外部環(huán)境對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散性能的影響

外部環(huán)境對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散性能的影響

氯離子巖進(jìn)入混凝土的過程非常復(fù)雜，包括擴(kuò)散、細(xì)水吸收和滲透等作用的組合。然而，在許多情況下，擴(kuò)散是最重要的滲透形式。氯離子子在混凝土中的擴(kuò)散是非線性和非穩(wěn)定的。除了混凝土本身的性能外，它還受到組件的強(qiáng)度、裂縫、溫度和濕度的影響。此外，氯鹽和冷凍循環(huán)等外部條件對(duì)混凝土中的氯離子擴(kuò)散也有一定的影響。1測試1.1指標(biāo)測定指標(biāo)水泥:華新水泥廠生產(chǎn)的堡壘牌32.5級(jí)礦渣水泥,其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn);砂:河砂,細(xì)度模數(shù)2.78,屬Ⅱ區(qū)級(jí)配;石:碎石,粒徑5～25mm,連續(xù)級(jí)配;水:自來水.混凝土配合比及28d標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度見表1.1.2凍融循環(huán)的一維擴(kuò)散試驗(yàn)在鋼模中澆注100mm×100mm×100mm的立方體試件共54塊,其中:36塊為鋼筋混凝土試件(鋼筋為Φ10mm×100mm圓鋼,距試件左表面25mm,且與前后表面等距),18塊為素混凝土試件,用以測試不同時(shí)期混凝土試件的抗壓強(qiáng)度.試件均在澆注1d后拆模,并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d.將36塊鋼筋混凝土試件分為兩大組,每組各18塊.一組用來做常溫、不同氯鹽種類條件下的一維擴(kuò)散試驗(yàn);另外一組用來做凍融循環(huán)、不同氯鹽種類條件下的三維擴(kuò)散試驗(yàn).對(duì)于常溫組試件,把它們從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出后在試件距鋼筋近側(cè)(左表面)固定一試驗(yàn)槽(試驗(yàn)槽周圍涂上環(huán)氧樹脂以防漏水),加入8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液或等摩爾量KCl溶液,讓氯鹽自然擴(kuò)散至混凝土內(nèi),測試試件左表面與鋼筋間混凝土的0,5,10,15,25d的電阻;而對(duì)于凍融循環(huán)組試件,把它們從養(yǎng)護(hù)室取出后放在20℃的等溫水槽中浸泡3d,使其充分飽水,測試試件的初始電阻,然后開始進(jìn)行凍融循環(huán),即將試件先在低溫箱中凍4h,而后在8%NaCl溶液或等摩爾量KCl溶液中融4h,1d之內(nèi)循環(huán)3次,同樣每隔4d測試一次試件的電阻.試件編號(hào)及試驗(yàn)安排見表2,所用設(shè)備為華中科技大學(xué)化學(xué)系生產(chǎn)的型號(hào)為CS300H的腐蝕電化學(xué)測試系統(tǒng).當(dāng)氯離子擴(kuò)散時(shí)間達(dá)到25d之后,自鋼筋混凝土試件左表面起分別按5,10,15,20,25mm的深度分5層鉆取試樣粉末,將其過0.63mm篩后裝入鋁土盒中,然后置于(105±5)℃的烘箱中干燥2h,取出后再放入干燥器中冷卻至室溫.之后,按《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ270—98)中“混凝土中砂漿的水溶性氯離子含量測定”的步驟分別測定各試樣中的自由氯離子含量.2試驗(yàn)結(jié)果2.1凍融循環(huán)組試件電阻測定實(shí)測結(jié)果見圖1,由圖1發(fā)現(xiàn),混凝土電阻的變化是很有規(guī)律的:(1)相同浸泡環(huán)境下,常溫及凍融循環(huán)兩組試件的電阻均隨水灰比的增大而減小(見圖1).(2)同種鹽溶液及相同水灰比條件下,凍融循環(huán)組試件的電阻較常溫組試件的電阻小.(3)相同水灰比混凝土試件在鹽溶液中浸泡后,比較其首次測試值發(fā)現(xiàn):常溫組試件的電阻值增大而凍融組試件的電阻值減小.(4)浸泡的鹽溶液種類和水灰比相同的情況下,凍融循環(huán)次數(shù)n為12～57的這組試件電阻呈增大的趨勢;而當(dāng)n超過57次時(shí),其電阻開始有減小的趨勢.(5)相同水灰比條件下,無論是常溫組試件還是凍融循環(huán)組試件,NaCl溶液環(huán)境下的電阻比KCl溶液環(huán)境下的要大.2.2溶液及浸泡鹽溶液類型對(duì)混凝土d值的影響擴(kuò)散系數(shù)是描述擴(kuò)散速度的物理量,它等于濃度梯度為1時(shí)在1s內(nèi)通過1m2面積的物質(zhì)質(zhì)量或微粒數(shù).