混凝土层划分与氯离子分布的表征方法及应用.pdf

第 1 6 卷第 3期 2 0 1 3年 6月 建筑材料学报 J 0URNAL OF BUI LDI NG MATE RI ALS Vo 1 16， No 3 J u n ， 2 0 1 3 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 4 2 2 0 7 混凝土层划分与氯离子分布 的表征 方法及应用 黄智 山， 魏荟荟 ( 哈尔滨工业大学 土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 6 ) 摘要 ：混凝土表 面渗透性的研究与评价 ， 均与表面层的次级层量化及其性能表征有关 阐述 了混凝 土 中部 分 与层有 关 的参数 ， 提 出距表 面断距 2 7 、 距表 面单 位断距 中值 z和 距表 面 单位 断距 层 Z这 3 个 主要 概 念 ， 建 立 了混凝 土 中层 的 划分 方 法 、 表 征 方 法及 其 分布 模 型 与 单位 横 断层 性 能 参数 C ( 单位横断层氯 离子质量分数) 及其分布的表征方法， 通过该表征方法分析研究了 c 的试验值 ， 结 果表 明 ： 影 响混凝 土渗 透性 的表层厚 度 为 2 0 3 0 mm， Z 。 一2 5 0 5 是 一 个特殊 断层 ， 分层取 样 断距量级宜为亚毫米级 ， 表面渗透层厚度可仅 限于 1 0 mm； C H s 表观分布模型 C H s b z ( z ) 呈指数 函 数分布， 表 面渗透层 内表面和外表 面处的 C H 其基准不同， 数值也不同 给 出了单位横 断层的位 置 与 分布模 型和部 分 与层有 关的 结构层 分布模 型 ， 同时标 示 C 及其 分布 的表征 方法 关键词 ：混凝 土 ； 表 面渗 透层 ； 距表 面断距 ；氯 离子 ；结构层 分布模 型 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 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 3 0 3 0 0 8 Di v i s i o n o f La y e r s i n Co n c r e t e a n d Ch a r a c t e r i z a t i o n M e t h o d s f o r Di s t r i b u t i o n o f Chl o r i d e Co n c e n t r a t i o n a n d I t s Ap pl i c a t i o n HUAN G Zhi - s h an W EI Hui h ui ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g，Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ，Ha r b i n 1 5 0 0 0 6，Ch i n a ) Ab s t r a c t：St u dy a n d e v a l ua t i o n o f p e r me a b i l i t y o f c o nc r e t e s u r f a c e a r e r e l a t e d t o qu a n t i z a t i o n o f t he s e c on d a r y a r e a of t he c onc r e t e s ur f a c e l a ye r a nd i t s pe r f o r m a nc e c h a r a c t e r i z a t i o n S ome p a r a me t e r s r e l a t i ng t o c onc r e t e l a ye r s a r e s t u di e d Thr e e m a i n c o nc e pt s i nc l u d i ng t h e f a u l t d i s pl a c e m e n t f r om t he i n ne r s ur f a c e z。 t he me d i a n o f f a u l t di s p l a c e m e nt f r o m t he i nne r s u r f a c e z。