杂散电流影响下氯离子向混凝土内部的传输特征.pdf

第 1 3卷 第 1期 2 O 1 O年 2月 建筑材料学报 j oURNAL OF BUI L DI NG MATERI ALS VOl _1 3NO 1 Fe b， 2 O1 0 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 1 2 1 0 4 杂散电流影响下氯离子向混凝土 内部的传输特征 耿 健 ， 丁庆 军。 ， 孙 家瑛 ， 孙 炳 楠 ( 1 浙 江大 学 宁波理工 学 院 绿 色建 材与 废弃物 资 源化研 究 中心 ， 浙 江 宁波 3 1 5 1 0 0 ； 2 浙江大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 3 1 0 0 5 8 ；3 武汉理工大学 材料科学与工程学院 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要 ：利用加载直流电场模拟杂散 电流的方法， 对杂散 电流存在情况下氯 离子 向混凝土内部的传 输特征 进 行 了研 究 结果表 明 ： 杂散 电流 的存在 会 明显加 速 氯 离子 向混 凝 土 内部 的传 输 ， 同时 随 着 杂散 电流 作 用时 间的延长 和 电流强度 的增 大 ， 杂散 电流 对 氯 离子 传 输 的加 速作 用越 发 明显 此 外 ， 与无 杂散 电流情 况 下氯 离子 在 混凝 土 内部 均 匀扩散 的特 点相 比 ， 杂散 电流 的存 在使 得 氯 离子在 混 凝 土 内部 的渗透 面 变为一 个抛物 面 ， 并且在 垂 直钢筋 的方 向上 氯 离子侵 入 深度 最 大 关键词 ：杂散 电流 ；氯 离子 ；传输 特征 ；混凝 土 ；耐久性 中图分 类号 ： TU5 2 8 0 1 ； T B 3 2 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 0 1 0 0 1 0 2 5 Tr a n s p o r t Cha r a c t e r i s t i c s o f Chl o r i d e I o n i n Co nc r e t e wi t h S t r a y Cu r r e nt GENG Ji a n ，DI NG Qi n g j u n。 ，SUN Ji a y i n g ，SUN Bi n g - n a n 。 ( 1 Re s e a r c h Ce n t e r o f Gr e e n Bu i l d i n g Ma t e r i a l s a n d W a s t e Re s o u r c e s Re u s e ，Ni n g b o I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ，Z h e j i a n g Un i v e r s i t y ，Ni n g b o 3 1 5 i 0 0，Ch i n a ；2 Co l l e g e o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ，Zh e j i a n g Un i v e r s i t y，Ha n g z h o u 31 0 05 8，Ch i n a；3 S c ho o l o f M a t e r i a l s Sc i e nc e a nd Eng i ne e r i ng，W uha n Uni v e r s i t y o f Te c hn o l o gy，W u ha n 43 00 70，Chi na ) Ab s t r a c t ：Th e t r a ns p or t c h a r a c t e r i s t i c s of c hl o r i de i on i n t o c o nc r e t e wi t h s t r a y c u r r e nt wa s i n ve s t i ga t e d by l o a d i n g d i r e c t c u r r e nt s i mul a t i ng s t r a y c ur r e n t t e s t Th e r e s u l t s i nd i c a t e t ha t t he t r a ns p o r t o f c hl o r i d e i on i nt o c o nc r e t e i s a c c e l e r a t e d whe n s t r a y c u r r e nt i s i m p o s e d，a n d t hi s e f f e c t i s e n ha n c e d wi t h t h e e x t e nd i ng pr e s e n c e a n d t he i n c r e a s i ng i n t e n s i t y of s t r a y c u r r e nt I n c o nt r a s t wi t h t he u ni f o r m t r a ns p o r t c ha r a c t e r i s t i c s o f c h l or i d e i o n i nt o c o n c r e t e wi t ho ut s t r a y c u