干湿交替作用下粉煤灰混凝土氯离子扩散规律.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5期 ) N u mb e r 1 1 i n 2 0 1 1 ( T o t a 1 No 2 6 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RET I CAL RES EARCH 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 1 干湿交替作用下粉煤灰混凝土氯离子扩散规律 陈树东 1 lz ，孙伟 。 ，余红发 ，张云升 s ( 1 南京航空航天大学 土木系，江苏 南京 2 1 0 0 1 6 ；2 浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 3 1 1 2 3 1 ； 3 东南大学 材料科学与工程系，江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要 ： 对干湿交替作用下的混凝土， 研究其不同粉煤灰掺量( 0 、 2 0 、 4 0 、 6 0 ) 、 不同水胶比( O 3 0 、 0 3 5 和 O 4 0 ) 和不同养护制度( 2 8 、 9 O d ) 对氯离子传输行为的影响规律。 试验表明： 粉煤灰掺量和水胶比对氯离子浓度的影响规律随着干湿交替次数的增加而改变， 循环 5 次时粉煤灰掺量为2 0 的氯离子浓度最大， 而 1 5 次时掺量为 4 0 的氯离子浓度最大； 循环 5 次时水胶比为 0 4 0 的氯离子浓度最大， 循 环次数大于 1 0 次时水胶比为 0 3 5 的氯离子浓度最大； 不同循环次数下都是养护 2 8 d 的氯离子浓度大于养护 9 0 d 的氯离子浓度。 混凝土 干湿交替作用下氯离子传输规律研究对混凝土结构耐久性和寿命预测具有现实意义。 关键词： 粉煤灰混凝土；干湿交替；氯离子传输；结合能力 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 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 - 0 0 0 1 0 3 Re s e ar c h 0n c hl or i de i on s diffus i on of f ly a sh c on c r e t e unde r dr yi ng and we t t i ng c y c l e C HEN S h u d o n g ， SUN We i ， YUHo n g- f a1 ， Z HANG Yan s h eng ( 1 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Na n j i n g Un i v e r s i ty o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s ， Na n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 Z h e j i a n g Co l l e g e o f Co n s t r u c t i o n ， Hang z h o u 3 1 1 2 3 1 ， C h in a ； 3 De p a r t me n t o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， S o u t h e a s t Un i v e r s i ty， Na n j i n g 2 1 0 0 9 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e t r an s mi s s i o n l a w o fc h l o rid e i o n s o f Hi g h Pe r f o r ma n c e Co n c r e t e u nd e r d r y - we t c y c l i n g i s s t u d i e d o n d i f f e r e n t fly a s h p r o p o r t i o n ( 0 ， 2 0 ， 4 0 ， 6 0 ) ， d i ff e r e n t r a t i o o f w a t e r t O b i n d e r( O 3 0 ， 0 3 5 ， 0 4 0 ) andd i ff e r e n t c u r i n g t i me( 2 8 ， 9 0d ) E x p e ri me n t r e s u l t s s h o wt h a t t h ei n fl u - e nc e o ffl y a s h pr o p o rti o n and wa t e r t o b i n d e r