矿物掺合料及外加剂对混凝土抗氯离子渗透性的试验研究

矿物掺合料及外加剂对混凝土抗氯离子渗透性的试验研究李张苗;朱燕;陈剑峰;王鹏;江帅
【摘要】文章针对江苏沿海(南通)地区盐渍土环境下混凝土结构耐久性研究,结合室内实验和现场工程数据的验证对比,通过氯离子在不同矿物掺合料及外加剂的混凝土结构中的扩散试验分析,由Fick扩散定律,推导出氯离子环境下混凝土结构初始腐蚀时间的计算公式,并对氯离子环境下影响混凝土保护层最小厚度进行了研究,为江苏沿海地区新建工程项目混凝土结构耐久性设计提供了保护层最小厚度的建议.%Based on the study on the durability of concrete structure under the environment of saline soil in Nantong's coastal areas, in combination with the contrast between the data from the laboratory and field engineering, this article analyzes the experimental results of the diffusion of chloride ion in concrete structure with different mineral admixtures and additives. In addition, combined with Fick's law of diffusion, it comes up with the formula for the calculation of the initial corrosion time of concrete structure under the environment of chloride ion as well as studies the minimum thickness of the protective layer, which serves as a reference for the durability design of concrete structure of new engineering projects in Jiangsu's coastal areas.
【期刊名称】《南通航运职业技术学院学报》
【年(卷),期】2015(014)004
【总页数】7页(P67-73)
【关键词】氯离子渗透性;电通量;扩散系数;矿物掺合料;外加剂
【作者】李张苗;朱燕;陈剑峰;王鹏;江帅
【作者单位】河海大学管理科学与工程博士后流动站, 江苏南京 210098;南通职
业大学建筑工程学院, 江苏南通 226007;南通职业大学建筑工程学院, 江苏南通226007;南通职业大学建筑工程学院, 江苏南通 226007;南通职业大学建筑工程
学院, 江苏南通 226007;南通职业大学建筑工程学院, 江苏南通 226007
【正文语种】中文
【中图分类】TU528
doi:10.3969/j.issn.1671—9891.2015.04.017
盐渍土对钢筋混凝土的危害作用，影响了建筑的稳定性和耐久性，进而危害人民的生命财产安全。

虽然目前对氯离子引起的钢筋混凝土腐蚀的理论研究已经比较深入，但江苏沿海地区仅有个别学者对局部地区的盐渍土类型进行了调查和分类。

［1-2］本文将室内试验和现场调查相结合，分析江苏沿海（南通）地区掺不同品种矿物质及外加剂的混凝土结构在盐渍土条件下的耐久性和寿命，填补江苏沿海地区这块研究的空白，为解决江苏沿海地区盐渍土工程危害问题提供技术保障。

本试验材料包括普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣等，并结合江苏沿海地区实际所用的建筑材料。

水泥是425标号普通硅酸盐水泥；粉煤灰是I级商品粉煤灰；矿渣
采用的是矿渣微粉，碎石粒径5-20 mm，表观密度2 700 kg/m3；砂取自本地河砂，细度模数Mf=2.78；减水剂为PCA（I）高效减水剂，减水效率25%；将试
塌落度控制在20-25 cm，件养护龄期为28d。

检测江苏沿海地区盐渍土不同
W/B下基准混凝土、掺入不同品种矿物质超细粉混凝土（包括普通水泥混凝土、
粉煤灰混凝土、矿渣混凝土等）及外加剂的导电量，采用ASTM C1202检测方法，
配合比及检测结果如表1所示，评价标准如表2所示。

2.1 矿物质超细粉对混凝土导电量的影响（无减水剂）
从图1可以看出，水灰比为0.50时导电量进一步提高，基准试件的导电量介于2 000-4 000库伦之间，氯离子渗透等级“中等”，而掺加30%粉煤灰的试件和掺
加30%矿渣的试件的导电量均介于1 000-2 000库伦之间，属于氯离子渗透性“低”的级别。

由上分析可知，相同水灰比时，基准试件的导电量最大，掺加矿渣的次之，掺加粉煤灰的导电量最小。

这主要是因为矿物质超细粉改善了混凝土的微观结构及水化产物的组成，降低了氯离子在混凝土当中的传输能力，并且存在物理化学的吸附作用，这使得混凝土对氯离子具有较强的固化能力，从而降低了氯离子在混凝土中的传输速度，提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。

［3］
2.2 水灰比对导电量的影响（无减水剂）
水灰比对导电量的影响如图2所示，可明显看出，无论哪一组混凝土试件，导电
量均随水灰比的提高而增加。

水灰比为0.32时，基准试件的氯离子渗透性“低”
的级别，掺加30%粉煤灰、30%矿渣后的氯离子渗透性为“非常低”的级别；但
水灰比为0.50时，氯离子渗透等级“中等”，而掺加30%粉煤灰、30%矿渣后的氯离子渗透性仍为“低”的级别。

这是因为水灰比的增加使得混凝土的密实程度逐渐降低，增加了水泥浆中多余水分蒸发及泌水后留下的毛细管道，从而增加了氯离子在混凝土内部的运输通道，增加了氯离子在混凝土内部的传输速度，因此适当降低水灰比将是提高其抗氯离子渗透和扩散的重要手段。

