水工混凝土氯离子扩散系数初期衰减规律研究.pdf

第 4 4卷 第 1 1期 2 0 1 3 年 6 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo I 44 No 1 1 J u n e ， 2 0 1 3 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 3 ) 1 1 0 0 9 0 0 3 水工混凝土氯离子扩散系数初期衰减规律研究 伍 亚 玲 ， 张 俊 芝， 傅 招 旗 ， 庄 华 夏， 许 亮 ( 浙江 工业大学 建 筑工程学院 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘 要 ： 在钱塘 江 自然感 潮氯 盐环境条件 下 ， 通过现 场侵 蚀试验 ， 测得 受侵蚀 1 2 0 ， 2 4 0 ， 3 6 0， 4 8 0 d和 6 0 0 d后 水 工混凝土梁 中的 自由氯 离子浓度 。分析 结果表 明， 随着侵蚀 时 间的推 移 ， 混凝 土 中 自由氯 离子浓度 也相应 增 加 ； 基 于 F i c k第二定律 拟合计算 了氯 离子扩散 系数 ， 计算结果显示 ， 氯离子扩散 系数随侵蚀 时间推移 而减小 ， 且初期衰减较快其后趋 于平稳 ， 其衰减规律可 用指数 函数来表征 。 关键词 ： 混凝 土；氯 离子 ； 扩散 系数 ；衰减 ；F i c k第二定律 ；感潮河段 中图法分类号 ： T V 4 3 1 文 献标 志码 ： A 在早期的水工混凝土氯离子扩散研究 中均假设氯 离子扩散系数是恒定的， 实际上 ， 氯离子扩散系数并非 恒定 ， 而是 随 时 间变 化 的 。通 过 对 实 际检 测 结 果 分 析 发现 ， 龄期较 长 昆凝土 中氯离子扩散 系数较小 ， 尤 其在开始 的 1 3 a内， 扩散系数降低尤 为明显 。表 明混凝土中氯离子扩散系数不仅与混凝土内部因素有 关 ， 同时也受到外部因素和龄期 的影响 。掌握这种 混凝土扩散性能与时间的关系， 需要长期 的监测或试 验研 究 。 由于环境 因素 的影 响 ， 现 场 环 境 条 件 下混 凝 土 的 氯离子扩散性能可能与室内人工试验环境条件下的相 差较大 ， 但 同时现场试验需要耗 费较 长时间。为 此 ， 目前对混凝土氯盐环境下的扩散性能研究 ， 已从单 一 的现场或室内试验上升到室 内模拟腐蚀 与现场侵蚀 的相似性研究 ， 通过分析室内试验与现场环境的相 似性 ， 以利用较短时间的室 内侵蚀试验来推论现场环 境下 的侵蚀 结 果 。 相对于典型的海洋环境， 感潮河段水工混凝土环 境中水体的氯离子浓度、 结构所经历的干湿 间隔时间 及环境温度等因素均有所不同 ， 这些 因素也必然影 响混凝土扩散性能。本文以自然感潮河段氯盐环境下 的现场暴露试验为基础 ， 基 于 F i c k第 二定律 ， 分析现 场暴露混凝土中氯离子扩散系数 ， 研究 了该环境条件 下混凝土氯离子扩散系数初期衰减规律 ， 得到 的结论 可为处于该环境条件的水工混凝土结构耐久性及寿命 评估提供参考。 1 感潮环境下的侵蚀试验 1 1 试验 原材料 试验混凝土采用钱潮牌 P 3 2 5复合硅酸盐水泥 ， 人工骨料最大粒径 为 4 0 m m。砂子采 用细度模数 为 2 5的河砂。拌和用水及养护用水为杭州当地的 自来 水 。现场试验采用的水工混凝土配合比见表 1 。 表 1 现场试验水工混凝土配合 比 1 2试 验方法 现场试验构件为混凝土梁 ， 为避免混凝 土随机性 的影响， 每种水灰比各浇筑 5根混凝 土梁 。其试 验混 凝 土梁 的尺 寸 为 1 2 0 0 IT l m x 2 0 0 m m 1 2 0 mm。试 验 梁 底 部 配 2 01 0 的钢 筋 ， 架 立 筋 为 2 01 0 ， 箍 筋 为 06 1 2 5 ， 混凝土保护层为 2 5 m m。混凝土梁成形 2 8 收稿 E t 期 ： 2 0 1 21 2 0 7 基金项 目： 国家 自然科 学基金项 目( 5 0 8 7 9 0 7 9， 5 1 2 7 9 1 8 1 ) ； 水利部公益性行 业科研专项 经费项 目( 2 0 0 9 0 1 0 6 5 ) 作者简介 ： 伍亚玲 ， 女 ， 硕士研 究生， 主要从 事混凝土结构研 究。Em a i l ： w u y a l i n g 1 9 8 8 1 6 3 e o m 第 1 1期 伍亚玲 ， 等 ： 水工混凝土氯 离子扩散 系数初期衰减 规律研 究 9 l d后 ， 放置于现场 ， 在梁 的 4个 侧面均 匀涂上 环氧树 脂 ， 只保留梁的上下两面( 1 2 0 0 m m1 2 0 mm) 暴露于 感潮河段的 自然环境中。 暴露试验现场位于钱塘 江下游河 口强感潮河段 ， 试验混凝土梁绑扎于丁坝上 ， 受 自然潮汐作用 ， 每天干 湿循环两次。