海洋潮汐区混凝土中氯离子传输过程的试验室模拟方法.pdf

22 4 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 3期 2 0 1 2年 6月 海洋潮汐区混凝土中氯离子传输过程的 试验室模拟方法 乔 巍 ， 姬永生 ， 张博雅 ， 马会荣 ， 张领雷 ( 1 淮海工学院土木工程学院， 江苏 连云港2 2 2 0 0 5 ； 2 中国矿业大学力建学院， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ) 摘要： C l 一 侵蚀是造成混凝土内钢筋锈蚀的主要原因， 研究混凝土中氯离子侵蚀过程的试验室模拟方法是进行氯 离子侵蚀过程研究的重要条件。本文通过实际海洋工程潮汐区和水下浸泡区氯离子传输过程的对比试验， 揭示了 干湿循环条件下氯离子在混凝土中的传输速率远大于饱水混凝土内外浓差引起的氯离子扩散速率， 从而证明传统 的浸泡试验方法无法用来预测干湿循环条件下氯离子传输速率， 并在此基础上提出了实际海洋工程潮汐区氯离子 传输过程的模拟试验方法， 试验证明氯盐溶液喷淋一风干循环加速试验的氯离子传输机理和实际海洋环境潮汐区 相同， 是模拟海洋潮汐区的氯离子传输过程非常有效的方法。 关键词： 潮汐区； 浸泡区； 氯离子； 传输 ； 试验模拟 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 3 2 2 4 0 6 An a c c e l e r a t e d s i mu l a t i o n e x p e r i m e n t a l me t h o d o f t r a n s p o r t p r o c e s s o f c h l o r i d e i n c o n c r e t e e x p o s e d t o s p l a s h f r o m s e a wa t e r Q I AO We i ， J I Y o n g s h e n g ， Z H A N G B o y a ， MA H u i r o n g ， Z H A N G L i n g l e i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， H u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5 ， C h i n a ； 2 S c h ool o f Me c h a n i c s &C i v i l E n g i n e e ri n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e c h l o ri d e c o n t a mi n a t i o n i s o n e o f t h e ma i n c a u s e s t h a t i n d u c e t h e c o r r o s i o n o f s t e e l i n c o n c r e t e T h e r e s e a r c h o n t h e a c c e l e r a t e d s i mu l a t i o n e x p e rime n t a l me t h o d i s v e r y s i g n i f i c an t f o r s t u d y i n g t r a n s p o r t p r o c e s s o f c h l o ri d e i n c o n c ret e A c o n t r a s t e x pe ri me n t w a s c a r r i e d o u t t o s t u d y t r an s p o rt p r o c e s s o f c h l o ri d