a nd t he un i t f a u l t l a y e r f r o m s ur f a c e Z i S p r o p o s e d Th e n t h e d i v i s i o n me t h o d，c h a r a c t e r i z a t i o n me t h o d a n d d i s t r i b u t i o n mo d e l O f u n i t c r o s s s e c t i o n l a y e r S a s we l l a s t h e p e r f or ma nc e p a r a m e t e r a n d t h e d i s t r i bu t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n me t h o d o f t he u ni t c r o s s s e c t i o n l a ye r a r e e s t a b l i s h e d The r e s e a r c h p ur p os e a n d s i g ni f i c a nc e o f pe r m e a bl e s ur f a c e l a y e r b a s e d on c hl or i d e i o n a r e c l a r i f i e d The t e s t r e s ul t of c hl o r i de i o n m a s s f r a c t i o n i n un i t c r o s s s e c t i on a 1 l a ye r i S a na l yz e d wi t h t h e c ha r a c t e r i z a t i o n me t h od s o f S a n d i t s CH s I t i s kno wn t h a t t h e s ur f a c e l a y e r t h i c kne s s a f f e c t i n g t he p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e i s 2 03 0 mm Z3 2 5 -4 -_ 0 5 i s a s pe c i a l f a u l t The f a ul t m a gn i t ud e o f s t r a t i f i e d s a m p l i n g i s s ub mi l l i me t e r l e ve 1 Th e t h i c k ne s s o f p e r me a b l e s ur f a c e l a y e r i s l i mi t e d t o 1 0 m m Th e a pp a r e n t di s t r i b ut i on mod e l o f CH s i s a n e xp o ne n t i a l f un c t i o n CH s b z( x) The be n c h ma r k o f CH s a t t he i nn e r s u r f a c e of p e r me a b l e l a ye r s ur f a c e i S d i f f e r e n t f r o m t ha t a t o u t e r s ur f a c e Th e d i s t r i bu t i o n m o d e l o f t h e po s i t i o n a nd d i s t r i bu t i o n o f f a ul t a s we l l a s t he s t r u c t u r e l a y e r pa r t l y r e l a t i ng t o t he l a y e r s a r e p r o p os e d At t he s a me t i me t he c ha r a c t e r i z a t i o n me t ho d f o r CH s a nd i t s d i s t r i bu t i o n a r e pu t f o r wa