人工气候环境下混凝土氯离子扩散系数衰减速率.pdf

2 0 1 3 年 第 3 期 (总 第 2 8 1期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEOR ET I 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 3 0 3 0 0 7 人工气候环境下混凝土氯离子扩散系数衰减速率 伍亚玲 ，张俊芝，鲁列 ，庄华夏 ，周巧萍 ( 浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要： 根据人工气候环境下的混凝土侵蚀试验测得的混凝土氯离子浓度 ， 基于 F i c k 第二定律 ， 分别计算了侵蚀 4 O 、 8 O 、 1 2 0 、 1 6 0 、 2 0 0 d 后的混凝土氯离子扩散系数 ， 证实了氯离子扩散系数随侵蚀时间增大而减小 ； 引入混凝土氯离子扩散系数衰减速率的 概念 ， 并分析计算得到了不 同侵蚀时间的氯离子扩散系数衰减速率及其与时间的关 系模型。 计算结果表明 ： 在人工气候环境下 ， 随侵蚀时间的延长 ， 混凝土氯离子扩散系数衰减速率相应减小 。 关键词： 人工气候 ；混凝土；氯离子 ；扩散系数 ；衰减 中图分类号： T U5 2 8 O 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 2 6 0 3 At t e n u a t i o n r a t e o f c h l o r i d e d i ffu s i v i t y o f c o n c r e t e u n de r a r t i f i c i a l c l i ma t e WU ya l i n g， Z HANGJ u n z h i ， LULi e ， Z HU ANGHu a - x i a ， Z HOUQ i a o -p i n g ( C o l l e g e o f A 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 ang U n i v e r s i t y o f 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 ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e 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 n c o r r o s i o n t e s t c o n c r e t e u n d e r de s i g n e d a r t i fi c i a l c l i ma t e e n v i r o n me n t the c h l o r i d e d i f f u s i v i ty i n t e s t c o n c r e t e a ft e r 4 0 ， 8 0 ， 1 2 0 ， 1 6 0， 2 0 0 d we r e fi t t e d a n d c a l c u l a t e d o n the b a s i s o f the F i c k S s e c o n d 1 a wT h e r e s u l t s p r o v e d t h a t t h e c h l o ri d e d i f f u s i v i ty wa s d e c r e a s e a l o n g wi t l l the i n c r e a s e o f c o r r o s i o n t i me T h e c o n e e D t o f the a t t e n u a t i o n r a t e o f c h l o ri d e d i f f u s i v i ty wa s i n t r o d u c e d ， a n d t h e a tt e n u ati o n r a t e o f c h l o r i d e d i f f u s i v i t y o f d i f f e r e n t c o rro s i o n t i me wa s c a l c u l a t e d Al s o ， a t i me v a r i a t i o n mo de l o f a tte n u a t i o n r a t e o f c hl o r i d e di f f us i v i t y wa s e s t a b l i s h e d 1 1 1 e r e s u l t s s ho we d that a t t e n uati o n r a t e of c h l o r i d e d i f f u s i v i t y o f c o nc r e t e un d e r a r t i fic i a l c l i ma t e r e d u c e d a l o n g wi t h the i nc r e a s e of c o r r o s i o n t i me Key w or ds ： a r t i fic i a l c l i ma t e； c o nc r e t e； c h l o rid e i o n； d i f f u s i on c o e 币c i e n t ； a t t e n u a t i o n 0 引言 1 人 工环境设 计的混凝 土氯盐侵蚀试验 氯离子 扩散性 能是海工混凝土耐久性研究 的非常重 要内容之一 ， 也是影响混凝土结构寿命预测重要因素。 