混凝土盐冻过程中的氯离子结合研究.pdf

2 0 1 4年 第 4 期 (总 第 2 9 4 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 4 ( T o ml No 2 9 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 4 0 0 5 混凝土盐冻过程中的氯离子结合研究 张磊 ，杨莉 ，迟 守慧 ( 1 青岛市政建设发展有限公 司，山东 青岛 2 6 6 0 7 1 ；2 青岛理工大学 土木学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要 ： C 3 0和 C 5 0 引气混凝土在 3 5 N a C 1 以及 5 Na 2 S O 4 + 3 5 N a C 1 溶液中 自然浸泡或快速冻融循环 ，测试盐冻过程 中混 凝土的自由氯离子和总氯离子。 结果表明： 冻融循环不改变混凝土中氯离子传输规律， 仍符合F i c k 第二扩散定律。 腐蚀初期， 浸泡 环境下混凝土的氯离子浓度高于冻融环境 ， 但随混凝土冻融损伤程度增加 ， 趋势相反 。 氯盐环境下冻融 ， 混凝土氯离子结合能力 随龄期增加而下降 ； 但在氯盐溶液中浸泡 ， 混凝土氯离子结合能力随龄期增加而增加 。 复合盐溶液中硫酸根离子存在导致浸泡环 境下混凝土氯离子结合能力随龄期增加而下降。 关键词 ： 混凝土；盐冻 ；传输 ；氯离子结合能力 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 1 7 0 3 C h l o r i d e b i n d i n g i n c o n c r e t e s u b j e c t e d t o s a l t f r o s t ZHANG Le i ， YANG Li ， CHIS h0 曲 ( 1 Qi n g d a oCi v i l E n g in e e r i n gCo n s t r u c t i o nDe v e l o p me n t C o ， L t d ， Qi n g d a o2 6 6 0 7 1 ， C h i n a ； 2 Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： The fre e c h l o r i d e i o n， t ot a l c h l o rid e i o n d i s t r i b u t i o n a nd c a l c u l a t e d c hl o rid e b i n di n g c a p a c i t y o f c o n c r e t e u n de r a Ra c k o f s a l t fro s t a r e s ys t e ma t i c a l l y i n ve s t i g a t e dTh e c o mp r e s s i ve s e n g t h g r a d e o f a i r e nt r a i n me nt c o n c r e t e i s C30 a nd C5 0Th e c o r r o s i on r e gi me s a r e e mp l o y e d i n t h i s s t u d y： fre e z e t h a w c y c l e s i n 3 5 Na C 1 s o l u t i o n o r i n 5 Na 2 S O4 十 3 5 Na C1 ， and n a t u r a l l y i mme r s i o n ( s t o r e d i n c o rro s i o n s o l u t i o n wi t h s a me t i me o f f r e e z e t h a w c y c l e s ) T h e e x p e rime n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e r u l e o f c h l o ri d e a n s p o r t e d i n c o n c r e t e e x p o s e d t o s a l t fro s t e nv i r o nm e n t i s f o l l o we d f r o m t h e Fi c k S 2 n d l a w Th e fre e an d t o t a l c h l o r i d e c o n t e n t o f c o n c r e t e s t o r e d i n Na C1 s o l u t i o n i s h i g h e r t han t h a t ofc o n c r e t e e x po s e d t o s a l t fros t i n t h e i n i t i a l c o r r os i o n s t a ge ， b ut t h e t r e nd i s e x a c t l y o p p os i t e i n the l a t e r c o rro s i o n s t a g e， e s p e - c i a l l y i n s e rio u s fro s t d a ma g e p e r i o d Wh e n c o n c r e t e fro s t e d i n Na Cl s o l u t i o n， i t s c h l o r i d e b i n d i n g c a p a c i ty d e c r e a s e s wi t h c o rr o s i o n t i me A n dwh e n c o n c r e t ei mme r s e di n t o c h l o ri d e s o l u t i o n， i t s c h l o rid eb i n d i n g c a p a c i ty i n c r e a s e s wi tht i me Ad d i t i o n a l l y， s u l f a t ei o ni n c o rro s i o n s o l u t i o n r e s u l t s i n t h a t the c h l o ri d e b i n d i n g c a p a c i ty o f c o n c r e t e d e c r e a s e s wi t h t i me K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； s a l t fro s t ； t r ans p o r t a t i o n ； c h l o ri d e b i n d i n g c a p a c i ty 0 引 言 使用除冰盐的北方地区， 北方海域及西北盐渍土地 区， 盐冻损伤是钢筋混凝土结构破坏 的主要形式 1- 2 。 盐冻首先 导致钢筋混凝土保护层剥落、 传输性能改变； 其次 ， 溶液中 的氯离子则通过受冻损混凝土传输到钢筋导致钢筋锈蚀 、 保护层开裂 ， 从而导致钢筋混凝土整体失效 。 溶液 中的氯盐 会增加混凝土的饱 和程度 、 降低孔溶液冰点并 导致水头压 力增加 ， 从而加速混凝土冻融循环损伤3 - 5 1 。 与此 同时， 冻融 循环过程 中的低温环境降低了混凝土表面氯离子浓度 和氯 离子扩散速度， 但冻融损伤程度的增加将导致混凝土中氯 离子扩散速度 的提高6 1 。 研究表明 ： 氯离子在混凝土传输过 程中会被结合 ， 仅有 自由氯离子会导致混凝土中钢筋锈蚀 。 混凝土的结合能力会随材料、 腐蚀离子类型变化而变化7 - O l 。 因此 ， 获得盐冻过程混凝土氯离子结合能力的演变， 有助 于 了解氯离子在盐 冻过程 中的状 态演变及对钢筋锈蚀 的 影响。 本试验采用不同溶液作为腐蚀介质， 针对不同强度等 级混凝土开展盐冻与浸泡试验 ， 以期获得混凝土在盐冻过 程 中氯离子结合能力 的演变。 1试 验 1 1 原材料及 配合 比 山东山水集团青岛分公 司提供 的 P 0 2 5 级水泥。 鲁 青 I 级粉煤灰 ， 烧失量为 3 5 6 。 5 2 5 mm连续级配花岗岩 。 细度模数 2 7的河砂。 聚羧酸高效减水剂， 通过合理掺量将 混凝土坍落度控制在 1 6 0 1 8 0 mm。 S J 3 型高效引气剂， 调 整其掺量使新拌混凝土含气量达到 3 4 。 混凝土强度 等级为 C 3 0 、 C 5 0 ， 其配合比及性能测试如表 1 所示。 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 0 - 2 5 基金项目：国家自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 2 3 0 ) ； 铁道部科技研究计( 2 0 0 8 G 0 3 1 4 1 ) ； 山东省高校优秀团队基金 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 混凝土配合比及物理性能 材料用量 ( k g m ) 水泥 粉煤灰 砂石 水 混凝土含 抗压强度 MP a 气量 3 d 7 d 2 8 d 1 2试 验 方 法 成型 1 0 0 mmx l O 0 m mx 4 0 0 mm混凝土试件 ， 试验室标 准养护 2 4 d 后 ， 将其浸泡到水中饱水 4 d ， 采用 3 5 N a C 1 ， 3 5 Na C l + 5 N a S O 溶液作为浸泡溶液进行快速冻融循 环试验 ， 同时将养护 2 8 d的试件浸泡至上述溶液中进行腐 蚀 。 混凝土冻融循环 5 0 、 1 5 0 、 2 0 0次以及 在 同等浸泡 时间 下取样 ， 测试试件不同深度的 自由、 总氯离子浓度分布 ， 并 计算其结合能力。 2 结果与分析 2 1 氯盐环境下混凝土的氯离子传输与结合 C 3 0 、 C 5 0混凝 土在 氯化钠 溶 液 中浸 泡 腐蚀 或冻 融 循环 ， 测试混凝土不 同深度的 自由和总氯离子分布 ， 混凝 土在冻融 与浸 泡环 境下 的总氯 离子 浓度对 比如 图 1 所 示。 显然 ， 混凝 土在冻融环境下的总氯离子浓度低 于浸泡 环境 ， 但 随着 冻融循 环次数增 加 ， 混凝 土冻融 损伤 较为 严 重时 ， 则冻融 与浸泡环境下混凝 土的总氯离子 浓度差 距缩小 。 