盐湖环境下混凝土表面氯离子浓度的时变性研究.pdf

2 0 1 4年 第 1 O期 ( 总 第 3 0 0期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 0 O 1 1 盐湖环境下混凝土表面氯离子浓度的时变性研究 李长成 ，张立明 ，沈艳东 ( 吉林交通职业技术学院 ，吉林 长春 1 3 0 0 1 2 ) 摘要 ： 采用盐湖 卤水浸泡试验， 定期检测了混凝土不同深度的自由氯离子含量 ， 并对数据进行了拟合分析， 研究了混凝土表面 氯离子浓度随时间的变化规律 ， 分析了水灰比和粉煤灰掺量对表面氯离子浓度大小影响。 结果表明， 表面氯离子浓度随时间的增加 逐渐增长并最终达到稳定状态。 随着水灰比的增大而增大 ； 随着粉煤灰掺量的增大先降低后增加。 通过对现有模型的比较 ， 提出了更 适合是盐湖环境的表面氯离子浓度的模型。 关键词： 盐湖卤水 ；混凝土；表面氯离子浓度 ；时变性 中图分类号： T U5 2 8 叭 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 4 1 0 3 Ex per i m en t al anal y si s on t i m e -dependent l a w of sur f ac e c hl or i de i on conc en t r a t i on of conc r e t e LICha n gc he n g， ZHANG Li mi n g， S HEN Ya n do n g ( J i L i n C o m mu n i c a t i o n P o l y t e c h n i c ， C h a n g c h un 1 3 0 0 1 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I mme r s i o n i n s a l t l a k e b ri n e wa s a d o p t e d t o p e r i o d i c a l l y t e s t c h l o ri d e i o n c o n c e n t a t d i f f e r e n t d e p t h s o f c o n c r e t e a n d r e g r e s s i o n a na lys i s wa s c o mpl e t e d Va r i a t i o n l a w of s u r f a c e c h l o r i d e i o n c o n c r e t e wi t h t i me wa s i n ve s t i g a t e d E虢 c t o f wa t e r t o c e me n t r a t i o a n d f l y a s h c o n t e n t o n s i z e of s u r f a c e c hl o r i d e i on c o nc e n t r a t i o n we r e a l s o a n a l y z e d Te s t r e s ul t s h o we d t h a t s ur f a c e c hl o r i d e i o n c o nc e n t r a t i o n g r a d u a l l y gre w wi t h the i nc r e a s e o f t i me an d r e a c h e s a s t e a d y s t a t e l a s t l y W i th t h e i n c r e a s e o f wa t e r t o c e me n t r a t i o me an t gre a t e r s u r f a c e c h l o rid e i o n c o n c e n t r a t i o n S ur f a c e c h l o r i d e i o n c o n c e nt r a t i o n fi r s t i n c r e a s e d an d廿1 e n d e c r e a s e d wi th t h e i nc r e a s e o f fly a s h c o n t e n t An a d a pt e d mo d e l wa s p r o po s e d b y c o mpa r i s o n an d c o r r e c t i o n o fc u r r e n t mo de l s Ke y w o r d s ： s a l t l ak e b ri n e： c o n c r e t e： s u r f a c e c h l o ri d e i o n c o n c e n tr i o n； t i me d e p h e n t 0 引 言 在氯盐环境下的钢筋混凝土结构早期破坏 的主要原 因是环境 中的氯离子进入钢筋混凝土结构 内部 引发钢筋 锈蚀， 钢筋体积膨胀引发混凝土表面剥落、 截面变小、 承载 力下 降。 