r d Ke y wo r d s ：c o nc r e t e；p e r me a bl e s ur f a c e l a ye r ；f a u l t d i s p l a c e me n t f r o m t he i nn e r s u r f a c e；c hl o r i d e i on；di s t r j b ut i on mo de l o f s t r l 1 r t I 1 r a 1 1 e ve l 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 1 1 6 第一作者 ： 黄智山( 1 9 6 3 ) ， 男， 黑龙江哈尔滨人 ， 哈尔滨工业大学副教授 ， 硕士 E ma i l ： h y z s 3 6 9 1 2 6 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 黄智 山， 等 ： 混凝土层划分与氯离子分布的表征方法及应用 4 2 3 有 害离 子和 物质 的渗透 系数 与扩 散系数 是 评价 混凝土耐久性 的重要参数之一l_ 】 。 国内外混凝土渗 透 耐久性 的研 究 主 要 集 中 于两 个 方 面 ： 混凝 土 的渗 透性 和混凝 土表 层 的抗 渗性 混 凝 土 渗 透 性 的评 价 方 法分 为快 速法 和慢速 法 快 速法 尚存 分歧 ； 慢 速法 又称 自然浸泡法， 经时长但接近实际 1 ， 用其对混 凝土结构进行耐久性评估及剩余使用寿命计算相对 快速法更为可靠_ 4 为了进一步提高混凝 土结构 的 渗 透耐 久性 ， 透水 模 板 成 型 技术 和硅 烷 表 面 处理 技 术 的 附加 措施 也被 纳入 相关标 准 5 ， 主要 采 用慢 速 法 来评价 混凝 土表 层质量 或 附加措 施对 混凝 土渗 透 性 的影 响 ， 这 归 因 于慢 速 法 既 与表 面层 厚 度 与其 次 级 层 的 厚 度 有 关 大 量 相 关 研 究 文 献 比较 发 现 ： ( 1 ) 由于与层 有关 的混 凝 土 结 构 层 的参 数 ， 如 表 层 、 浅 表 层 、 膜层 、 表 面 层 、 边缘 区等 尚处于 定性 的模 糊 阶段 ， 分 层 取 样 的 表 面 层 厚 度 为 6 0 mm口 ， 1 0 0 mml 1 加 或 达 3 0 0 mmI 2 ， 分 层 取 样 间 距 为 1 0 mm ， 2 0 mml l 9 。 或 5 0 mm ， 相 差 高 达 5 倍 ， 得 出相差 较 大 的影 响 混 凝 土渗 透 性 的 表 层厚 度 2 5 mm 1 ， 1 5 0 mml _ 2 ， 分别 占潮汐区钢筋混凝 土柱保 护层 厚度 4 5 0 mm_ 2 。 的 5 5 ， 3 3 3 ， 由此 可 得 出 ， 任何 一种 混凝 土结构 的使用 寿命 ， 在 很 大程 度 上 取 决 于 混 凝 土 表 层 对 侵 蚀 性 物 质 的 抵 抗 能 力 _ 2 。 ； ( 2 ) 暴露 环境 与其 作用 等 级 相 同时 ， 钢 筋 混凝 土结构 的保 护层厚 度在 相关 标准 中还有 着一 定 的差 异 ； ( 3 ) 采 用氯 离子 侵入 深度 和与之 对应 的氯 离 子质 量分数为参 数 ， 表征 氯离 子质量 分数 分布 的基准 不 同 上 述 问题 的关 键 ， 在 于混 凝 土 表 面层 的 次级 层 的量化 与表 征 本 文 借 助 构 造地 质 学 和 影像 解 剖学 领域 中常用 的断层 、 横 断层 和断距 的原 概念 ， 阐 明混 凝土中层的划分 、 层的位置表征、 部分与层有关的参 数 ， 给出单位横断层混凝土性能参数的表征方法； 以 混凝土表面渗透层 内单位横断层氯离子质量分数的 研究 为例 ， 量化 了显 著影 响混凝 土 渗透 性 的表 层厚 度， 并建立氯离子质量分数表观分布模型 ， 以阐明混 凝 土表 面渗 透层 内表 面和外 表 面处 的氯离子 质 量分 数 的基 准 与数值 1 混凝土 中层 的划分与表征方法 混 凝土 表面 渗透层 的研 究基 准为 氯离 子沿 试件 一 维方 向上单 面渗 透 ， 垂 直 于 渗 透轴 线 方 向上 任 意 断距的断层 ， 广义上统称为混凝土的横断层 横断层 同时有 区域 的含 义 ， 也 称为 横断层 区 ； 断距 同时 有厚 度 或 间距及 断层 的含 义 1 1 距表 面断 距 X和最 大侵入 深 度 X 将 氯离子 渗透 一维 轴线方 向上 的混凝 土 表 面与 混凝土内任意垂直断面之间的距离称之为距渗透层 表 面断 距 ， 简 称距 表面 断距 ， 或相 对渗透 层表 面 的间 距 简称 为 断 距 ， 用 z表 示 ， mm 将 环 境 溶 液 中氯 离 子侵蚀混凝土的作用时间简称为经时 ， 用 t 表示 ， 单 位为 d或 a 经 t 侵入混凝土中的氯离子可达到的最 大侵入深度 ， 用与之对应 的断距 z ， 表示 t 可为基 准 经时 t 。 ， 也 可为某 一任 意经 时 t ( t 。 ) 1 2部分 与层有 关 的结构层 参数 与 层相关 的结 构 层 参 数 有 ： 浅 表 层 、 表 层 、 表 面 渗 透层 、 渗透 层 、 内部 层 、 核 心层 、 核心 渗 透 层 、 钢 筋 保 护层 部分 与层 有关 的参数 阐述 如下 1 2 1表 面渗透 层 将 氯离子 一维 单面 渗透方 向上距渗 透层 表 面断 距为 1 0 0 mm的横断层称之为混凝土表面渗透层 ， 其 厚度 HB 一1 0 0 mm， 距 表 面 断距 z H B 一 1 0 0 mm， 断距取值范围 2 7 ( 0 ， 1 0 0 或 0 x 1 0 0 不同表 征 方法 可用 于表 面渗 透层 的不 同描述 表 面渗 透 层 的 表 面 分 为 内 表 面 和 外 表 面 ， 且 H = ： = +0 mm， H 一一0 mm， HB 0 0 mm 将 外 表 面处 的氯 离子质 量分 数视 为环 境溶液 中的氯离 子 质量分 数 ； 内表 面 处 的氯 离 子 质 量分 数 则 为 内表 面 处 毛细 孔溶 液 中 的氯 离 子质 量 分 数 ， 两 者 表 征氯 离 子 质量 分 数 的 基 准 不 同 ， 数 值 也 不 同 距 渗 透 层 表 面 、 距 表面等 术语 均指距 渗 透层表 面 的 内表 面 1 2 2 渗 透层 表层 渗 透层 表层 具 有单 面 渗 透 的 唯一 性 ， 是 与成 型 模 板 接 触 的表 层 ， 其 厚 度用 H 表 示 ， 相应 的距 表 面断距 2 7 一lz mm( 0 z 1 0 0 ) ， 下 标 “ z ” 表 示 H眦 的断距厚 度 是 一个 待 量 化 的关 键 变 量 参 数 ， 等 同于通 常 的表层 ( 或表 面层 、 边缘 区等 ) 厚度 ， 但 两者 的物理意义不同， 后者可具有渗透的多面性 1 2 3 渗 透层 将 环 境溶 液 中氯 离子 经 t ( 。 ) 侵 入 混凝 土 的 最大渗 透 层 ， 或氯 离子 最大 侵入 深度 -z 处 的断 面 与渗透 层表 面 之 间 的横 断 层 简称 混 凝 土 的 渗透 层 ， 其厚度用 HB m 表示 ， 是与 t 有关的参数 ， 其值域表 示为 ： z ， H - f ， Iz ( 0 ， ， 或 0 Lz 1 2 4核 心 区渗透 层 将 氯 离子最 大侵 入 深 度 z ， 处 与 距 表 面断 距 z 一1 0 0 mm处 两 断 面 之间 的横 断层 称 之 为 核心 区渗透层 ， 其厚度和断距分别用 H盼， 和z， 表示， 其值域表 示为 ： H ， 一7 6 胁 ， 一 ， 一1 0 0 mm， z( 1 0 0 ， ,7 6 ， 或 1 0 0 S或 s s ， 且 S 一S k或 s 一 k s ( k为 大 于 1的 自 然 数 ) 由 5 一H j l O j ， 将 混凝 土 表 面 渗 透层 分 层 取 样 当 J取 2 ， 4 ， 5 ， 1 0 ， 2 O ， 2 5 ， 4 O时 ， 得 到单位 横 断 层 的 断 距 分 别 为 5 0 ， 2 5 ， 2 0 ， 1 0 ， 0 5 ， 0 4 0 ， 0 2 5 mm， J与单位横断层 的个数相对应 将分层取 样 断距 介于 0 1 s 1 0 mm 的单位 横 断 层称 之 为 亚毫米级单位横断层 ， 将断距 s 1 0 mm的狭义横 断层称 之为 毫米 级横 断层 1 3 2 距表 面断距 z的表征 方法 单 位横 断层 可用距 表面 断距 z的取 值 范 围来 表 征 z较 s和 S表征混凝土 中层 的方法更能精确地 表 征表 面渗透 层分 界面 的物理 意义 ， 如 S 可表 示 为 z( 0 ， 1 0 或 O x 1 0 z的表 征 方 法 有 动 态 性 和连续 性特 征 ， 如 