［4］
2.3 减水剂的使用对导电量的影响
减水剂的使用对导电量的影响如图3所示。

从图3可以看出，减水剂的使用对混
凝土导电量的影响较为显著。

当水灰比为0.32时，基准试件不加减水剂的氯离子
渗透性“低”的级别，而加了减水剂后混凝土的氯离子渗透性为“非常低”的级别；同样，当水灰比为0.50时，基准试件不加减水剂的氯离子渗透性“中等”的级别，
而加了减水剂后混凝土的氯离子渗透性为“低”的级别。

这是因为减水剂可以减小混凝土的水灰比及拌和用水量，赋予混凝土良好的施工性能，从而提高混凝土的密实程度。

减水剂的加入改善了混凝土的孔隙结构，细化了孔径，减少有害孔隙的数量，从而有利于提高其抗氯离子渗透和扩散的能力。

3.1 氯离子在混凝土中的扩散系数
当前对氯离子在混凝土中的扩散系数与电通量之间的关系研究较多，本文选择牛全林的电量与氯离子扩散系数的相关性计算公式：［5］
式中：y——Cl-扩散系数（×10-9cm2/s），x——电量（库伦），相关系数
r=0.990 7。

关于氯离子临界浓度的确定，至今尚无完全一致的意见。

根据朱绩超研究表明氯离子临界浓度服从0.6-1.2 kg/m3的均匀分布。

［6］本文在进行钢筋混凝土锈蚀耐久性分析时亦选择此分布，临界值取该分布均值0.9 kg/m3。

根据现场检测的试
验结果按式（1）换算成氯离子在混凝土中的扩散系数，如表3所示。

环境氯离子浓度由本课题组在南通洋口、吕四、通州等沿海盐渍土环境下的现场取样试验结果确定。

现场按土层深度取盐渍土试样，进行专门检验，得到氯离子占总重量的比例。

其中洋口港区试验结果如表4所示，表中深度表示土样离地表距离，单位为m，氯离子浓度单位为kg/m3。

3.2 潜伏期为50年的混凝土保护层厚度
由Fick第二扩撒定律可知环境氯离子浓度、钢筋氯离子浓度、侵蚀时间以及保护
层厚度之间的关系如式（2）：
式中C=0.9 kg/m3（即氯离子开始锈蚀时的浓度为临界浓度），C0为环境初始
氯离子浓度（如表4所示），x为保护层厚度，t=15.768×108s（50年，为侵蚀时间），D为混凝土氯离子扩散系数（如表3所示）。

根据公式（2），可以得到潜伏期为50年时，不同土层中的不同配合比混凝土结构保护层厚度，本文选取地
点1的地下埋置深度分别为2、10、18、30米情况下的保护层厚度，具体计算结果如表5所示。

3.3 给定保护层厚度下钢筋锈蚀潜伏期计算
若给定混凝土结构保护层厚度，则可计算钢筋锈蚀潜伏期。

假定保护层厚度为
8cm，根据公式（2），可以得到给定保护层厚度下，不同土层中的不同配合比混凝土结构钢筋锈蚀潜伏期。

此处选取地点2的地下埋置深度分别为2、10、18、30 m情况下保护层厚度为9 cm时的钢筋锈蚀潜伏期，具体计算结果如表6所示。

通过对江苏沿海（南通）地区盐渍土不同W/B下基准混凝土、掺入不同品种矿物质超细粉混凝土（包括普通水泥混凝土、粉煤灰混凝土、矿渣混凝土等）及外加剂的导电量检测，掺矿物质超细粉、适当降低水灰比、在混凝土中加入适量的减水剂均有利于提高其抗氯离子渗透和扩散的能力。

根据氯离子浓度=0.9 kg/m3为钢筋锈蚀的临界浓度，由Fick第二扩散定律可分
别推算出使用寿命为50年和70年的不同W/B下基准混凝土、掺入不同品种矿物质超细粉混凝土（包括普通水泥混凝土、粉煤灰混凝土、矿渣混凝土等）及外加剂的保护层厚度。

同时，在给定保护层厚度时，也可以按照Fick第二扩散定律计算
不同W/B下基准混凝土、掺入不同品种矿物质超细粉混凝土（包括普通水泥混凝土、粉煤灰混凝土、矿渣混凝土等）在不同土层中的钢筋锈蚀潜伏期，从而实现对钢筋混凝土结构使用寿命的预估。

【相关文献】
［1］宋立康，王曙光，徐锋，等.硫酸根离子对带裂缝混凝土中氯离子扩散性能的影响研究［J］.
混凝土，2015（8）:26-34.
［2］张琦，高雪，杜红秀.聚丙烯纤维对高强混凝土高温作用后氯离子渗透性的影响研究［J］.混
凝土，2015（3）:87-89.
［3］谢友均，刘宝举，龙广成.水泥复合胶凝材料体系密实填充性能研究［J］.硅酸盐学报，2001
（6）:512-517.
［4］郭伟，秦鸿根，孙伟，等.外加剂与水胶比对混凝土氯离子渗透性的影响［J］.硅酸盐通报，2010（6）:1478-1483.
［5］牛全林.预防盐碱环境中混凝土结构耐久性病害的研究及应用［D］.北京:清华大学，2004. ［6］朱绩超.氯离子环境下钢筋混凝土桥梁耐久性研究［D］.长沙:湖南大学，2008.。