荷载裂缝对混凝土氯离子扩散的影响.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 【总 第 2 6 5 期 ) Nu mb e r 1 1 i n 2 01 1 ( To t a l No 2 6 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RET I CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 1 0 0 8 荷载裂缝对混凝土氯离子扩散的影响 张士萍 ，刘加平 ( 1 南京工程学院 建筑工程学院，江苏 南京 2 1 1 1 6 7 ；2 江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要： 水泥基材料中介质的传输非常复杂。 首先采用施加劈裂荷载方式诱导裂缝， 然后采用图像分析技术对裂缝进行表征， 利用氯盐 溶液自然浸泡法研究表面单个裂缝对混凝土材料中氯离子传输性能的影响， 结果表明裂缝的存在加强了氯离子在混凝土中的传输 ， 并且 氯离子扩散随着裂缝宽度的增加而增加。 关键词 ： 荷载 ；裂缝 ；氯离子扩散 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 - 0 0 2 4 0 3 I n f l u enc e o f l oa di ng c r a ck i ng on c hl or i de i o ns di ffu s i o n i n c on c r e t e 4NG S hi - p i n g LI U J i a - p i n g ( 1 De p a r t me n t o f A r c h i t e c t u r e C i v i l E n g i n e e r i n g ， Na n j i n gI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 1 1 6 7 ， C h i n a 2 J i a n g s uI n s t i tut e o f B u i l d i n gS c i e n c eC o ， L t d ， Na n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Tr a n s p o r t i n c e me n t - b a s e d ma t e ria l s i s v e r y c o mpl i c a t e d I n fl u e n c e o f c r a c k i n g o n c h l o r i d e i o n s d i ffu s i o n h a s b e e n s tud i e d t h r o u g h i m me r s i n gme t h o d Cr a c k i n gwa si n o d u c e db y s pl i t t ingl o a d i n g， a n dc r a c k i ngwi d t hwa s me a s u r e dt h r o ug hi ma g ea n a l y s i s t e c h n o l o gy I t wa sf o u n dt h a t c r a c k i n g c o u l d a c c e l e r a t e t h e c h l o rid e i o n mi g r a t i o n， a n d t he c h l o r i d e i o n s d i ffu s i o n c o e ffic i e n t i n c r e a s e s wi t h the i n c r e a s i n g c r a c k wi d t h Ke y wor ds ： l o a d i n g； c r a c k； c h l o r i d e i o ns d i ffu s i o n 0 引言 水泥基材料中分子或离子的迁移非常复杂。 钢筋混凝土结 构的使用寿命常与氯离子在混凝土中的迁移及由此引起的钢 筋锈蚀有关。 关于裂缝对 c l _ 传输的影响的定量分析， 已有很多 专家做了大量工作。 由于测量扩散系数的方法不同， 导致了不同 的结论【 l _ 。 Mu s t a f a S a h ma r a n t 2 1 研究了弯曲荷载引入的横向裂缝 宽度与氯离子扩散之间的关系。 对于 d 1 3 5 m的裂缝 ， 随裂缝宽 度的增加， 扩散系数显著增加。 也就是说只有 d 1 3 5 m的裂缝 才对扩散系数有显著影响。 开裂混凝土扩散系数比未开裂混凝 土大 1 2个数量级。 S a k a i 和 S a s a k i t3 研究了海水中浸泡 1 0年 的开裂混凝土 ， 发现 d 0 1 mm裂缝处的氯离子浓度大于更大 裂缝处 的氯离子浓度( d 0 3 mm) 。 A l d e a等人 研究了宽度为 5 0 4 0 0 tx m的裂缝试件的快速氯离子渗透试验， 发现宽度小于 2 0 0 m的裂缝对氯离子扩散影响不大 ， 宽度在 2 0 0 , -40 0 x m的 裂缝会明显加剧氯离子的扩散， 并且只有低水灰比的高强混凝 土氯离子渗透性才对裂缝敏感。 