H 和 H 分别 为 0 z 1 0 0 ， 0 1 0 0 1 3 3 距表 面单 位 断 距 中值 z和距 表 面单 位 断 距 层厚 度 Z 的表征 方法 由于用 单位 断距 s 和单位 横断层 厚度 S不能 表 征 z处 某一 单位 横 断层 在 混凝 土 中的 位置 与 分 布 ， 为此提 出距 表 面单位 断距 中值和距 表 面单位 断距 中 值 层 ( 简称距 表 面单 位 断 距 层 ) 厚 度 这 两个 概 念 ， 分 别用 z和 Z表 示 的物理 意义 为 ： 断距 为 s z 一z 的第 i 个 单位 横断层 在混 凝土 中距 渗透层 表面 的平均 断距 或 平 均厚 度或 平均 深度 ， 物理 量纲 为 mm， 其 表 征方 法 见 式 ( 1 ) ： z 一 ( z + z 斗 1 ) 2 ( 1 ) z的 物 理 意 义 为 ： 距 表 面 单 位 断 距 中 值 z 一 ( +1 7 ) 2处、 单位断距 为 5的第 i个单位横断 层 ， 物 理量 纲为 mm， 其表 征方 法见式 ( 2 ) ： Z 一 ( z 1 + z ) 2 ( -z 1 一 Lz ) 2 一 z s 2： z s 2 ( 2 ) 以表 面渗 透层 内表 面 为 起 始 面 ， Z 依 次表 示 为 Z1 ， Z 2 ， ， Z 1 o ， z 依 次表示 为 1 ， z 2 ， ， z 1 o Z与 S可互 为转换 ， 两者 表示 同一单位 横断 层 ， 如 S 。 可 表示为 Z 。 一2 5 0 5 数 值 上 ， 单 位 横 断层 与距 表面 单位断 距层 的断距相 等 ： l Z 汁 l Z l 斗 1 一 一 lz 斗 1 一 z 一 s= S ( 3) 混凝 土 中 层 的 3种 表 征 方 法 其 侧 重 点 不 同 ： ( 1 ) 单位 断距 s 和 单 位 横 断 层 厚 度 S， 便 于层 的 区 域 、 断层 或层 间距 的描 述 ； ( 2 ) 距 表面 断距 z， 便 于距 表 面深度 或厚度 或 间距 的数学 描述 ； ( 3 ) 距 表面 单位 断距中值 和距表 面单位断距层厚度 Z， 分别侧重 于单位横 断层 在混 凝 土 中的位 置 和分 布 的 描述 但 混凝土中层的表征方法均可归一为单位横断层的表 征方法 基于氯离子的混凝土表面渗透层其单位横断层 的位置 与分布模 型 和部分 与层有关 的结构 层 分布模 型见 图 1 2 混凝土中层的表征方法应用 由单 位 横断 层 的表 征 方 法 来 阐 明表 面渗 透 层 内 的单 位横 断层 混 凝 土性 能 参 数 C ( 氯 离 子 质 量 分数 ) 及 分 布 的 表 征 方 法 用 C 可 以 表 征 与 环 境 行 为和 结 构 失 效 评 价 有 关 的 混 凝 土 的 耐 久 性 能 ， 如氯离子、 硫酸盐腐蚀产物 、 碳化 p H、 毛细吸水量 等 ， 也 可表 征水 泥 基 混 凝 土 材 料 的 自身 性 能 ， 如 表 层 均质 性分 布 、 附壁 毛 细 孔 隙 分 布 等 ， 还 可 作 为 改 善混 凝 土表 面渗 透层 表 层 质 量 的 透 水 模 板 成 型 技 术 及提 高混 凝 土 结 构抗 腐 蚀 性 能 的 硅 烷 表 面 处 理 技 术 的评 价参 数 实 践 表 明 ， 氯 离 子 侵 入 混 凝 土 引 起 的钢 筋 锈 蚀 导 致 结 构 失 效 的 概 率 更 为 普 遍 ， 因 而 以氯 离 子 侵 入 深 度 与 氯 离 子 质 量 分 数 为 例 ， 阐 述表面渗透层 内的氯离子质量分数及其分布 的表 征 方法 及 应 用 2 1 基 于混凝 土表 面渗透 层研 究的意 义与 目的 服役 具有在 役 和 预服 役 两 种含 义 以海 洋 环 境 下 服役混 凝 土 结 构 遭 受 腐 蚀 最 为严 重 的 潮 汐 区 为 例 ， 在 室 内拟合环 境和有 限经 时 的试 验条件 下 ， 按 照 AAS HTO T2 5 9 - 2 0 0 2 E 和NT Bu i l d 4 4 3 1 9 9 5 l_ 】 标准 中混凝 土在 氯化钠 溶液 中最少 浸泡3 5 d 的要 求 ， 确 定基 准经 时 t 。 一3 5 d ， 即 浸泡 试件 作 用 经 时 。 ， 对高性能混凝土浸泡经时 9 0 d ， 也可以 是氯 离子 由混凝 土表 面 向其 内部传 输 时经保 护层 至 钢 筋表 面 ， 并积 聚 至 引起 钢 筋锈 蚀 所 需 的氯 离 子 阈 值 时 的经 时 t 。 ， 或 由氯 离子 钢筋 锈 蚀引起 结 构失 效 并 丧失其 承载 能力 时 的经 时 t 采用 慢 速试 验 法 实 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 黄智 山 ， 等 ： 混凝土层划分与氯离子分布 的表征方法及应用 4 2 5 I Chl o r i d e i o n o n e d i me n s i o n a l s i n g l e p e n e t r a t i n g d i r e c t i o n o n t h e c o n c r e t e c r o s s s e c t i o n H 2， r j ， mn l 图 1 基于氯离子一维单 面渗透方 向上混凝土表面渗透层断面纵向 ， 单位横断层 的 位置与分 布模 型和部分 与层有关 的结构层分布模型 Fi g1 Pos i t i o n a nd di s t r i b ut i on mod e l of t h e uni t c r os s s e c t i o n l ay e r a nd s o me di s t r i b ut i on mo de l s o f s t r uc t ur e l ay e r r e l a t i ng t O l a ye r ba s e d o n l on gi t ud i n a l s e c t i on of p e r me a bl e s u r f a c e l a y e r i n t h e o ne di me n s i on s i ngl e pe r me a b l e d i r e c t i o n o f C1 一 i n c onc r e t e 现 t 。 或 t 的经 时则需 要很 长 的时间 基于混凝土表面渗透层( E( 0 ， 1 0 0 1 ) 进行研 究 的意义 与 目的 在 于 ： ( 1 ) 在 表 面渗 透 层 内分 层 取 样 ， 测试 分 析侵 入各 单 位 横 断层 试 样 中 的氯 离子 质 量分数 ， 表 征为 相 对 各单 位 横 断 层混 凝 土 的 氯离 子 质量 分数 C ， 由建立 的氯离 子质 量 分数 分 布模 型 c 一 z， 可 同时评价渗透层表层的渗透性和混凝土内 部层 区 的渗透 性 ， 即 评 价表 层 的 抗 渗性 对 混 凝 土 内 部层 区渗 透 性 的影 响 ， 进 而 量化 表 层值 域 H ； ( 2 ) 由分 布模 型 C 。 一 Z可 获得 试验 条件 ( P D) 和 经 时 ( t 。 ) 时， 氯离子最大侵入深度 z ， 和氯离子侵 入混 凝土 核心 渗透 层 区内任 意深度 z 处 的氯 离子 质 量分 数 ； ( 3 ) 由必 要 的试 验 ， 确 定 混 凝 土 内部 层 区随 经 时 ( 。 ) 作用 的氯 离子 表观 扩散 系数 D 的 函数 关 系 ， 进 而可 实现 对 混 凝 土结 构 使 用 寿命 的评 价 与 预 测或 为此提 供 参 考 因此基 于 混 凝 土 表 面渗 透 层 的研 究具 有特 殊 的意义 2 2粉 末试 样制 备与 测试分 析方 法 2 2 1 粉末 试样 的制备 试验 中水 泥 用 量 为 3 5 0 k g m。 ， 单 一 主 变 量 为 水 灰 比 m m ， 配 制 m m 一 0 3 5 ， 0 4 0 ， 0 4 5 ， 0 5 0的 4种 混凝 土 ， 分别 编 号为 A， B， C， D 依 据瑞 士 建筑 结 构 协 会 S I Al 6 2 混 凝 土 结 构 材 料 试 验 方 法 _ 1 。 