0 25 0 20 寝 o 1 5 1 0 O ( ) 5 O 4 6 l U 深度 mm ( b ) C 5 0 图 1 混凝土在冻融与浸泡环境下的总氯离子分布 依据混凝 土在冻融环境和浸泡环境下获得 的 自由和 总氯离子浓度分 布 ， 建立二者 间的关 系 ， 如 图 2 、 3 所 示 。 显然 ， 随腐蚀龄期增加， 混凝土的自由、 总氯离子浓度相 应增加 。 由图 2 、 3 可知 ， 混凝土中 自由氯离子与总氯离子符合 线性函数关系 ， 其相关系数大于 0 9 5 。 依据上述关 系 ， 计算 获得混凝 土在 不同冻融 浸泡龄期 下的氯离子结合能力 1 8 O 2 5 0 2 0 丧 0 1 5 鬈 o 1 0 皿 0 05 芝 褪 骣 皿 0 0 O 5 0 1 0 0 1 5 02 0 0 2 5 总氯离子 ( a ) C3 0 0 2 0 0 0 0 5 O 1 0 0 1 5 0 2 0 总氯离子 ， ( b ) C5 0 图2 混凝土在冻融环境下的自由氯离子与总氯离子 0 25 O 2 0 0_ 1 5 鬈 o 1 0 皿 O O5 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 O 0 2 5 0 3 0 总氯 离子 ( a ) C3 0 0_ 3 0 0 25 0 20 o 1 5 盖 0 1 0 O 05 rI _浸泡龄期( 相当于冻融5 o 次)l l l 浸泡龄期( 相当于冻融1 5 0 次) l I 浸泡龄期( 相当于冻融2 o o 0 ： ) l I j ； 。 兰 U o o，o 1 o o l 5 U 2 o U 2， U 3U U j5 总氯离 子 ( b ) CS 0 图 3 混凝土在浸泡环境下的自由氯离子与总氯离子 R = I C C , ， 其结果如 图 4 所示。 在冻融环境下 ， 随冻融循环 次数的增加 ， 混凝 土的氯离子结合能力相应下降 ； 与此相 反 ， 在浸泡环 境下 ， 混凝 土的氯离子结合能力 随浸泡时 间 增加 而上升。 对照浸 泡与冻融环境下 的氯离子结合能力 ， 在 5 0 次时， 冻融环境下混凝土氯离子结合能力是浸泡环境 下的 1 5 4 倍 。 但经过 1 5 0 次冻融后 ， 冻融环境下 的氯离子 结合能力与浸泡环境的结合能力相似。 2 2 复合盐环境下混凝土的氯离子传输与结合 混凝土在氯化钠 +硫酸钠环境下浸泡或冻融循环不 同龄期 ， 测试 其总氯离子 和 自由氯离子浓度分布 ， 其总氯 离子分布规律如 图 5 所示 。 显然 ， 随腐蚀龄期增加 ， 混凝土 中的氯离子浓度相应增加 ， 且冻融环境下混凝土的氯离子 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 避 d 姆 褪 膈 、 蚂 褪 冻融循 环次 数 ， 次 ( a ) 冻融环境 浸泡龄期( 相当于冻融循环次数) ( b ) 浸泡环境 图 4 混凝土在氯盐冻融与浸泡环境下的氯离子结合能力演变 深 度 mm 深 厦 mm ( b ) C5 0 图 5 混凝土在冻融与浸泡环境下的总氯离子分布 浓度高于浸泡环境 。 根据测试获得混凝 土的 自由和总氯离子浓度 ， 建立二 者之间的关系， 其结果如图 6 、 7 所示。 显然， 自由氯离子与 总氯离子关系仍然符合线性 函数关系。 依据计算结果， 获得混凝土在复合盐冻融与浸泡环境 下 的结合能力 ， 其结果如图 8 所示。 显然 ， 混凝土在复合盐 浸泡环境下的氯离子结合能力明显高于冻融环境下的氯离 子结合能力 3 5 倍， 加之冻融环境下总氯离子浓度高于浸 泡环境。 因此， 复合盐冻融环境下导致混凝土中钢筋锈蚀的 氯离子浓度将明显高于浸泡环境。 此外， 在复合盐环境下冻 融循环 ， 混凝土氯离子结合能力先增加后下降， 而浸泡环境 下的氯离子结合能力随腐蚀龄期增加而持续下降。 萎 褪 酶 扭 皿 巷 褪 姐 皿 0 4 O 0 4 0 1 0 2 O_ 3 0 4 总氯 离子 ， ( a ) C 3 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 总氯离子 ( b ) C 5 0 图 6 混凝土在复合盐冻融作用下的氯离子结合能力 琶 褪 城 姐 皿 芝 键 磁 衄 皿 0 15 O 1 O 0 O 5 O 02 O l 5 1 0 0 5 U 0 U U 1 0 0 1 U 20 0 25 总 氯离 子 ， ( b ) C 5 0 图 7 混凝土在复合盐浸泡作用下的氯离子结合能力 3结论 ( 1 ) 引气混凝土在盐冻过程 中， 其 自由、 总氯离子浓度 分布符合 F i c k第二定律 ， 且随腐蚀龄期增加而增加 ， 自由 氯离子与总氯离子关系符合线性 函数关系 。 ( 2 ) 腐蚀初期 ， 浸泡环境下混凝土的氯离子浓度高于 冻融环境 ， 但 随混凝 土冻融损伤程度增加 ， 冻融环境下混 凝土的氯离子浓度高于浸泡环境。 ( 3 ) 氯盐环境 ， 混凝土的结合能力随冻融循环次数增 加而下降， 随浸泡龄期增加而增加。 复合盐环境下， 混凝土 的结合能力随冻融循环次数增加先增加后下降， 随浸泡龄 期增加而下降。 下转第 2 3页 1 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图3 弯曲韧性试验结果 对材料 的流动度影响不大 ， 但钢纤维掺量对材料抗折强度 的提高效果 明显优于对抗压强度的提高效果。 ( 2 ) 采用高温蒸汽养护可以较 大幅度提高材料 的抗 压 强度和抗折强度， 但高温蒸汽养护对材料抗压强度的提高 效果明显优于对抗折强度的提高效果 。 ( 3 ) 采用振动台振捣的新型 U H P C较 自密实 U HP C的 抗压强度和抗折强度均有所提高， 但会因振动时钢纤维下沉 造成钢纤维分布不均匀， 从而造成轴拉强度的下降； 弯曲韧 性试验表明， 采用有效的振捣措施可以提高材料的弯曲韧性。 参考文献： 1 徐海宾， 邓宗才 超高，性能混凝土在桥梁工程中的应用 J 世界 桥梁 ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 3 ) ： 6 3 6 7 2 】G R A Y B E A L B ， T A N E S I J D u r a b i l i t y o f a n u l t r a h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e J J o u r n a l o f M a t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 1 9 ( 1 0 ) ： 8 4 8 -8 5 4 上接第 页 冻融循环次数 ， 次 ( a ) 冻融 环境 浸泡次数( 相当于冻融次) ( b ) 浸泡环 境 图 8 混凝土在复合盐冻融与浸泡环境下的氯离子结合 参考文献： 【 1 余红发 盐湖地区高性能混凝土耐久性、 机理与使用寿命预测 方法 D 】 南京 ： 东南大学， 2 0 0 4 【 2 KHA YA T K H， T AG NI T - HA MO U A， P E T RO V N P e rf o r ma n c e o f c o n c r e t e wh a r v e s c o n s t r u c t e d be t we e n 1 9 01 a n d 1 92 8 a t t h e Po r t o f 3 DA L L AI RE E， A I T E I N P C， L AE HE MI M An e x a m p l e o f t h e u s e o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e： t he s h e r br o o k e p e d e s t r i a n bi k e wa y b r i d g e A T e c h n o l o g y T r a n s f e r Da y ： T h e S p e c i fi c a t i o n s a n d Us e o f HPC， To r o n t o， Ont a r i o， 1 9 9 7 4 】杨 剑 C F R P预应 力筋超 高性能混凝土梁受力性能研究【 D 长 沙 ： 湖南大学土木工程学院 ， 2 0 0 7 【 5 S T EI N B ER G E S t r u c t u r e r e l i a b i l i t y o f p r e s t r e s s e d UH P C fl e x u r e m o d e l s f o r b ri d g e g i r d e r s J J o u r n a l o f B r i d g e E n g i n e e r i n g ， A S C E ， 2 0 1 0 ， 1 5 ( 1 ) ： 6 5 7 2 6 】肖锐， 邓宗才， 兰明章， 等 不掺硅粉的活性粉末混凝土配合比 试验I J I _ 吉林大学学报： 工学版， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 3 ) ： 6 7 1 - 6 7 6 7 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ， 纤维混凝土试验方法标准【 s E 京 ： 中国计划出 版 社 ， 2 0 1 0 【 8 G RAY B E AL B A C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e b e h a v i o r o f u l t r a h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e D Un i v e r s i t y o f Ma r y l a n d ， 2 0 0 5 【 9 G B T 2 4 1 9 -2 0 0 5 ， 水泥胶砂流动度测定方S ki s 【 1 0 】 鞠杨， 刘红彬， 陈剑 ， 等 超高强度活性粉末混凝土的韧性与表 征方法【 J 中国科学 E辑： 技术科学， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 4 ) ： 7 9 3 8 0 8 【 1 1 AS T M C1 0 1 8 ， S t a n d a r d t e s t f o r fl e x u r a l t o u g h n e s s a n d fi r s t c r a c k s t r e n g t h o f fi b e r - r e i n f o r c e d c o n r e t e ( u s i n g b e a m w i t