混凝 土氯离子扩散系数是表征混凝土抗氯离子侵蚀性 能的重 要指标 。 早期的大多研究假设 氯离子扩散 系数是恒定 的 1 ， 这与实际情况并不吻合 。 由于混凝土中水泥、 矿物掺合料等 胶凝材料 的水化是一个长期 的过程 ， 混凝土氯离子扩散性 能的影响因素众多回 。 已有研究表明 ， 龄期较长的混凝土的 氯离子扩散性能将 降低_3 - ， 尤其在开始 的 1 - 3年内 ， 扩 散 系数 的降低尤为明显 。 朱雅仙等嘲 认为氯离子扩散系数 在暴露过程 中有不同程度降低 ， 初期氯离子扩散系数越大 ， 下降幅度越大。 本研究引入氯离子扩散系数 衰减速率来更 准确的反 映扩散性能衰退 ， 根据在人工气候环境下进行的不同水灰 比的混凝土氯离子侵蚀试验， 分析该环境下混凝土氯离子 扩散系数衰减速率， 研究氯离子扩散系数衰减速率与侵蚀 时间及水灰 比的关系。 1 1人 工环 境 试验 模拟 的背 景工程 是钱 塘江 感潮 河 口区某 海 塘 上 自然 感潮 氯盐 环境下 已使 用 3 0年水 闸 闸墩混凝 土 。 试验 中， 相对应于该工程所处位置的春夏秋冬四季 ， 分别设 置 了 4个环境 条件 ， 为达 到加速 侵蚀 的效果 ， 试 验 中气 温采用该位置 的季平均气温 的 2 倍 。 参考 背景工程地 区 的气 象资料 ， 人工 气候 的温度 与湿度循 环 ， 在 春夏秋 冬 四季分别为 ( 温度 相对湿 度) ： 3 4 7 8 、 5 3 8 0 、 3 4 8 0和 1 2 7 5 t 。 试验混凝土采用钱潮牌 P O 3 2 5 级水 泥， 所用骨料 的 最大粒径 4 0 m i T l ， 砂子采用细度模数为 2 7 的中细河砂 ， 拌 和用水及养护用水为杭 州当地 自来水 。 试验构件混凝土 的 配合比如表 1 。 表 1 混凝土构件的配合b E 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 0 1 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 ) 2 6 1 2 侵 蚀 试 验 本试验设 计 的构件为 钢筋混凝 土适筋 梁 ， 其 尺寸 为 1 2 0 mmx 2 4 0 m mx 2 4 0 0 ra i n 。 试 验混凝 土梁底部 的钢筋 配 2 d ? 1 2 ， 架 立筋为 2 1 0 ， 箍 筋为 6 1 0 0 ， 混凝 土保 护层 为 2 0 mm。 混凝土梁采用两点加载法 ， 试验梁所加 弯曲荷载水 平分别为混凝土梁理论极 限承载力的 1 5 t 。 按照上述尺寸要求及表 1的两种 配合 比各制作 5 根 混凝土梁 ， 钢筋混凝土梁在室 内 自然环境 下 ， 分养护 2 8 d ， 侵蚀 时间分别为 4 0 、 8 0 、 1 2 0 、 1 6 0 、 2 0 0 d ， 试 验梁两侧 及两 端均涂抹环氧树脂进行 隔离 ， 其余 面则作为侵蚀 时氯离子 的入侵面 。 1 3试 验 结 果 试验中取混凝土芯样 的直径为 + 5 0 mm， 由于本试验所 述 内容暂不考虑荷载 因素的影响 ， 且此试验 中采用 Na C 1 浓 度为 5 的盐雾从上部 向下喷洒 ， 故每根梁其取上表面离边 缘 2 0 c m处点 的一个芯样 ， 视 为无荷 载作用 ， 混凝 土中 自 由氯离子浓度测试设备及方法参 照文献 9 所述 。 按上述方法 ， 测得 5 个侵蚀时 间段后 的混凝土 中 自由 氯离子浓度。 水灰 比为 0 4 5 的混凝土梁侵蚀不同时间后在 不同深度处的 自由氯离子浓度见表 2 。 表 2 混凝土梁在不同深度的氯离子浓度( 0 4 5) 距离表面深度 mm 4 0 d 8 0 d 1 2 0 d 1 6 0d 2 0 0 d 水灰 比为 0 6 1 的混凝土 中 自由氯离子浓度不 同侵蚀 时间的氯离子浓度随深度的变化见图 1 。 芝 烂 播 搋 2 6 l 0 1 4 1 8 2 2 2 6 3 0 深度 mm 图 1 混凝土 中的氯离子浓度随深度变化 上述结果表 明 ， 人工气候 环境下 ， 随着侵蚀 时间的增 长 ， 相同深度处 的混凝土 中 自由氯离 子浓度 增大 ， 且在混 凝土表面存在明显 的对流区。 2 人 工 气候环境 下混凝 土氯 离子扩散 系数 2 1 混凝土扩散 系数 的分析 方法 基 于 F i c k 第 二扩散定律可拟合扩散系数 ， 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 c k 第二扩散定律方程 ： c o+ ( ) 1_ erfI 州 ( 1 ) 式中 ： c 。 