因此氯离 子扩散能力 是混凝土耐久 性研究 的热 点。 氯离子在混凝土 中的扩散是 由于氯离子的浓度差 引 起 的 ， 混凝 土表面氯离子浓部越大 ， 内外部氯离子浓度差 越大 ， 氯离子扩散至混凝土内速度越快。 目前对氯盐环境下 混凝土寿命预测 主要使用的是 ti c k第二定律 ， 而 ti c k 假定 表面氯离子浓度是恒定的。 国内外大量测试结果表明p _ 习 ， 实 际环境中混凝土表面氯离子浓度是一个随时间变化 的。 目 前 国内外 学者对 表面氯离子浓度的时变规律做 了大量的 研究 。 主要模型 6 有 线性 、 平方根 型 、 幂 函数 型 、 对数 型等 几种形式。 这些研究主要集中在海洋环境下或单一的氯盐 环境 ，对 盐湖地 区混凝土 的表面氯离子含量 的报道还很 少 。 基于此 ， 本研究选用 了青海盐湖察 尔汗盐 湖卤水作 为 室 内浸泡溶 液 ， 测定 了不 同腐蚀 龄期 的混凝土 的 自由氯 离子浓 度 ， 深入研究 混凝土在 盐湖 卤水 浸泡环境 下 的表 面氯离 子含量 随水 灰 比和矿渣掺 量的关 系 ， 利用 实测数 据对试验模 型进行验 证 。 提 出了更适合盐 湖环境 的表面 氯离子 时变性 的模 型。 为预测盐 湖环境 下混凝土结 构寿 命 提高理论支撑 。 1 试验计划 1 1 原材料 湖北黄石水泥厂生产的华新牌 P I 5 2 5 级水泥 。 镇江 谏壁 电厂华源 I 级粉煤灰 。 江苏江南粉磨公 司生产 的 $ 9 5 级 磨细 矿渣 ， 比表 面积 4 6 1 r n 2 k g 。 胶凝 材料 化学 成分 见 表 1 。 兰州产河砂 ， I I 区级配 ， 中砂细度模数为 2 5 。 甘肃 省 临洮河 口产石 灰岩碎 石 ， 5 2 0 1T I 1 T I 连续级 配 ， 最 大粒 径 2 0 I I IT I 。 饮用水。 江苏省苏博特 P C A ( I ) 聚羧酸类高性能减 水剂 ， 减水率达 2 0 以上。 试件的尺寸为 5 0 0 m mx l 0 0 mmx 7 5 n l n l 收稿 日期 ：2 0 1 4 - - 0 4 1 6 基 金项 目：国家重点基础研究发展计划( “ 9 7 3 ” 计划 ) 项目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 ) ； 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 2 2 1 ) ； 浙江省自然科学基金项 目 ( L Y1 2 E 0 8 0 0 3 ) 41 表 1 胶凝材料的化学成分 1 2 配合比 1 3 试验步骤 选用 水胶 比分别 为 0 5 3 、 0 3 5和 0 2 3的三种不 同混 1 3 1 室 内浸泡 凝土 的配合 比、 坍落度及 2 8 d 抗压强度见表 2 。 腐蚀溶液是从青海察尔汗盐湖运 回的盐湖 卤水 ， 用等 表 2 混凝土配合 及抗压强度 离子光谱测定的化学成分件见表 3 。 表 3 青海察尔汗盐湖卤水化学成分 mg L 名称 N a M c a 2 + C 1 一 s o , - H c 0 i c O 含量6 8 3 6 0 5 9 7 7 8 3 5 1 3 0 4 2 4 1 2 0 4 2 0 9 2 2 2 9 0 1 2 7 4 1 7 1 6 1 3 2 混凝土取样和氯离子分析测试 钢筋混凝土梁分别置于试验室盐湖卤水 中进行试验 ， 腐蚀时间分别为 9 0 、 1 8 0 、 2 7 0 、 3 6 0 、 4 5 0 、 5 4 0 d 后 ， 将混凝土 梁运 回试验室 ， 8 0烘干 2 4 h后 ， 冷却到 室温后 ， 用钻头 对干燥的钢筋混凝土构件分层取样， 深度依次为 0 - 5 T T 1 T T I 、 5 1 0 mm、 1 0 1 5 m m、 1 5 - 2 0 T Y I T Y I 和 2 0 2 5 m m。 每个 构件钻 孔的数量为 8 个 ， 对于收集的混凝土粉末 ， 用孔径 0 1 6 T n I T l 的 方孑 L 筛过筛 ， 以除去粗颗粒。 自由氯离子浓度( C f ) 采用水溶法 溶样 ， 其化学分析方法参 照国家交通部标准 J T J 2 7 0 1 9 9 8 水运工程混凝土试验规程 同 。 