人工气候环境模拟自然潮差环境混凝土氯离子侵蚀的相似性.pdf

2 0 1 4年 第 1 1期 (总 第 3 0 1 期 ) Nu mb e r 1 1 i n 2 01 4( To t a 1 No 3 01 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORE TI CAL RES EARCH 人工气候环境模拟 自然潮差环境混凝土 氯离子侵蚀的相似性 刘如泰 。庄华夏 ，黄 ( 1 浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ； 俊 1 ,2 ，张俊芝 2 同济大学 土木工程学院，上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要 ： 在 自然气候环境中混凝土氯盐侵蚀是一个 比较缓慢的过程 ， 室内常用人工气候环境模拟 的方法来研究混凝土氯离子 的扩散性能。 以舟山现场海洋环境下和人工气候环境下的侵蚀试验为背景 ， 分析两种环境下氯离子的侵蚀浓度和扩散系数。 结果表 明： 室内人工气候环境下的混凝土氯离子侵蚀过程类似于现场 自然环境 混凝土氯离子扩散系数的相似倍数与混凝土水灰比有关。 关键词： 人工气候 ；潮差区；混凝土；氯离子 ；模拟性 中图分类号： T U 5 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 1 - 0 0 2 4 0 3 Si mi l a r i t y o f c h l o r i d e i on p e n e t r a t i o n i n t o c o n c r e t e b e t w e e n t h e a r t i f ic i a l w e a t h e r e n v i r o n m e n t a n d nat ur al t i da l en vi r onm en t U URu t a i ， ZHUANG Hu a x i a ， HUANGJ a n 一。 ZHANGJ an z h i ( 1 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 i a n g 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 2 Co l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g， To n g i i Un i v e r s i t y， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ： The c h l o r i d e i o n p e n e a t i o n i n t o c o n c r e t e i n n a t ur e we a t h e r e n v i r o n me nt i s a c o mpa r i s o n s l o wn e s s pr oc e s s， S O t h e l a b o r a t o r y i ns i d e i n c o mmo n u s e a r t i fic i a l we a t h e r e x p e r i me nt t o s t u d y d i f f u s i o n p r o pe r t i e s of c h l o r i de i o n p e n e t r a t i on i n t o c o n c r e t e On t he b a s i s of c hl o r i de i o n i n g r e s s c o nc r e t e u nd e r o n s i t e ma r i ne e n vi r o n me n t i n Zho us h an a n d a r t i fic i a l we a t he r e n v i r o n me n t the