海洋环境下混凝土中氯离子的扩散系数_朱雅仙

海洋环境下混凝土中氯离子的扩散系数
朱雅仙,蔡伟成,李岩,李森林,吴烨,洪定海
(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,南京210024)
摘要:在我国海洋腐蚀条件最为恶劣的海南八所港,对6种配合比的混凝土试件进行实海暴露试验,研究了浪溅区条件下氯离子在混凝土中侵入量以及氯离子有效扩散系数随时间的演变,以可靠评价混凝土材料的耐腐蚀性能,并为准确预测混凝土结构的使用寿命提供参考。

关键词:海洋暴露;氯离子渗透;有效扩散系数
中图分类号:T U528.33文献标识码:A文章编号:1005-748X(2010)08-0587-04 Effective Diffusion Coefficient of Chloride Ion in C oncrete in Marine Environment
ZH U Ya-x ian,CAI We-i cheng,LI Yan,LI Sen-lin,WU Ye,H ONG Ding-hai (N anjing H y dr aulic Research Institut e,Research Center o n New M aterials in H ydraulic Str uctur es,M inistr y of
W ater Resources,N anjing210024,China)
Abstract:T he marine ex po sur e tests of concrete specimens wer e perfo rmed in Basuo Po rt,Hainan,in the w or st marine cor rosion env iro nment in China.T he time dependence o f penet ratio n content and effective diffusio n coefficient of chlo ride ions in co ncr et e under splash zo ne conditio n w ere investig ated,which may be used to ev aluate the durability of concrete mater ials and to serve as a r efer ence for predicting the serv ice life o f co ncr ete st ruct ur es.
Key words:marine ex posure;chlor ide ion penetr at ion;effectiv e diffusio n co eff icient
0引言
随着大量重大工程的建设和对可持续化发展、环保和节约资源的要求,混凝土耐久性和使用寿命设计日益受到重视,国际上许多重大工程开始按照使用寿命进行设计。

大量工程实践表明,氯离子在混凝土中的渗透规律是影响其使用寿命的主要因素,因此Cl-在混凝土中的扩散系数及其演变是各国学者普遍研究的方向,并已提出了众多的研究成果[1-3]。

由于氯离子在混凝土中的侵入速度不仅与材料性能有关,还与服役环境的微观和宏观因素密切相关,如波浪、气温、盐度、风速以及降雨情况等[4],因此开展氯离子扩散渗透行为的现场研究具有重要的意义。

本工作通过海南八所港的现场暴露试验,研究不同配方混凝土试件的氯离子渗透性能和氯离子扩散系数随时间的变化。

收稿日期:2009-09-01;修订日期:2009-09-11
基金项目:国家自然科学基金资助项目(58971067);"九五"国家重点科技攻关项目(96-415-04-01)
联系人:朱雅仙,教授级高工,zhuy x@ 1试验方法
1.1试件制作
(1)材料制作暴露试件所用的原材料为:五羊牌525号硅酸盐水泥(江南水泥厂),一级粉煤灰(济宁电厂),水淬高炉矿渣粉(南京钢铁厂),萘系减水剂(FDN),河砂,最大粒径为10mm的碎石。

胶凝材料的物理、化学性质见表1。

(2)试件配合比为了对比不同配方混凝土在海洋环境的氯离子渗透性能,制作表2所示的6种技术条件的混凝土试件,其中包括普通水泥OPC和掺合料混凝土两大类。

(3)试件制备试件成型按5港口工程混凝土试验方法6(JTJ225-1987)进行,尺寸为10cm@ 10cm@20cm,所有试件的坍落度控制在30~50 mm之间,成型24h后脱模编号,放入温度为20?3 e、相对湿度大于95%的养护室中养护28天,取出。

各技术条件混凝土试件的抗压强度见表2。

1.2试件的现场暴露
试件在我国海南八所港进行现场暴露试验,暴
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第31卷第8期2010年8月
腐蚀与防护
CO RRO SION&PRO T ECT IO N
V ol.31N o.8
A ugust2010
表1胶凝材料物理、化学性质(质量分数,%)项目水泥粉煤灰矿渣
不溶物0.51--
需水量比-93.6-
烧失量 1.250.70-
堆积密度,kg/m3-23002500
比表面积,L m2/kg 3.61-350 80m筛筛余-7.5 5.0 SiO221.8753.0933.53
Al2O3 4.9126.2213.5
CaO66.02 6.0638.43
M gO0.94 1.7011.03
Fe2O3 5.40 6.42 1.58
SO3 2.230.52-
M n O-0.040.28
T iO2-0.42-
P2O5-0.14-露条件为腐蚀最为严重的浪溅区,分两层安放,上层标高3.91m,下层标高2.74m。