r r e nt ，t h e p e r me a b l e z o ne i s p a r a b ol i c d i s h，t he p e ne t r a t i o n d e p t h o f c h l o r i de i on i s m a x i mum a l o n g t he d i r e c t i o n pe r p e nd i c ul a r t o t h e s t e e l b a r Ke y wo r d s：s t r a y c u r r e nt ；c h l o r i d e i o n；t r a n s po r t c ha r a c t e r i s t i c s；c on c r e t e；d ur a b i l i t y 在 自然 环境 条 件 下 ， 氯 离子 主要 通 过 混凝 土表 面 的微 裂 纹 、 内部孔 隙及 水 泥 石 一集 料 界 面过 渡 区 的薄弱 处 向混凝 土 内部 侵 入 ， 这 是 一 个 缓慢 而 又 复 杂 的过 程 ， 并涉及 许 多 机 理 尽管 如 此 ， 氯 离 子 在 混 凝土内部的传输仍被认为是以扩散为主， 其传输过 程 可 以用 F i c k 第 二定 律加 以描述 _ 1 基 于此 ， 国 内 外很多学者开展了氯盐污染环境下的混凝土使用寿 命预测方法研究 然 而 ， 对用 于地 铁 、 轻 轨 等工程 的钢 筋混凝 土来 说 ， 由于机 车在 运行 过 程 中会 有 部分 直 流 电 通 过 钢 轨泄 漏到 混凝 土结 构 中 ， 从 而形 成杂 散 电流 ， 受 该 电 流 的影 响 ， 氯离子 在 混 凝 土 内部 的传 输 速度 和方 向 均 有可 能发 生改 变 ， 其 对 混凝 土 耐 久 性将 造 成 更 为 严重的威胁 9 - 1 1 3 这种情况 下的氯离子传 输过程受 扩 散和 电传输 共 同作 用 的影 响 ， 因此 该类 工 程 的混 凝土结构耐久性寿命预测方法也应与一般工程有所 不同， 然而 目前对此尚无系统 的研究 本文将对上述 现象进行研究 ， 并讨论其与 自然环境条件下氯离子 扩散过程 的差别， 为该条件下的混凝 土结构耐久性 寿命预测提供理论参考依据 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 0 2 3 ；修订 日期： 2 0 0 9 0 1 0 8 基金项 目： 国家 自然科学 基金资助项 目( 5 0 7 7 2 0 8 4 ) ； 宁波市 自然科学基金资助项 目( 2 0 0 9 A6 1 0 1 5 6 ) 第 一作者 ： 耿健( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 内蒙古赤峰人 ， 浙江大学在站博士后 E ma i l ： g e n g j i a n wh u t e d u C r l 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 耿健 ， 等 ： 杂散电流影响下氯离子 向混凝土 内部 的传输特征 1 2 3 2 2直 流 电场模拟 杂散 电流条 件 2 2 1 通 电时间对 氯离 子渗透 深度 的影 响 表 4为利 用 2 V c m 直 流 电场 来 模 拟 杂 散 电 流 ， 并持续 通 电不 同时 间 后 的 氯离 子 在 混 凝 土 内 部 渗透 深度 测试 结果 与表 3对 比后可 知 ， 加载 直流 电 场后 ， 氯 离子 在混凝 土 内部 的侵 入深 度大 幅增 加 当 持续通电 1 6 8 h后 ， 氯离子渗透深度平均值 为 自然 扩散条件下 的 6 3 倍 ， 同时混凝土 内部分渗透区域 的氯 离子 最大扩 散 深度 已超 过 钢 筋 保 护层 厚 度 ， 其 中的钢筋 已经 出现局 部锈蚀 现 象 这 种现 象表 明 ： 杂 散 电流 的存 在能 够加 速外部 环境 中的氯离 子 向混 凝 土 内部传输 另外 ， 由表 4还 可 发 现 ， 随 通 电 时 间延 长， 氯离子在混凝土 内部的最大侵入深度及其平均 值均相应增加， 且氯离子在混凝土 内部的渗透 区域 也逐渐向钢筋表面收缩 由图 2 ( b ) 可见 ， 此时氯离 子在 混凝土 内部 的渗 透 面近 似 为 一 抛 物面 ， 其 分 布 特征 与 自然 扩散 的结果 明显 不 同 而且 ， 随扩散深 度 的增 加 ， 氯离 子逐 渐 向钢筋 表面 汇聚 ， 并 且 在垂直 钢 筋 的方 向上 侵入深 度最 大 以上结 果表 明 ， 杂散 电流 的存在不仅会加速氯离子 向混凝土 内部 的传输 ， 而 且还会使氯离子在混凝土内部 的传输方 向和分布特 征 发生 改变 表 4 不同通 电时间条件下混凝土内部的氯离子渗透深度 Ta b l e 4 P e n e t r a t i o n d e p t h o f CI i n s a mp l e s wi t h d i f f e r e n t c o n d u c t i o n t i me m m Tl ine h No 1 No 2 No 3 No 4 No 5 No 6 No 7 No 8 Me a n 1 2 5 4 5 6 5 4 2 2 4 1 2 4 6 9 l 0 1 5 1 4 1 2 8 3 9 6 4 8 9 1 2 1 6 2 O 2 0 1 6 1 5 6 1 4 3 9 6 1 3 1 5 l 