目前被广泛采用的主要是氯离 子非稳态快速试验法， 包括 AS T M C1 2 0 2 、 R C M 和一些与之相 关的快速试验方法， 但近来， 国内外不少学者对快速氯离子渗 透试验方法( A As HT 0 T 2 2 7和 AS T M C 1 2 0 2 ) 提出了批评和质 疑【5 。 并且对于存在一定宽度和连通性裂缝的试件， 氯离子非稳 态快速试验方法是否适用同样存在疑问。 采用氯盐溶液自然浸泡 法研究荷载诱导的裂缝对混凝土材料中氯离子传输I 生 能的影响。 1 原材料与试验方法 1 1 试验原材料 试验采用小野田水泥厂生产的 P I I 5 2 5级水泥， 其化学组 成见表 1 。 混凝土试件细骨料采用细度模数为 2 3的中砂， 粗骨 料为 5 2 0 mm连续级配的玄武岩碎石。 外加剂为江苏博特新材 料有限公司研制生产的聚羧酸系超塑化剂 J M P C A， ( 固含量 2 0 ) 掺量为 1 0 时， 减水率均为 2 0 左右。 表 1 水泥的化 学组成 1 2试验 方 法 采用施加劈裂荷载方式诱导微裂缝。 考虑到素混凝土试件 的韧性较差， 所以掺加钢纤维改善混凝土的韧性。 成型 1 0 0 m mx 1 0 0 mm x l O 0 mm钢纤维混凝土试件， 混凝土配合比见表 2 ， 试件 脱模后养护 2 8 d ， 然后采用施加劈裂荷载的方法诱导单个裂缝 ， 见图 1 。 荷载诱导裂缝采用图像分析法验证裂缝宽度。 氯离子扩 散试验采用氯盐溶液自然浸泡的方法。 将混凝土试件除了开裂 面以外的其他五个表面用环氧树脂密封， 使得氯盐只能从开裂 面渗入。 然后将混凝土试件浸泡在浓度为 5 的氯化钠溶液中， 浸泡 6 0 d 后取出混凝土试件 ， 钻取混凝土试件不同位置粉末采 用化学分析方法， 检测沿暴露面不同深度的氯离子浓度。 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 5 2 6 基金项目：南京工程学院引进人才科研启动基金( Y K J 2 O 1 叭3 ) ； 高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金课题( 2 O l O c E M0 l 9 ) 24 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 混凝土试件配合比 编号 水泥 水 砂 碎石 钢筋 1 4 0 0 1 8 0 71 0 1 l 1 0 0 2 8 减水剂 引气剂 1 3 6 8 0 图 1 劈裂荷载诱导 的裂缝试件 2 结果 与讨论 2 1 裂缝的表征 本研究选择平均裂缝宽度来表征不同的裂缝。 劈裂荷载诱 导的裂缝并非光滑的直线， 而是具有一定曲折度的曲线( 见图 1 o 在计算混凝土材料的裂缝参数前 ， 必须最大限度地将裂缝区域 从图像背景中提取出来 。 图像的边缘轮廓携带有重要信息， 要 准确分析图像， 就需具备一张边缘轮廓清晰的图像。 为增加裂缝 区域与非裂缝区域的对比度， 本试验先分别通过亮度调整 、 灰度 直方图修正以及锐化等图像预处理方法来处理图像 ， 然后采用 边缘检测算子对混凝土裂缝进行裂缝图像的边缘检测。 本试验 采用 L O G算子进行裂缝的边缘检测 ， 然后采用 I ma g e P r o软件 测量出沿裂缝轮廓方向上的裂缝宽度分布， 并计算出平均宽度。 裂缝宽度的整个分析过程见图 2 ， 荷载诱导的裂缝宽度计算结果 见表 3 。 图 2 裂缝宽度测量示意图 表 3 开裂试件的裂缝 宽度 试样 1 2 3 平均裂宽 ix m 5l 9 1 1 9 O 2 2 氯离子扩散 由于用于荷载裂缝的混凝土试件是非标准尺寸试件 ， 因此 采用氯盐溶液长期浸泡法。 将采用劈裂荷载诱导的带裂缝混凝 土试件采用图像分析法测量平均裂缝宽度， 然后置于 5 Na C 1 溶 液 中浸泡 ， 6 0 d 后用砂纸将试件的侵蚀面磨掉薄薄的一层 ， 然 后用直径为 6 m m的合金钻头在试件的侵蚀面钻取粉末样品， 采样深度依次为 0 1 0 mm、 1 0 2 0 mm、 2 0 3 0 r n l n 、 3 0 - 4 0 i n l T l 、 4 0 - 5 0 m m。 收集的样品用孔径为 0 1 6 3 m l a a 的筛子过筛， 然后进 行化学分析 ， 检测出氯离子浓度。 对于空白样来说， 沿暴露面不 同深度钻取粉末进行氯离子浓度分析。 而对于开裂混凝土来说， 则分别沿裂缝位置不同深度以及 距离裂缝 1 0 mi l l 距离的未开裂位置的不同深度钻取粉末进行 氯离子浓度分析， 具体钻取粉末样品位置见图3 。 分别选取无裂 缝的空白样( d = 0 ) 以及裂缝宽度分别为 5 0 、 9 1 、 1 9 0 m的开裂 试件进行氯离子扩散试验 ， 研究裂缝的存在对混凝土试件的氯 离子扩散性能的影响。 化学分析得出的不同深度的氯离子浓度 结果分别见图 4 、 5 ， 其中图4给出的是裂缝位置不同深度的氯离 子浓度结果， 图 5给出的是未开裂位置( 距离裂缝区域 1 01T I 1T I ) 不同深度的氯离子浓度结果。 从图中可以看出， 对于开裂试件来 说， 无论是裂缝位置还是无裂缝位置 ， 氯离子浓度均大于空白 样， 并且裂缝较宽的试件氯离子浓度轻微大于裂缝较窄的试件。 