r a t i o o n c h l o rid e i o n s c o n c e n t r a t i o n c h a n g e s wi t h t h e i n c r e a s e o f d r y - we t c y c l i n g t i me s Wh e n t e s t i n g i n t h e s a med ept h， a f t e rc y c l ing 5t i me s ， c o n c r e t ewi t h2 0 flya s hc o n t e n t ha s ma x i mu m c h l o rid ei o ns c o n c e n t r a t i o n， wh i l ea ft e r c y c l i n g1 5t i me s ， c o n - c r e t e m 4 0 fl y a s h c o n t e n t h a s maxi mu m c o n c e n t r a t i o n ， a ft e r c y c l i n g 5 t i me s ， c o n c r e t e m 0 4 0 wa t e r t o b i n d e r r a t i o h a s maxi mu m c o n c e n t r a - t i o n and c o n c r e t ewi th 0 3 5wa t e r t ob i n d e rr a t i oh a s ma x i mum c o n c e n tra t i o nwh e n c y c l i n gt i me s a r emo r ethan 1 0t i me s Co n c r e t e a ft e r 28 d c u r i n g a l wa y s ha s l arg e r c h l o rid e i o ns c o n c e n t r a t i o n c o mp are d wi t h c o n c r e t e a fte r 9 0 d c u r i n g n o ma t t er ho w many c y c l i n g t i me s T he ms e arc h o f c h l o rid e i o n s tr a n s mi s s i o n l a w u n d e r d r y w e t c y c l i n g o f a s h c o n c r e t e p o s s e s s e s t h e r e a l me a n i n g t o the s tr u c t u r e d u r a b i l i ty and l i f e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e K e y wo r d s ： fl y a s h c o n c r e t e ； d r y - w e t c y c l i n g ； tr a n s mi s s i o n o f c h l o r i d e i o n ； b in d i n g c a p a b i l i ty 0 引言 氯离子引起的钢筋锈蚀是混凝土结构尤其是海工混凝土 结构破坏的首要原因【 1- 4 。 为了解决更多实际问题 ， 很多学者不 断完善了传统的氯离子传输理论。 C o l l e p a r d i 】 最先提倡用 F i c k 第二扩散定律来描述氯离子在混凝土 中的表观扩散行为， 并 提出了相应八个方面基本假设 ； N i l s s o n t 研究了氯离子结合能 力的非线性规律 ； 过去对氯离子传输特性的研究多是在单一理 论( 主要用 F i c k 定律 ) 下进行的， 但在干湿交替作用 7 _ 9 】 下如浪 溅区和潮汐区， 氯离子侵入混凝土主要依靠表层的毛细管作用 和内层的扩散作用B 0 ， 使用单一的 F i c k扩散定律无法准确表 征氯离子传输规律。 因此 ， 系统研究不同种类和不同养护制度 混凝土在干湿交替作用下氯离子传输规律意义重大， 对基于以 氯离子传输为基础的混凝土耐久性和寿命预测研究具有更大 的指导意义。 基于此目的， 本试验研究了不同粉煤灰掺量 、 不同 水胶比和不同养护制度对氯离子传输的影响规律， 以期对粉煤 灰高性能结构混凝土的耐久性和相应的寿命预测具有一定的 指导作用。 1试 验 1 1 原材料 水泥： 南通华新水泥厂生产的 P O 4 2 5 级水泥； 粉煤灰： 镇 江谏壁 I 级灰； 砂 ： 赣江中砂， 细度模数 2 4 2 7 ； 石子： 镇江茅迪 玄武岩 5 2 5 1 T L IT I ， 连续级配； 外加剂 ： 上海华登 HP 4 0 0 R高效减 水剂； 水： 自来水。 水泥和粉煤灰的化学组成见表 1 所示。 