盐溶液浓度差对混凝土单面抗冻性的影响.pdf

第 l 7卷第 1 期 2 0 1 4年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATE RI ALS Vo 1 ．1 7． NO ．1 Fe b．， 2 01 4 文章编 号 ： 1 0 0 7 — 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 1 3 8 — 0 5 盐溶液浓度差对混凝 土单面抗 冻性 的影 响 王发 洲 ， 张梓鑫 ， 李 明 ， 黄大凡 ， 朱 瑶宏 ( 1 ． 武汉 理工大 学 硅酸 盐建筑 材料 国家 重点 实验 室 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 ． 宁波市轨道交通工程建设指挥部 ， 浙江 宁波 3 1 5 0 0 O ) 摘要 ：通过 改变混 凝土 内、 外部 盐 溶液 浓度 ， 研 究 了盐溶 液 浓度 差 对 混凝 土 单 面 盐冻 剥 落 的影 响． 结果表明： 在预吸水过程 中， 氯 离子扩散规律符合 F i c k第二定律 ， 在 中、 低盐溶液浓度或存在 内外 浓度 差的 情况 下 ， 冻 融过程 对混 凝土表 面附近 氯 离子 浓 度 分布 影响 显 著 ； 混凝 土 内、 外部 盐溶 液 浓 度 差对混 凝土 盐冻 剥落影 响显 著 ； 当混凝 土 内部 的 盐溶 液 浓度低 于 外部 时 ， 盐 冻剥 落 量 最 大 ， 且远 大 于 3 ( 质 量分数 ) 盐 溶液 中冻 融的混凝 土． 关键 词 ：浓度 差 ；混凝 土 ；单 面盐冻 ；盐溶液 中 图分 类 号 ： T U5 2 8 ． 0 1 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 — 9 6 2 9 ． 2 O 1 4 ． 0 1 ． 0 2 5 I nf l u e nc e o f Chl o r i d e S o l u t i o n CO n c e n t r a t i 0 n Di f f e r e n c e o n S a l t Fr o s t S c a l i ng o f Co nc r e t e WANG F a z h o u ， Z HANG Z i x i n ， L I Mi n g ， HU ANG Da f a n ， Z HU Y a o h o n g ( 1 ． St a t e Ke y La bo r a t o r y o f Si l i c a t e M a t e r i a l s f o r Ar c hi t e c t ur e s，W uha n Uni v e r s i t y o f Te c h nol o gy，W uh a n 4 30 07 0，Ch i n a；2．Ni ng bo Ra i l Tr a n s i t He a dq ua r t e r s of Co ns t r uc t i o n，Ni ng bo 31 5 00 0，Ch i n a) Ab s t r a c t ：I n f l u e nc e o f c hl o r i d e s o l ut i o n c o nc e nt r a t i o n d i f f e r e n c e o n s c a l i ng o f c on c r e t e by t h e de i c e r s a l t wa s s t u di e d by c ha n gi n g t he i nt e r na l a n d e x t e r n a l c hl o r i de s o l ut i on c o nc e n t r a t i o n o f c on c r e t e ． The t e s t r e — s u l t s i nd i c a t e t ha t t he c hl o r i d e i o n d i f f u s i o n pr o c e s s ma t c he s t he Fi c k’ S s e c o nd l a w du r i ng t he p r e — s a t u r a t e d pe r i od o f s a mpl e s i n c h l or i d e s o l ut i on ．The c hl or i d e i on c o nc e nt r a t i on di s t r i b ut i on o n t h e c on c r e t e s u r f a c e i s o b v i o u s l y a f f e c t e d b y t h e f r e e z i n g a n d t h a wi n g p r o c e s s wh e n c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n i s l o w ( 3 ， b y ma s s ) o r i n t e r n a l a n d e x t e r n a l c o n c e n t r a t i o n d i f f e r e n c e e x i s t s ． Th e i n t e r n a l a n d e x t e r n a 1 c o n c e n t r a t i o n di f f e r e nc e s i g ni f i c a nt l y a f f e c t s t he s a l t