为进一步分析裂缝对氯离子扩散的影响， 假设氯离子扩散是一 维扩散， 根据 F i c k第二定律： ： D ( 1 ) a 方程( 1 ) 的解析解为： f l 1 - e 矿 ( 川 2 ) 式中： 某一深度 氯离子浓度； 表面氯离子浓度； D扩散系数； 扩散时 间； e 误差函数。 萎 艇 褪 蟥 A 暴 露面 B 一 I 裂 缝 断面 i I I 一 I 图 3 氯离子浓度检 测位置示意 图 U l 0 ZU 30 40 5 0 距离表层深度 mm 图 4 混凝土试件裂缝位置( B】 氯离子浓度 根据方程( 2 ) 推导出氯离子扩散系数， 结果见表 4 。 根据表 4 中的数据， 开裂试件的扩散系数明显大于空白样。 并且对于开裂 试件而言 ， 裂缝区域的扩散系数也较高于无裂缝位置。 即使是 开裂试件的无裂缝区域 ， 其扩散系数也大于无裂缝的空 白 样 。 这很可能是由于氯离子向裂缝两侧进行扩散导致的。 开裂试件 接触到氯盐溶液时， 氯盐溶液会填充裂缝， 然后沿开裂面扩散 ， 这点可以从沿裂缝区域深度较高的氯离子浓度结果看出来。 同 时， 沿裂缝端面的开口孑 L 以及被加重的微裂纹也会加剧试件内 2 5 加 H 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 1 8 O - 1 5 辞 。 登 o 0 9 o 0 6 0 0 3 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 距离表层深度 ram 圈 5 混凝土试件无裂缝位置 ( A) 氯离子浓度 表 4 混凝土试件的氯离子扩散系数 部孔的连通性， 从而使得扩散系数有所增加。 无论是裂缝区域还 是无裂缝区域的扩散系数均随裂缝宽度的增加而有所增加。 综 上所述， 裂缝的存在会加剧氯离子扩散 ， 并且氯离子扩散随着 裂缝宽度的增加而增加。 时， 氯盐溶液会填充裂缝 ， 然后沿开裂面扩散 ， 同时， 沿裂缝端 面的开口孑 L 以及被加重的微裂纹也会加剧试件内部孔的连通 性 ， 从而使得扩散系数有所增加。 参考文献： 1 GO WR I P A L A N N， S I R I V I VA T N AN 0 N V， L I M C C C h l o ri d e d i f f u s i v i t y ofc o n c r e t e c r a c k e d i n fl e x u MJ C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 5 ) ： 7 2 5 - 7 3 0 【 2 MU S T A F A S E ff e c t o f fl e x u r e i n d u c e d t r a n s v e r s e c r a c k a n d s e l f - h e a l i n g o n c h l o r i d e d i ff u s i v i t y ofr e i n f o r c e d mo r t a r J J Ma t e r S c i ， 2 0 0 7 ( 4 2 ) ： 9l 31 91 3 6 3 S A K A I K， S A S AK O S T e n y e a r e x p o s u r e t e s t o f p r e c r a c k e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n a m a l i n e e n v i r o n me n t C D u r a b i l i t y o f C o u c r e t e T h i r d i n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e ， Ni c e ， F r a n c e， ACI S P -1 4 5， De t r o i t ， Mi c h i g a n， 1 9 9 4： 3 5 3 3 6 9 【 4 A L D E A C M， S H AH S P ， K AR R A E f f e c t o f c r a c k i n g o n wa t e r a n d c h l o ri d e p e r m e a b il i t y of c o n c r e t e J J o u r n al of Ma t e ria l s i n C i v i l E n g i - n e e ri n g ， 1 9 9 9 ， 1 1 ( 3 ) ： 1 8 1 1 8 7 5 】蒋林华， 李娟 混凝土抗氯离子渗透性试验方法比较研究【 J 河海大 学学报： 自然科学版， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 ) ： 5 5 5 8 作者简 介 3 结 论 联系 地址 裂缝的存在会加剧氯离子在混凝土中的传输 ， 并且氯离子 扩散随着裂缝宽度的增加而增加 。 开裂试件接触到氯盐溶液 联系电话 上接 第 2 3页 3结论 ( 1 ) 自然冷却和热泼两种预处理的钢渣砂矿物组成基本相 同， 但两者体积稳定性的演变规律不同。 