混凝土氯离子扩散系数时变性规律与计算模型适用性分析.pdf

第 3期 2 0 1 2年 6月 水利水运工程学报 HY DRO- S C I E NCE AND EI G jEE R No 3 J u n 2 0 1 2 混凝土氯离子扩散系数时变性规律与 计算模型适用性分析 吴 烨 ，朱雅仙 ，刘建忠 ( 1 江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室 ，江苏 南京2 1 0 0 0 8 ； 2 南京水 利科学研究院 水利部水工新材料工程技术研究中心，江苏 南京2 1 0 0 2 9 ) 摘要 ： 通过自 然渗透试验直观展现了氯离子在混凝土中的扩散过程， 研究了试验过程中氯离子扩散系数的计 算模型 结果表明： 氯离子向混凝土内部扩散是物理化学综合作用的复杂过程 ， 其扩散系数是与时间相关的函 数， 衰减系数与胶凝材料种类、 水胶比和暴露环境有关； 由模型得出， 养护时间与浸泡时间对计算混凝土短期 浸泡试验氯离子扩散 系数 的影 响不 能忽 略 ， 而 对长期浸 泡试验 ， 即当浸 泡时 间远 大于养 护时 间时， 其影 响可 以 忽略 关键词 ： 混凝土； 氯离子扩散系数； 计算模型； 时变性 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 0 X( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 5 0 0 6 对于沿海地区的钢筋混凝土建筑物 ， 氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是导致混凝土构件过早失效 的主要原 因之一l 】 J 氯离子在混凝土中传输速率的快慢决定 了其诱发钢筋开始发生腐蚀所需浓度的时间 J ， 因此 ， 氯离子扩散系数可以作为衡量混凝土结构耐久性的依据 随着大量基础设施工程的建设和对可持续发展 、 节 能环保的要求 ， 混凝土结构的耐久性问题受到越来越广泛的关注 J 现阶段 ， 评估混凝土结构耐久性的指标和模型有很多 ， 诸如碳化模型 、 冻融模型以及氯离子扩散模型等 其 中， 用氯离子扩散模型来预测氯盐环境下混凝土结构的使用寿命是评估其耐久性的主要手段之一 暴露试 验 研究发现混凝土氯离子扩散系数不是一个常数， 它与混凝土材料特性 、 暴露环境有着密切 的关系 不同试验条件下混凝土氯离子扩散系数存在较大差异 ， 而计算模型对计算结果的准确性有很大影响 因 此 ， 探讨各试验条件下混凝土氯离子扩散系数计算模型的适用性 、 研究氯离子扩散系数 的时变性规律和正确 地将其用于结构寿命预测模型， 对提高混凝土结构寿命预测结果 的准确率有重要作用 1 试 验方案设计 1 1 试 验原 材料及 试件 制备 试验采用海螺 P 04 2 5水泥 ， 新疆玛纳斯 级粉煤灰， $ 9 5级矿渣微粒 ， 细度模数为 2 9的河砂 ， 粒径为 52 5 m m， 含泥量小于 1 的花岗岩碎石， F D N型萘系高效减水剂和 自来水 混凝土试件成型过程参 照 水工混凝土试验规程 进行 ， 混凝土配合 比见 表 l ， 试 件尺寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx l 0 0 m m 混凝土试件标准养护 2 8 d后取 出， 待面干后选择其中的一面作为工作面 ， 其余 5个面用环 氧沥青密封 ， 将试件在清水中浸泡 1 d后置于 1 0 的 N a C 1 溶液中进行干湿循环和全浸泡的 自然渗透试验 自然渗透周期分别为 3 0 ， 6 0 ， 9 0和 1 2 0 d 试验过程在 2 0 恒温室内进行 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 0 1 8 基金项 目：国家重点基础研究发展计划( 9 7 3计划) 资助项目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 0 ) ； 国家自然科学基金资助项目( 5 0 8 0 8 0 9 4 ) 作者简介： 吴烨( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 江苏靖江人， 硕士， 主要从事混凝土构筑物耐久性提升技术的研究 E m a i l ： w u y e c n j s j k c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 吴烨， 等： 混凝土氯离子扩散系数时变性规律与计算模型适用性分析 5 1 1 2 游离氯离子含量测定 混凝土试件经过不 同试验时间循环结束后取 出， 用清水冲掉试件表面的盐溶液 ， 晾干 ， 用台钻钻取试件 中央部位不同深度层 ( 各试件取样深度为 05 i n m， 51 0 m m， 1 02 0 mm， 2 03 0 I n n， 3 04 0 m m， 4 0 5 0 mm) 的粉末样 品， 研磨至全部通过 0 6 3 mlT I 的筛子 ， 然后按 水运工程混凝土试验规程 对上述样 品进行 处理 ， 分析样 品中游离 C l 一 的含量 2 游离氯 离子侵入量 混凝土经不 同自然渗透周期循环结束后 ， 各深度层 内游离氯离子含量分布见 图 1 删 加 犍 熄 、 豳Il 寸 犍 括 臣 挺 O 1 2 3 4 5 扩散深度 c m 1 2 1 O n 裳0 -6 膈 囊n O_ 2 O 全 浸 泡 1 2 3 4 5 扩散深度 c m 扩散深度 c m ( b )干湿循环 图 1 全浸 泡和干湿循环条件下不 