c o nc e n a t i o n o f c hl o r i d e i o n a nd t h e d i f fil s i o n C O C f fic i e n t s we r e d i s c us s e d u n d e r t h e t wo k i n ds o f e nv ffo n r n e nt Th e a n a l y s i s r e s u l t s s h o we d t h e c hl o r i de i o n pe n e t r a t i o n i n t o c o nc r e t e u nd e r the a r t i fic i a l we a t h e r e n vi r o n me n t h a v e s i mi l a r l a w wi t h t h a t u n de r na tur a l t i d a l e n v i r o n me n t the s i mi l a r i t y r a t i o o fd i f f us i o n t o e f fic i e n t s wa s c o n ne c t e d wi t h wa t e r c e me nt r a t i o of c o nc r e t e Ke y wo r d s ： a r t i fi c i a l we a t h e r ； t i d a l z o n e ； c o n c r e t e ； c h l o r i d e i o n； s i mi l a r i ty 0 引言 氯盐侵蚀造成 的混凝土结构耐久性失效 已经是世界 土木 T程界最为关注的问题之一 ， 大量实践证明 ， 氯离子 引起的钢筋锈蚀 是影响混凝 土耐久性 的重要 因素I 】1 。 在我 围沿海地 区 ， 氯盐侵蚀 问题给 国民经济带来 巨大损失 ， 是 一 个十分重要且迫切需要解决的问题 2 1 。 目前 ， 国内外对混 凝 土构件进行 的腐蚀试验 的方法有现场测试法 和室 内模 拟法3 _ 。 虽然现场测试可 以较真实 的反映氯离子侵蚀情况 ， 但需花费大量的人力 、 物力及财力 ， 且周期较长 ， 对于解决 急需建设 1 二 程 的耐久性 问题是不现实 的 。 室 内模拟法 中 的人T气候环境模拟法 能够在较短 的时间内和确定 的环 境 条件下得 到构 件的氯盐侵蚀 规律 ， 因此也被广泛应用 ， 但模拟试验的相似性研究并不多l 5 l 。 本研究 以舟 山现场海洋环境潮差区混凝土氯盐侵蚀 为背景 ， 进行模拟 自然潮差 区环境参数 的试验 ， 并 以改变 其参数和提高氯盐侵蚀速度的方式 ， 设计 了人工气候环境 加速氯盐侵蚀模 拟试验 。 根据 自然潮差环境和室 内试验的 结果进行对 比， 初步分析 了人工气候环境和 自然海洋潮差 环境之间的混凝土氯离子侵蚀的相似性 。 1 海 洋环境潮差 区氯 离子侵蚀试验 1 1 试验 原材料及 配合 比设 计 本试 验中使用 的水泥为钱潮牌 P C 3 2 5 级 水泥 ， 水 泥密 度为 3 1 0 0 k g m3 粗骨料为最大粒径 4 0 i n n l 的砾石 ， 表观密度为 2 7 0 0 k g m ； 细骨料为细度模数为 2 4的中细 河沙 ( 级配合格 ) ， 表 观密度为 2 6 0 0k g m ； 拌和水 和养 护 水均采用杭州当地 自来水 ， 密度取为 1 0 0 0 k g m ； 无任何 外 加剂。 试验混凝土单位用水量为 1 9 0 k g ， 为消除砂率对侵蚀 结果 的影响 ， 各混凝土试件 的砂率均为 3 2 。 设 计 了三种 水灰 比( 0 4 0 、 0 5 0和 0 6 0 ) 的混凝土 的配合 比见表 1 。 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 5 0 7 基金 项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 9 1 8 1 ， 5 0 8 7 9 0 7 9 ) ； 浙江 省 自然科学基金项 目( L Y1 3 E 0 9 0 0 0 8 ) 2 4 表 1 海洋环境潮差区现场试验混凝土配合比 1 2 试验 方案设计 海洋环境潮差 区的侵蚀试验在浙江舟 山某 临海潮差 区域 内进行。 