8 2 2 2 1 1 7 1 5 1 2 1 6 6 1 6 8 1 5 1 7 2 4 2 9 31 2 7 1 8 1 0 21 4 2 2 2 电场强度 对 氯离子 渗透 深度 的影 响 表 5 为 分别 加载 1 ， 2 ， 4 V c m直 流 电场 以模 拟 杂散电流， 并持续通 电1 6 8 h 后试块 内部的氯离子渗 透深度测 试 结 果 由表 5可 知 ， 随 着 电场 强 度 的 升 高 ， 氯 离子 在混 凝 土 内部 的最 大侵 入 深 度及 其 平 均 表 5加载不 同场强的直流电场后混凝土内部的氯离子渗透深度 Ta b l e 5 Pe n e t r a t i o n d e p t h o f CI j n s a mp l e s i n d i f f e r e n t e l e c t r i c a l f i e l d m m El e c t r i c a l f i e l d ( V No 1 No 2 No 3 No 4 No 5 No 6 No 7 No 8 Me a n em i 1 1 0 l 4 l 6 1 9 2 O 1 8 1 5 1 0 l 5 3 2 1 5 l 7 2 4 2 9 3l 2 7 l 8 l 0 2 1 4 4 1 6 1 8 26 30 29 21 1 q 4 0 值均 相应 地有 所增 加 ， 这说 明杂 散 电 流强 度 的 增加 会加速氯离子在混凝土 内部的传输速度 同时氯离 子在混凝土内部的渗透区域向钢筋表面收缩这一现 象也 更为 明显 ， 这 表 明电场强 度 的升高 、 电流 强度 的 增加 同样 会加 速氯 离子 向钢 筋表 面 区域 汇 聚 3 结 论 杂散电流的存在不仅会加速氯离子向混凝土内 部 的传输 ， 而且还会使氯离子在混凝土 内部的传输 方 向和分 布特 征发 生 改 变 在 杂散 电流 存 在 的条 件 下 ， 氯 离子 在混 凝土 内部 的渗 透面 为一抛 物面 ， 随着 扩散深度的增加 ， 氯离子逐渐向钢筋表面汇聚 ， 并且 在 垂直 钢筋 的方 向上 其侵 入深 度最 大 同时 ， 随 着杂 散 电流 电流强度 的增 加 和通 电时 间 的延 长 ， 这 种 影 响更为 明显 因此 ， 在 地铁 工程 混凝 土耐久 性寿 命预 测时还应考虑杂散电流对氯离子向混凝土内部传输 过 程 的影 响 参 考文 献 ： 1 刘芳 ， 宋志刚， 潘仁 泉， 等 用 F i c k第二 定律描述 混凝 土中氯 离子浓度分布的适用 性L J 混凝土 与水泥 制品 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 7 1 0 LI U Fa ng， S ONG Z hi g a n g， PAN Re n - q u a n， e t a 1 Di s c u s s i o n o n t he f e a s i bi l i t y o f us i n g F i c k S s e c o n d l a w t o d e s c r i p i n g t h e d i s t r i b u t i o n o f c h l o r i e i o n s J Ch i n a C o n c r e t e a n d Ce me n t Pr o d uc t s ， 2 0 0 5 ( 4 )： 7 一 l 0 ( i n Ch i n e s e ) 2 金伟 良， 张苑竹 预估混凝土氯离子分布的新方法 J 浙江大 学学报 ： 工学版 ， 2 0 0 4 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 9 5 1 9 9 J I N W e i l i a n g， ZHANG Yu a n z h u Ne w a p p r o a c h t o p r e d i c t t h e d i s t r i b u t i o n o f 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 J J o u r n a l o f Z he j i a n g Un i v e r s i t y： En g i n e e r i n g Sc i e n c e ， 2 0 0 4， 3 8( 2 )： 1 9 5 1 9 9 ( i n Ch i n e s e ) 3 吴瑾 钢筋混凝土结构锈蚀 损伤检测 评估E M 北 京： 科学 出 版 社 ， 2 0 0 5 ： 2 4 5 W U J i n De t e c t i o n a n d e v a l u a t i n g o f c o r r o s i o n d a ma g e i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e M B e ij i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 5 ： 2 4 5 ( i n Ch i n e s e ) 4 施惠生 ， 王琼 海工 混凝土使用 寿命预测 旧 J 建筑材料 学报 ， 2 0 0 4， 7 ( 2 )： 1 6 2 1 6 7 S HI Hu i s h e n g， W ANG Qi o n g Re s e a r c h o n s e r v i c e l i f e p r e