e i n o c e a n e n v i r o n me n t i n t h e p a p e r Th e t e s t r e s ult s i n d i c a t e t h a t t h e r a t e o f c h l o r i d e t r ans p o rt i n c o n c r e t e u n d e r w e t and d r y c y c l e s( e x pos e d t o s p l a s h f r o m s e a w a t e r )i s f ast e r t h an t h a t i m m e r s e d i n s e a w a t e r I t s u g g e s t s t h a t t h e me c h a n i s ms o f c h l o ri d e t r a n s po r t p r oc e s s a r e q u i t e d i ff e ren t i n v a r i o u s e n v i r o n me n t s T h e t r an s p o rt me c h a n i s m o f c hlo ri d e i n c o n c r e t e e x po s e d t o s p l as h f r o m s e a wa t e r i n oc e a n e n v i r o n me n t s w a s an a l y z e d A n a c c e l e r a t e d e x p e ri me n t a l me t h od of “ s p r a y a i r d r y ” w e t an d d ry r e c y c l i n g W as f o u n d T h e f u rt h e r s t u d y s h o ws t h a t i t i s a v e ry e ff e c t i v e me t h od b y wh i c h t h e t r a n s p o rt me c h a nis m o f c hlo ri d e i s i n c o rr e s p o n d e n c e wi t h t h a t e x po s e d t o s p l a s h fr o m s e a w a t e r Ke y wo r d s ： z o n e e x p o s e d t o s p l ash fr o m s e a wa t e r ； z o n e i mme rse d i n s e a wa t e r ； c hlo ri d e； t r a n s p o rt； s i mu l a t i o n e x pe ri me n t a l me t h o d O 引 言 各种破坏作用中钢筋锈蚀破坏混凝土所 占的比 例最大， 特别是在盐污染环境中， 因c l 一 侵蚀造成钢 筋锈蚀更是混凝土破坏 的主要原 因。因此 ， C l 一 在 混凝土中传输机理特别是 c l 一 在混凝土中的扩散系 数， 是各国学者普遍研究的方向， 并提出了众多的研 究成果。但 目前 的研究 主要集 中在实验室全浸 泡条件下的饱水混凝土 ， 而混凝土构件的实际工 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 - 2 2 作者简介 ： 乔巍 ( 1 9 8 1一)， 男 ， 山西忻州 人 ， 讲师 ， 硕 士 ， 主要从 事 建筑技术科学方面的研究。 