海边暴露环境下混凝土抗氯离子渗透性试验研究.pdf

文章编 号 ：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 3 6 0 4 生态建 材 海边暴露环境下混凝土抗氯离子渗透性试验研究 E x p e r i m e n t a l S t u d y o f R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e t o C h l o r i d e I o n P e r m e a b i l i t y u n d e r S e a E n v i r o n me n t 马志鸣， ，赵铁军2 ，王鹏刚2 ( 1 青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 2 6 6 1 0 0 ； 2 青岛理工大学，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要 ： 对 不同配合 比的混凝 土试件 ，在 海边 大气 区、潮汐 区、水下 区进 行暴 露试验 ， 同时 测定氯 离子含量 随深度 变化曲线。试验结果表明，实际海边暴露环境下混凝土的损伤程度大小为潮汐区水下区大气区，试件 内 氯离子含量随着暴露龄期的增加而增加 ，随时间水胶 比的增加而减小。对于水胶比相同的混凝土试件 ，掺 入粉煤灰等矿物掺合料可以有效提高混凝土抵抗氯 离子侵入的性能。 关键词 ：暴露试验 ；氯 离子 ；渗透性 ；耐久性 中图 分 类 号 ：T U 5 2 8 2 文 献 标 志码 ：A Ab s t r a c t ：C o n c r e t e E l e me n t s wi t h d i ff e r e n t p r o p o r t i o n we r e t e s t e d u n d e r e x p o s u r e t o s e a a i r z o n e t i d a 1 z o n e a n d u n d e r wa t e r e n v i r o n me n t Me a n wh i l e ， t h e e u e s o f c h l o r i d e I o n c o n t e n t wi t b d e e p c h a n g e we r e me a s u r e d T h e r e s u l t s h o we d t h a t t h e d e g r e e o f i n i u r y o f t h e c o n c r e t e s a mp l e wa s t i d a l z o n e u n d e r wa t e r a i r z o n e u n d e r s e a e x p o s u r e e n v i r o n me n t T h e c o n t e n t o f c h l o r i d e i n c r e a s e d wi t h p r o l o n g a t i o n o f s e a e x p o s u r e p e r i o d a n d d e p r e s s e d i n p a c e wi t h i n c r e a s e o f wa t e r c e me n t r a t i o T h e c o n c r e t e mi x e d wi t h mi n e r a l a d mi x t u r e s s u c h a s fl y a s h c o u l d e f f e c t i v e l y h e i g h t e n c o n c r e t e p e r f o r ma n c e o n a n t i c h l o r i d e f o r t h e s a mp l e u n d e r t h e c o n d i t i o n o f s a me wa t e r c e me n t r a t i o Ke y wo r d s ： s e a e x p o s u r e t e s t ： c h l o r i d e ； p e r me a b i l i t y ； d u r a b i l i t y 0 前 言 氯离子是造成钢筋混凝土中钢筋锈蚀的主要原因，导 致混凝土结构耐久性不足，提前发生破坏，使结构达不到 设计使用年限。