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环境参数对大气氯离子作用的影响刘?军,?邢?锋,?丁?铸(深圳大学 深圳市土木工程耐久性重点试验室,?深圳?518060)?摘?要?文中研究了温湿度、距海岸线距离、高度等环境参数对大气氯离子作用的影响,研究表明大气中氯离子含量随季节的波动很大,并随着距海岸线距离的增大而减小,高温、高湿有利于氯离子的作用,大气氯离子对沿海混凝土结构作用明显,大气氯离子对混凝土结构耐久性的影响应该引起重视。?关键词?大气环境;氯离子;混凝土;渗透?中图分类号?TU528?01?文献标识码?B?文章编号?1001-6864(2008)06-0004-03THE INFLUENCE OF ENVIRONMENT PARAMETER ON ATMOSPHERIC CHLORIDELIU Jun,?XING Feng,?DING Zhu(Key Lab of Civil Engineering Durability of Shenzhen,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China)?Abstract:In the atmosphere,the sea breeze and mist near the ocean,there is a mount of Cl-and NaClparticles.The paper studies on the temperature,humidity,the distance from the coastline and other environ-mental parameters on atmospheric effects of chloride ion.The results show that chloride ion content in the at-mosphere fluctuates with the season and the distance from the coastline.Higher temperature and higher hu-midity is conducive to the role of chloride ion.The atmospheric chloride ion affects the coastal concrete struc-ture obviously.Attention should be paid on the influence of atmosphere chloride ion on durability of concretestructures.Key words:environment;chloride ions;concrete;permeability 基金项目?国家自然基金项目重点项目(50538060);深圳大学科研启动基金资助项目(200837);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-05-0748)0?引言氯离子引起的钢筋锈蚀问题是引起结构失效的主要原因之一,氯离子的来源包括海水、除冰盐等 1。近 10 年来,含氯环境下混凝土中的钢筋腐蚀已逐渐成为国内外耐久性研究的重点 2。在海洋附近大气中,含有氯化钠的海水水滴在海浪水沫飞散时混入大气,海风、雾气之中含有大量的Cl-或 NaCl的颗粒,氯离子会沉积在混凝土的表面,由于混凝土具有一定的渗透性,在干燥情况下的毛细作用和湿润情况下的渗透作用3,氯离子会向混凝土内部扩散,当氯离子浓度超过引起钢筋锈蚀的临界浓度时,就会产生破坏作用。混凝土结构所处的环境因素,诸如湿度、温度、风向等对氯离子的在混凝土的沉积有重要的影响4。本文研究了温湿度、距海岸线距离、高度等环境参数对大气氯离子作用的影响。1?环境参数对大气氯离子含量的影响1?1?随时间的分布海南万宁试验站关于大气氯离子的数据较多,图 1 是海南万宁地区的大气氯离子变化规律,结果表明,氯离子浓度全年有冬季高夏季低的变化特点。一般而言,大气氯离子含量较高是 10 12月,中等含量在 1 3 月,较低含量在 49月,全年氯离子浓度波动较大,大气氯离子的最高含量为1?1mg?100cm2?d,最低含量为 0?15mg?100cm2?d,最高含量是最低含量的 7 倍多。1?2?随离海岸线距离的分布海南万宁试验站,测量距离海岸线不同距离的大气氯离子浓度,见图 2。分析可知在相同气候条件下,离海岸线距离远近对氯离子浓度变化影响非常大,距离海岸线越近,氯离子浓度越高,随着距海岸线距离增大,氯离子含量下降很快,距离小于 95m,大气氯离子含量在2mg?100cm2?d以上,距4低?温?建?筑?技?术2008 年第6 期(总第 126 期)离在 95 和 235m 之间,大气氯离子的含量在2mg?100cm2?d和0?2mg?100cm2?d,当距离大于 235m 时,大气氯离子的含量在0?2mg?100cm2?d以下。2?环境参数对氯离子渗透的影响2?1?环境温度环境介质温度升高,离子运动速度加快,有利于离子的传输过程,对于扩散过程环境介质温度对混凝土传输过程的影响可按照下列指数函数形式进行修正。Stephen 等7建立的混凝土氯离子扩散系数与温度的关系如下:D(T)=D0TT0eq(1T0-1T)(1)式中:D(T)?温度 T(K)时的氯离子扩散系数;D0?温度 T0时的氯离子扩散系数;q?与水灰比有关的活化常数,当水灰比 0?4、0?5、0?6 时,分别为 6000K,5450K 和 3850K。同时混凝土内钢筋的腐蚀是一个动态的电化学过程,其腐蚀速度除受其自身材料的影响外,主要为环境条件因素所控制,主要包括环境的温度、相对湿度等因素。其他环境因素相同时,温度对钢筋腐蚀的电化学反应速度,腐蚀介质在混凝土内部的扩散速度,腐蚀介质在水溶液中的溶解度等方面具有显著作用,影响着混凝土内钢筋的腐蚀速度。