选择合理的预处理不仅 可提高钢渣砂的体积稳定性 ， 而且能缩短钢渣的后期稳定处理 时间 。 ( 2 ) 蒸汽和压蒸后期处理均通过加速膨胀组分的水化提高 钢渣砂的体积稳定性， 但两者相比， 3 h 2 0 V l P a压蒸处理能更有 效加速方镁石的水化， 从而大幅提高钢渣砂的体积稳定性。 参考 文献 1 h t t p ： w w w s e p a e e c c o m r d j j mt b d 2 0 0 8 0 4 t 2 0 0 8 0 4 0 2 _ 1 2 0 6 0 4 h t m l O L 2 朱桂林， 孙树杉 加快钢铁渣资源化利用是钢铁企业的一项紧迫任 务【 J 1 l 中国废钢铁， 2 0 0 6 ， 1 2 ( 6 ) ： 3 3 4 2 3 】 朱桂林 中国钢铁工业固体废物综合利用的现状和发展 J 中国废钢 铁， 2 0 0 3 ， 9 ( 3 ) ： 3 4 4 1 【4 】 M O N T G O N M E R Y D G ， WA N G G I n s t a n t - c h i l l e d s t e e l s l a g a g g r e g a t e i n c o n c r e t e - s t r e n g t hl me d p r o p e r t i e s 们C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 1 ， 2 1 ( 6 ) ： 1 0 8 3 1 0 9 1 5 】沈卫国， 周明凯， 赵青林， 等 钢渣粉煤灰路面基层材料的研制 J 1 _ 武 汉理工大学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 5 ) ： 1 5 1 8 6 】MA S L E HU DD I N M， S H A RI F A M， S H AME E M M， e t a 1 C o mp a r i s o n o f p r o p e rt i e s o f s t e e l s l a g a n d c r u s h e d l i me s t o n e a g g r e g a t e c o n c r e t e f J J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e ri a l s ， 2 0 0 3 ( 1 7 ) ： 1 0 5 1 1 2 26 张士萍( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 博士 ， 主要研究方向为水泥混凝土材 料的耐久性。 江苏省南京市江亍科学园弘景大道 1 号 南京工程学院建 筑工程学院( 2 1 1 1 6 7 ) l 3 7 7 0 6 0 41 5 2 【 7 1 方宏辉 钢渣细集料混凝土的配制及性能研究 河南建材 ， 2 0 0 1 ， ( 1 ) ： 1 2 1 6 【 8 】 R A M A C H A N D R A N V s 混凝土科学【 M 】 黄士元， 译_ E 京 ： 中国建筑 工业出版社， 1 9 8 6 9 C H A TH R J I S Me c h ani s m o f e x p a n s i o n of c o n c r e t e d u e t o t h e p r e s e n c e of d e a d - b u rnt C a O a n d Mg O J C e me n t and C o n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 1 ) ： 5 1 - 5 6 1 0 】 宋坚民 几种钢渣处理技术 J 】 上海金属， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 5 ) ： 1 4 1 6 1 l l t N墉， 苏天森 一种钢渣处理的新工艺叨 中国冶金， 2 0 0 7 ， 1 7 ( 1 0 ) ： 6 】 一 6 2 1 2 ( 1 ) ： 3 1 - 3 3 1 3 1 岑永权 冈 铁渣处理和综合利用的发展 冈 铁， 1 9 9 4 ， 2 9 ( 5 ) ： 7 1 7 4 1 4 】 许亚华 日本钢铁渣资源化利用技术【 J I 中国环保产业 ， 1 9 9 6 ( 1 2 ) ： 3 6 3 7 1 5 肖琪仲 冈 渣的膨胀破坏与抑S U J 硅酸盐学报， 1 9 9 6 ， 2 4 ( 6 ) ： 6 3 5 6 4 0 【 1 6 】 叶贡欣钢渣中二价 匕 物相及其与钢渣水泥体积安定性的关系 c l 水泥学术会议论文选集北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 8 0 ： 2 1 8 2 2 3 作者简介 联 系地址 联 系电话 伦云霞( 1 9 7 5 一 ) ， 女， 讲师， 博士， 研究方向： 道路桥梁建筑 材料和固体废弃物综合利用。 武汉市常青花园学府南路 6 8 号( 4 3 0 0 2 3 ) 1 5 9 2 7 3 2 1 0 8 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m