河 口地 区春、 夏 、 秋 、 冬季平均温度分别 为 1 7 ， 2 7 c lC， 1 7和 6 o C， 相对湿度分别为 7 8 ， 8 0 ， 8 0 和 7 5 。上述混 凝 土梁分别 经过 1 2 0 ， 2 4 0 ， 3 6 0 ， 4 8 0 d和 6 0 0 d的现场侵蚀后 ， 分别取得试验 梁的混凝土样本 ， 每次每根梁取一个芯样。 混凝土中自由氯离子浓度的测试方法与文献 6 相 同 。 1 3 试验 结果 按上述方法 ， 可测得 5个侵蚀时间段后的混凝 土 中自由氯离子浓度。以水灰 比为 0 5 5的混凝土中 自 由氯离子浓度为例 ， 其不 同侵蚀时 间的自由氯离子浓 度 随深 度 的分布 如 图 1 所 示 。 图 1 试验混凝土梁 中的 自由氯离子浓度 随深度变化 图 1结果表明， 在感潮 自然氯盐环境下 ， 混凝土 自 由氯离子浓度随着侵蚀时间增加而增大 ， 而且存在对 流 区。 2 扩散系数初期衰减规律 2 1 扩散 系数 的拟合 方法 用基于 F i c k第二定律 的解析解 拟合混凝 土氯离 子扩散系数 ， 排除对流区的影响 ， 利用稳定扩散区的氯 离子浓度数据 ， 用最小二乘法拟合出 F i e k第二扩散定 律 方 程为 c =C o+( c c 。 ) 一e ( ) 式中， C 为混凝土初始氯离子浓度 ， ； C 为混凝土表 面处氯离 子浓度 ， ； D为 混凝土 的扩散 系数 ， m s ； C 为时刻 t ( s )距离混凝土表面 ( m) 处 的氯离子浓 度 ， ； e r f ( )为误差函数。 取 t 为试件 的腐蚀时间 ， 将 每个混凝土芯样各 深 度处的坐标值 ( ， C )代入方程 ( 1 ) 由于近混凝 土 表面的氯离子浓度并不符合扩散规律 ， 则从表面开始 依次排除数据 ， 用其余数据拟合方程 ( 1 ) ， 以相关系数 R 尽可能接近 1 作为拟合优度检验 。 将 排除数据 区域 定义为 对 流 区 ， 保 留 的数 据 区域 定 义 为稳 定 扩 散 区 。 排 除对 流 区的数 据 后 ， 以对 流 区和 扩散 区界 面 氯 离子浓度作为扩散表面的氯离子浓度 ， 由于试验材料 中不含氯离子成分 ， 故混凝土初始氯离子浓度 c 。 为0， 则拟合方程( 1 ) 变为 一l ， C =C 。 1一e ) ( 2 ) 2 Dt 式中， c 为对流区与扩散区界面处氯离子浓度 ， ； 。 为对流区厚度 ， m。 以相关系数 尽可能接近 1作为拟合优度检验 ， 利用式( 2 ) 拟合氯离子扩散系数。 2 2 自然感潮环境 下的扩散系数 按照上述拟合方法， 对不同时间点测得 的氯离子 浓度进行混凝土扩散系数拟合。计算的各时段及不同 水灰 比混凝土的扩散系数平均值见表 2 。 表 2氯离子扩散 系数 扩散 系数 (1 0I 1 m s ) 时间 d 水灰比 0 5 0 水灰 比0 5 5 水灰 比0 6 0 从表 2可知 ， 在相 同条件下 ， 在侵蚀初期 ， 氯离子 扩散系数随混凝土水灰 比的增大而增 大， 随着侵蚀时 间增长呈较快衰减的趋势。 2 3扩散系数初 期衰减规律 Ma n g a t 等将氯离子扩散 系数随时 间增长 而降低 的现象用幂函数来表征 ， 得到寿命为 t 时混凝土的 氯 离子 扩散 系数模 型 为 D( t )=D 。 ( t o t ) ( 3 ) 式中 ， m为经验系数 ， 与水灰 比有关 ； t 。为混凝土养 护龄期 ， d ； D 。 为参考期( 一般为 2 8 d ) 扩散系数 ， m s 。 根据表 2的计算结果 ， 选取侵蚀 1 2 0 d的氯离子 扩散系数为 D 。， 侵蚀 2 4 0 ， 3 6 0 ， 4 8 0 d和 6 0 0 d混凝土 氯离子扩散系数为 D( t ) 。 根据公式( 3 ) ， 计算得到的 m 值 见表 3 。 由此， 各水灰 比下试验混凝土的氯离子扩散系数 92 人 民 长 江 模型可归纳为( 4 )一( 6 ) 式 。 表 3 考虑 时间因素的氯离子扩散 系数模型 的经验 系数 m 水灰 比 均值 水灰 比 均值 水灰 比 均值 0 5 O 1 O 8 0 5 5 0 9 O 0 6 0 0 8 1 水 灰 比为 0 5 0： D( t )： 3 4 8 X 1 0 。 ( t t t ) 鹏 ( 4 ) 水灰比为 0 5 5 ： D( t )= 3 5 71 0 一 ( t l t ) 如 ( 5 ) 水灰 比为 0 6 0 ： D( t ) =3 8 71 0 ( t t t ) 叭 ( 6 ) 上述各式中， t 。 为养护 2 8 d后 1 2 0 d 侵蚀的时间。 D。 为对应 t ， 的混凝土氯离子扩散系数 ( 可作为初始扩 散系数 ) 。 