同浸泡 时间混凝土各深度层 中的游离氯离子含量 F i g 1 F r e e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n d i f f e r e n t d e p t h o f c o n c r e t e u n d e r c o n d i t i o n s o f d i f f e r e n t t e s t s 从图 1可见 ， 混凝土表层 内游离氯离子 的含量最大， 随着深度 的增加 ， 游离氯离子含量则逐渐降低 在全 浸泡和干湿循环两种试验条件下 ， 混凝土中的游离氯离子含量随着浸泡时间的延长而不断增加 另外 ， 相 同 品种混凝土在干湿循环试验条件下试件内部的游离氯离子含量要大于全浸泡条件下的试验值 普通混凝土 K1 ( 水胶 比0 4 ) 组 中游离氯离子含量小于普通混凝土 K 2 ( 水胶 比0 4 5 ) 组 ， 主要是因为水 0 、 如 雠峤艇糖 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 水 利 水 运 工 程 学 报 2 0 1 2年 6月 胶 比越大， 混凝土内部孔隙率越高 ， 氯离子在混凝土 内部 的扩散就越容易 掺合料混凝土在相 同扩散深度层 内的游离氯离子含量小于普通混凝土组 ， 其中 S F 2组 中游离氯离子含量小于 S F 1 组 这说明混凝土中掺人适 当的矿物量有助于提高混凝土抵抗氯离子渗透的能力 ， 主要是因为矿物掺合料 的密实填充效应和火山灰效 应 ， 能显著降低混凝土的总孑 L 隙率与大孔含量 ， 改善混凝土的孔径分布与孔 的几何形状 ， 使得混凝土内部扩 散通道变得曲折 ， 增加了氯离子在混凝土内部传输的阻力 3 计算模型 3 1 不同的计算模型 氯离子 向混凝 土内部传输是个非常复杂的过程 ， 其传输方式 主要有扩散、 渗透、 毛细管 吸附等几种形 式 混凝土在浸泡试验之前做了饱水处理 ， 氯离子 向混凝土 内部渗透视为以扩散方式为主 ， 混凝土中氯离 子含量的分布遵从 F i c k第二定律 目前氯离子扩散系数一般采用下式计算 ： r 、1 c ( ) = C I 1 一 e r f I ) I ( 1 ) 、 3 e f f t， 式 中： C ( ， t ) 为 t 时刻扩散深度为 处的氯离子浓度( mo l L ) ； C 为混凝土表面氯离子浓度( mo l L ) ， e r f ( ) 为误差函数 ； t 为混凝土试件暴露时间； D 为氯离子有效扩散系数 式 ( 1 ) 得到的有效扩散系数 只能表示暴 露期间的平均值 ， 而不是瞬时值 有学者根据研究和调查结果 ， 考虑混凝土氯离子扩散系数 的时变性规律 ， 提 出了不 同的预测氯离子在混凝土中渗透的模型 L T a n g等 通过快速扩散试验发现 ， 混凝土氯离子扩散系 数是与时间有关的函数 ， 相关关系可以表示为 ： D( t ) =D 0 ( t t o ) 一 “ ( 2 ) 式 中： D 。 为结构暴露时或其他任一时段的有效扩散系数 ； 。 为相应于 D 。的时间 ； n为时间衰减系数 因此 ， 考 虑混凝土氯离子扩散系数的时变性规律 ， 有学者提出了几种预测混凝土中氯离子扩散模型 ( 1 ) 模型 I P S M a n g a t 等 将混凝土暴露前的养护时间 t 与总时间( 暴露时间 t + t ) 简化成 0到 t ， 得到描述混凝土中氯离子扩散过程 的计算模型 ： ( 3 ) ( 2 ) 模型 L T a n g等 考虑混凝土养护时间与浸泡时间对计算结果 的影响， 认为养护时间对计算结 果有很大的影响， 得到计算模型如下 ： 厂 、 若 一eT (赤) 一 f12 、厝 l酉可 j 由式( 4 ) 可见 ， 当 t 0， 即混凝土试件成型或浇筑后 ， 经较短时间的养护 ， 就直接暴露在氯盐环境 中或 者当暴露时间 t 远大于养护时间 t 时 ， 式 ( 4 ) 可以简化为式( 3 ) 但在试验室浸泡试验研究过程中， 一般难以 满足该条件 ， 因此按以上两种数学模型计算的氯离子扩散系数将存在一定差异 ( 3 ) 模型 I与模型 差异的理论分析对 比式 ( 3 ) 和( 4 ) ， 依据两模 型计算得到 t 时刻 的表观氯离子扩 散系数 D 之间存在 以下关系： 一 Da ， q(4 ) 1 + 了rex ) 卜 ” 一 5 根据式( 5 ) ， 在不同衰减系数 n下 ， D ， ( 。 ) D ， ( )与 。 的关系见 图2 由图2可见 ， 当 n值一定时， 值越小 ， D ， E ( ， ) D ，E ( 4 )值越 大； 当 一定 时， 凡值 越大 ， D ，E ( 3 ) D ，E ( 4 )值 也越 大 ， 但 随着 t t 的增 大 ， D ， ) D ( ) 值不断减小， 并逐渐趋向于 1 也就是说， 只有当暴露时间远大于养护时间时， 按式( 3 ) 和( 4 ) 赢 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 吴烨 ， 等 ： 混凝 土氯离 子扩散系数时变性 规律 与计 算模 型适 用性 分析 5 3 计算得到的氯离子 扩散系数才基 本一致 ， 而在本试验研究过程 中， 试验时间条件无法满足 因此 ， 采用式 ( 3 ) 来计算 混凝土氯离 子扩散系数会造成较大的计算误差 3 2 不 同模型计算结果分析 根据模型 I与模型 计算得到的全浸泡条件下混凝土氯离 子扩散系数 随时 间衰减 变化关 系， 分别计 算 出混 凝土在 2 8和 1 5 0 d 时的氯离子扩散系数 ( 表 2 ) 从表 