擴(kuò)散系數(shù)越大,則擴(kuò)散速度越快.混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)(D)是反映混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子耐久壽命的重要指標(biāo).目前檢測混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的方法主要有:自然浸泡法、電遷移法及飽鹽電導(dǎo)率法等.本試驗(yàn)采用的是自然浸泡法,即將浸泡完成后的試件通過鉆粉、浸取、化學(xué)滴定的步驟后再利用最小二乘法擬合Fick第二定律,最后得到試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。各組試件所測得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)如表3所示,表中的D值給出的是混凝土等級(jí)及浸泡環(huán)境相同的一組試件(3個(gè))的氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值.由表3可見,混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的大小除與水灰比有關(guān)外,還與浸泡鹽溶液種類及有否凍融循環(huán)有很大的關(guān)系.(1)浸泡的鹽溶液種類相同時(shí),常溫及凍融循環(huán)這兩組試件的D值隨混凝土水灰比的增加而增加;(2)相同水灰比條件下,常溫組或凍融循環(huán)組的試件均表現(xiàn)為KCl溶液環(huán)境下的D值較NaCl溶液環(huán)境下大;(3)同種鹽溶液及相同水灰比條件下,凍融循環(huán)組試件的D值較常溫組試件的大;(4)凍融循環(huán)及浸泡鹽溶液類型對(duì)混凝土D值的影響均隨水灰比的增大而增大,即混凝土強(qiáng)度越低,其受上述2種因素影響的程度越大;(5)水灰比、凍融循環(huán)及浸泡鹽溶液類型這3種影響混凝土D值的因素中,凍融循環(huán)的影響最為顯著.3外部環(huán)境對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散性的影響由上可見,除水灰比等混凝土自身因素外,凍融循環(huán)及浸泡鹽溶液類型等外部環(huán)境對(duì)混凝土中的氯離子擴(kuò)散性也有影響,并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,下面筆者試從理論上對(duì)此進(jìn)行簡要分析.3.1凍融循環(huán)對(duì)混凝土電阻的影響混凝土凍融破壞機(jī)理認(rèn)為,混凝土中的孔隙水因受凍而膨脹,并使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力,擴(kuò)展了混凝土內(nèi)部的微裂縫,同時(shí)也會(huì)使混凝土產(chǎn)生新的微裂縫,而當(dāng)混凝土孔隙中的冰融化時(shí),微裂縫又會(huì)有所閉合.隨著環(huán)境溫度的升降以及混凝土內(nèi)的加載、卸載過程,使得混凝土中的微裂縫張開、閉合,并逐步增多、擴(kuò)大,從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成較多、較大的滲透通道,加大了混凝土的滲透性.此外,鹽溶液對(duì)混凝土抗凍融循環(huán)有雙重作用,一方面鹽溶液冰點(diǎn)的降低、壓縮性的增大有利于混凝土抗凍性能的提高,但另一方面結(jié)冰后混凝土的體積膨脹率和滲透性增大,則不利于混凝土抗凍,凍融循環(huán)次數(shù)越多,混凝土中的D值越大.可見,正是由于凍融循環(huán)后混凝土滲透性增大,從而使其電阻降低,D值增大.而對(duì)于“相同鹽溶液種類和水灰比情況下,n不大(12～57)時(shí),混凝土電阻呈增大的趨勢;而當(dāng)n超過57次時(shí),混凝土電阻開始有減小的趨勢”這一現(xiàn)象,筆者認(rèn)為主要原因?yàn)?試件從養(yǎng)護(hù)室取出后,開始隨著時(shí)間的增長,混凝土水化程度增加,即其密實(shí)度增大,因此即使有凍融循環(huán)作用,密實(shí)度的增加對(duì)混凝土滲透性的影響還是占主導(dǎo)地位,致使混凝土電阻上升;隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增多,凍融破壞開始占主導(dǎo)地位,混凝土本身逐漸劣化,從而表現(xiàn)為混凝土電阻開始減小.