根据上述配合比制备直径 1 0 0 mm， 高度 5 0 m m 的圆柱型试件 。 为消除随机性对试验结果 的影 响 ， 每种规 格制备 5 个试件 。 试件成型之后 ， 标准环境 下养护 2 8 d ， 在 其侧面和成型面涂上环氧树 脂 ， 然后将所 有试件放置在定 制钢筋笼 中， 通 过钢丝绳将钢筋笼 固定在舟山定海新城某 滨海码头附近滩涂的潮差 区内， 进行现场氯离子侵蚀试验 。 至设定取样时 间 1 2 0 d 取 回试件 ， 在室 内进行氯离子 浓度测试 ， 即从试件表 面开始 向内研磨粉末 ， 以每 2 mm厚 度粉末 的平均氯离子浓度作 为对应深度处 的氯 离子浓度 值 ， 研磨至 2 0 m m 为止 ， 取得 1 0个样本 浓度值 。 具体测试 方法见文献 5 】 ， 本试验所得到 的浓度值均为混凝土 中 自由 氯离子 占粉末的质量百分 比。 2 人 工 气候 环境混凝土氯 离子侵蚀 试验 2 1 试验原材料及 配合 比设计 为减少材料本 身材料性 能的随机性对试验 结论的影 响 ， 室 内模拟试验材料 、 配合 比等 与现场 氯离子 侵蚀试 验 完全相同 ， 如上述 。 现场试验试件编号记为 A， 室 内试验试 件编号为 B 。 2 I 2 模 拟试验方案设计 试件规格制备 、 养护 和成型等 同上 ， 待环 氧树脂硬化 后 ， 将其放置于人工气候环境模 拟室进行模 拟试验 ， 经过 1 2 0 d 后将试件按上述方法处理 。 影响氯离子侵蚀 的环境 因素很多 ， 本试验重点对海水 盐浓度 、 温度 和湿度等进行模拟 ， 并按 照现场环境下主要 环境参数 的变化规律进行模拟 ， 设置 了 4 个环境条件 ， 对 应于现场所处位置的春 、 夏 、 秋和冬 四季 。 考虑腐蚀需要加 速 ， 试验时气温采用该位置季平 均气温 的 2 倍 ， 人 工气候 环境设计参数如下表 2 所示 。 表 2人工气候环境设计参数 ( 温度与湿度 ) 在本试验中， 采用 1 2 5 的盐雾向整个气候箱均匀喷雾 ， 以达到加速腐蚀 的效果 。 结合背景工程取样位置潮水位的 波动特征 ， 设置的喷雾腐蚀时间为 4 h ， 之后干燥腐蚀 4 4 h ； 按照表 2中的环境依次循环 ， 相当于经历四个气候环境后 为一个大循环( 8 d ， 相当于模拟 自然环境腐蚀时问 1 a ) 。 3 试验结果及相似性分析 3 1 混凝土中氯离子浓度及相似性 根据现场滨海潮差区侵蚀试验和室 内模拟试验结果 ， 图 1 以三种水灰比， 侵蚀时间均为 1 2 0 d 的混凝土试件为例 ， 给出了两种环境下混凝 土中自由氯离子浓度分布曲线。 连 翅 证 鲢 避 橱 足 旺 皿 室 内 室 内 室 内 现 场 现 场 现 场 d ( 0 d ( 0 d ( 0 d ( 0 d ( 0 d ( 0 2 4 6 1 U l Z 1 4 l 6 1 2o 距表 面深度 mm 图 1 自然潮差区和人工气候模拟试验中混凝土的 自由氯离子浓度分布图 从 图1 中可知 ， 无论是现场潮差 区试验还是人工气候 环境模拟试验 ， 混凝土中的 自由氯离子浓度分布曲线 中均 存 在对流 区， 且对 流区厚度在 4 m m左 右的位置 ， 因此两 者在侵蚀机理上具有相似性 5 。 两种试验下分布图 的峰值 浓度均 随水灰 比的增大而增大 ； 同一深度处 ， 水灰 比大 的 混凝土 自由氯离子浓度值 总是大于水灰 比小 的。 比较两种 试验 的峰值浓 度可知 ， 在相同 的侵蚀时间条件下 ， 水灰 比 为 0 4 0 、 0 5 0 和 0 6 0 的室内侵蚀试件的氯离子峰值浓度值 均大于现场试验的峰值浓度值 ， 前者分别是后者的 1 9 0 倍 、 1 8 3 倍 和 1 6 4 倍 。 由此可见 ， 室内人 工气候环境试验加速 了氯离子的侵蚀。 3 2 混凝 土氯 离子 扩散 系数及相 似性 采用 文献 6 的方 法 ， 可拟合得 到现场试验和 室 内模 拟试验各试件的氯离子扩散系数。 