f r o s t s c a l i ng o f c on c r e t e ． W he n t he i nt e r na l c o nc e nt r a t i o n i s l o we r t ha n t h e e x t e r n a l c on c e nt r a t i o n，t he c o n c r e t e s c a l i n g r e a c he s a ma x i m u m va l u e，wh i c h i s m u c h gr e a t e r t ha n t ha t o f s p e c i me ns t e s t e d wi t h t he c h l o r i d e s o l u t i o n c on c e nt r a t i o n o f 3 ，wh i c h i s g e ne r a l l y r e g a r de d a s t he hi g he s t c o nc e n t r a t i o n f or c o nc r e t e d e t e r i o r a t i o n． Ke y wo r ds ：c o nc e nt r a t i o n di f f e r e nc e；c o nc r e t e；s a l t f r os t s c a l i ng；c hl o r i d e s o l ut i on 路用混凝土面临着除冰盐和冻融的综合劣化作 用 ， 其破 坏形 式 为表面 逐层剥 落 ． 研究 口 表 明 ， 混凝 土 盐冻 破坏存 在 一 个 最 大 的破 坏 浓 度 ， 一 般认 为在 3 9 ／ 5 ( 质量分数) 左右． 有些学者_ 4 认 为， 这是 由于氯 化钠既降低了盐溶液 的结冰点， 同时又提高 了盐溶 液 的饱水 度 所 致 ． 杨 全 兵 l 5 ] 通 过 试 验 证 明 了这 一 点． 在过去 ， 对混凝土路面冻融破坏的研究多采用在 3 氯化钠溶液 中吸水 、 冻融的方法 ， 这与混凝土路 面的实际使用状况存在一定差异． 对 于单面盐冻破 坏 机理 ， 国 内 外 学 者 仍 难 以达 成 共 识_ 7 ] ． Ma r c h a n d 等l_ 3 研究 了不 同溶液浓度对混凝 土盐冻剥落 的影 响， 发现混凝土外部溶液浓度对其 盐冻剥落影响更 大． L i t v a n _ l8 研 究发 现 ， 混 凝 土 外部 的盐 溶 液可 导 致 其 内部 水分 向表 面迁 移 ， 这 些水 结冰 时起 冰塞 作 用 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 2 — 0 8 — 3 0 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 — 1 1 - 0 6 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 7 2 1 7 3 ) ； 宁波市科技攻关项 目( 2 0 1 0 C 5 0 0 1 8 ) 第 一作者 ： 王发洲( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 湖北 襄阳人 ， 武汉理工大学教授 ， 博士生导师， 博士． E — ma i l ： f z h wa n g @wh u t ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 王发洲 ， 等 ： 盐溶液浓度差对混凝 土单 面抗 冻性的影响 1 4 1 响[ 1 。 。 ． 因此 ， 在混凝土冻融前的预吸水过程 中， 可将 氯离子在混凝土 中的扩散 行为分为两部分 ， 首先氯 离子受到毛细吸水作用 与水分一起进入混凝 土， 随 后 氯 离 子 在 混 凝 土 中 向 更 深 层 自 由扩 散． 试 件 在 3 ， 6 9 ／ 6 Na C 1 溶液中预吸水 7 d后的氯离子分布如 图 8所示． 通过对图 8中的曲线进行拟合发现 ， 混凝 土 中氯离子的扩散规律符合 F i c k第二定律 ， 扩散系 数 D为 2 ． 2 4 1 0 m。 ／ s ， 相关系数 R为 0 ． 9 8 ． 2 ． 4 冻 融对 氯离 子分 布 的影响 经过 8 ， 1 6次冻融后， 混凝土 中的水溶性氯离子 分 布 如 图 9所 示 ． 由 图 9 ( a ) ， ( b ) 可 见 ， 在 3 Na C 1 溶 液 中预 吸水 的试件 ， 冻 融 1 6次 后表 面氯 离子 含量 提高了 1 ． 1 5 倍 ； 在 6 Na C 1 溶液 中预吸水的试件 ， 冻融 1 6次后表面氯离子含量 只提高了 0 ． 1 5倍 ， 且 其浓度趋于线性分布． 由此可见 ， 在 3 Na C 1 溶液 中冻融的混凝土 ， 0-3 O ． 1 0 5 1 0 l 5 2 0 2 5 3 0 De p t l g mm ( a ) A b s o r p t i o n i n 3 ％Na C I s o lu t i o n a n d f r e e z e - t h a w 0 _ 3 0 ． 2 O ． 1 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 De p t h ／ mm ( c ) A b s o rpt i o n i n 0 ％ Na C1 s o l u t i o n b e f o r e f r e e z e ． t ha w i n 6 ％ Na C1 s o l u t i o n 0_ 3 0．