基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 1 7 8 4 5 5 ) E m a i l ： q w8 1 9 9 1 2 6 c o rn 作情况并不都是在全浸泡条件下 ， 干湿交替 的工作 情况普遍存在 ， 钢筋的锈蚀也更为严重 ， 另一方面 ， 全浸泡条件下的饱水混凝土中， 即使氯化物渗透到 钢筋表面， 钢筋也因缺氧而难以锈蚀 ， 所以研究上部 结构非饱水混凝土中 C l 一 的传输机理有更实 际的工 程意义。 混凝土中氯离子的传输过程是一个非常缓慢而 又漫长的过程。加速模拟试验可以达到加速氯离子 传输、 缩短试验周期的目的。由于不同环境条件下， 氯离子在混凝土中的传输机理不 同L 5 J ， 所以进行氯 离子传输过程的加速试验研究 ， 必须首先分析结构 所处的具体环境以及在该环境条件下氯离子的传输 机理， 采用和实际具体环境条件下氯离子传输机理 相对应 的试验方法 。 乔巍， 等 ： 海洋潮汐区混凝土中氯离子传输过程的试验室模拟方法 2 2 5 本课题 以实际海洋环境为背景 ， 研究海洋潮汐 区上部结构干湿循环条件下非饱和混凝土中氯离子 传输机理 ， 并在此基础上设计实际海洋工程潮汐 区 氯离子传输过程相一致的模拟试验方法， 并进行了 自 然环境与人工加速模拟试验环境氯离子传输过程 的相关性研究 。 1 实际海洋环境潮汐 区干湿循环条 件下氯离子传输过程的试验研究 1 1 试验方案设计 1 1 1 试 验 目的 通过对 比试验研究 ， 发现在实际海洋工程中， 海 水浸泡区的 昆 凝 土和海洋潮差 区交变 ( 干湿循环) 环境条件下未饱和混凝土中氯离子的传输速率不 同， 交变环境条件下未饱和混凝 土比溶液浸泡混凝 土中氯离子传输速率快得多， 从而证明两种条件下 氯离子传输 的机理不 同。 1 1 2试件 设计 从一拆除的旧建筑物 中选取两个钢筋混凝土试 件( 内柱， 混凝土强度等级为 C 2 0 ) ， 分别放于赣榆县 海域的海洋潮汐区( 试件所放位置为年平均海水每 天浸没时间 3小时 的区域 ) 和海水浸没 区， 以比较 实际海洋环境海水浸泡区和潮汐区氯离子传输速率 的不同。 1 1 3取样 每 6个月取样一次。钻取深度 1 52 0 m m处 的混凝土粉末， 以测定不同传输时问混凝土中的氯 离子含量。并钻取 05 mm深度 范 围的混凝 土粉 末 ， 以测定混凝土试件表面的氯离子浓度的变化 。 1 1 4氯离子含量的测定 本试验氯离子含量用丹麦产 的 R C T氯离子快 速测定仪测定 ， 以占混凝土质量 的百分比计。 1 2 试验结果及分析 海水浸没区和潮汐 区不 同传输时间混凝土中的 氯离子含量见表 1 。 表 1 混凝土中的氯离子含量 T a b l e 1 Co n t e n t o f c h l o r i d e i n c o n c r e t e 由表 1试验结果可以看出 ： 1 ) 混凝土表层的氯离子含量 在 6 和 l 2 个月的侵蚀时间， 潮汐区混凝土表层 的氯离子含量分别为0 0 3 1 6 和 0 0 4 7 2 明显大 于对应侵蚀时间的浸泡区混凝土表层的氯离子含量 0 0 2 4 8 和 0 0 2 5 6 ， 而且 6和 l 2个月的侵蚀时间 浸泡区混凝土表层 的氯离子含量基本相 同， 这说明 浸泡于海水 中混凝土表面的氯离子浓度就是海水 中 的氯离子浓度 ， 是保持不变的 ， 而在潮汐 区， 由于干 湿循环的交替作用， 氯离子浓度却不停地在混凝土 表面结 晶积累 ， 昆 凝土表面的氯离子含量不断增长。 2 ) 混凝土内部的氯离子含量 在 6和 l 2个月 的侵蚀时间 ， 潮汐区 昆 凝 土 1 5 2 0 rl ll n 深度处的氯离子含量明显大于对应侵蚀时 间的浸泡区? 昆凝土 同一深度处 的氯离子含量 ， 这说 明 C l 一 在上部非饱水混凝土中的输送机理和浸泡区 不同， 其传输速率大于浸泡区的氯离子扩散速率。 1 3 海洋环境混凝土中氯离子传输过程的机理分 析 目 前的研究表明， 氯离子在混凝土中的传输 一 般有扩散、 渗透、 毛细吸收和迁移等几种机制。对 于在某特定的环境条件下 ， 其 中将有某一种侵人方 式起主导作用 。