对表 3中的经验系数 ， 及 室内标准养护条件下用 N E L法得到的扩散 系数 与时间关系 中的经验系数 分别进行拟合 ， 可得到两种环境下经验 系数 m与水灰 比之 间 的关 系 ， 见 图 2 。 图 2感 潮 自然 环 境 与 室 内试 验 的经 验 系 数 m 由图 2可知 ， 相 同水灰 比条件 下， 感潮 自然 环境 比室内标准养护环境下测试和计算所得的 m值要大， 如水灰比为0 5 0 时 ， m， 比m 大。 其原因主要是室内标 准养护环境下是以电导率得出的扩散系数计算 m值 ， 而感潮 自然环境下则是 以氯离子浓度 拟合 F i c k第二 定律来计算 ， 二者的原理不 同造成 了结果的差 异。但 是感潮 自然环境 与室 内标准养护环境 下的 m值与水 灰 比的相关性均较好 ， 与 Ma n g a t 的结论类 似 ， 且相 关系数均达到了0 9 6 。 结合公式 ( 4 )( 6 ) ， 可预测得到不同侵蚀时间下 水灰比分别为 0 5 0 ， 0 5 5和 0 6 0的混凝土氯 离子扩 散系数。在上述感潮 自然环境下 ， 暴露 1 ， 1 0 a及 2 0 a 后的混凝土氯离子扩散系数见表 4及图 3 。 由图 3可知， 感潮 自然环境下水工混凝土氯离子 扩散系数随时间增加而降低 ， 且在早期降低尤为明显。 对 比分析感潮 自然环境下水工混凝土侵蚀 1 0 a和 2 0 a的氯离子扩散系数可知， 侵蚀 1 0 a 后 的混凝土扩散 系数随时间增加继续降低 ， 但降低并不明显 ， 扩散系数 趋 于稳定 。需 要说 明的 是 ， 上 述 结 论是 在本 文 所 描 述 的配合 比和 自然环境条件下得到的。 表 4 不同水灰 比混凝土在不 同时间点 的氯离子扩散 系数 It t 3不同水灰 比的混凝土扩散 系数 随时间的变化趋势 3 结 论 ( 1 )处于感潮河段的水工混凝土氯离子扩散系数 随时间增长而降低 ， 且初期 降低 尤为明显， 至 1 0 a时 已基本稳定 ， 接近于该环境下既有混凝土的扩散系数。 ( 2 )感潮 自然环境下 ， 水工混凝土氯离子初期扩 散系数随时间的变化衰减规律可用指数 函数表征 ， 水 灰 比对混凝土初期扩散系数、 经验系数有较大影响。 ( 3 )相 同水灰 比条件下 ， 感潮 自然环境 比室内养 护环境所计算 的 m值要大。两种试验环境下 的氯离 子扩散系数模型 中的经验系数 m值 与水 灰 比的相关 性 均较 好 。 参考 文献 ： 1 余红发，孙伟 ， 麻 海燕， 等 盐湖地 区钢筋混凝土结构使用寿命 的 预测模型及其应用 J 东南大 学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 4) ： 1 5 t 2 1 Ma n g a t P S， Mo l l o y B T P r e d i c t i o n o f f r e e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e u s i n g r o u t i n e i n s p e c t i o n d a t a J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 4， 4 6 ( 1 6 9 ) ： 2 7 92 8 7 3 张傻芝 ， 王建泽 ， 孔德玉 ， 等 既 有水工 混凝土氯 离子扩散 系数 的 时变模型 J 水利水运工程 学报 ， 2 0 1 0， ( 2 ) ： 1 4 2 0 4 A n d e L i n d v a l 1 C h l o ri d e I n g r e s s D a t a F r o m F i e l d a n d L a b o r a t o r y E x p o s u r e I n fl u e n c e o f S a l i n i t y a n d T e mp e r a t u r e J C e me n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 7 ， ( 2 9 ) ： 8 8 9 3 5 卢振永 ， 金伟 良， 王海龙 ， 等 人 工气候模拟 加速试 验的相 似性设 计 J 浙江大学学报 ： 工 学版 ， 2 0 0 9 ， 4 3 ( 6 ) ： 1 0 7 11 0 7 6 ( 下转第 1 1 0页) 4 3 3 2 2 1 1 0 一 【 _ ? 。 _【 一 瓤 箍 腱 l 1 0 人 民 长 江 2 0 1 3年 价科学的综合评价方法 ， 本文通过应用该方法对 白鹤 滩水 电站葫 白公路工程重 大设计变更方案进行 了评 价 ， 并得 出相应评价结论 ， 对类似工程决策具有参考价 值 。 