2 试验 结果及 分析 2 1 表面氯离子含量模型的对比 图 1 是各混凝土表面氯离子浓度随浸泡时间变化 图。 从 图 1 可知 ， 各混凝土 的表面氯离子浓度随着浸泡时间的 增大而增大 ， 前期增长的很快 ， 后期慢慢趋 于稳定 。 混凝土 表面氯离子浓度随着水灰 比的增 大而增大 ， 随着粉煤会产 量的增加 ， 向降低后增加。 以 C 3 0 混凝土 的试 验数据为例 ， 分别利用线性 、 平方根 、 幂 函数 、 对数 函数和指数 函数进行 42 2 O 0 4 0 0 6 0 0 浸 泡时 间 d 图 1 表面氯离子浓度随时间变化图 拟合， 拟合结果见表 4拟合曲线见图2 。 从图2可知 ， 直线 和平方根方程拟合精度不高 ， 开始时表面氯离子浓度偏小 ， 后期偏大 ； 幂函数和对数函数拟合的精度很高 ， 但后期精 度偏低 ， 指数 函数前期增长很快 ， 逐渐变慢 ， 后期稳定 。 和 试验结果和实际规律很接近 。 因此选用指数 函数模 型。 C s = C 0 ( 1 - e ) ( 1 ) 式中： C 。 表面氯离子浓度 ， ； 表面氯离子浓度最大值 ， ； r氯离子累计速度。 3 连 z 寝 躇 0 2 0 0 4 0 0 浸 泡时 间 d 图 2 0 3 0数据模型拟合曲线 利用试验数据 ， 计算各混凝土表面氯离子浓度指数 函 数模型参数见表 4 。 表 4 最大表面氯离子浓度 G、 氯离子累计速度 r 和相关系数 尺 2 2 水灰比对表面氯离子浓度的影响 从表 4可知 ， 最大表面浓度 和氯离子累计速度 r 均 随着水灰 比的增大而增 大 ， 即水 灰 比越大 ， 表面氯离子浓 度越快达到稳定状态， 这是因为水灰比大， 混凝土孔隙率 多， 密实度差， 内外氯离子浓度差大， 氯离子在混凝土内部 扩散的快 ， 氯离子扩散越快表 面吸附 的氯离子越多 。 因此 ， 可用式 ( 2 ) 表示水灰比与 的拟合关系式 ： C 0 = 5 7 3 ( W 8) 一 0 2 1 9 ( 2 ) 3 2 l O 蒜 褪骣恒 式中 ： C o 最大表面浓度 ， ； 佃 水灰 比。 拟合结果见图 3 ， 相关系数 尺 z 为0 9 7 5 ， 说明水灰比与 表面最大氯离子浓度具有 良好 的线性关系 。 2 3 粉煤灰掺量对表面氯离子浓度的影响 从 表 4 可知 ，最大表面浓度 和氯离子 累计速度 r 均随着粉煤灰掺量的的增大先增大后减小 ， 在掺量为 3 0 时最小 。 这 与粉煤灰 掺量 为 3 0 时 ， 混凝 土具有 较低的表 面氯离子扩散能力有关 ， 用式( 3 ) 表示粉煤掺量与 G n 的关 系式 ： C o = O 0 0 0 4 ( tu F A m c ) 2 - 0 0 3 4 4 ( tu F a I m c ) 1 7 9 9 5 ( 3 ) 式中 ： 最大表面浓度 ， ； m F A 单位体积内粉煤灰 的质量 ； m 单位体积内胶凝材料的总质量。 相关系数 z 为 0 9 8 5 8 ， 拟合结果见图 5 。 水灰 比 图 3 表面氯离子浓度随水灰比变化 0 2 0 4 0 6 0 ( mF A m ) ， 图4表面氯离子浓度随粉煤灰掺量变化 3结 论 ( 1 ) 通过对各种表面氯离子浓度计算模型 的对 比， 最 终确定指数函数模型作为计 算盐湖环境下表面氯离子浓 度的模型。 ( 2 ) 随着水灰 比的增大 ， 表面氯离子浓度更 快地达到 稳定状态 ， 稳定后的表面氯离子浓度缓慢增加。 表面氯离 子浓度最大值与水灰 比之 间呈现出良好的线性关 系。 ( 3 ) 在普通混凝土 中掺入粉煤灰之后 ， 随着粉煤灰掺 量 的的增大先增大后减小 ， 在掺量为 3 0 时最小。 参考文献： 1 E KOL U S ， T HO MAS M， HOOT ON R P e s s i mu m e f f e c t o f e x t e r n a l l y a p p l i e d c h l o r i d e s o n e x pa ns i o n d u e t o d e l a y e d e t t r i n g i t e f o r ma t i o n： P r o p o s e d m e c h a n i s m J C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 4 ) ： 6 8 8 6 9 6 2 张立明， 余红发 ， 何忠茂 盐湖地区混凝土的氯离子扩散性 J 1 中 南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 6 ) ： 1 7 5 2 1 7 5 5 【 3 S T E P HEN L A， D WA YNE A J ， MAT T H