表 3 列出了两种环境下 ( t = 1 2 0 d ) 混凝土的氯离子扩散系数及倍数。 表 3 海洋环境现场试验和人工气候模拟试验的混凝土扩散系数 分析表 3中的结果可知 ， 无论是室 内人工气候模拟试 验还是海洋环境潮差区的现场试验 ， 混凝土的扩散 系数随 着水灰 比的增 大而增大 ， 说明水灰 比越小 ， 混凝土 的抗氯 离子侵蚀性 能越好 ， 且通过 数据拟合可知 ， 扩散系数与水 灰 比较好地符合指数模型 ， 见式 ( 1 ) 。 ， 、 D = 1e 【 - 6 - J ( 1 ) 式 中： K 、 K ： 拟合系数 ； 一 水灰比 ； L D扩散系数 ， 1 0 1 2 m2 s 。 分别拟合 两种试 验条件 下的指 数方程 见式( 2 ) 和( 3 ) ( R z 均大于 9 5 ) ： 自然海洋环境下： D ： 0 4 1 3 6 。 f ) 人工气候环境下： D ： 0 2 9 6 7 e 4 s 4 5 ( cE - - ) ( 2 ) ( 3 ) 25 从表 3中可知 ， 扩散 系数相 似倍数也 随着水灰 比的 增大 而增大 ， 水灰 比较 小时 ， 相似倍数 接近 于 1 ， 说 明水 灰 比越小 ， 人工 气候 环境模 拟效果 越好 。 相 同水 灰 比时 人 工气候 环境模 拟试 验氯 离子 扩散 系数 大于 现场试 验 的 ， 说 明通过 加大 氯盐浓 度 、 温 度 和湿度 能够 较好 地实 现加速侵蚀 的 目的 ， 其原 因是人 _T气候 环境模拟 较高 的 温度 ， 提供 了 自由氯离子较 大的活化能 8 ， 加快 了氯离子 的扩散 ； 另 外 ， 较 高 的氯盐浓 度使 氯离 子侵蚀 时形 成较 大的浓度梯度 _9 _ 。 因此 ， 人工 气候环境试验 加速 了氯离 子 的侵蚀 ， 与 自然环境 的混 凝土侵 蚀在侵蚀过程 上一定 的 相似性 4结 论 本研究以自然海洋环境下潮差区和室内人工气候环 境加速模拟试验混凝土氯盐侵蚀为背景 ， 分析 了侵蚀过程 和扩散 系数的相似性 ， 得到如下结论 ： ( 1 ) 两种试验条件下混凝土的氯离子侵蚀均存在对流 区 ， 对流 区厚度等侵蚀过程有一定的相似性。 ( 2 ) 人工气候环境加速模拟试验与现场环境下的侵蚀 ， 混凝土扩散系数有相似规律 ， 扩散系数相似倍数随着水灰 比的增大而增大 ， 水灰 比越小 时 ， 人工气候环境模拟效果 越 好 参考文献 ： 【 1 l MEH T A P K， B URR OU S R W B u i l d i n g d u r a b l e s t r u c t u r e i n t h e 2 1 c e n t u r y J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l 。 2 0 0 1 ( 3 ) ： 5 7 6 3 2 】 金伟良， 赵羽习 混凝土结构耐久性【 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 2 ： 1 2 3 】王建东 ， 张俊芝 ， 沈妙金 ， 等 关于人工气候环境下混凝土梁 中 氯离子侵蚀规律的研I 】 浙江工业大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 6 ) ： 6 2 5 6 28 4 1耿欧 ， 袁迎曙 ， 李果 ， 等 冈 筋混凝土耐久性人 工气候加速退化 试验相关性研究【 J 1 混凝土， 2 0 0 4 ， 1 7 1( 1 ) ： 2 9 3 1 5 黄俊 ， 张俊芝 ， 吴灵杰 ， 等 干湿循环条件下混凝土 氯离子侵蚀 的模拟试验及相似性f J 混凝土， 2 0 1 2 ， 2 7 8 ( 1 2 ) ： 4 - 8 【 6 1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 1 杭州 ： 浙江工业大学 ， 2 0 0 8 【 7 金骏， 吴国坚， 翁杰， 等 水灰比对氯离子扩散系数和碳化速率 影响的试验研究 J l _ 圭 