混凝 土初始氯离子浓度 ， ； C 混凝土表面处氯离子浓度 ， ； D 混凝 土的扩散 系数 ， m2 s ； 时刻 t s 距离混凝土表 面 r n处 的氯离子浓 度 ， ； 1 对流区厚度 ， mm； e ft ( ) 误差函数 。 以相关 系数 ： 尽可能接近 1 作为 拟合优度 的检验 ， 拟合过程与文献 2 】 相 同。 2 2 混凝土氯离子扩散 系数的计算结果 按照上述拟合方法， 对不同时间点取得的氯离子浓度 进行混凝土扩散系数的拟合。 计算的各时段及不同水灰比 混凝土的扩散系数如表 3 。 表 3 氯离子扩散系数 1 0 z m2 s 从表 3 可知 ， 氯离子扩散系数 随着侵蚀时间增大呈衰 减 的趋势。 3 混凝土氯 离子扩散 系数 衰减速 率 3 1 氯 离子扩散 系数衰减速率计算方法 由表 3 可知 ， 氯离子扩散系数与时间的规律非常明显 ， 总体趋势是 随着侵蚀时间的延长 ， 不同水灰 比混凝 土的扩 散系数均降低 。 但随着侵蚀时间的不同， 氯离子扩散系数减 少的幅度也不一样 。 因此 ， 为了探讨氯离子扩散系数下降的 幅度与时间及水灰 比等不 同因素的关 系 ， 引进一个 氯离子 扩散系数衰减速率 。 将氯离子扩散系数侵蚀 时间分成若干 份 ， 每段 时间内假设氯离子扩散系数衰减速度不变 ， 即 、 ：、 、 为每个时间段的平均衰减速率 。 引入的氯离子 扩散系数随时间变化的衰减速率为 ： ：I D - D j l A t ( 2 ) 式中 ： 时段内的氯离子扩散系数下降速度 ， ( m2 s ) d ； 、 时间点 t i , tj 的氯离子扩散系数( ) ， mm 2 s ； 每段 时间差 ， d ， 即 A t = t s t ( ) 。 3 2 人 工气候环境 下 混凝土 氯 离子 扩散 系数 衰减 速率计算及分析 由于本试 验侵蚀 时间分别 为 4 0 、 8 0 、 1 2 0 、 1 6 0 、 2 0 0 d ， 时间间隔为 4 0 d ， 将 2 0 0 d 分为四个时间段 ， 假设每个时间 27 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 1 1 1 1 1 O O O O 段氯离子扩散系数衰减速率相等 ， 即 A t = 4 0 d ， 将表 2 各个 时间点 的氯离子扩散系数代入式( 2 ) ， 即可求 出四个 时间 段的氯离子扩散 系数平均衰减速率 ， 见表 4 。 表 4 氯离子扩散 系数衰减速率 1 0 ( m2 s ) d 取各时间段的中问时间点代表这个时间段 的时间 ， 则 人 二 气候环境下混凝土氯离子扩散系数衰减速率 随时问 变化趋势见 图 2 。 蓦 惹 重 萋 腐 蚀 时 间 ， d 图 2 混凝土的氯离子扩散系数衰减速率随侵蚀时间变化 由图 2 分析可知 ， 人工气 候环境下混凝土氯离子扩散 系数衰减速率随侵蚀时间的增大而减小 ， 即氯离子扩散 系 数降低幅度趋缓 ， 在侵蚀时间为 1 2 0 d 之内氯离子扩散系数 的衰减速率下降尤为 明显 ， 且水灰 比越 大 ， 氯离子扩散 系 数衰减速率下降越快。 同时比较图 2 不同水灰比曲线可知 ， 水灰 比大的混凝土 ， 其氯离子扩散系数衰减速率较大 ， 如侵 蚀时间为 4 0 8 0 d 时 ， 混凝土水灰 比为 O 6 1 的氯离子扩散 系数衰减速率比水灰 比为 0 4 5 的大 0 4 2 4 x 1 0 一 ” ( m2 s ) d 。 通过拟合 ， 可得到人工气候环境下不同水灰 比的混凝 土氯离子扩散系数衰减速率与时间的关系为 ： 水灰 比为 0 4 5 ( 相关系数 R Z =- 0 9 8 1 ) ： V = 1 3 8 9 9 x 1 0 d e 。 n ( 3 ) 水灰 比为 0 6 1 ( 相关 系数 R Z = 0 9 9 1 ) ： V=1 7 0 2 8 x1 0 一 4 e 。 n ( 4) 式中： t 养护 2 8 d 后侵蚀的时间 ， d ； 氯离子扩散系数衰减速率 ， ( m2 s ) d ； 由公式 ( 3 ) 、 ( 4 ) 可推 断 ， 人工 气候环 境下混 凝土氯离 子扩散系数 衰减速率与时间 呈指数 函数关系 ， 且相关 系数 较好 、 也较大 ， 且氯离子扩散系数衰减速率 随时间下降 的幅度也 越大 。 ( 3 ) 人工气候环境下的加 速试验 ， 混凝土 的氯离子扩 散系数侵蚀 2 0 0 d 之内呈加速下降趋势 ， 2 0 0 d 之后下降速 度趋缓。 参考 文献 ： 1 O NYE J E KWE O， R ED DY N A n u me r i c a l a p p r o a c h t o t h e s t u d y o f e h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n i n t o c o n c r e t e J Ma g i n e o f C o n c r e t e R e - s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 4 ( 5 2 ) ： 2 4 3 2 5 0 2 张俊芝， 周剑， 鲁列 暴露与养护时间对混凝土氯离子扩散性能 的影响【 J 自然灾害学报， 2 0 1 1 ， 2 0 ( 1 ： 1 - 5 3 】Z HAN G J u n - z h i ， WAN G J i a n z e ， KON G De - -y u C h l o r i d e d i f f u s i v i t y a n a l y s i s o f e x i s t i n g c o n c r e t e b a s e d o n t h e F i e k s e c o n d l a wj J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( M a t e r i a l S c i E d ) ， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 1 ) ： 1 4 21 46 4 】A U D E N A E R T K， Y U A N Q， D E S C H U E R G O n t h e t i m e d e - p e n d e n c y o f t h e c h l o r i d e mi g r a t i o n c o e ffic i e n t i n c o n c r e t e J C o n - s t r u e t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 0 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 9 6 4 0 2 5 】C O S T A A， AP P L E T ON 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 ma r i n e e n v i r o n me n t P a r t I ： ma i n p a r a me t e r s a f f e c t i n g c h l o r i de p e n e - t r a t i o n J M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 9 ( 3 2 ) ： 2 5 2 2 5 9 6 1 MAN GA T P S ， MO L L OY 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 o e n t r a t i o n j 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 9 2 8 7 【 7 J A U D E N A E R T K， Y U A N Q， D E S C H U T T E R G O n t h e t i m e d e - p e n d e n c y o f t h e c h l o r i d e mi g r a t i o n c o e ffic i e n t i n c o n c r e t e J 。 C o n s t r u c fi o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 0 ( 2 4 ) ： 3 9 6 4 0 2 8 8 朱雅仙， 蔡伟成 ， 李岩 ， 等 海洋环境下混凝土中氯离子的扩散 系数【 J 腐蚀与防护， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 8 ) ： 5 8 7 5 9 0 【 9 9 鲁列荷载与氯盐环境下混凝土构件的嚆蚀试验研究【 D 1 杭州 ： 浙江工业大学， 2 0 1 0 f 1 O 】 李卓莹 ， 周新刚 ， 刘志勇 混凝土结构钢筋脱钝的随机可靠度分 析 J 】 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 g ( g ) ： 6 3 6 6 4 结论 作者简介：伍业玲( 1 9 8 8 一 ) ， 女， 硕士研究生， 主要从事混凝士结 ( 1 ) 人工气候环境下 ， 混凝 土的氯离子扩散 系数衰减 构及耐久性研究工作。 速率随侵蚀时间的增大而减少 ， 与时间呈指数函数关系。 联系地址： Ni Z am0 、 I、I 市浙江工业大学朝晖校区研 4 0 2 信箱 ( 2 ) 水灰比对氯离子扩散系数衰减速率有较大的影响。( 3 1 0 0 1 4 ) 混凝土的水灰比越大。 对应的氯离子扩散系数衰减速率 墨皇 堡! ! ! ! ! 一一 一 f， 、 一 _ 。 ， 一 、 ， ，、 一 、 t 、 ，一 一 ， 、 ， 一 重 翟 鄹 绿 色建 筑为 新 型建 材业 发 展带 来机 遇 绿色建筑行动已经上升为国家战略。2 0 1 2 年 以来 ， 我国已发布了关于推广金太阳、 长江中下游及北方地方建筑节能 改造 、 可再生能源建筑应用等多个文件 ， 绿色建筑产业未来 的市场空间十分巨大 。国务院办公厅近 日转发 了国家发改委 、 住建部绿色建筑行动方 案的通知 ， 提 出“ 十二五” 期间完成新建绿色建筑 1 0 亿 m ； 到 2 0 1 5 年末 ， 2 0 的城镇新建建筑达到 绿 色建筑标准要求 。 2R