盐雾环境下氯离子在混凝土中扩散系数的研究.pdf

2 0 1 1年 第 4 期 (总 第 2 5 8 期J Nu mb e r 4 i n 2 0 1 1 ( T o t a l N o 2 5 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 4 0 0 8 盐雾环境下氯离子在混凝土中扩散系数的研究 蒋文字，杨伟军，彭艺斌 ( -KDNJ 2 学 土木与建筑学院 ，湖南 长沙 4 1 0 0 7 6 ) 摘要： 通过综合盐雾腐蚀箱模拟汕头地区大气盐雾环境， 采用不同水灰比 、不同比例粉煤灰掺合料 、 不同腐蚀 时间的混凝土试件 ， 提出 了环境系数 与粉煤灰影响系数 ， 对 F i c k第二扩散定律进行了修正 ， 并对修正后的扩散模 型计算进行 了简化处理 。 关键词 ： 盐雾环境 ；混凝土 ；F i c k 第二定律 ；氯离子 ；扩散系数 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 3 0 0 3 Chl or i de i on s d i ffu si on c oe ffi c i en t o f c onc r e t e i n t he s al t s pr a y e nv i r onmen t J I AN G Wc n - y u ， Y ANG We i -j u n ， P E NO Y i - b m ( S c h o o l o f Civ i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， Ch a n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th r o u g h t h e c o mp r e h e n s i v e s a l t s p r a y t e s t c h a mb e r ，s i mu l a t e t h e s h a n g t o u a r e a s a t mo s p h e r e a n d s a l t e n v i r o n me n t ，Co n c r e t e s p e c i me ns u n d e r d i ffe r e n t wa t e r - c e me n t r a d i o， d i ffe r e n t p r o p o r t i o no f fly a s h a d mi x t u r e s ，d i f fe r e n t p r o p o i o no f c o r r o s i o nt i me， p u t f o r wa r d e n v i r o n me n t c o e f - fi c i e n t a n dflya s hi nfl u e n c e c oe ffi c i e n t ， F i xt h eFi c k S s e c o n dl a w o f d i f f u s i o n ，S i mpl i f yh a n l i n gt h e a f t e r c o r re c t i o nd i f f us i o nmo d e l e a l c u l a t i o n Ke y w or ds： s a l i n e f 0 g e n v i r o n me n t s ； c o n c r e t e ； tic kS s e c o n d ta w o f d i f f u s i o n； c h l o r i d e ： d i f f u s i o n c o e f fi c i e n t n 引 言 采用不同水灰 比、 不同比例的粉煤灰掺合料 、 不同的腐蚀时间 ，呈 曩 粤 外 学 者 的 广 泛 关 注 ，并针对此耐久性问题开展了大量的科学研 ： =：= 二 一 一 、 一 一 究工作， 并取得大量的研究成果 1 - 2 , 4 - 5 】 。 但在盐雾环境下氯离子 引起的钢筋混凝土结构的耐久性问题在国内外都没有引起足 1 试 验 万 法 够 的重视 。 本 试验共 2 4个 尺寸为 1 5 0 mmx l 5 0 mmx l 5 0 ml n的立方 本研究通过综合盐雾腐蚀箱模拟汕头地区大气盐雾环境【 3 J ， 体试件， 试件的基本参数 ， 见表 1 。 