酸盐学报， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 4 ) ： 9 4 3 9 4 9 【 8 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 1 杭州 ： 浙江大学学报 ， 2 0 0 9 ， 4 3 ( 6 ) ： 1 0 7 1 1 0 7 6 【 9 】L I N D V A L L A C h l o r i d e i n g r e s s d a t a f r o m fi 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 作者简介 ： 联 系地 址 ： 联 系电话 刘如泰( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 硕士研究生， 主要从事混凝土结 构及耐久性研究工作。 浙江省 杭州市浙江 工业大学 朝晖校 区研 4 1 2信箱 ( 3 1 0 0 1 4 ) 1 88 571 8 6 42 7 三部委力促海水拌养混凝土等新材料做大做强 发改委 、 财政部 、 工信部 E t 前联合 印发 关键材料升级换代工程实施方案 ， 按照“ 需求牵引、 创新驱动 、 企业主体 、 政府 引导” 的发展思路， 紧紧围绕支撑我国新一代信息技术、 节能环保 、 海洋工程、 先进轨道交通等战略性新兴产业发展和国民 经济重大工程建设需求 ， 选择一批产业发展急需 、 市场潜 力巨大 且前期基础较好的关键新 材料 ， 支持产业链上下游优势 互补与协 同合作 ， 推动我国新材料产业做大做强。 到 2 0 1 6 年 ， 推动新一代信息技术 、 节能环保 、 海洋工程和先进轨道交通装备等产业发展急需的大尺寸单晶硅 、 宽禁带 半 导体及器件 、 新型平板显示玻璃 、 石墨烯 、 P M 2 5 过滤材料 、 高性能 L o w E玻璃 、 高速铁路轮对 、 液化天然气船用殷瓦 合金薄带 、 钛合金管 、 海水拌养混凝土、 新型防腐涂料等 2 0 种左右重点新材料实现批量稳定生产和规模应用 。 促进材料生 产企业与重大示范应用企业建立优势互补 、 紧密合作 、 利益共享机制清晰的新型关系 。 培育 3 0 家左 右具有较强持续创新 能力和市场影响力的新材料企业 。 方案提 出支持南海 岛礁 建设 用海 水拌 养型混凝 土产业 化 ，珊瑚礁 、砂集料海水拌养混凝 土就地 取材利用率大 于 7 5 ， 2 8 d 抗 压强度不低于 5 0 MP a ， 劈裂抗拉强度大于 5 0 MP a ， 海水拌养型混凝土年产能达到 2 0 万 m 并 在南海 岛礁建 设 中实现示范应用 ； 支持适用于南海 岛礁 建设的新 型墙体材料产业化 ， 耐火等级达到 A级 ， 抗压强度大于 1 0 MP a ， 抗折强 度大 于 2 5 MP a ， 墙体材料吸水率不大于 1 5 ， 热惰性 大于 2 5 c a l ( c m， 。 C S ) ， 新型墙 体材料单线年产能 达到 1 0 万 m ， 墙 体制 品在南海 岛礁建设 中实现示范应用 。 支持 业用高性能 P M 2 5 过滤材料产业化和规模应用 ， P M 2 5 过滤材料过滤效率大于 8 5 ，长期工作温度不低于 2 4 0， 年产能达到 5 0 0万 m z 以上 ， 烟气粉尘排放浓度降低 5 0 ， 在 5 家以上大型燃煤发电、 钢铁或水泥企业实现规模应 用 。 支持高性能相变蓄能石膏板产业化 ， 石膏板相变潜热大于 4 0 k J &g ， 阻燃性 能达到 B级 以上 ， 相变蓄能石膏板 年产 能 达到 2 0 0 万 m z ， 并实现 1 O 0万 m。 以上示范应用 。 方案 同时提 ， 面向重大需求 ， 聚焦有 限 目标 。 聚焦新一代信息技术 、 节能环保 、 海洋工程 、 先进轨道交通等战略性新 兴产业和围民经济重大需求 ， 重点支持需求潜力 巨大 、 国内尚属空 白的关键新材料规模稳定产业化与示范应用。 同时 ， 促 进部分技术落后或不能稳定生产的重点新材料尽快实现技术升级和批量稳定产业化与规模应用 。 2 6