表 1 水泥和粉煤灰的化学组成 1 - 2配合 比 本试验设计了 6 种配合比混凝土， 其粉煤灰掺量分别为 0 、 2 0 、 4 0 、 6 0 ， 胶凝材料掺量为 4 6 0 k g m 3 ， 水胶比为 0 3 0 、 0 3 5 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 5 1 9 基金项目：国家“ 9 7 3 ” 项目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 0 ) ； 国家博士后基金( 2 0 0 9 0 4 6 1 1 0 7 ) 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和 0 4 0 ( 质量比) ， 外加剂掺量为 O 7 ( 质量分数) ， 砂率为3 7 ， 坍落度控制在 1 8 0 - 2 0 0 m l 1 3 之间， 具体配合比见表 2 所示。 表 2 混凝土配合比 ， 。 水泥粉煤灰粉煤灰掺量减水剂 水 2 8 d 抗压强度 编号 ( k 咖 ， ) k 咖 ， ) ( k 咖 ， ) ( k 咖 ， ) M P a 1 3 干湿交替制度 本试验干湿交替制度采用三干三湿法 ： 在 6 0的烘箱内烘 3 d ， 取出试块等到冷却后放入 3 5 Na C 1 溶液浸泡 3 d ， 一个循 环 历时 6 d 。 2 结果与讨论 2 1 干湿交替作用下氯 离子传输规律 当混凝土吸水饱和后， 氯离子开始以扩散机制向混凝土内 部渗透 ； 当混凝土外部环境开始干燥时， 混凝土中的水分逐步 向外蒸发， 整个干燥过程始终伴随着水分向外迁移和氯离子向 内扩散 2个传输过程， 混凝土内部某一深度处氯离子浓度会升 高， 氯离子向内扩散的浓度梯度加大 ， 只要内部具有足够湿度 褪 登 褪 0 4 O +5 次干湿 循环 +1 O 次千湿 循环 +1 5 次干湿循环 一 v 2 0 次干湿 循环 一 * 3 0 次干湿循环 深 度 m m ( a ) 不同循环次数 自由氯离子浓度曲线 就可以使扩散过程持续进行。 多次循环将在混凝土一定深度处 形成一个氯离子浓度峰值 ， 从这一浓度峰值向内的氯离子主要 以扩散机制传输 ， 从该处起向外以毛细管吸人和水分蒸发进行 物质迁移为主要传输机制。 随着循环次数增加和干湿程度加 大 ， 毛细管作用范围不断扩大， 吸人深度不断增加， 氯离子浓度 峰值有向混凝土内部迁移的趋势， 氯离子峰值积累程度和向内 推移速度主要取决于干湿交替长短和循环次数的多少。 干燥程 度越高 ， 循环次数越多， 氯离子浓度峰值向内推移速度越快。 图 1 ( a ) 所示为 M3配合比在 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 3 0次干湿交替时 的自由氯离子浓度曲线图， 由图 1 可以看出氯离子浓度都是随 着测试深度的加大而迅速减小 ， 相同深度处随着循环次数的增 加而增加。 图 1 ( b ) 所示为 M3配合比在无干湿交替和 2 O次循 环时各深度氯离子浓度曲线， 由图可以看出当混凝土受到干湿 交替作用时表层混凝土中氯离子浓度 比未受到干湿交替作用 时大， 越靠近混凝土表层位置， 两者差别越大 ， 随着深度的增加 两者差异逐步减少， 2 5 m i 1 深度处受干湿交替作用的氯离子浓 度和未受干湿交替作用的氯离子浓度差值为 0 5 2 ， 而 1 7 5 1 T n T I 处浓度差值为0 0 2 9 ， 由此可以看出干湿交替作用对表层混凝 土影响很大， 而对于较大深度处的氯离子浓度影响不是十分显 著。 其余配合比也有相似的规律。 2 2 粉煤灰掺量对氯 离子传输影响规律 M1 、 M2 、 M3 和 M4 配合比( 粉煤灰掺量分别为 0 、 2 0 、 4 0 和 6 0 ) ， 干湿循环次数为 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 3 0次时自由氯离子浓 琶 避 褪 撅 深度 ram ( b ) 有无干湿循环作用下自由氯离子浓度曲线 图 1 干湿 交替作用下氯离子浓度曲线 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 1 6 l 8 深 度 mm ( a ) 5 次循环后 自由氯离子浓度曲线 2 誉 褪 0 0 6 O 5 云0 震o 3 O 1 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 l 8 深度 mm ( b ) 1 0次循环后自由氯离子浓度曲线 圣 褪 城 深度 m m 深度 mm 深度 m m ( c ) 1 5 次循环后自由氯离子浓度曲线( d ) 2 0次循环后自由氯离子浓度曲线( e ) 3 0 次循环后自由氯离子浓度曲线 图2 干湿交替作用下粉煤灰掺量对混凝土氯离子浓度的影响 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 O 0 0 0 0 O 誉 蛏 韫艟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 度曲线如图2所示。 