胡制 备 尺 寸 为5 0 0 mm5 0 0 mm7 0 mlT l 的 混凝 土母 基板 将养 护 2 8 d的混 凝 土母 基 板 切 割成 5 0 mm5 0 mm7 0 mm 的 小 试 件 母 基 板 与 成 型 模板的接触面作为氯离子传输的表面渗透层表层 ， 采用 环氧 树脂 涂刷 试 件 其 他 5个 表 面 ， 由此得 到 一 维方 向上氯离子渗透的单面基准试件 试验 采用 质量分 数 为 3 0 的 C l 一 溶 液 浸蚀 试 件 ， 以干湿循环交替各 6 h ， 7 5次循环的作用时间为 基 准经 时 t 一3 7 5 d 在 3 7 5 d后取 出试 件 ， 沿 着氯 离 子侵 入 混 凝 土 渗 透 层 表 面 的 一 维 方 向 ， 以 s 一 1 0 mm为单 位 ， 递 进分 层研磨 试件 取样 ， 得到 1 0个 亚毫米 级单位 横 断层混 凝土粉 末试 样 2 2 2 粉末 试样 的测试 分析 方法 将 以上 1 0个 粉末试 样在 1 0 5下烘 干 至恒 重 取试样 中 1 0 g粉末 与 5 0 0 mL去 离 子水 混 合 ， 采 用瑞士 Me t r o h m公 司离子色谱仪测定滤液 中的氯 离子 质量浓 度 p r ( mg L ) 由离子色谱仪测试结果来定量表征相对单位横 断层 混凝 土粉末 试样 的氯 离 子 质量 分 数 C ( ) ， 计算 方法 见式 ( 4 ) ： CH S, a l w v 一 1 0 0 ( 4 ) 式 中 ： P D 为 试 验 条 件 ； a表 示 C 。 具 体 某 一 数 值 ； wv 为 同 比试 验 中水 泥基 混凝 土材 料设计 参 数 中的 某 一主 变量 ( 如 m m ) 2 3单位横 断层 氯 离子 质 量 分数 及 其 分布 的表 征 方法 2 3 1 氯 离子质 量分 数分 布 的基 准 目前 ， 国内外 普遍采 用氯离 子侵入深度 x 和 与之 对应 的氯 离 子 质 量 分 数 这 两 个 参 数 来 表征 侵 入 混 凝 土 中氯 离 子 质 量 分 数 的 分 布 规 律 但 氯 离 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 6 建筑材料学报 第 1 6 卷 子侵入深度 X与距表面断距 z在数值上可相 同也 可不同， 采 用这两 个参数表 征氯 离子质 量分数 分 布 的基 准 不 同 ， 物 理 意义 也 不 同 氯 离 子 质 量 分 数 的 分布 基 准应 为 z， 由此能 同时 表 征环 境 中不 同介 质 侵入 表 面 渗透 层 内 的各 单 位 横 断层 混 凝 土 性 能 参 数 的分 布 规 律 ， 如 氯 离 子 质 量 分 数 分 布 和 毛 细 吸水量分布等 2 3 2 单位横断层氯离子质量分数的表征方法 单位 横 断层混凝 土材料 的性 能 以下简称 为 单位 横 断层性 能 混 凝 土 中各 层 性 能 的表 征 方 法 也 有 3 种 ： ( 1 ) 单 位横 断层粉 末试 样 氯 离子 质量 分 数 C 和 狭 义横 断层 粉末试样 氯 离子 质量 分 数 c ， C l 系指 狭 义横 断层 内 c 的平均 值 ， 适 于 c 与 c 之 间 的 比较 ； ( 2 ) 距表 面单位 断距 层粉末 试样 中 的氯 离 子质 量 分数 C ， 用 于表 征 基 于 Z 的 C 一 Z分 布 ； ( 3 ) 距 表 面单 位 断 距 中值 和 距 表 面 断 距 z， 用 于 表 征 C 一 分布或 C 一 分 布 与混凝 土 中层 的表 征方法 一 样， 上述 3种表征方法虽侧重点不同， 但均可归一 为单位横断层性能参数的表征方法 核心区渗透层 内的单位横断层和狭义横断层混 凝 土氯 离子 质量 分 数分 别 为 c 。和 C ， 其 数值 由表 面 渗透层 内试 验 测得 的 C 。 ， 及 所 建立 的氯 离 子质 量 分数分 布模 型 而 获得 氯 离子 质 量 分 数 可通 用 C 表 示 C n s 的物 理 意义为 ： 氯离 子 由一 维单 面侵人 混凝 土表面渗透层在 处 、 5 一1 0 mm 的第 i 个单位横 断层氯 离子 质量分 数 2 3 3 单 位 横 断 层 氯 离 子 质 量 分 数 分 布 的表 征 方法 单 位 横 断 层 氯 离 子 质 量 分 数 的 分 布 基 准 有 3 个 ： Z， ， z， 其 中 ， Z侧 重 于单 位 横 断层 位 置 与 分 布 的表征 ， z用于单位横断层位置的表征 ， z便于数学 描 述 ， 但 在 或 -z处 的混凝 土为 一断 面 ， 其 断距厚 度 为 0 ， 需建 立 基 于 Z的 C 一 Z分 布 与 以 z ， z表 示 的 CH S - Z和 C H S - Z 分布 之 间的关 系 由式 ( 1 ) ( 3 ) 可 得 ， z与 Z三 者之 间的转 化模 型 ： 1 因： Z z s z A x 、 当： A x 0 ， S 0时 则 ： Z 一 2 7 一 z 一 直线 由此 可见 ， C 。 