对 于暴露于海水环境 的海工 结构 ， 暴露条件不同 ， 氯离子侵入机理也不相同。 1 3 1 上部 结构潮汐区的非饱水部分 上部结构潮汐区的非饱水部分 ， 长期处于周期 性干湿交替的氯盐侵蚀环境中。潮起时， 表面风干 到某种程度的钢筋混凝土结构， 氯离子 的侵入靠直 接接触海水的混凝土毛细管吸收作用 。潮落后 ， 外 界环境又变得干燥 ， 则混凝土中水流方 向会逆转 ， 纯 水从毛细孔对大气开放的那些端头向外蒸发， 使混 凝土表层孔隙液中盐分浓度增高， 这样在混凝土表 层与内部之间形成氯离子浓差， 驱使混凝土孔隙液 中的盐份靠扩散机理 向混凝土内部扩散 。 这样 ， 风干时水 分向外迁移 ， 而盐分则 向 内迁 移。在下一次再被海水润湿时 ， 又有更 多的盐分 以 溶液的形式带进混凝 土的毛细管孔 隙中。周而复 始， 混凝土表层的氯离子浓度 c 不断增大。同时， 较深的风干使以后的湿润可以更多、 更深地带进氯 化物， 也就是使氯离子更充分地侵人。在干湿交替 作用下， 氯化物被带进混凝土中的主要机理是混凝 土毛细管孔隙的吸收。随着侵蚀时间的延长 ， 混凝 土中浓氯离子浓度分布沿 曲线 1 ， 2 ， 3 ， 4变化 ， 如 图 1所示 。 2 2 6 四川建筑科学研究 第3 8卷 Cs 一 嵌 一 键 搋 图 1 海洋潮汐区混凝土中氯离子浓度分布 F i g 1 Ch l o r i d e c o n c e n t r a t i o n p r o fil e s i n c o n c r e t e i n t h e z o n e e x p o s e d t o s p l a s h f r o m s e a wa t e r 1 3 2水 下浸 泡 区的饱 水部 分 水下部分一直接触海水 ， 由于海水 中的氯离子 浓度保持不变 ， 这样混凝土表层的氯离子含量 c 逐 渐和海水 中的氯离子浓度趋于一致 ， 等于海水中的 氯离子浓度。饱水混凝土的表层与内部之问存在氯 离子浓度差 ， 这种浓度差驱使混凝 土孔 隙液中的盐 份靠扩散机理向混凝土 内部扩散。因此 ， 氯离子在 饱水混凝土 中的传输 以扩散为主， 其传输速率基本 符合 F i c k第二定律 。随着侵蚀 时间的延长 ， 混凝土 中氯离子浓 度分布沿 曲线 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5变化 ， 如图 2 所示 。 Cs 一 世( 蛙 一 铤 侵入混凝土深度 图 2 海洋水下浸泡区混凝土中氯离子浓度分布 Fi g 2 Ch l o r i d e c o n c e n t r a t i o n p r o fi l e s i n c o n c r e t e i mme r s ed i n s e a wa t e r 2 实 际海 洋 工 程潮 汐 区混 凝 土 中氯 离子传输过程的模拟试验研究 2 1 试验方案设计 2 1 1 试 验 目的和研 究 思路 对于暴露于海水环境的海工结构 ， 暴露条件不 同， 氯离子侵人机理也不相同， 所以进行氯离子传输 过程的加速试验研究 ， 必须首先分析结构所处的具 体环境以及在该环境条件下氯离子的传输机理， 采 用和实际具体环境条件下氯离子传输机理相对应的 试验方法 。 盐水喷淋一风干一再喷淋的干湿循环条件下氯 离子在混凝土中的传输机理和实际海洋工程潮汐区 相同， 均为混凝土毛细管孔隙的吸收作用， 而高浓度 盐水浸泡条件下氯离子在混凝土中的传输机理和实 际海洋工程水下浸泡区相同， 均为混凝土的表层与 内部之间浓度差引起的扩散作用。本节拟通过盐水 喷淋一风干一 喷淋的干湿循环试验模拟实际海洋工 程潮汐区混凝土中氯离子传输过程 ， 通过盐水浸泡 试验模拟水下浸泡区氯离子传输过程。 2 1 2试件设计 浇筑4 0 0 m m x 4 0 0 mm 2 0 0 m m的长方体素混 凝土试块 2组 ( 每组 3块 ) ， 一组用于模拟实 际海洋 工程潮汐区混凝土中氯离子传输过程的盐水喷淋一 风干一喷淋的干湿循环试验 ， 其编号为 g s ； 另一 组 用于模拟水下浸泡区氯离子传输过程的盐水浸泡试 验 ， 其编号为 j P 。