参考文献 ： 1 华 东勘测设计研 究院 金 沙江白鹤 滩水 电站可行 性研 究报 告 ( 枢 纽工程部分 ) R1 杭州 ： 华 东勘测设计研究院 ， 2 0 1 1 2 3 4 中国长江三峡 集团公 司 金 沙江白鹤滩水 电站 宁南县 葫芦 口至 白 鹤 滩公路 工程施 工招标文件 R 宜昌： 中国长江 三峡 集 团公 司， 2 01 1 郭琦 ， 夏 晓云。 安 慧 水 电工程造价 管理 M 北京 ： 中国电力 出版 社 2 0 08 方俊 ， 邓中美 设计 变更方案技 术经济评 价方 法 J 重 庆交通 学 院学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 3 ) ： 1 2 11 2 4 ( 编辑 ： 邓 玲 ) Te c h ni c a l a n d e c o n o m i c e v a l ua t i o n o n d e s i g n c ha ng e o f Hul uk o u Ba i he t a n Ro a dwa y o f Ba i h e t a n Hyd r o po we r S t a t i o n ZHANG Gua n g f e i ，XI AO Li n g ， XU Z h o n g p i n g ( 1 C h i n a T h r e e G o r g e s C o r p o r a t i o n ， B e O i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 H y d r o C h i n a G u i y a n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， G u i y a n g 5 5 0 0 8 1 ， Ch i n a ) A b s t r a c t ： B a i h e t a n H y d r o p o w e r S t a t i o n ， a 1 0一mi l l i o n k W l e v e l p r o j e c t ， i s t h e b a c k b o n e p o w e r s o u r c e s f o r We s t t oE a s t P o w e r T r a n s m i s s i o n P r o j e c t H u l u k o uB a i h e t a n R o a d w a y i s c o n s t r u c t e d for t h e c o n s t ruc t i o n o f B a i h e t a n H y d r o p o w e r S t a t i o n a n d i mp o r t a n t d e s i g n c ha ng e o f t h i s r o ad wa y wi l l b e c o n du c t e d i n t h e c o n s t ru c t i o n p e rio d d u e t o t h e c o mp l i c a t e d t o p o g r a ph i c a n d g e o- l o g i c a l c o n d i t i o n s The t e c hn i ca l a nd e c o no mi c a l i n d e x e s o f q u a l i t y，c o ns t r uc t i o n p e r i o d，e c o n o my，s a f e t y，f u nc t i o n a nd o t h e r s i n flue n c i ng t he d e s i g n c ha n g e a r e a na l y z e d a n d t e c h ni c a l a n d e c o no mi c a l e v a l u a t i o n o n t h e d e s i g n c h a ng e i s c o n du c t e d b y t e c hn i - ca l a n d e c o n o mi c e v a l ua t i o n mo d e l o f v a l ue e n g i ne erin gThe a n a l y s i s s h o ws t he n e w s c h e me i s be t t e r t h a n t h e o rig i na l o n e， w h i c h p r o v i d e s i mp o r t a n t r e f e r e n c e for p r o j e c t m a n