2 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O De p t h ／ ram 图 8 混凝土 预吸水 7 d后 的氯离子分布 F i g ． 8 Ch l o r i d e i o n d i s t r i b u t i o n i n c o n c r e t e a f t e r 7 d pr e - a bs o r pt i o n pe r i od 其表面 附近 的氯 离子 浓 度差 不 断提 高 ， 而 在 6 Na C 1 溶液中冻融的混凝土 ， 其表面附近的氯离子浓 度差不断减小． De p t h ／ ra m r b ) Ab s o rpt i o n i n 6 ％ Na C 1 s o l u t i o n a n d fr e e z e - t h a w De p t h ／ n u n ( d ) Ab s o rpt i o n i n 6 ％ Na CI s o l u t i o n b e f o r e 疗e e z e ． t b a w j n 0 ％Na Cl s o l u t i o n 图 9 冻融循环对氯离子分布 的影 响 F i g ． 9 Ef f e c t o f f r e e z i n g a n d t h a wi n g p r o c e s s o n c h l o r i n e i o n d i s t r i b u t i o n i n c o n c r e t e 由图 9 ( c ) 可见 ， 在外部 Na C 1 溶液浓度大于 内 部 的情况 下 ， 混 凝 土 表 面 附 近 区域 Na C 1 溶 液 浓 度 差随冻融次数的增加呈现迅速上升趋势． 在混凝土 内部 Na C 1 溶液浓度大于外部时( 见图 9 ( d ) ) ， N a C 1 溶液浓度差随着冻融次数的增加呈现下降趋势． 余红发I n ] 对 比盐冻和常温盐溶液浸泡下 的氯 离子扩散 系数发现 ， 低温能够抑制氯 离子的扩散 ， Ho n g等 认为 ， 在一1 8℃下氯离子在混凝 土中的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 2 建筑材料学报 第 1 7卷 扩散 行为停 止． 结 合本 文 的试 验 数据 ， 可推测 冻 融对 混凝 土 中氯离 子分布 的影 响主 要取决 于 冰融化 过 程 中水 的运 动． 当混凝 土 内部 的 Na C 1 溶 液 浓 度 低 于 外 部 时 ， 由于混凝土预吸水 7 d后的吸水率最大 ， 其 内部可 冻水含量最 高( 见 图 5 ) ， 冻融过程使表面附近氯 离 子浓 度差 升高 ( 见 图 9 ( a ) ， ( c ) ) ， 导 致 混凝 土 内部 水 分向外迁移形成渗透压， 从而加剧了盐冻破坏． 因此 ， 混凝土路面结冰后喷洒除冰盐 ， 会使其表 面 的盐溶 液浓度 高于 内部 ， 这种 内、 外 部盐溶 液 浓 度 差将 加剧其 表 面盐冻 剥落破 坏 ． 3 结 论 ( 1 ) 在 预 吸水 过程 中， 氯 离 子扩 散 规 律 符合 F i c k第二定律． 在中、 低盐溶液浓度 ( 6 ％， 3 ) 和存 在 内外盐溶液浓度差的情况下 ， 冻融过程对混凝土 表 面 附近氯 离子 浓度分 布影 响显 著． ( 2 ) 混凝土内、 外部盐溶液浓度差对其盐冻剥落 影响显著． 当混凝土内部的盐溶液浓度低于外部时， 盐冻剥落量最大， 远大于 3 ％盐溶液中冻融的混凝土． ( 3 ) 混凝土路面结冰后泼洒除冰盐 ， 会使其表 面 的盐溶液浓度远高于 内部， 这种浓度差将导致更大 的盐冻 剥落 ． 参 考 文献 ： [1] [2] [3] [4 ] [5 ] [ 6] [ 7] [8] [ 9] [ 1 0 ] [ 1 1 ] PI GE0N M ， PI EAU R． Du r a b i l i t y o f c o n c r e t e i n c o l d c l i ma t e s [ M] ． L o n d o n ： E& F N S p o n ， 1 9 9 5 ： 2 3 — 3 0 ． VERBECK G J， KLI EGER P． S t u d i e s o f“ s a l t ”s c a l i n g o f c o n — c r e t e [ J ] ． Hi g h wa y Re s e a r c h B o a r d B u l l e t i n ， 1 9 5 7 ， 1 5 0 ： 1 — 1 3 ． [ 1 2 ] MARCHAND J ， PI GEON M ， BAGER D， e t a 1 ．I n f l u e nc e o f c h l o r i d e s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n o f s a l t s c a l i n g d e t e r io r a t i o n o f c o n c r e t e [ J ] ． AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 4 ) ： 4 2 9 — 4 3 5 ． MEHTA P K，M0NTEl RO P J ．Co nc r e t e： Mi c r o s t r u c t u r e， p r o p e r t i e s a n d ma t e r i a l s [ M] ． Ne w Y o r k ： Mc Gr a w - Hi l l C o rn— p a n i c s ， 2 0 0 6： 1 3 5 — 1 4 8 ． 