2可见 ： 两种模型计算所 得混凝土 2 8 d时氯离子扩散系数相差较大 ， 差幅在 2 3 2 9 之间； 1 5 0 d时的氯离子扩散系数接近 ， 差幅在 3 6 之间 研究发现 ， 模型 I预测氯离子在混凝 土中的扩散过程时 ， 由 于室内 自然渗透时间相对较短 ， 将某一段 自然渗透时间视为渗透 时间与初始养护时间的和 ， 导致其计算所得氯离子扩散系数偏小 ， 这不仅影响混凝土抵抗氯离子渗透能力的 评估 ， 而且弱化了混凝土氯离子扩散系数对时间的依赖性 ， 导致衰减系数 的计算结果偏小 但随着渗透时间 的延长， 初始养护时间相对于渗透时间可以忽 略， 模型 I与模 型 计算所得氯离子扩散系数结果越来越接 近 因此 ， 式( 3 ) 适用于预测长期渗透试验氯离子在混凝土中的扩散状况 ， 而较短渗透时间的混凝土中氯离 子扩散规律则需用式( 4 ) 表 2 两种模型计算 2 8和 1 5 0 d时混凝土氯离子扩散 系数 Ta b 2 Co n c r e t e c hl o r i d e d i f f us i o n c o e ffi c i e n t c a l c u l a t e d b y t wo mo d e l s a t t h e c u r i n g a g e s o f 28 da y s a n d 1 5 0 d a y s 注 ： D1 ， D 2分别代表模 型 I 和模型 计算得到的氯离子扩散系数 由式( 4 ) 计算全浸泡与干湿循环条件下各配 比混凝土氯离子扩散系数随时间变化关 系， 并按幂函数进 行拟合得到关系式 ， 见图 3 龄期 t d 龄期 t d ( a ) 全浸泡 ( b )干湿循环 图 3 全浸泡和干湿循环条件下混凝土氯离子扩散系数 随时问变化关系 F i g 3 C h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s c h a n g i n g wi t h t i me u n d e r t h e c o n d i t i o n o f i mme r s i o n a n d d r y a n d we t c y c l e s 由图 3可见 ， 在全浸泡和干湿循环两种试验条件下 ， 普通混凝 土氯离子扩散系数 随水胶 比的增大而增 大 掺合料混凝土氯离子扩散系数远小于普通混凝土 干湿循环条件下各组混凝土氯离子扩散系数大于全浸 O 9 8 7 6 5 4 3 2 l 一 0 日、 一0 r ， 一 矗 1 0 8 6 4 2 一 。 一 ， 0 _ Iu 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 水 利 水 运 工 程 学 报 2 0 1 2年 6月 泡条件 普通混凝土 K 1组 ( 水胶 比为 0 4 ) 氯离子扩散系数随时问的衰减 系数 2值大于 K 2组 ( 水胶 比为 0 4 5 ) ， 主要是因为混凝土水胶 比越小 ， 早期水化不完全 ， 成熟度较低 ， 但 随着时间的增加 ， 混凝土不断水化 直至完全， 内部结构更加密实 ， 因而抵抗氯离子渗透的能力对时间的依赖性则较大； 水胶比大的混凝土， 早期 水化程度较高 ， 随着时间的增加 ， 抵抗氯离子渗透能力对时问的依赖性则相对较小 掺合料 S F 1 、 S F 2组混凝 土氯离子扩散系数随时间变化的衰减系数 n 要大于普通混凝土 ， 主要是 因为混凝土中矿物掺合料 经后期二 次水化 ， 内部结构更加密实 ， 其抵抗氯离子渗透 的能力越来越强 ； 另外 ， 干湿循环条件下， 混凝土氯离子扩散 系数随时间变化的衰减系数 2要小于浸泡条件值 可以看 出， 氯离子扩散系数随时间衰减系数 n是混凝土 内水泥和活性掺合料的长期水化作用对于结构 的密实效应在氯离子扩散性能上的综合反映， 其数值大小与混凝土水胶 比、 掺合料种类 与含量有关 ， 且不同 的暴露条件 n值也相差很大 4 结 语 ( 1 ) 混凝土水胶 比越大 ， 内部孔隙率越高 ， 氯离子在混凝土中扩散就越容易 矿物掺合料的掺人能有效 抑制氯离子在混凝土中的扩散 另外 ， 氯离子在于湿循环条件下 的扩散系数大于全浸泡条件下的值 ( 2 ) 混凝土氯离子扩散系数随时间不断减小 ， 其数值和衰减系数 n值的大小与混凝土的水胶 比、 掺合料 的种类和含量 、 暴露环境以及计算模型有关 掺合料混凝土氯离子扩散系数随时间变化的衰减系数 n大于普 通混凝土 干湿循环条件下 ， 混凝土氯离子扩散系数随时间变化的衰减系数 n则小于全浸泡条件试验值 ( 3 ) 不同的理论模型对氯离子扩散系数计算结果有很大影响 对 于短时间浸泡试验 ， 即养护时间相对于 浸泡时间不能忽略时， 需用式 ( 4 ) 来计算氯离子扩散系数； 而对于长期浸泡试验 ， 即当浸泡时间远远大于养 护时间时， 则可 以用式( 3 ) 进行计算 参考文献 ： 1 洪乃丰混凝土中钢筋腐蚀与防护技术 J 工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 6 0 6 3 ( H O N G N a i f e n g C o r r o s i o n a n d p r o t e c t i v e t e c h n o l o g y o f r e h a r i n c o n c r e t e J I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n ， 1 9 9 9， 2 9 ( 1 0 ) ： 6 0 - 6 3 ( i n C h i n e s e ) ) 