混凝土强度等级为 C 2 0 ， 配合 比 为： 水泥： 水： 砂子： 石子 ：1 ： 0 6 0 ： 2 3 ： 4 5 。水泥采 用江苏巨龙水泥集 团的巨龙牌 P 0 3 2 5普通硅酸 盐水泥 ， 5 2 0 m m普通砾石， 普通河砂。 2 1 3试 验前试 件 的处理 试块浇筑一天后拆模， 放于标准养护室养护6 o 天 ， 然后将试件 在 6 o 温度下烘干 4 8小时。经烘 干后的试块 ， 除留下一个侧面外 ， 其余表面用石蜡予 以密封 。然后放于清水中浸泡 7天。 2 1 4 试验步骤 1 ) 将编号为 j P的试件放人浓度为 1 0 的 N a C 1 溶液的水池中进行氯离子浸泡传输试验 ， 编号为 g s 的试件放于水池上方 ， 进行干湿循环的氯离子周期 传输试验( 图 3 ) 。 器 图 3 氯离子周期变化传输试验装置 F i g 3 S c h e ma t i c a r r a n g e me n t o f c h l o rid e t r a n s p o r t t e s t 试 验 条 件： 室 温 2 0 C 2 ， N a C 1溶 液 浓 度 1 0 ， 每周更换溶液一次。 喷淋制度 ： 0 ： O 01 ： O 0 ， 8 ： O 09 ： O 0 ， 1 6 ： O 0 1 7 ： 0 0每2 4 h 喷淋 3 次。 2 ) 分别于第 1 4天 、 4 5天、 9 O天 ， 钻取混凝土试 件深度 05 m m， 51 0 mm， 1 02 0 mm， 2 03 0 mm， 3 04 0 mm， 4 05 0 mi l l ， 5 06 0 mi l l 范围 的混 凝土粉末 ， 以测定不 同传输时间、 不同深度混凝土中 的氯离子含量。并每隔7天钻取 0 5 m m深度范围 的混凝土粉末 ， 以测定 混凝土试件表面的氯离子浓 乔巍 ， 等： 海洋潮汐区混凝土中氯离子传输过程的试验室模拟方法 2 2 7 度的变化 。 3 ) 用丹麦产 的 R C T氯离子快 速测定 仪测定各 粉末试样中的氯离子含量 ， 以占混凝土质量的百分 比计 。 2 2 试验结果及分析 2 2 1 混凝土表层 的氯离子浓度 混凝土试件表面的氯离子浓度随传输时问变化 的测定数据如图4所示。 1 O 20 3 0 40 5 0 6 0 70 8 O 9 0 1 00 侵蚀龄期 d 图4 混凝土试件表层的氯离子浓度的变化 F i g 4 Ch a n g e s o f c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n o n s ur f a ce of c o nc r e t e 从 图4可以看出， 在传输初期 ， 无论是干湿循环 试件还是氯盐浸泡试件， 混凝土试件表面的氯离子 浓度均随着传输时间 的延长而增大 ， 且早期 增长速 率较快， 随后逐渐减慢， 氯盐浸泡试件在4 2天传输 时间后基本趋于稳定， 而干湿循环试件到 9 l 天传输 时间仍继续增长。并且干湿循环混凝土试件表层氯 离子浓度比溶液浸泡混凝土大得多。 2 2 2 混凝土 内氯离子的浓度分布 混凝土中氯离子浓度断面分布测定数据如图 5 所示 。 图 5 混凝土中氯离子 浓度断面分布 F i g 5 Ch l o r i d e c o n c e n t r a tio n p r o f i l e s i n c o n c r e t e 从图 5可 以看 出， 由于氯离子是 由混凝土表面 向里侵人， 因而无论是干湿循环试件还是氯盐浸泡 试件， 混凝土 中的氯离子含量均由表向内逐渐降低， 并且， 均随着传输时间的延长而增大。但是在混凝 土浅层 ， 氯离子在干湿循环混凝 土试件 中的传输速 率比溶液浸泡混凝土快得多， 且传输时间愈长， 差别 愈大 ， 随着 向混凝土 内部 的深入 ， 这种差别逐渐 降 低。