E W A M， e t a1 P r e d i c t i n g t h e s e r v i c e l i f e O f c o n c r e t e ma r i ne s t r uc t u r e s ： a n e n v i r o n me n t a l me t h o d J A CI S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 8， 9 5 ( 2 ) ： 2 0 5 2 1 4 4 UJ I K， MA T S U OKA Y， MARU YA T F o r mu l a t i o n o f a n e q u a t i o n f o r s u r f a c e c hl o r i d e c o n t e n t o f c o n c r e t e d ue t o p e rm e a t i o n o f c h l o- ri d e M C o r r o s i o n o f r e i n f o r c e me n t i n c o n c r e t e， E l s e v i e r Ap p l i e d S c i e nc e， 1 9 90： 2 58 26 7 5 】C O S T A A ， A P P L E T O N J C h l o r i d e p e n e t r a t i o n i n t o c o n c r e t e i n m a rin e e n v i r o n me nt P a r t I 1： Pr e d i c t i o n o f l o ng t e rm c h l o r i d e p e n e t r a t i o n J Ma t e r i als a n d S t ruc t u r e s ， 1 9 9 9 ， 3 2 ： 3 5 4 3 5 9 6 6 S O N G H A WO N， L E E C H A N G H O N G， K I Y O N G A N N F a c t o r s i n u r n i ng c h l o rid e t r an s p o r t i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s e x p o s e d t o ma - r i n e e n v i r o n m e n t s J C e m e n t a n d c o n c r e t e c o m p o s i t e s ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 1 3 一l 2 1 7 J rr J 2 7 O 一1 9 9 8 ， 水运工程混凝土试验规程【 s E 京 ： 人 民交通出 版 社 ， 1 9 9 8 ： 2 0 2 2 1 0 作者简介 ： 联系地址： 联系电话 ： 李长成( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 副教授， 研究方向： 桥梁结构及 耐久性 。 长春市新电视台 6 号( 1 3 0 0 1 2 ) 1 3 0 3 91 48 8 3 0 藿 曩 墨 广州 编写 标准 教 材 严控混 凝土 质 量 作为建设工程最重要 的材料 ， 混凝土质量与工程质量直接相关 。 记者 2 1日获悉 ， 广州全国率先编写了一套混凝土以 及原材料检测的培训教材， 严控一些检测人员“ 滥竽充数” ， 保障出厂混凝土产品质量。 广州市散装水泥管理办公室有关负责人介 绍 ， 根据质量 控制体系的要求 ， 预拌混凝土生产企业 的检测人员每天要对 水泥、 砂、 石 、 粉煤灰、 外加剂、 矿渣粉等原材料和出场混凝土进行数十项物理、 化学性能抽检。 符合国家和行业标准的， 方 能进行生产和销售 。 但广州市 1 0 0多家混凝土企业 的数百名检测人员往往偏重理论知识 ， 实操训练很少 ， 动手能力不足 ， 技术水平参差不齐。 更有少数检测人员在“ 滥竽充数” ， 连一些基本的试验也不熟悉， 这些都直接影响了广州企业混凝土 的质量。 为此， 广州市散装水泥管理办公室联合广州市混凝土行业协会， 聘请了大量知名专家， 制作了 混凝土及原材料试 验实操培训教材 。 广州市建委副主任陈亚新提出， 教材修改定稿后， 要对每家企业的检测人员进行标准化实操考核， 考核不合格的， 将 予以淘汰 ， 确保预拌混凝土企业检测人员的技术水平 ， 保 障出厂混凝土产品质量 ， 夯实广州市建设工程质量安全基础 。 ( 南方 日报 ) - 4 O 5 O 2 1 1 糕 怔骣旧