由图可以看出在混凝土表层( 一般小于 1 0 i l i n ) ， 氯离子浓度随着粉煤灰掺量变动比较明显 ， 且不同循 环次数下随着粉煤灰掺量增加氯离子浓度大 b N序也不同， 当 循环 5次时， 2 5 ton i 处 2 0 粉煤灰掺量配合比( M2 ) 氯离子浓 度最大， 而 1 5 次时变成 4 0 粉煤灰掺量配合比( M3 ) 最大； 在 混凝土较大深度处( 大于 1 2 n 2 r n ) ， 其大小顺序不随循环次数变 化而变化。 这是 由于干湿交替作用下粉煤灰混凝土氯离子传输 规律发生重大改变， 由原来以扩散为主的传输形式变成了以毛 细管作用为主的传输形式， 因此不能简单采用扩散定律来表征 氯离子传输规律， 必须采用新的模型来 阐述干湿交替作用下氯 离子传输规律。 2 3 水胶 比对氯离子传输影响规律 图 3 所示为M5 、 M3和M6配合比( 水胶比分别为 0 3 0 、 0 3 5 芝 艇 褪 芝 蛏 褪 麟 深 度 m m ( a ) 5次循环后 自由氯离子浓度曲线 深度 ram ( e ) 1 5 次循环后自由氯离子浓度曲线 誊 褪 撅 芝 避 艟 骣 罨 烂 链 和 0 4 0 ) ， 干湿循环次数为 5 、 1 O 、 1 5 、 2 0 、 3 0 次时自由氯离子浓 度 曲线。 和不同粉煤灰掺量对混凝土氯离子浓度影响规律类 似 ， 不同水胶比状态下也是表层氯离子浓度发生较大变化 ， 当 深 度 大于 1 2 mn l时氯离 子 浓度 大 小规 律保 持 不变 ， 即 0 4 0 0 3 5 0 3 0 ， 而在 5个循环时水胶比为 0 4 0 ( M6 ) 配合比氯 离子浓度最大， 当循环次数大于 1 0次时水胶 比为 O 3 5 ( M3 ) 配 合比氯离子浓度最大。 2 4 养护制度对氯离子传输影响规律 不同养护龄期下( 2 8 、 9 0 d ) 混凝土在干湿循环次数为 5 、 1 0 、 1 5 、 2 O次时 自由氯离子浓度曲线如图 4 所示 ， 由图 4可以看 出和粉煤灰掺量、 水胶比对氯离子浓度的影响规律随着干湿交 替次数 、 取样深度变化而变化有所不同， 养护 2 8 d和养护 9 0 d 的混凝土表层和非表层氯离子浓度大 b N序在不同循环次数 芝 H 褪 螓 深度 mm (b ) 1 0 次循环后自由氯离子浓度曲线 深度 mm ( d ) 2 0 次循环后 自由氯离子浓度曲线 蓬 褪 艟 图3 干湿交替作用下水胶比对混凝土氯离子浓度的影响 深 度 m m ( a ) 5次循环后 自由氯离子浓度曲线 连 犍 蟥 深度 ram ( e ) 3 0次循环后自由氯离子浓度曲线 深度 mm ( b ) 1 0 次循环后 自由氯离子浓度曲线 深度 mm ( c ) 1 5次循环后自由氯离子浓度曲线 深度 mm ( d ) 2 o次循环后 自由氯离子浓度曲线 图4 干湿交替作用下不同养护龄期对混凝土氯离子浓度的影响 下转第 7页 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m P J 曰 F A 一 f O C E 五 ) 图 8系数 E计算简图 3 个试件在试验过程中加载制度、 轴向荷载一致。 试验结果表明： ( 1 ) 对于耗能系数， 施工误差为 1 0 n M r l 时， 截面尺寸较大的 试件 比截面尺寸小的试件耗能系数高出 1 3 ， 两类试件的延性 系数最大相差 2 6 。 ( 2 ) 在低周往复荷载下， 截面尺寸大的试件 S J 2相对于截 面尺寸较小的试件 S J 3 ， 前者经历的最大荷载明显大于截面尺 寸误差为负值的试件， 试验结果相差达 3 8 ； ( 3 ) s J 2试件极限位移大于试件 s J 3 ， 两者相差为 5 。 反 应出前者的变形能力大于后者。 在建筑结构施工过程中， 应该严格限制梁柱截面尺寸的施 工误差 ， 提高结构在低周反复荷载作用下的极限承载力及耗能 能力， 保证结构设计所需要的延性、 耗能能力得以实现。 参考文献 ： 1 余琼， 吕西林 ， 陆洲导框架节点反复荷载下的受力性能研究 J 同济 大学学报： 自然科学版， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 1 3 7 6 1 3 8 1 【 2 】郭子雄 ， 吕西林 高轴压比下 R C 框架柱的变形特征及滞回特性试验 研究 c 1 第五届全国地震工程学术会议论文， 1 9 9 9 3 傅剑平 ， 等 考虑轴压比影响的钢筋混凝土框架内节点抗震性能试 验研究 J 重庆建筑大学学报， 2 0 0 0 ( Z 1 ) 4 】 张国军 ， 吕西林， 白国良 周期反复荷载作用下高轴压比框架柱抗震 上接 第 3页 时不发生变化， 都是养护 2 8 d的氯离子浓度大于养护 9 0 d的氯 离子浓度； 深度在 1 2 1 1 1 1 1 1 左右处两个养护龄期的氯离子浓度曲 线差距比较大， 过了这个深度两者大小迅速接近， 因此可以看出 干湿交替作用对混凝土深度的影响范围具有一定的规律性。 