八所港位于海南省西海岸中部,西临北部湾东部海面,属于热带海洋性气候,因受东京湾季候风影响,冷热悬殊不大,最高气温38.7e,最低1.4e。

海水含盐量平均为3.34%,最高3.5%,最低3.08%。

因此八所港气温高,光照强,在我国属于最为恶劣的腐蚀环境之一。

1.3检测方法
混凝土试件在暴露试验站暴露一定时间后,取回,用清水冲掉污物,晾干,用台钻钻取试件中央部位不同深度(暴露2.42年、3.50年和6.75年时取样深度为0~10mm、10~20mm、20~30mm、30~ 40mm和40~50m m,暴露13.83年时取样深度为0~2mm、2~10mm、10~20mm、20~30mm和30~40mm)的粉末样口,研磨至全部通过孔径
表2混凝土试件的抗压强度
编号技术条件水胶比
混凝土材料用量,kg/m3抗压强度,M Pa 水泥粉煤灰矿渣水FDN,%砂碎石7天28天
OPC-1普通水泥0.45430--194-7711021-47.1 OPC-2普通水泥0.55350--193-8061069-36.2 OPC-R减水剂(FDN)0.41430--1780.77711021-52.1 FAC-R粉煤灰+FDN0.3238580-1480.9665118336.446.7 SC矿渣0.42129-301181-6021303-35.8 SC-R矿渣+FDN0.38129-3011630.56021303-29.7
0.63mm的筛子。

对上述混凝土粉样按5水运工程混凝土试验规程6(JT J270-1998)进行处理,并分析样品中游离Cl-含量。

2试验结果和分析
2.1游离氯离子侵入量
从图1和图2可见:所有技术条件的混凝土试件中氯离子含量随深度的增加而下降;各深度层氯离子含量随暴露时间的延长而增加;OPC表面氯离子含量增长的同时,深层氯离子含量也有较快的增长,而掺合料混凝土试件表层氯离子增长迅速,深层氯离子含量增长缓慢;OPC各深度层氯离子含量与水灰比有关,水灰比越低,氯离子含量越低,混凝土中含水量会影响氯离子的渗透速度;掺合料混凝土试件深层(大于15m m)氯离子含量显著低于OPC;相同技术条件的混凝土,上层试件中氯离子含量普遍低于下层试件氯离子含量。

上述变化规律说明,降低水灰比或使用掺合料可使混凝土孔结构致密化,
而且粉煤灰与矿渣等活#
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性掺合料对氯离子具有较强的束缚能力,因此能有效降低氯离子向混凝土深度的侵入能力。

2.2氯离子有效扩散系数
早在1970年,Co llepardi等[5]提出用Fick第二扩散定律来描述氯离子在混凝土中的扩散行为,其数学表达式为:
C=C s1-er f
x
2Dt
(1)式中:C为暴露时间t时距取样面x深度处氯离子的含量;C s为混凝土表面的氯离子含量;D为氯离子在混凝土中的扩散系数;erf(x)为误差函数。

近年来,考虑到混凝土材料以及环境的时间变化特性,对Fick第二扩散定律进行修正[6-9],但这些修正公式所包含的系数较多,一般难以获得,因此对于已暴露于氯盐环境的结构件,许多研究者为了使理论预测符合实际检测数据,提出氯离子有效扩散系数D eff的概念,将氯离子浓度随混凝土深度的分布按式(1)进行数据拟合,得到D eff[10,11],D eff是检测时暴露期间氯离子传输速率的平均值[12]。

根据图1中所示的氯离子含量随深度分布,按式(
1)进行拟合,可以得到试件在暴露期间的D eff,见图3和图4。

图3上层混凝土试件中氯离子有效扩散系数
由图3和图4可见:不同技术条件混凝土的氯离子有效扩散系数存在显著差异,降低水灰比能减小氯离子在混凝土中的有效扩散系数,使用活性掺合料特别是活性矿渣,能使氯离子的有效扩散系数降低1个数量级以上;除了OPC-R,其余混凝土试件的氯离子有效扩散系数在暴露过程中均有不同程
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图4下层混凝土试件中氯离子有效扩散系数
度的下降,初期氯离子扩散系数越大,下降幅度越大。

这可能与它们在暴露期间混凝土内孔结构演变有关,氯离子扩散系数较大的混凝土,密实性较差,在暴露期间环境中各种离子侵入量也较多,因此孔结构改变程度就较大,氯离子扩散系数下降程度相应也较大。

因此氯离子扩散系数如果采用固定值预测,使用寿命将产生较大的误差,为了较可靠地预测使用寿命,必须了解氯离子扩散系数随时间的变化规律。

根据Bam for th[11]和M ang at等[13]的观点,氯离子的扩散系数D与时间t符合下列关系式:
D=at-m(2)通过表3所示的氯离子有效扩散系数与时间的关系,就可以按式(1)预测若干年后保护层深度处的氯离子含量,进而估计其使用寿命。

表3图3氯离子D eff变化按式(2)拟合的结果混凝土试件名称D e ff拟合结果
OPC-1 1.9E-07t-0.64
OPC-28.9E-07t-0.58
FAC-R 1.9E-08t-0.29
S C 6.3E-09t-0.24
S C-R 5.0E-09t-0.29
3结论
由海南八所港近14年的实海暴露试验,可以得出以下结论:
(1)OPC试件的深层氯离子含量随着表层氯离子含量的增长明显增长,而掺合料混凝土试件则不同,表层氯离子增长较快,深层氯离子含量增长较缓慢。

(2)不同技术条件混凝土的氯离子有效扩散系数存在显著差异,掺合料混凝土的氯离子扩散系数比OPC小一个数量级。

(3)大部分混凝土试件的氯离子有效扩散系数随时间延长而逐渐减小。

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