这说明在混凝土表层 ， 混凝土 中的氯离子的传 输机理差别很大， 而在混凝土的深部传输机理比较 接近。另外 ， 在混凝土内部 ， 在 1 4天传输时间， 混凝 土中的氯离子含量在 2 03 0 m i l l 比较接近 ， 在 4 5 天传输时间， 氯离子含量在 5 0 6 0 m m基本相同， 在9 0天传输时间， 在 5 0 6 0 m m氯离子含量仍差 别很大。这说明干湿循环对氯离子传输速率 的影响 范围随传输时间的延长而增大。 2 3 试验环境条件下混凝土 中氯离子传输过程的 机 理分 析 2 3 1 浸泡在氯盐溶液中的混凝土试件 对于浸泡在氯盐溶液中的混凝土试件， 氯离子 的传输机理和海洋环境水下部分是一致 的。由于 N a C 1 溶液的浓度保持不变 ， 这样混凝土表层 的氯离 子含量 c 。 逐渐和 N a C 1 溶液浓度趋于一致 。在饱水 的混凝土中， 表层与内部之间存在氯离子浓度差， 这 种浓度差驱使混凝土孔隙液中的盐份靠扩散机理向 混凝土 内部扩散。因此 ， 氯离子在浸泡混凝 土试件 中的传输以扩散为主 ， 其传输速率基本符合 F i c k第 二定律， 氯离子在混凝土中的传输机理和实际海洋 工程水下浸泡区相同。 2 3 2干 湿循 环试 件 而对于开始饱水的干湿循环试件 ， 在停止喷淋 时 ， 由于外界环境相对 比较干燥 ， 混凝土中水流方向 逆转 ， 纯水从毛细孔对大气开放 的那些端头 向外蒸 发 ， 使混凝土表层孔隙液中盐分浓度增高， 这样在混 凝土表层与内部之间形成氯离子浓差 ， 驱使混凝 土 孔隙液中的盐份靠扩散机理向混凝土内部扩散。随 风干持续时间的延长， 在混凝土表层中大部分孑 L 隙 水被蒸发掉 ， 剩余水分将为盐分所饱水 ， 多余盐分就 结晶析出， 这样， 风干时水分向外迁移， 而盐分则向 内迁移。在下一次喷淋时， 又有更多的盐分 以溶液 的形式带进混凝土的毛细管孔隙中。这样混凝土表 层的盐溶液不停地喷淋、 蒸发、 浓缩、 结晶、 再喷淋 ，周而复始 ， 混凝土表层 的氯离子浓度 C 。 不断 增大。同时， 较深的风干使 以后 的湿润可以更多、 更 深地带进氯化物， 也就是使氯离子更充分地侵入。 在于湿交替作用下， 氯化物被带进混凝土中的主要 机理是混凝土毛细管孔隙的吸收。所以在用氯盐溶 液进行喷淋一风干的干湿循环试验中， 其氯离子在 混凝土中的传输机理和海洋潮汐区氯离子 的传输机 理相同的。 2 2 8 四川建筑科学研究 第 3 8卷 3 干湿循环条件下混凝土中的氯离 子传输速 率模型 上述试验研究和理论分析表 明， 盐水喷淋一风 干一再喷淋的干湿循环条件下氯化物在混凝土中的 传输机理和实际海洋工程潮差区相 同， 均为混凝土 毛细管孔隙 的吸收作用。文献 6 通过理论分析 ， 建立干湿循环条件下混凝土毛细管孔隙的吸收作用 控制的氯离子传输速率模型为 ： C ( )=n C ( 0 i 一0 。 ) ( 1 ) 从式( 1 ) 可 以看出 ， 干湿循环状态下 ， 氯离子在 混凝土中的传输速率 ， 取决于传输介质的氯侵蚀时 问盐浓度、 干湿循环次数 以及湿润过程结束 时与风 干过程结束时 的湿含量差。通过改 变试 验 中的参 数， 可以达到加速氯离子传输、 缩短 试验周期 的 目 的， 从而预测实际工况混凝土结构的使用寿命。 4 海 洋 环境 潮 差 区 与试 验 室 干湿 循 环条件下氯离子传输过程的相关性分 析 4 1 氯离子传输过程的相关性判定条件 4 1 1 基 本假 定 为了使问题简化， 作以下假定： 1 ) 昆 凝土表面外部侵蚀介质的氯离 子浓度为 一 常数 ； 2 ) 受氯离子侵蚀前 的混凝土中氯离子含量为 0 ： 3 ) 钢筋钝化膜破坏 的氯离子临界浓度为常数 ( 取有关标准规定的酸溶法氯离子临界浓度为水泥 质量的 0 4 1 3 ) 。 4 1 2相关性判定条件的建立 海洋环境潮差区氯离子向混凝土内部的渗透问 题可看成半无 限平面 内的传质 问题。