杨全兵． 氯化钠 对混凝土 内部饱水度的影响[ J ] ． 硅酸盐学报 ， 2 0 0 5， 3 3 ( 1 1 )： 1 4 2 2 - 1 4 2 5 ． YANG Qu a n b i n g ． Ef f e c t o f Na C1 o n t h e d e g r e e o f s a t u r a t i o n i n c o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a mic S o c i e t y ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 1 1 )： 1 4 2 2 — 1 4 2 5 ．( i n Ch i n e s e ) 杨全兵． Na C 1 溶液结 冰压 的影 响 因素研 究[ J ] ． 建 筑材 料学 报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 5 ) ： 4 9 5 — 4 9 8 ． YANG Qu a n b i n g ． Fa c t o r s i n f l u e n c i n g t h e p r e s s u r e o f i c e f o r — ma ri o n i n Na C I s o l u t io n [ J ] ． J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 5， 8 ( 5 )： 4 9 5 - 4 9 8 ． ( i n Ch i n e s e ) VAI ENZA J J ，S CHERER G W．A r e v i e w o f s a l t s c a l i n g (I) ： P h e n o me n o l o g y[ J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 7， 3 7 ( 7 )： 1 0 0 7 - 1 O 2 1 ． I ATVAN G G． F r o s t a c t i o n i n c e m e n t i n t he p r e s e n c e o f d e i c — e r s[ c ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f 6 t h I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s o n t h e C h e mi s t r y o f Ce me n t ． Mo s c o w：s ． n ． ] ， 1 9 7 4 ： 1 4 5 1 5 2 ． VAI ENZA J J ， S CHERER G W．Me c h a n i s m f o r s a l t s c a l i n g [ J ] ． J o u r n a l o f t h e Ame r i c a n C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 6 ， 8 9 ( 4 ) ： 1 1 6 1 - 1 1 7 9 ． 范宏 ， 赵铁 军， 徐红波． 码头混 凝土 中的氯离子侵 入研究 [ J ] ． 水运工程，2 0 0 6 ( 4 ) ： 4 9 — 5 3 ． FAN Ho n g， ZHAO Ti e j u n。 XU Ho n g b o ．Ch l o r i d e i n g r e s s i n c o n c r e t e o f p o r t s t r u c t u r e s E J ] ． Wa t e r wa y E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ( 4 )： 4 9 - 5 3 ． ( i n Ch i n e s e ) 余红发． 盐湖地 区高性能混凝土耐久性 、 机理 与使用寿命预测 方法 [ D] ． 南京 ： 东南大学 ， 2 0 0 4 ． YU Ho n g f a ． St u d y o n h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e i n s a l t l a k e ： D u r a b i l it y ， me c h a n i s m a n d s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n [ D] ． Na n — j i n g ： S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ， 2 0 0 4 ． ( i n C h i n e s e ) H ONG K ， HOOTON R D． Ef f e c t s o f c y c l i c c h l o r i d e e x p o s u r e o n p e n e t r a t i o n o f c o n c r e t e c o v e r [ J ] ． Ce me n t a n d C o n c r e t e Re — s e a r c h， 1 9 9 9， 2 9 ( 9) ： 1 3 7 9 1 3 8 6 ． ( 上接第 1 3 7页) [ 2 2 ] v a n d e r HE I J DE N G H A， HUI NI NK H P， P E L I ， e t a 1 ． On e — d i me n s i o n a l s c a n ni n g o f mo i s t u r e i n h e a t e d p o r o us b u i l d i n g ma t e r i a l s wi t h NMR[ J ] ． J o u r n a l o f Ma g n e t i c Re s o n a n c e ， [ 2 6 ] 2 O l l， 2 08 ( 2 )： 23 5 - 2 4 2 ． [ 2 3 ] [ 2 4 ] [ 2 5 ] GAI I E C．