另外,由于水灰比越大,混凝土中可凍水的含量越多、氣泡結(jié)構(gòu)越差、平均氣泡間距越大,從而使得混凝土的結(jié)凍速度越快,凍融過程內(nèi)毛細(xì)孔中的靜水壓和滲透壓越大,導(dǎo)致混凝土的抗凍性越低,故而相同凍融條件下混凝土內(nèi)部形成的微裂縫將越多,滲透通道將越多越暢通,因此宏觀上必然表現(xiàn)為其電阻減小,D值增大,而這種電阻或D值隨水灰比變化的幅度必然比常溫下二者隨水灰比變化的幅度更大.3.2kcl與nacl溶液的相互作用通常氯離子在混凝土中的擴(kuò)散過程用Fick第二定律來描述.該定律假設(shè)混凝土是半無限均勻介質(zhì),氯離子擴(kuò)散時(shí)不與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng),且D值是一個(gè)常量.據(jù)此導(dǎo)出的一維擴(kuò)散方程為其數(shù)學(xué)解為式中:c(x,t)為經(jīng)過時(shí)間t達(dá)到混凝土深度x處的氯離子濃度;c0為混凝土內(nèi)的初始氯離子濃度;cs為混凝土表面的氯離子濃度;erf為誤差函數(shù),erfu=2π√∫u0e?t2dt.u=2π∫0ue-t2dt.由式(1)成立的前提可知,方程中的D值是一個(gè)材料常數(shù),即D值的大小只由混凝土本身的質(zhì)量來決定,而與浸泡溶液的濃度及類型等無關(guān).但從表3可見,D值卻與浸泡溶液類型有關(guān).同時(shí),圖1中混凝土電阻值的變化也反映出不同鹽溶液浸泡下混凝土的滲透性并不相同.產(chǎn)生這一問題的原因十分復(fù)雜,下面僅從擴(kuò)散機(jī)理角度作一簡要闡述.擴(kuò)散過程就是組分在空間中凈遷移的過程,這一組分凈遷移是全部組分分子或離子在一定推動(dòng)力的作用下隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的總體結(jié)果.組分在空間位置上的凈遷移速度主要與組分所受到的推動(dòng)力有關(guān).引起一個(gè)組分相對(duì)于混合物遷移(即擴(kuò)散的推動(dòng)力)是該組分的勢能梯度,這里的勢能就是指所研究的某一組分的所有種類的勢能總和,如化學(xué)勢能、重力勢能、電位勢能、壓力勢能等等,所以某一組分?jǐn)U散的推動(dòng)力應(yīng)是與這些勢能相應(yīng)的化學(xué)位推動(dòng)力(濃度梯度推動(dòng)力)、重力推動(dòng)力、電場推動(dòng)力及壓強(qiáng)推動(dòng)力的總和.Fick第二定律把分子或離子的擴(kuò)散表示為只是由濃度梯度推動(dòng)力引起的,而無法描述其他形式推動(dòng)力的作用.所以,出現(xiàn)D值或混凝土電阻與浸泡溶液類型有關(guān)、相同條件下KCl溶液中的D值比NaCl溶液中大的主要原因是:在一定的濃度梯度下,離子將沿著其濃度降低的方向遷移.Ushiyama,Roy等經(jīng)研究后均發(fā)現(xiàn),在水泥漿中Na+,K+,Li+等陽離子的擴(kuò)散率均比Cl-的要低.由于強(qiáng)電解質(zhì)溶液中的離子并不是獨(dú)立的自由離子,不能完全自由運(yùn)動(dòng),每一個(gè)離子都被周圍電荷相反的離子包圍著,以保持溶液的電中性,所以,當(dāng)氯離子遷移時(shí)必將引起正電荷的不平衡和一個(gè)電位梯度,這個(gè)電位梯度將對(duì)氯離子擴(kuò)散產(chǎn)生一個(gè)反向電場推動(dòng)力.最終導(dǎo)致氯離子的擴(kuò)散是在濃度梯度推動(dòng)力與反向電場推動(dòng)力的共同作用下進(jìn)行的.另外,又因?yàn)镵+的擴(kuò)散率較Na+快,故而KCl溶液中產(chǎn)生的反向電場推動(dòng)力必然小于NaCl溶液,而兩種溶液中Cl-的濃度梯度推動(dòng)力是相同的,所以如表3所示,對(duì)于在KCl溶液中浸泡的試件,其氯離子擴(kuò)散速度較快,D值較大;相同條件下,同一時(shí)刻、同一位置的Cl-濃度較大,混凝土的導(dǎo)電性能較好,電阻偏小,從而有圖1所示的差別.3.3同組常溫或凍融循環(huán)試件間的氯離子擴(kuò)散性能差別的原因分析除了以上兩個(gè)主要影響因素外,還有如溫度、濕度、浸泡方式等也是造成常溫組與凍融循環(huán)組試件間混凝土滲透性差別的原因,例如,圖1所示“浸泡初期常溫組試件電阻值增大而凍融循環(huán)組減小”的現(xiàn)象,主要就是由于這些因素引起的,但它們不應(yīng)是引起同組(常溫或凍融循環(huán))試件間氯離子擴(kuò)散性能差別的原因.4凍融循環(huán)對(duì)混凝土抗氯離子擴(kuò)散的影響1.氯離子在混凝土中的擴(kuò)散性能除了受混凝土自身性能、溫度及濕度等影響