文献8 通过人工气候条件下,混凝土内钢筋微电流的研究,得出在环境条件一定的情况下,随着环境温度的升高,试件混凝土内钢筋腐蚀电流密度也在增大,如图 3 所示。2?2?环境湿度环境相对湿度通过温湿平衡决定着孔隙水饱和度,一方面影响着各种化学介质(CO2,Cl-)的扩散,另一方面,由于一部分使混凝土劣化的化学反应需在溶液或固液界面上进行,环境的相对湿度决定着混凝土内的孔隙水饱和度,其对混凝土的电阻率,氧气在混凝土内部的扩散速率,钢筋腐蚀阴极反应水分的供给等具有重要作用,从而影响钢筋的腐蚀速度。文献8 也研究了湿度对混凝土腐蚀电流的影响(图4),可以看出:在同样的环境条件下,随着环境湿度的升高,试件混凝土内钢筋腐蚀电流密度也在增大。2?3?降雨和日照在实际环境下,降雨对氯离子在混凝土表面的沉积有两个方面的影响:一方面,混凝土结构由于受到雨水冲刷,带走表面的氯离子,使混凝土表层氯离子的沉积浓度减小;另一方面,雨水结合日照高温影响,干湿交替加强了毛细作用,混凝土是多孔材料,若混凝土表面与水溶液接触,溶液便会通过毛细作用吸附到混凝土的表面,并进一步渗透到混凝土内部。同时,溶于其中的有害物质也被输送到混凝土孔中。2?4?距海岸线的距离由本文第 2?2 项的内容可知:距海岸线的距离对大气氯离子含量的影响很大,因此氯离子对混凝土结构的作用与海岸线的距离有很大的关系,McGee9对 1158 架桥梁进行了实地研究,建议表面氯离子浓度是距海岸距离(km)的函数,McGee9提出的表面氯离子浓度与距海岸距离(km)的函数关系为:C0(d)=2?95kg?m3,d 0?1km(2)C0(d)=1?15-1?81?lg(d),0?1km d 2?84km(3)C0(d)=0?03km?m3,2?84km 24氯离子浓度平均值(混凝土质量)/%0.510.360.220.17标准差0.230.240.190.105刘?军等:环境参数对大气氯离子作用的影响度波动很大,最高 0?51%,最低 0?17%,从图 5 可以看出随着高度的增加,大气盐雾环境混凝土表面氯离子浓度减小很快,基本成线性关系变化。3?工程实例3?1?工程背景本工程位于深圳盐田区小梅沙,北距大鹏湾海面 100m。工程于 1996 年设计,同年开始施工,1998 年竣工并投入使用。2001 年,由于海水池与主体建筑之间的变形缝漏水的缘故,进行了整修。2004 年开始发现结构构件劣化现象,同时,海水池周围 300m变形缝经过修理后,又出现了比较严重的渗漏现象。在建成短短的 6年内构件就发生劣化,造成严重的耐久性问题。3?2?取样取样地点为沿海岸结构中直接暴露于大气中的实际结构,抽芯部位为结构的六根钢筋混凝土柱(不受海水渗透或浸泡影响的部位),取样共计 5 块,尺寸为?100mm?200mm的圆柱体。3?3?实验结果与分析?表 2?氯离子累计沉积量序号混凝土质量(%)5mm15mm25mm35mm10.640.590.440.2620.330.240.170.1030.530.500.490.4040.200.190.180.1350.610.570.560.30?表 2是氯离子累计沉积量的测量结果,大气氯离子沉积最高为 0?64%,25mm 处,大气氯离子沉积最高为 0?56%,最低为 0?17%,如果取混凝土的保护层厚度为 25mm,那么氯离子浓度就达到通常所规定的引发锈蚀的临界浓度(占混凝土质量的 0?06%),?混凝土结构耐久性设计与施工指南?10中用于设计的大气区表面氯离子浓度为 0?25%0?30%(占混凝土质量%),与这一数据相比,本工程中氯离子的累计沉积量也是偏大的,因此大气氯离子对混凝土结构耐久性的影响应该引起重视。4?结语(1)?大气中氯离子含量随季节的波动很大,最高含量为1?1mg?100cm2?d,最低含量为 0?15mg?100cm2?d,与距海岸线距离关系很大,随着距海岸线距离的增大,氯离子含量下降得很快。(2)?高温环境有利于氯离子在混凝土中的扩散,随着湿度的增加氯离子对钢筋的腐蚀作用加剧。(3)?混凝土表面氯离子的沉积与距海岸线距离呈一定的函数关系,随着海平面高度的增加,表面的氯离子沉积量减小。(4)?大气氯离子对沿海混凝土结构作用明显,本文实例中氯离子的含量高于通常所规定的引发锈蚀的临界浓度(占混凝土质量的 0?06%),大气氯离子对混凝土结构耐久性的影响应该引起重视。参考文献 1?Jieying Zhang,Zoubir Lounis.Sensitivity analysis of simplified diffu-sion-based corrosion initiation model of concrete structures exposed tochloridesJ.Cement and concrete research,2006,36:1312-1323.2?宋晓冰,孔启明,刘西拉.普通硅酸盐混凝土中临界氯离子浓度的试验研究 J.土木工程学报,2007,11(40):59-63.3?L O Nillson,L Tang.Transport mechanisms in porous materials,in:HJennings,JKropp,K Scrivener(Eds.),TheModelling of Microstruc-ture and Its Potential for Studying Transport Properties and DurabilityM.Netherlands:Kluwer Academic Publishing.1996.4?P Castroa,O T De Rinconb,E J Pazini.Interpretationof chloride pro-files from concrete exposed to tropical marine 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