d i c t io n o f ma r i n e c o n c r e t e 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 4， 7 ( 2 )： 1 6 2 1 6 7 ( i n Ch i n e s e ) 5 余红 发 ， 孙伟 ， 麻海燕 ， 等 混凝土在多重因素作用下的氯离子 扩散方程口 建筑材料学报 ， 2 0 0 2 ， 5 ( 3 ) ： 2 4 0 2 4 7 YU H o ng f a ， SUN W e i ， M A Ha l y a n， e t a 1 Di f f u s i o n e q u a t i o n s o f c h l o r i d e i o n i n c o n c r e t e u n d e r t h e c o m b i n e d a c t i o n o f d u r a b il i t y f a c t o r s E 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 2 ， 5 ( 3 )： 2 4 0 2 4 7 ( i n Ch i n e s e ) 6 MONI C A P， PHI L I P P E G R e l i a b i l i t y a p p r o a c h t O s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e e x p o s e d t O ma r i n e e n v i r o n me n t J A CI 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 4 建筑材料学报 第 1 3卷 ( 上接第 4 1页) NI U J ia - r o n g， HUO Rui rin g，YANG We n - f a ng， e t a 1 Re s e a r c h o f f a b r i c s u s e d o n PVC me mb r a n e ma t e r i a l a n d i mp l e me n t a t i o n o f s e l f - c l e a n i n g p r o p e r t y A Th e 1 2 t h Ac a d e mi c C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g s o f S p a t i a l S t r u c t u r e C B e i j i n g ： C h i n a Co ns t r u c t i o n I ns t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 0 0 8： 1 8 3 1 8 8 ( i n Ch i n e s e ) 6 赵晓娣 ， 顾振亚 P VC膜 材防污 自沽 面涂剂 的研究 f- J 天津 工业大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 1 ) ： 2 9 3 2 ZHAO Xi a o - d i ，GU Z he n y a An t i f o ul i n g a n d s e l f - c l e a n i n g t o p c o a t f i n i s h i n g a g e n t b y P VC me mb r a n e ma t e r i a l s J J o u r n a l o f Ti a n j i n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 1 ) ： 2 9 3 2 ( i n Ch i ne s e ) 7 张之秋， 杨文芳 ， 顾振亚， 等 防污 自洁建筑膜材的制备 J 3 天 津工业大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 6 ) ： 3 4 3 7 ZHANG Zh i - q i u， YANG W e n - f a n g， GU Zh e n - y a， e t a 1 P r e p a r a t i o n o f a n t i c o n t a m i n a t i o n a n d s e l f - c l e a n i n g a r c hi t e c t u r e me mb r a n e J J o u r n a l o f Tia n j i n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y ， 2 0 0 8， 2 7 ( 6) ： 3 4 3 7 ( i n Ch i n e s e ) 8T ARAF D E R N， B AN E R J E E S Ar c h i t e c t u r a l a n d c o n s t r u c t i o n f a b r i c s -A r e v i e w J Ma n ma d e Te x t il e s i n I n d i a ， 2 0 0 6 ， 4 9 ( 1 1 ) ： 4 29 4 3 3 9 B AS S E TT D c De v e l o p