试件编号 混凝 土等级 水灰 比 试件数 目 氯离子浓度 循环次数 备注 C2O C3 O 0 6 0 0 4 5 7 2 1 0 8 1 4 4 7 2 l 0 8 l 4 4 7 2 1 0 8 1 4 4 7 2 l 08 1 4 4 7 2 l 08 1 4 4 7 2 1 0 8 1 4 4 未腐蚀 未添加粉煤灰 未腐蚀 掺和 2 0 粉煤灰 未腐蚀 掺和 3 0 粉煤灰 未腐蚀 未添加粉煤灰 未腐蚀 掺和 2 0 粉煤 灰 未腐蚀 掺和 3 0 粉煤灰 混凝 土浇筑后 ， 在标准 环境下养护 2 8 d ， 干燥后 放人综合 盐雾腐蚀试验箱( 如图 1 ) 开始试验， 在盐雾腐蚀试验箱里模拟 汕头地 区盐雾环境 。 本试验采用中性盐雾试验( Ns s试验 ) 方式 ： 循环盐雾； 采 用 5 N a C L盐溶液； p H值 ： 6 5 7 2 ； 温度： ( 3 5 _+ 2 ) ； 盐雾沉降 率 ： 1 2 m L 8 0( c m2 h ) 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 1 _ 2 3 3 0 混凝土试件在腐蚀试验结束后进行样品钻孔取粉( 图2 ) ， 采 用分层取样的方法收集深度为 0 , 2 5 、 7 5 、 1 2 5 、 1 7 5 、 2 2 5 、 2 7 5 1 D J n 的粉末样品， 通过直径为 0 0 7 5 mi l l 方孔筛除去粗颗粒。 对剩下 的粉末进行化学分析 ， 参照 J T J 2 7 0 9 8 水运工程混凝土试验 规范 、 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 ( 混凝土结构耐久性设计规范 ， 用 NJ C L H氯离子含量快速测定仪采用水溶萃取法测定水溶性氯 7 M 7 H c 一 啪 嘴 C C I D D 图 1 综合盐雾腐蚀试 验箱 图 2 钻 孔取粉后 的试件( 1) 离子浓度 。 硬质 混凝土 的氯离子含量计算公式如下 ： d= 3 5 4 5 C V 1 0 m ( 1 ) 式 中： 一 硬质混凝 土的氯离子 含量 ， ； c 仪器检测到的氯离子浓度， mo l L； _【 ， 样 品溶液的体积 ； m硬质混凝土样 品质量 ， g ? 2 混凝 土 中的扩散 系数计算 氯离子在混凝士中的扩散过程可坩 F i c k第二扩散定律捕 述为 ： O C = D( ) ( 2) m a 式中 ： D氯离子的扩散系数。 1 9 9 2 年左右 ， 北欧国家认识到 ， 随着时间的增长 ， 氯离子在混 凝土巾的扩散系数不是一成不变的， 而是随时间衰减。 M Ma a g e I 根据大量试验 和厄勒海峡 大桥 的测 试数据 给 了时间对扩散 系数 的影响 ： D ( ) ( ) ( 3 ) 式 中： D( t ) 暴露时间为 t 时的氯 离子扩散 系数 ； f 混凝土水化龄期 ； 暴霖时 日 】 为 t 。 时测定 的氯离子扩散系数 ； r a = 3 x ( 0 5 5 一 W C) 。 式( 3 ) 考虑 了龄期对 混凝 土微规结 构的影 响 ， 从 而带来混 凝 土扩散系数 的改变。 但 是在实 际的 _T 程 中 ， 混凝 土所处 的环 境不同， 混凝上添加掺合料不同， 氯离子的扩散系数也随之有 较大的区别 。 本文结合汕头地 区的气候环境 ， 针对汕头地区的盐 雾环境特 以及混凝土添加粉煤灰对氯离子扩散的影响， 引入 环境系数 K， 粉煤灰影响系数 B 。 D ( ) K B D o f ) ( 4 ) 式 ( 3 ) 代入式 ( 1 ) 中可得到修正后 F i c k 第二定律解析式为 ： c c ( c 。 【 ( 亲 ) ( s 式中： c 经过时间 ， 达到混凝土深度 处的氯N-NN； 混凝土表面的氯离子浓度 ； c 混凝 土中本身存在 的氯离子浓度 。 董 忸 键 氯 离子渗 透深度 ram ( b ) 氯 离子 渗透深 度 m m ( c ) 图 3腐蚀 1 4 4 h后 D 5 ， D1 2， D1 9实测值 ， F ic k第二定律理论值与修正值 对比 通过氯离子扩散系数测定仪测定 的氯离子扩散系数用 F i c k第二定律和式( 5 ) 分别计算 D5 、 D1 2 、 D1 9各深度的氯离子 含量 ， 见表 2 。 由图3和表 2可以看出， 实测数据曲线和 F i c k第二定律理 论 曲线有一定 的偏差 ， 通过式 ( 5 ) 修正后 F i c k第 二定律拟合 的 曲线更 符合 实际情况 。 在实际计算中由于误差函数 e r f 的存在， 导致计算困难。 