2 M E H T A P K C o n c r e t e d u r a b i l i t y fi f t y y e a r s p r o g r e s s C D e t r o i t P r o c o f 2 n d I n t e r C o n f o n C o n c r e t e D u r a b i l i t y ， A C I S P 1 2 6 1，1 991：1 31 3 I Z Q U I E R D O D，A L O N S O C，A N D R A D E C，e t a 1 P o t e n t i o s t a t i c d e t e r mi n a t i o n o f c h l o r i d e t h r e s h o l d v a l u e s f o r r e b a r d e p a s s i v a t i o n e x p e ri m e n t a l a n d s t a t i s t i c a l s t u d y J E l e c t r o c h e mi c a l Me t h o d s i n C o r r o s i o n R e s e a r c h ，2 0 0 4， 4 9 ( 1 7 ) ： 2 7 2 9 27 31 4 柯伟中国腐蚀调查报告 M 北京 ： 化学T业 出版社 ， 2 0 0 3 ( K E We i C h i n e s e c o r r o s i o n i n v e s t i g a t i o n r e p o r t M B e i j i n g ： C h e m i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 3 ( i n C h i n e s e ) ) 5 朱雅仙， 朱锡昶 ， 张燕迟钢筋混凝土耐久性海洋暴露试验 J 海洋工程， 2 0 0 4 ， 2 2 ( 4 ) ： 6 0 6 6 ( Z H U Y a x i a n ， Z H U X i c h a n g Z H A N G Y a n c h i C o a s t a l e x p o s u r e t e s t o f d u r a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e u s i n g a c t i v a t e d a d m i x t u r e s J T h e O c e a n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， 2 2 ( 4 ) ： 6 0 - 6 6 ( i n C h i n e s e ) ) 6 金伟良，赵羽喜混凝土结构耐久性 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 2 ( J I N We i l i a n g ， Z H A O Y u x i D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s M B e ij i n g ：S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 2 ( i n C h i n e s e ) ) 7 B O D D Y A， B E N T Z E， T HO MA S M D A， e t a 1 A n o v e r v i e w a n d s e n s i t i v i t y s t u d y o f a m u h i m e c h a n i s t i c c h l o ri d e t r a n s p o rt m o d e l J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9 ： 8 2 7 8 3 7 8 T A N G L ， N I L S S O N L O C h l o ri d e d i f f u s i v i t y i n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a t d i f f e r e n t a g e s J N o r d i c C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 2 ， 1 1 ( 1 ) ：1 6 2 1 7 1 9 MA N G A T P S ，M O L L O Y B T P r e d i c t i o n s o f l o n g t e rm c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e J Ma t e ri a l s a n d S t ruc t u r e s ，1 9 9 4 ， 2 7：33 8 3 46 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 吴烨， 等 ： 混凝土氯离子扩散系数时变性规律与计算模型适用性分析 5 5 1 0 T A N G L ， J O O S T G O n t h e m a t h e m a t i c s o f t i m e d e p e n d e n t a p p a r e n t