以往对于氯离子的研究仅仅是在试验室环 境下，通过氯离子毛细吸收试验和氯离子自由扩散试验， 综合评定混凝土结构的抗氯离子侵入性能I l _ 。然而实际环 境中氯离子的作用机理相当复杂，同时与其他因素耦合作 用，加速了混凝土结构的耐久性劣化速率，导致混凝土结 构的提前破坏，但对于实际海洋环境中有关氯离子的侵蚀 作用机理研究较少【3 _ 4 1 。 本文从实际环境出发，使混凝土试件直接暴露在海洋 环境中，研究混凝土结构在海边暴露环境下的氯离子侵入 情况。同时，由于海洋不同区域氯离子侵入混凝土内部的 作用机理不同，故本试验测定试件在大气区、潮汐区、水 下区等不同位置氯离子侵入试验，从不同角度分析环境对 试件混凝土结构氯离子侵入的影响。本试验用配合比为青 岛海底隧道所用高性能配合比，模拟实际混凝土结构构件 在实际暴露环境中氯离子侵入的作用机理，为今后实际工 程中配合比的研发和结构的防护提供充足的理论依据。 1 原材料与配合比 本试验所采用混凝土原材料均来自 青岛本地，试验用 配合比为 “ 9 7 3项目”子课题，海洋腐蚀环境下氯离子侵 蚀试验研究了项目中的青岛海底隧道所用4个混凝土配合 比，研究不同水胶比及不同矿物掺合料对混凝土试件抵抗 氯离子侵入的影响，具体配合比见表 l 。 表 1 混凝土配合比 k g m 基金项目： 基金项目：9 7 3 项目 ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 3 )；国家自 然科学基金发展项目 ( 5 0 7 3 9 0 0 1 ) 3 6 coAL AsH 6 201 3 2 试验 内容及试验方法 2 1 海边暴露试验 将海边暴露试验用混凝土试块在标准养护条件下养护 2 8 d 后取出，取用两个混凝土侧面为试验用面，其余四面 用环氧树脂 ( 环氧树脂：塑化剂体积比为 3 ： 1 ) 密封， 保 证氯盐侵蚀为一维扩散。按照试验设计将不同组试件分别 放人海边环境的大气区、潮汐区、水下区，具体位置见图 1 。由于潮汐区和水下区的试块会受到水流的冲击，所以 都用铁丝网尽量固定住。待达到设计暴露龄期后将试件取 出，拉回试验室进行氯离子含量测定。 图 1 海洋环境现场试验布置图 2 2 氯离子测定试验 将达到试验龄期的混凝土试件从试验场运回试验室后， 将试件放在 5 0 左右的烘箱内将试块烘干至恒重。采用 干磨混凝土粉末机，按照标准分层打磨方法，将暴露腐蚀 面由表及内分层打磨。收集每层打磨下的粉末标准筛 ( 孔 径0 6 3 m m) 筛选后装密封袋备用。参照了J T J 2 7 0 1 9 9 8 水运工程混凝土试验规程，采用试验室常用的莫尔法 ( Mo h r ) 测定每层混凝土粉末中氯离子含量。其测定试验 步骤如下：从制备的样品粉末中称取 2 g( 精确到 0 0 1 g ) 混凝土粉末 ( G) 放入塑料瓶中，加入 5 0 m L 蒸馏水 ( V 3 )， 塞紧瓶盖，固定在振动台上振动不少于3 0 m i n 后，在平台 上静置2 4 h 。将已静置好的浸泡溶液过滤后用移液管抽取 2 0 m L过滤液 ( V 4 ) 于三角瓶中，加两滴酚酞溶液，溶液 变成玫红色，微震后加稀硫酸溶液中和至过滤液变成无色， 加入 l 0 滴铬酸钾指示剂，用硝酸银溶液慢滴至出现砖红色 沉淀，标记硝酸银溶液消耗前后的刻度，二者差值即为硝 酸银消耗量 ( V 5) 。根据式 ( 1 )可计算得出不同深度的 自由氯离子含量，根据氯离子含量数据，绘制不同深度下 氯离子含量曲线。 P： 1 o 0 ( 1 ) G X 式中： P一 样品中水溶性氯离子含量 ( )； CA ， 一 硝酸银标准溶液浓度 ( m o l L )； G一 样品重 ( g ) ； 一 浸样品的水量 ( m L)； 一 每次滴定时提取的滤液量 ( m L )； 一 每次滴定时消耗的硝酸银溶液量 ( m L )。 