a g e m e n t a n d d e c i s i o n m a k i n g Ke y wor d s：t e c h ni c a l a nd e c o n o mi c a l e v a l u a t i o n；d e s i g n c h a n g e；v a l u e e n g i ne e rin g；Hu l u ko uBa i he t a n Ro a dwa y；Ba i h e t a n Hy d r o p o we r S t a t i o n ( 上接第 9 2页 ) 6 鲁列 荷栽与氯盐环境下混凝土 构件的腐 蚀试验研 究 D 杭 州： 浙江工业大学， 2 0 1 0 7 郑辉 自然环境下混凝土氯 离子侵蚀 的随机 性及 寿命预 测 D 杭 州 ： 浙江工业大学 ， 2 0 0 9 8 9 余红发 ，孙伟 ，鄢 良慧 ，等 混凝土使 用寿命预 测方法的研 究 I 一 理论模 型 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 2 。 3 0 ( 6 ) ： 6 8 66 9 0 周剑 混凝 土氯 离子扩散性能 影响 因素的试验研 究 D 杭 州： 浙 江工业大学。 2 0 1 0 ( 编辑 ： 郑 毅) Re s e a r c h o n e a r l y a t t e nu a t i o n o f c hl o r i d e d i f f us i v i t y c o e ffi c i e nt o f hy d r a ul i c c o nc r e t e i n t i d a l r e a c h WU Ya l i n g ， Z HANG J u n z h i ， F U Z h a o q i ， Z HUANG Hu a x i a， XU L i a n g ( C o l l e g e o fA r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： U n d e r t h e c h l o r i d e e n v i r o n m e n t i n a t i d a l r e a c h o f Q i a n t a n g R i v e r ，a n i ns i t u c o r r o s i o n t e s t o n a c o n c r e t e b e a m wa s c a r r i e d o ut a n d t h e f r e e c hl o ride i o n c o n c e nt r a t i o n o f t he be a m o n 1 2 0，2 4 0。3 6 0，4 80 d a nd 60 0 d a fte r c o r r o s i o n we r e me a s ur e dTh e t e s t r e s ul t s s ho w t h a t c hl o rid e i o n c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e wi t h t h e c o rro s i o n d ur a t i o n，a n d t h e c h l o r i d e i o n di f f u s i v i t y a r e f i t t e d a nd c a l c u l a t e d o n t he ba s i s o f t he Fi c ks e c o nd l a wThe c a l c u l a t e d r e s u l t s r e v e a l t h a t t h e c h l o r i d e i o n di flus i v i t y d e c r e a s es wi t h t he t i me r a p i d l y a t e a r l y s t a g e a n d l a t e r c o me s t O a s t a b l e s t a t e，a n d t h e a t t e n ua t i o n l a w c a n be f i t t e d b y e x po n e n t i a l f u ne t i o n Ke y wor d s： c o n c r e t e；c h l o r i d e i o n；d i f f us i o n c o e f f i c i e nt ；a t t e n u a t i o n；Fi c ks e c o nd l a w：t i da l r e a c h