 到钢 筋 表 面 并 聚集 到 临界浓 度后 ， 钢 筋开 始快 速锈 蚀 的过程 ， 这 一 阶段 又分 为保 护层 开裂 期 、 剥落 期和 结构 倒塌 期 。 目前对混凝 土构 件 进行 的腐 蚀 试验 的方法 可 分 真实实验法 和模拟 实验法 。在 自然环境 下的“ 真 实实 验法 ” 一般采用 计算研究 ， 很难实 时跟踪测 量 ， 所 以常 采用模拟实验法。常用的模拟实验法有长期浸泡法、 干湿循环法 、 内掺法和人工气候环境法等。其 中的人 工气 候环境法 具有试验 周期短 、 试 验条 件可 以严格控 制 、 试 验的重现性 较好 、 试 验的成本 及 复杂程 度低 、 试 验结果 的可靠性 较高等优 点 ， 被广泛 应用 。 1 试 验梁的制作及腐蚀方 法确定 1 1 钢 筋 混凝 土试验 梁及 加 载 试 验 梁 尺 寸 为 1 2 0 mm 2 4 0 mm 2 4 0 0 mm。 梁 内底 部 配 2 ( ) 1 2的 钢 筋 ， 上 部 架 立 筋 为 2 ( ) 1 0 ， 箍 筋 为 西 6 1 0 0， 混 凝 土保 护 层 为2 0 m m。 混凝 土 梁 在 人工 气候 试 验室 内 采用 两 点 加 载 法 ， 中 间纯 弯 段 长 度 为5 0 0 mm， 重 物加 载 量 为钢 筋 混凝 土 梁 理论 开 裂 荷 载 数计 算值 。 1 2人 工气 腐蚀 方法 由于 现 场 影 响氯 离 子 侵 蚀 的环 境 因素很 多 ， 要 真 正模 拟是 比较 困难 的 ， 只能 在 设 计 时 忽 略对 侵 蚀 影 响程 度小 的 因素 ， 重点 放在 模拟 环境 的浓 度 、 温度 和 干湿循 环 过程 中。试 验用 多功 能气 候试 验室设 备 ( 见 图 1 ) ， 具 体 设 置 了 4个 环 境 条 件 来 模 拟 春 、 夏 、 秋 、 冬 四个 季 节 。每 个 模 拟 环 境 中 采 用 干 燥 腐 蚀 4 6 h 之 后 用 5 的 喷 盐 雾 从 上 部 向 下 喷 洒 2 h 的 方 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 81 1 基金项 目： 浙江省教育厅 2 0 0 8年度科研 资助项 目( 2 0 0 8 0 5 2 3 ) 作者 简介： 王建东 ( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 浙 江绍兴人 ， 工程师 ， 主要从事建筑材料 与结构试验研究 。 5 8 浙江建筑 2 0 1 0年第 2 7卷 案 ， 以达 到加速 腐 蚀 的 效果 。这样 经 历 的 四个气 候 环境 后 形 成 一 个 大 循 环 ， 相 当于 自然 时 间 1 a ( h表 示小 时 ， d 表 示 天 ， a表示年 ) 。 根据混凝土配合比的不同， 共制作 2个水灰 比的 钢筋混凝 土梁 ， 其中 0 6 1 水灰 比的是根据既有混 凝土 ( 钱塘江沿岸水闸的闸墩混凝土) 推定得到， 而 0 4 5 水灰 比是做对 比试验 的。各 试验 梁进入 试验 室前 ， 在 梁 的 4 个 面( 除梁的上下 面外 ) 上涂 环氧树脂 层 ， 以达 到试验只允许梁 的上下面氯离子侵入 的 目的。 2氯离子浓 度测定 腐 蚀 梁 出仓 后 ， 在 未涂 环 氧 树脂 隔 离层 的混 凝 土梁上 下 面 ， 按要 求 ( 取 芯位 置 与 编 号 见 图 2 ) 进 行 钻芯取 样 ， 并 将芯 样按 厚 度2 mm的 规格 从 梁 表 面侧 逐步 向 内 侧 研 磨 成 粉 末 ， 芯 样 磨 至 梁 外 表 面 以 下 3 0 mm 结 束 ， 再使 用美 国 T h e r m o 7 2 0 A酸度 计测 定各 样 品的 自由氯离 子含 量值 ， 计算 出相 应 的浓 度值 。 2 1 同一 水灰 比和 腐蚀 时 间试 验 梁 中氯 离子 浓度 分布 经对 腐蚀4 0 d 的两 种水 灰 比混 凝 土梁 测 定 自由 氯离 子含 量后 ， 得 到各 梁 各 芯样 部 位 不 同深 度 的氯 离 子浓 度 值 。 按 同 一水 灰 比梁 中不 同部 位 测 得 氯 深度 ram ( a ) 粱上表面 离子 浓度 值 ， 见 图 3和 图 4 。 图 1 多 功 能 气 候 试 验 室 2 0 0 2 5 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 1 5 0 O 3 婆 O 2 差。 键 譬n O 1 0 O 图 2试 验 梁 混 凝 土 芯 样 位 置 与 编 号 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 28 3 0 深度 m m ( b ) 梁下表而 图 3 0 4 5水 灰 比 梁 中 氯离 子 浓 度 随 深度 变化 趋 势 深度 mm ( a ) 梁上表 面 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 28 3 0 深度 m m ( b ) 梁下表面 图 4 0 6 1水 灰 比梁 中 氯离 子 浓 度 随深 度 变化 趋 势 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 0 0 O 0 0 O O O 0 键骧雹皿 第 1 2期 王建东等 ： 人工气候环境下混凝 土梁 中氯离子浓度分布规律 的研究 5 9 从 图 3 、 图 4可 以看 出 氯 离 子浓 度 分 布 曲线 中 都有峰值 ， 峰值一般 在4 6 m m出现。