由公式 ( 2 ) ， 其传质过程的数学模型为： c ( )：n t C t O ( 2 ) 式中 C( ) 深度处 的氯离子含量 ， ( 以占 混凝土重量百分 比计) ； n 一昼夜的干湿循环次数 ； 试验天数 ； C 外部侵蚀介质的氯离子浓度， ； A O 湿润过程结束时与风干过程结束 时的湿含量差， ( 以 占混凝 土重 量百分比计) 。 如用不加“ ” 的符号表示实际环境 ， 加 “ ” 的符 号表示模拟环境 。则与( 2 ) 式相似的模型为 ： C ( ) = t C t O ( 3 ) 式中符号意义同式( 2 ) 。 写出单值条件的相似常数式： r一盟 一C ( x 、 c = c 。 = ( 4 ) Cc I = ， 1 aO 。 一 式中， c 。 ( c ， C ， C 分别为 深度处的氯离子含 量、 干湿循环次数、 外部侵蚀介质的氯离子浓度湿润 过程结束时与风干过程结束时的湿含量差的相似常 数。 将( 4 ) 式代入( 3 ) 式得： = n t C d t O ( 5 ) Cc ( ) C Ct Cc CA o 比较式( 5 ) 和式( 2 ) 得 ： = l ( 6 ) C C tCc C A e 4 2 海洋环境潮差区与试验室干湿循环条件下氯 离子传输过程相关性的算例分析 4 2 1 工程概 况 本算例的工程背景为连云港某船闸 ， 该船 闸始 建于 1 9 9 8年， 2 0 0 2年建成投入使用 ， 为钢筋混凝土 结构， 位于连云港黄海海域 ， 海 水 中氯离子浓度为 1 9 0 0 0 p p m， 合 C =1 9 。分析部位位于海洋潮差 区， 该部位年平均海水浸没时间为每天 3小时 ， 由于 涨落潮每 2 4小时为一循环 ， 所以每昼夜的干湿循环 次数 n=1 。该船 闸混凝土强度等级为 C 3 0 ， 混凝土 中钢筋的保护层厚度为 4 0 m m， 经测定落潮过程该 部位刚刚露出水 面时和涨潮过程 即将 为海水 浸没 时， 混 凝 土 中靠 近 钢筋 表 面处 的湿含 量 分 别 为 0 0 0 4 5 和 0 0 0 3 3 ， 则其湿度差 A O= 0 0 0 1 2 。 由基本假定 ， 钢筋钝化膜破坏的氯离子f 临界浓度 C ( )= 0 4 C， C为水泥用量。 4 2 2模拟 试验 方案 因c l 一 在混凝土中的扩散过程可认为是无限平 面传质问题， 而无限平面传质问题为一维问题 ， 则可 从无限平面中取出3 0 0 m m3 0 0 mm 3 0 0 m m的混 凝土柱作为原型。依物理相似原则， 浇筑 3 0 0 0 m m 3 0 0 0 m m3 0 0 m m立方体配筋混凝土试块 ， 其几 何缩比为 1 ， 混凝土中钢筋的保护层厚度为 4 0 m m 。 混凝土原材料、 混凝土强度等级和原型相同 ， 通过第 2节的试验方案进行氯离子加速侵蚀模拟试验。 2 0 1 2 N o 3 乔巍， 等： 海洋潮汐区混凝土中氯离子传输过程的试验室模拟方法 2 2 9 试验 条 件 ： 室 温 2 0 C - 4 - 2 C， N a C 1溶 液 浓 度 1 5 ， 合氯离子浓度 C ， _ 9 1 5 。每周更换溶液一 次。 喷淋制度 ： 0 ： 0 01 ： 0 0， 8 ： 0 09 ： 0 0 ， 1 6 ： 0 0 1 7 ： o 0每 2 4 h喷淋 3次。每天干湿循环次数 n =3 。 于第 6 O次循环的喷淋开始前和喷淋结束后， 用 混凝土切割机截取深度 3 8- 4 3 m m范围约 5 m m大 小的立方体小块 ， 用失重法测量混凝土试件在喷淋 和风干后的湿含量分别为 0 0 0 4 3 和0 0 0 3 4 ， 其 湿度差为 A O = 0 0 0 0 9 。并用 R C T氯离子快速测 定仪测定试样中的氯离子含量为 0 0 0 5 ( 以占混 凝土质量的百 分 比计 ) ， 合 占混凝土 中水泥质量 C 的 0 0 3 5 ， 即 C( ) = 0 0 3 5 C 。 