3结论 ( 1 ) 在干湿交替作用区， 氯离子浓度不仅受到粉煤灰掺量、 水胶比的影响 ， 也受到干湿循环次数的影响， 循环 5次时粉煤 灰掺量为 2 0 的氯离子浓度最大， 而 1 5 次时掺量为 4 0 的氯离 子浓度最大； 循环 5 次时水胶 比为 0 4 0的氯离子浓度最大， 循环 次数大于 1 0次时水胶比为 0 3 5的氯离子浓度最大。 ( 2 ) 在干湿交替作用区， 不同养护龄期( 2 8 、 9 0 d ) 混凝土氯 离子浓度不受干湿循环次数的影响， 都是养护 2 8 d的氯离子浓 度大于养护 9 0 d的氯离子浓度。 参考文献： 【 1 】贡金鑫 ， 赵国藩 钢筋混凝土结构耐久性研究的进展 J 工业建筑， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 5 0 ) ： 1 - 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1 7 4 6 1 9 DR Y S D A L E R GP l a c e me n t e r r o r s f o r r e i n f o r c i n g i n c o n c r e t e c o l u m n m A C I J o u rna l 。 1 9 7 5 ( 1 ) ： 9 1 5 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 周焕廷( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 博士， 讲师。 武汉市珞狮路 1 2 2 号 武汉理工大学土木工程与建筑学院 ( 4 3 0 0 7 0 ) 1 3 4 3 71 5 6 3 9 0 【 3 洪定海 混凝土中钢筋的腐吐与防护嗍 - 京： 中国铁道出版社， 1 9 9 8 4 洪乃丰混凝土中钢筋腐蚀与防护技术( 3 ) 氯盐与钢筋锈蚀破坏叨 工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 6 0 6 3 5 】C O L L E P A RD I M， MA RC I A L I S A， T U R R I Z Z A N I R T h e K i n e t i c s o f p e n - e t r a t i o n o f c h l o ri d e i o n s i n t o t h e c o n e r e t C e m e n t ， 1 9 7 0 ( 4 ) ： 1 5 7 1 6 4 6 N I L S S O N L 0， P OU L S E N E， S A N D B E R G P ， e t a 1 C h l o ri d e p e n e t r a i o n i n t o c o n c r e t e ， s t a t e f - t h e a r t t r a n s p o r t p r o c e s s e s ， c o r r o s i o n i n i t i a t i o n， t e s t m e t h o d s a n d p r e d i c t i o n mo d e l s J T h e R o a d D i r e c t o r a t e ， C o p e n h a g e n， 1 9 9 6 、 7 张莹， 张玉敏， 李萍海水侵蚀环境下混凝土强度的研究 J 】 _山东建筑 工程学院学报， 2 0 0 2 ( 2 ) 8 8 张玉敏， 马静， 矫强盐溶液侵蚀环境下混凝土耐久性的研究 应用 科技 ， 2 0 0 3 ( 1 0 ) 9 李岩 氯离子在混凝土中的渗透性能与钢筋腐蚀临界浓度的试验研 究【 D 】 南京 ： 南京水利科学研究院， 2 0 0 3 【 1 0 J 0 H AN N E S S 0 N B F N o n l i n e a r t r a n s i e n t p h e n o me n a i n p o r o u s m e d i a w i t h s p e c i al r e g a r d t o c o n c r e t e a n d d u r a b i l i t y J Ad v n a c e d C e me n t B a s e d M a t e ri a l s ， 1 9 9 7 ， 6 ( 3 4 ) ： 7 1 7 5 作者简介： 陈树东( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 博士后。 联系地址： 南京航空航天大学( 2 1 0 0 1 6 ) 联系电话 ： 1 8 9 3 9 7 0 1 3 1 6 ， 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m