之 后氯离子 浓 度 随着混 凝土 的深 度增 加 而逐 步减 少 。 因此 可 以 分 析得 到 ， 氯离 子在 该 环 境 下 的混 凝 土 中侵 蚀 不仅 仅是扩散作用 ， 还存在毛细渗透作用 。混凝土近表 面到6 mm区域 是 对 流 区 ， 在 这 一 区域 中 ， 由于 “ 潮 水 ” 作用 ， 使 氯离 子 浓 度在 混 凝 土 表 面最 低 ， 并 随着 混 凝 土深 度 增 加 而增 加 ， 在 距 表 面4 6 m m左 右 达 到峰 值 ， 此 后 进 入 扩 散 区域 ， 即氯 离 子 在 此 区 域 中 主要 以 扩 散 作 用 为 主 ， 因 此 浓 度 值 逐 步 呈 下 降 趋 势 。 图 3 、 图 4还可 以看 到 ， 由于 梁是 在 受 载 状 态进 行 腐蚀 的 ， 梁 的上 部 受 压 区与 下 部 的受 拉 区 的 氯离 嶷 褪 膈 扭 皿 深度 mm ( a 】 A芯样处 子浓 度 分布 也有 规律 可循 ， 即在受 压 区上部 ， 根 据构 件受 载状 态 ， 在靠 近 支座 处 内力较 小 ， 而在跨 中内力 最大 ， 致使结构 比较 密实， 氯离子进入 比较 困难 ， 因 此 图 中可 以看 到 A处 的浓 度值 最 大 ， E、 F点 的 浓度 值 偏小 。在 梁 的下 部 ， 由于是 受拉 区 ， 在跨 中内力最 大 ， 氯离子进入 比较容易 ， 因此 K、 L处 的浓度值会 比其 他 处 的明显 增 大 。 2 2 不 同水灰 比 、 相 同腐蚀 时 间的试 验 梁 中氯 离子 浓 度 分 布 腐 蚀 4 0 d 的两 种 水 灰 比 的混 凝 土 梁 ， 在 相 同 的 芯样部位 ， 测得随深度变化的自由氯离子含量值 ， 计 算得 离子 浓 度值 。按 不 同水灰 比同一 部位 的梁 的氯 离 子浓度 分 布见 图 5 。 越 器 褪 髫 皿 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 O 2 2 2 4 2 6 2 8 3 O 深度 m m f b ) F 芯样处 图 5 不 同 芯 样 部 位 不 同水 灰 比梁 的 氯 离 子 浓 度 分 布 从 图 5中可以清楚地看到 ， 在相 同的腐蚀条件 下 ， 在 各芯 样 中 ， 0 6 1 水 灰 比梁 中 的氯 离 子浓 度 值 明显 要 高 于 0 4 5水 灰 比梁 中 的浓 度 值 。分 析 原 因 是 水灰 比大 的梁 的 内部 比较 疏 松 ， 氯 离 子 侵 入 比较 容 易 ， 导致 浓度 值较 大 。 3 结 论 在 试 验室 利 用 人 工 气 候 环 境 法 来 模 拟 自然 环 境 下 的腐 蚀 试 验 是 能 模 拟 氯 离 子 在 混 凝 土 中 的 侵 蚀 过程 。通 过 两 个 系 列 梁 的 试 验 ， 说 明 了 钢 筋 混 凝 土试 验 梁 中 的 自 由氯 离 子 浓 度 分 布 是 有 规 律 的 ， 一 般 可分 为 对 流 区 和扩 散 区 两 部 分 ， 对 流 区影 响深 度 是 距 混 凝 土 表 面 4 6 mm。并 且 水 灰 比较 大 的钢 筋 混 凝 土 梁 内 的 氯 离 子 浓 度 较 大 ， 同 一 梁 中， 上部跨 中的浓度值相对 比较小 ， 而下部跨 中的 浓度 值 相 对 比较 大 。 参 考 文 献 刘超 ， 朱暾 混凝 土中钢筋锈蚀 与结 构耐久性 J 建 筑技 术 开 发 ， 2 0 0 4 ， 3 1 ( 6 )： 4 74 9 刘超 英， 孙伯永 水 工混凝 土中钢 筋锈蚀检测 技术及应用 J 浙 江水利科技 ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 3 83 9 沈志名 钱塘江 堤防混 凝土 结构耐 久性 分析 D 杭 州 ： 浙 江 大学建工学 院， 2 0 0 6 吴庆 ， 袁迎曙 ， 李 沽勇 人 工气候 环境下 锈蚀 混凝土 梁的结 构性能退化研究 J 中 国矿业 大学学报 ， 2 0 0 7， 3 6( 4) ： 4 4 1 4 4 5 平树江 ， 吴晓锁 ， 王军强 ， 等 人工气候环境下“ 双掺” 高性能混 凝土 内钢筋加速腐蚀试 验研究 J 混凝 土 ， 2 0 0 5 ， 1 8 5( 3 ) ： 5 3 5 5 姬永生 ， 袁迎曙 干湿循环作用下氯离子 在混凝土 中的侵 蚀过 程分析 J 工业建筑 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 2 ) ： 1 61 9 王建泽 既有 混凝 土的 氯离子 侵蚀 及模 拟试 验研 究 D 杭 州 ： 浙江工业 大学建 工学院 ， 2 0 0 8 i _卜_