me n t i n c r y s t a l l i n e p o l y me r s M Lo n d o n： Ap p l i e d S c i e n c e P u b l i s h e r s ， 1 9 8 2 1 0 3 B E NZ M， E UL E R W B， G RE GO RY O J T h e i n f l u e n c e o f p r e p a r a t i o n c o n d i t i o n s o n t h e s u r f a c e mo r p h o l o g y o f p o l y( v i 一 n E 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 n y l i d e n e f l u o r i d e )fi l ms J L a n g mn i r ， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 1 ) ： 2 3 9 2 4 3 邓燕 ， 廉志军 新型表面防污 自洁表面处理剂的应用 J 印染 助剂 ， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 9 ) ： 2 5 2 7 DENG Ya n， LI AN Z h i - j u nAp p l i c a t i o n o f a n e w a n t i d i r t y a n d s e l f c l e a n i n g s u r f a c e t r e a t me n t c o a t i n g J 3 Te x t i l e Au ) 【 i 1 一 i a r i e s ， 2 0 0 5， 2 2 ( 9 )： 2 5 2 7 ( i n Ch i n e s e ) TES H I M A K ， S UGI M URA H ， I NOUE Y ， e t a 1 Ul t r a wa t e r - r e p e l l e n t p o l y( e t h y l e n e t e r e p h t h a l a t e ) s u b s t r a t e s J L a n g mu i r ， 2 0 0 3， 1 9 ( 2 5 ) ： 1 06 2 4 1 0 6 27 GAO L C， M c CARTHY T J A p e r f e c t l y hy dr o p h o b i c s ur f a c e l J J o u r n a l o f t h e Ame r i c a n C h e mi c a l S o c i e t y ， 2 0 0 6 ， 1 2 8 ( 2 8 )： 9 0 5 2 9 0 5 3 周宁琳 有机硅聚合物导论 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 0 ZHOU Ni n g l i n I nt r o d u c t i o n o f t he o r g a n o s i l i c o n p o l y me r M B e i j i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 0 ( i n C h i n e s e ) F I S HE R T X P S d a t a b a s e ： e l e me n t o r e n e r g y E B OL h t t p； www1 a s u r f a c e c o rn da t a b a s e e l e me nt x p s p hp， 2 0 0 9 0 1 - 04 LI X M REI N HoUDT D CREGo CALAM A M W h a t d o we n e e d f o r a s u p e r h y d r 0 p h o b i c s u r f a c e ? A r e v i e w o n t he r e c e n t p r o g r e s s i n t h e p r e p a r a t i o n o f s u pe r h y d r 0 p h o b i c s u r f a c e s J C h e mi c a l S o c i e t y R e v ie w， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 8 ) ： 1 3 5 0 1 3 6 8 BUTZ V 。 EL ZER ADi f f e r e n t i a t i o n o f n a n o - s t r u c t ur e d a n d c o n v e n t i o n a l l y wa t e r r e p e l l e n t t e x t i l e s J Me l l i a n d Te x t i l b e r i c h t e I n t e r n a t i o n a l Te x t i l e Re p o r t s ， 2 0 0 7， 8 8 ( 9 ) ： 6 7 2 - 6 7 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m