c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i n c o n c r e t e J 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 ， 2 0 0 7， 3 7 ( 4 ) ： 5 8 9 5 9 5 Ti me v a r i a t i o n o f c o nc r e t e c hl o r i de d i f lf u s i o n c o e f f i c i e nt s a nd a pp l i c a bi l i t y a na l y s i s o f t he c a l c ul a t i o n mo d e l s W U Ye ，Z HU Ya x i a n ，L I U J i a n z h o n g ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H i g h P e r f o r m a n c e C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s ， J i a n g s u R e s e a r c h I n s t i t u t e of B u i l d i n g S c i e n c e ， N a n fi n g 2 1 0 0 0 8 ，C h i n a ；2 R e s e a r c h C e n t e r o n N e w Ma t e r i a l s i n H y d r a u l i c S t r u c t u r e s ，Mi n i s t r y of W a t e r R e s o u r c e s ， N a n j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e， N a n fi n g 2 1 0 0 2 9 ，C h i n a ) Abs t r a c t：Na t u r a l p e n e t r a t i o n t e s t s i n t u i t i v e l y s h o w t h e c h l o r i d e d i f f u s i n g p r o c e s s i n c o n c r e t e Th e c a l c u l a t i o n mo d e l s f o r c h l o r i de di f f u s i o n c o e ffi c i e n t s a r e d i s c u s s e d i n t hi s p a pe r T he a n a l y s i s r e s u l t s s ho w t h a t ： c h l o rid e d i f f u s i n g i n t o c o n c r e t e i s a c o mp l e x p r o c e s s o f p h y s i c a l a n d c h e mi c a l e f f e c t s，a n d t h e d i f f u s i o n c o e ffic i e n t s a r e t h e t i me de p e n d e n t f u n c t i o n s，a n d t h e a t t e n ua t i o n c o e ffi c i e n t s a r e r e l a t e d t o c e me n t i t i o u s ma t e ria l s，wa t e r c e me n t r a t i o a n d e x p o s u r e e n v i r o n me n t A c c o r d i n g t o mo d e l 1 I，for s h o r t t e r m s o a k i n g e x p e r i me n t ， t h e i n fl u e n c e o f a c u r i n g a g e a n d s o a ki n g t i me o n t h e c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e ffic i e n t c a l c u l a t i o n r e s u l t s c a nn o t b e n e g l e c t e d，wh e r e a s，for l o n g t e r m i mme r s i o n e x p e r i me n t ，na me l y whe n s o a k i ng t i me i s f a r l o n g e r t h a n t h e c u r i n g a g e，i t s i n flu e n c e c a n b e n e g l e c t e d Ke y wo r ds：c o n c r e t e；c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e ffi c i e n t ；c a l c u l a t i o n mo d e l ；t i me v a r i a t i o n 挺 格 旃 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m