一 Z分布 可用 CH s - Z或 C 一 z分 布 来 表示 混凝土表面渗透层次级结构层分布模 型( 见图 1 ) 中同时标示 出单位横断层氯离子质量分数 C 及 其分 布 的表征 方法 2 4试验 结果及 分析 2 4 1 渗 透层表 层值域 的量化 渗透层表层 H叭值域是一个待量化的关键变 量参 数 对 相毗邻 的 C 进行 比较 ， 结果 见图 2 07 龆 O - 2 0 图 2 混凝土表面渗透层内相毗邻 的单位横断层 氯离子质量分数 比 c 一 c “ F i g 2 Ra t i o o f c h l o r i d e i o n ma s s f r a c t i o n s i n t h e a d j a c e n t un i t c r o s s - s e c t i on l a y e r of p e r me a bl e s u r f a c e l a y e r i n c o n c r e t e ( CH s ( + 1 ) CH s ) 由图 2可 以看 出 ， C 与 毗邻 的 C 。 和 C 科的 比值 出现 了拐 点 表 明 C 分 布 的拐 点 介 于 Z 。 一 2 5 0 5的单位横断层 内( 参见图 3 ) ， 即显著影响 混 凝土 渗透性 的表 层厚 度 为 2 0 3 0 mm， 距 表 面 断距 z一2 0 3 0 mm 这一 结 论 ， 与 同 比试验 水灰 比为 0 4 0的混凝 土试 验结果一致 ， 且与文献 1 9 2 0 3 的结 论相 近 对 于 Z 。 一2 5 0 5是 一个 特 殊 的 断层还 将另行 论证 可见， 基于混凝土表面渗透层 的研究 ， 分层取样 断距 S 或 厚度 S的量级宜 为 0 1 1 0 mm 的亚 毫米 级 ， 表 面渗透 层 的断距或 厚度则 仅 限于 1 0 mm 这一 结论可 由文献E 1 8 2 o 3 提供佐证 ， 并将在随后的文章 中进一 步 阐述 2 4 2 单 位 横 断 层 氯 离 子 质 量 分 数 的表 观 分 布 模 型 以 m m 一0 4 5的混凝 土为 例 ， 表 面 渗透 层 内 的 C 及 其分 布结果 见 图 3 图 中横 坐标 同时 以 和 工两 个参数 表示 g 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 - 2 0 o 1 5 0 1 0 0 0 5 0 图 3 混凝土表面渗透层的单位横断层 氯离子质量分数及其分布 Fi g 3 Chl or i de i o n ma s s f r a c t i o n a n d i t s di s t r i b ut i on i n un i t c r o s s s e c t i o n l a y e r o f p e r me a b l e s u r f a c e l a y e r i n c o n c r e t e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 黄智山 ， 等 ： 混凝 土层划分 与氯离子分布 的表征方法及应用 4 2 7 由图 3可 以看 出 ， 曲线 拐点位 于 Z 。 一2 5 0 5 的单位横断层 内， 并趋于 一2 5 mm处； 随后 曲 线 经 Z 一3 5 0 5 单 位横 断层 渐变并 随 z ( 或 z ) 趋 于定值 ， 由此单位 横断 层 Z a = = = 2 5 0 5和 Z 4 3 5 0 5分别 是 与 渗 透 性 有 关 的混 凝 土 性 能 的显 变 断层 和起始 显变 断层 从 总 的变 化 趋 势 看 ， 在 混 凝 土 表 面 渗 透 层 内 ， C H S - ( z ) 呈 指 数 函数 分 布 ， 因而 由试 验 数 据 或 仅 由 图示可 建立 的 C 表 观分 布模 型 C H S 一 z ( z ) 如下 ： C H s b P e x p ( 一 D z )一 0 3 7 7 e x p ( - 0 2 3 1 ， ) ， R 一 0 9 7 0( O z ( ) 1 0 0 ) ( 6 ) 式 中 ： P 为 常数 项 系 数 ； D ， 为 随 t 而 变 化 的氯 离 子 表 观扩 散 系数 ； D 为基 准 氯离子 表 观扩 散 系数 ， 表 征 t 。 一3 7 5 d时氯 离子 在混 凝土表 面