3 结果分析与讨论 3 1 海洋大气区氯离子侵入试验 由图2 所示，为不同配合比混凝土试件在海边暴露1 2 个月后的氯离子含量随深度的变化曲线。海洋大气区氯离 子的侵蚀是海洋环境中氯离子侵入最弱的环境，氯离子的 主要侵入方式是在盐雾环境下的氯离子侵入，即海边大气 环境中存在较高浓度的氯离子及悬浮水分子，当与混凝土 试件接触后氯离子随水分子的迁移，侵入到混凝土试件的 内部 ，对于钢筋混凝土结构，进而导致钢筋锈蚀 ， 混凝土 结构耐久性提前破坏1 5 - 6 】 。 拯 匣 膈 图2配合比A D 大气区腐蚀1 2 个月氯离子含量曲线图 从图2中数据可知，同一配合比的氯离子含量随着深 度的增加而减小。腐蚀 1 2 个月的4 种配合比的混凝土中， 抗氯离子侵蚀能力由强到弱依次为D B A C 。说明抵抗氯 离子侵入能力随着混凝土试件水胶比的提高而降低，这是 由于较大水胶比混凝土试件，在水泥水化过程中，未发生 水化反应的水分子蒸发，导致混凝土内部孔隙裂缝增多， 密实度降低，在腐蚀环境下氯离子随介子水侵入混凝土内 部孔隙。对比同一水胶比的混凝土试件 A、B可知，掺入 粉煤灰、矿粉的混凝土试件 B较试件 A抵抗氯离子侵入 6 2 0 1 3 粉煤灰 3 7 能力有所提高。 3 2 海洋潮汐区氯离子侵入试验 混凝土试件在海洋潮汐区环境下，由于潮汐区涨潮退 潮的循环作用， 存在干湿循环的劣化环境，加速了氯离子 侵入混凝土试件内部的速率。对比大气区中氯离子含量曲 线， 可以看出氯离子含量均有较大幅度的提高。 图3 、图4可知，在不同的海洋潮汐区腐蚀龄期下， 混凝土试件抵抗氯离子侵入性能由强到弱的顺序均为 D C B A 。配合比A试件在不同深度较其他配合比混凝土试 件均有较高的氯离子含量，配合比D试件在 1 0 m m内氯 离子含量波动较大，当深度达到 1 0 m m后氯离子含量趋于 稳定。4 种配合比中，配合比A、B 、C 、D的水胶比分别 为0 5 3 、0 5 3 、O 3 5 、0 3 0 。对于水胶比相同的试件 A 、B ， 由于在配合比B中以一定量的矿粉和粉煤灰替代部分水泥， 使混凝土试件 B较试件 A具有更好的抗氯离子侵入的性能。 由此可以看出， 海洋环境下混凝土抵抗氯离子侵入的性能 随着水胶比的降低而提高，同时掺人一定量的矿物掺合料 可以有效的提高混凝土试件抵抗氯离子侵入的性能。这是 由于矿粉、粉煤灰等掺合料较水泥粒径微小，代替水泥加 入到混凝土中，可以有效地填充混凝土结构内部的缝隙， 增加混凝土试件的密实度，从而提高混凝土抵抗有害物质 侵入的性能l 1 1 。 渗透深度mn 图3 配合比A D 潮汐区腐蚀9 个月氯离子含量曲线图 删 舐 I 如 搬 膈 渗透深度 ra m 图4 配合比A D 潮汐区腐蚀1 2 个月氯离子含量曲线图 3 8 coAL AsH 6 2 01 3 3 3 海洋水下区氯离子侵入试验 海洋水下区氯离子侵入试件内部的方式主要为饱水状 态下的自由扩散，即在无外力作用的环境下，氯离子通过 离子的自由运动扩散到混凝土试件内部。由图5 、图6 数据 可知，混凝土试件抵抗氯离子侵入的性能随着水胶比的增 加而减小，氯离子含量随着混凝土试件侵蚀龄期的增加而 增加。这是由于水胶比小的混凝土试件较密实，氯离子侵 入混凝土内不要速率降低，同时添加一定矿物掺合料的混 凝土试件表现出良好的抵抗氯离子侵入的性能。 渗透深度 ra m 图5 配合比A - D 水下区腐蚀9 个月氯离子含量曲线图 图6配合比A - D 水下区腐蚀1 2 个月氯离子含量曲线图 对比图2 到图6 数据可知，海洋大气区、潮汐区、水 下区的氯离子腐蚀程度由高到低的顺序为潮汐区 水下区 大气区。这是由于潮汐区为干湿循环作用，加速了氯离子 侵入；水下区为氯离子自由扩散作用，均大于大气区盐雾 环境下氯离子侵入的速率。同时对比同一水胶比的混凝土 试件，在海洋水下区环境下，掺入粉煤灰等矿物掺合料的 混凝土试件具有更好的抵抗氯离子侵入的性能。 4 结 论 ( 1 ) 海洋暴露环境下，在不同氯离子侵蚀机理作用下， 氯离子侵蚀程度由大到小的顺序为潮汐区 水下区 大气区， 氯离子含量随着侵蚀龄期的增加而增加，同时随着混凝土