Ef f e c t o f d r y i n g o n c e m e n t — b a s e d ma t e r i a l s p o r e s t r u c t u r e a s i d e nt i f i e d by m e r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i m e t r y： A c o mp a r a t i v e s t u d y b e t we e n ov e n 一 ， v a c u um一 ， a n d f r e e z e — d r — y i n g [ J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ，2 0 0 1 ，3 1( 1 0) ： 1 4 6 7 — 1 4 7 7． KORPA A ， TRETTI N R．Th e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t d r y i ng me t h o d s o n c e me n t p a s t e mi e r os t r u c t u r e s a s r e f l e c t e d b y g a s a d s o r p t i o n： Co mp a r i s o n b e t we e n f r e e z e — dr y i n g( F - d r y i n g) ，D- d r y i n g ，P — d r y i n g a n d o v e n — d r y i n g me t h o d s 口] ． C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 6， 3 6 ( 4)： 6 3 4 - 6 4 9 ． POYET S． Ex p e r im e n t a l i nv e s t i g a t i o n o f t h e e f f e c t o f t e m p e r 一 [ 2 7 ] [ 2 8 ] [ 2 9 ] a t u r e o n t h e f i r s t d e s o r p t i o n i s o t h e r m o f c o n c r e t e [ J ] ． C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 09， 3 9( 1 1 ) ： 1 0 5 2 — 1 0 5 9 ． BRUNAU ER S， DEM I NG I S， DEM I NG W E， e t a I ．On a t h e o r y o f t h e v a n d e r wa a l s a d s o r p t i o n o f g a s e s [ J ] ． J o u r n a l o f t h e Ame r i c a n Ch e mi c a l S o c i e t y ， 1 9 4 0， 6 2( 7 )： 1 7 2 3 一 l 7 3 2 ． B RUNAU ER S， EM M ETT P H ， TE1 L ER E． Ad s o r p t i o n of g a s e s i n mu l t i mo l e c u l a r l a y e r s [ J ] ． J o u r n a l o f t h e Ame r i c a n Ch e m i c a 1 So c i e t y， 1 9 3 8， 6 0 ( 2)： 3 0 9 — 3 1 9 ． BRUE F， DAVY C A ， S KOCZYI AS F， e t a 1 ．Ef f e c t o f t e m— p e r a t u r e o n t h e wa t e r r e t e n t i o n p r o pe r t i e s o f t wo h i g h p e r — f o r ma n c e c o n c r e t e s [ J ] ． C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 2 )： 3 8 4 — 3 9 6 ． PELEG M ．As s e s s me n t o f a s e mi — e mp i r i c a l f ou r p a r a me t e r g e n e r a l mo d e l f o r s i g mo i d mo i s t u r e s o r p t i o n is o t h e r ms [ J ] ． J o u r n a l o f Fo o d Pr o c e s s En g i n e e r i n g， 1 9 9 3， 1 6 ( 1 )： 2 1 - 3 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m