参 照文献 5 对汕头地 区盐雾 环境下修正后 F i c k第二定律解析式 计算氯离子扩散系数进行简化处理 ： 南式( 5 ) 可得 ： 。r f1 V - 1 - m 卜 令 ， D = K B D o 代入式( 6 ) 得： e r f f I= = 1 _C ( x , t ) - C o ( 7 ) 。 汀 ( ) 斗 百 ) O 0 0 0 O O 0 、 蚓舡 雠礞 如 m 深 透 渗 子 m 离 氯 O 0 0 O O O 0 掘 扣 砸骣 理论值 修正值 DI 9实测值 理论值 修正值 0 6 0 0 2 06 0 0 2 05 9 7 2 05 9 7 2 05 9 7 2 0 4 5 4 8 0 42 7 5 0 3 5 0 8 0 48 2 8 041 8 5 0 2 2 3 3 0 2 3 01 0 2 2 4 4 0 2 06 6 0 21 1 l 0 1 0 8 6 0 1 0 0 6 0 0 9 0 7 0 0 9 8 8 0 0 9 5 8 007 2 7 0 0 7 3 4 0 0 7 8 1 0 0 6 9 8 0 0 6 9 1 OO 6 5 8 00 6 94 0 0 71 l 0 0 6 4 8 0 0 6 4 8 00 6 4 8 00 6 4 8 0 0 6 4 8 0 0 6 4 8 0 0 6 4 8 汪 ： 论值由式 ( 2 ) 计算得出； 修正值 由式( 5 ) 计算得出。 将 误 差 函 数e r f ( u ) 2 J 。 e X p ( 一 A ) d A 代 入 式 ( 7 ) 并 化 V1 T 简得 ： e 学 1 上式两边同乘 一 ，并设A ： 一， d A ： d u 、 、 2 、 、 , z = 代入式( 8 ) 得 ： 一 f 1 _C ( x , t ) - 一Co 2 l C 一 C o 2 卜 C C o =c 【 一 J 去 唧 ljd“ D = K B ， J 0 = 2 ( c ) ( 1 0 ) 式 中： 钻孑 L 取粉测点距混凝土表面的距离 ， c m； ( C ) 标准正态分布函数。 3结语 ， f = c l 0 + ( c 一 c 0 ) I 1 - e r f 一 二 二= 兰 二= 二=1 l 【 2 V KB Do ( I m) - lt o 川 试验表明修正后的F i c k第二定律更符合实际情况。 ( 2 ) 对修正后的F i c k第二定律计算氯离子扩散系数进行了 简化处理 。 ( 3 ) 在腐蚀时间相同的情况下， 氯离子含量与腐蚀时间成 正 比关系 ， 并与深度成反 比关 系。 试验表明添加 2 0 粉煤灰试件 在盐雾环境下抗氯离子能力比较强， 效果比较好。 参考文献 ： f l 】 混凝土结构喇久性设计与施工指南【 J J l 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 【 2 J2 R e p o r t o f t h e N a t i o n a l Ma t e ri a l s A d v i s o r y B o a r d C o n c r e t e D u r a b i l i t y - A Mu hi b i l l i o n Do l l a r Op p o r t u n i t y ， P u b l i c a t i o n N o N MAB - 4 3 7 I R 1 N a t i o n a l Ac a d e my o f S c i e n c e s ， W a s h i n g t o n D C ， P P 9 4， 1 9 8 7 3 】 许薇， 甘庆辉， 汤强 1 9 5 1 2 0 0 6 年汕头雾变化的气候特征及影响因 素分析 J 1 气息与环境学报， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 3 ) f 4 】MAA G E M S e r v i c e l i f e mo d e l f o r c o n c r e t e s t r u e t u r e s s e x lc) o s e d t 0 ma r i n e e n v i r o n m e n t I n i t i a t i o n p e r i o d l j 1A C I Ma t e ri a l J o u r n a l ， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 6 ) ： 6 0 2 6 0 8 5 王前， 张鑫， 傅日荣 计算混凝土中氯离子扩散系数的使用方法f J 山 东建筑大学学报 ， 2 0 0 6 ， 4 ( 2 1 ) 慧 黧 萼 喜 竺 蚤 长 沙 理 工 大 学 金 盆 岭 校 区 西 解 析 解 存 在 一 定 的 偏 差。 