4 2 3 相 关性分析 由公式 ( 4 ) ， 则 cc ( x )= = = 1 1 4 30 0 3 5 ( )一 C( ) 一 一 一 旦一 n一 ， l 一 3 C ： ：盟： 0 2 08 e C ：一9 1 5 一 。 l , A O= AO = 0 0 0 0 9 -1 3 3 一 ， 一 一1 J J t ：6 0 d 将以上数值代人公式( 6 ) 可算得， 船闸该部位 钢筋表面氯 离子浓 度达 到临界浓 度的时 间为 t = 7 4 3 7天， 合 2 0 3 8年。 5 结语 通过本章的试验研究与理论分析可以得到如下 结论 ： 1 ) 在海洋环境 的潮汐 区， 在混凝 土的表层 0 4 0 m m范围， 氯化物被带进混凝土中的主要机理是 混凝土毛细管孔隙的吸收作用， 而非扩散作用， 其传 输速率远大于水下浸泡区饱水混凝土里外氯离子浓 差引起 的离子扩散速率 。 2 ) 氯盐溶液 喷淋一风 干循环加速试验 的氯离 子传输机理和实际海洋环境潮汐区相 同， 是模拟海 洋潮汐区的氯离子传输过程非常有效的方法。 3 ) 干湿循环状态下， 氯离子在混凝土中的传输 速率， 取决于传输介质的氯盐浓度、 干湿循环次数以 及湿润过程结束时与风干过程结束 时的湿含量差。 通过改变模拟试验中的参数 ， 可 以达到加速氯离子 传输、 缩短试验周期的目的， 从而预测实际工况混凝 土结构的使用寿命 。 参 考 文 献 ： 1 洪定海 混凝土中钢筋的腐蚀与保护 M 北京： 中国铁道出 版社 ， 1 9 9 8 2 A y e A y e K y i A n e l e c t r i c a l c o n d u c t i v e m e t h o d f o r m e a s u ri n g t h e e ff e c t s o f a d d i t i v e o n e ff e c t i v e d i ff us i v i t i e s i n Po r tl a n d c e me n t p ast e J C e m e n t and C o n c r e t e r e s e a r c h ， 1 9 9 4， 2 4 ( 4) ： 7 5 2 - 7 6 4 3 S t r e i e h e r P E ， A l e x a n d e r M G A c h l o ri d e c o n d u c t i o n t e s t f o r c o n c re t e J C e m e n t a n d C o n c re t e re s e R lc h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 6 ) ： 1 2 8 4 - 1 2 9 4 4 3 王昌义， 赵翠华 测定混凝土抵抗氯离子渗透性能的试验方法 J 水利水运科学研究， 1 9 9 0 ( 3 ) ： 3 1 7 - 3 2 1 5 1 L a r s O 1 o f N i l s s o n A N u me ri c a l m o d e l f o r c o mb i n e d d i ff u s i o n and c o n v e c t i o n o f c h l o ri d e i n n o n s a t u r a t e d c o n c re t e J S w e d e n ： D e - p a r t me n t o f Bu i l d i n g Ma t e ria l s ， Ch alme r s Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， 1 9 9 6 6 姬永生， 袁迎曙 干湿循环作用下氯离子在混凝土中的侵蚀过 程研究 J 工业建筑， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 1 2 ) ： 1 6 1 9