h t h i r d p o i n t l o a d i n g ) S f 1 2 B ANT HI A N， T RO TF I E R J F T e s t me t h o d s for f l e x u r a l t o u g h n e s s c h a r a c t e r i z a t i o n o f fib e r r e i n for e e d c o n c r e t e： s o me c o n c e r n s a nd a p r o p o s i t i o n J A C I M a t e ri al s J o u rna l ， 1 9 9 5 ， 9 2 ( 1 ) ： 4 8 5 7 作者简介： 徐海宾( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 讲师， 博士生， 从事桥梁工程研究。 联系地址 ： 河南焦作河南理工大学土木工程学院( 4 5 4 0 0 3 ) 联系电话 ： 1 3 9 4 9 6 7 9 3 9 7 M o n t r e a l J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 2 ) ： 2 2 6 2 3 2 【 3 】S E T Z ER M J Ac t i o n o f f r o s t a n d d e i c i n g c h e mi c a l s 【 C 】 B a s i c p h e n o me n a a n d t e s t i n g I n ： Ma r c h a n d J ， P I GE ON M ， Z E T Z ER M， e d i t o r s Fr e e z e t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e Lo n do n： E&FN S p o n， 1 9 9 7： 3 - 21 4 1 WE I S u n， RU Mu b， XI N L u o， e t a 1 E f f e c t o f c h l o ri d e s alt ， f r e e z e t h a w c y c l i n g a nd e x t e rna l l y a p p l i e d l o a d o n t h e pe rfo r ma n c e o f t h e c o n c r e t e l J I C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 2 ) ： 1 8 5 9 1 8 6 4 5 WANG K e j i n ， DAN I E L E N， WI L F R I D A N D a ma g i n g e f f e c t s o f d e i c i n g c h e mi c a l s o n c o n c r e t e ma t e r i a l s J C e me n t a n d C o n c r e t e C o m- p o s i t e s ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 7 3 1 8 8 6 金祖权 ， 侯保荣 ， 赵铁军 ， 等 引气混凝土在冻融循环过程中的 氯离子渗透与 孔结构 J 1 中南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 5 ) ： 1 9 6 3 1 9 6 8 7 】金祖权 ， 孙伟 ， 赵铁军 ， 等 在不 同溶液中混凝土对氯离子的固 化程度 J 硅酸盐学报， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 7 ) ： 1 0 6 8 1 0 7 2 8 】金祖权 ， 孙伟 ， 李秋义 矿物掺合料对海水中氯离子的结合能力 腐蚀与防护 J 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 2 ) ： 8 6 9 8 7 2 9 】C h l o r i d e b i n d i n g o f c e m e n t - b a s e d m a t e ri a l s s u b j e c t e d t o c h l o ri d e e n v i r o n m e n t a r e v i e w 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 r i a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 4 ) ： 1 - 1 3 作者简介 联系地址 联系电话 张磊( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 工程师， 从事混凝土施工研究。 青岛市币南区龙江路 2 5号 青岛市政建设发展有限 公司( 2 6 6 0 7 1 ) 1 8 6 5 3 27 9 2 3 0 2 3 温 好 褪骣 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m