本 试 验考 虑 环 境 影 响 系 数 及 粉 煤 灰 影 三 。4 至 4 1 响系数， 提出了修正后的 F i c k 第二定律： 联系电话： 1 3 8 7 3 1 7 2 4 3 2 上接第 2 9页 伤， 其中以炮孔底部的损伤作用最为明显。 混凝土试件表面爆后形成爆破漏斗， 但声波测试呈现爆后 波速上升现象， 此现象有待进一步分析和解释。 参考文献 ： 1 DO U G I L L J W， e t a 1 J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s I J j A S C E， 1 9 7 6： 1 0 2 3 3 3 2 L O L A N D K E C o n t i n u o u s d a m a g e m o d e l f o r l o a d r e s p o n s e e s t i m a t i o n o f c o n c r e t e J ) C e me n t a n d e o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 0 ( 1 0 ) ： 3 9 2 4 9 2 3 MA Z A R Z J A p p l i c a t i o n d e l a m e e a n i q u e d e l e n d o mma g e m e n t a l l c o in p o rt e me n t n o n l i n e a i r e e t l a r u p t u r e d u b e t o n d e s t r u c t u r e C ) T h e e d e - Do c t o r a t( r Et a t Un i v P a r i s 1 9 8 4 4 】4 吴新璇 混凝土无损检测技术手册【 M 】 E 京： 人民交通出版社， 2 0 0 3 5 陈土纯 超声波测试法在混凝土非局部损伤本构模型中的应用l J 1 武 汉大学学报： 工学版， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 3 ) ： 9 2 9 4 6 李为杜， 马修麟， 童寿兴 混凝土受力状态非破损测强参数研究l J l l施 工技术 ， 1 9 9 3 ( 4 ) ： 9 1 1 3 2 7 】逯静 洲 ， 林皋 ， 肖诗云 ， 等 j 昆凝土材料经 历三向受压荷载历 史后 的 抗拉强度劣化的研究l J I 水利学报 ， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 6 8 7 5 8 赵 明阶 古 构混 凝土损伤 的超声成像模 型研究 l J J 重厌 交通学院 学 报 ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 增T O ) ： 8 6 8 9 9 】黄靓 混凝土超声 c T的数值模拟 与试验研究 D 长沙 ： 中 国地质大 学 ， 2 0 0 5 1 O 】 顾青 多功能混凝土超声波检测仪软件 系统研究与实现 D 西安 ： 长 安大学 ， 2 0 0 8 f 1 1 肖敏芳 基于混凝土无损探伤的超声 c T图像分析和处理【 D 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 6 【 1 2 R 红岩 ， 胡刚 有关爆破损伤变 量定义 中存在的问题及探讨l J j 爆破 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 3 ) ： 1 - 4 1 3 史瑾瑾， 郭学彬 ， 肖正学， 等岩石冲击损伤特性与超声波速的试验 研究 J 】矿业研究与开发 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 6 ) ： 2 7 2 9 作者简介： 张钰( 1 9 8 5 一 ) ， 女， 硕士研究生。 联 系地址 ： 四川省绵阳市西南科技大学东 8 B 一 4 2 6 ( 6 2 1 0 1 0 ) 联 系电话 ： 1 3 5 6 8 4 2 9 2 9 6 2 、 一 令