氯离子对硫酸根离子在混凝土中扩散的影响.pdf
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1、2 0 1 5 年 第 1期 ( 总 第 3 0 3 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 0 3 ) 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 5 0 1 0 1 7 氯离子对硫酸根离子在混凝土中扩散的影响 王展飞, 杨鼎宜,俞君宝。 李鹏 ( 扬州大学 建筑科学与工程学院, 江苏 扬州 2 2 5 0 0 9 ) 摘要: 研究了不同氯离子浓度对硫酸根在混凝土中扩散的影响, 以单一硫
2、酸根离子浓度溶液、 不同氯离子浓度与硫酸根离子 为复合溶液作为侵蚀溶液对混凝土试块进行连续浸泡, 采用比浊法对一定龄期的混凝土中的硫酸根离子含量进行测定 , 结果表 明: 氯离子的存在并不改变硫酸根在混凝土中的扩散规律 , 即硫酸根随着侵蚀深度的增加含量逐渐减少 ; 氯盐浓度变化对硫酸根 在混凝土中的扩散速度有较大的影响, 硫酸根在混凝土中扩散速度随着氯盐浓度的增加而下降。 关键词: 混凝土 ; 氯离子 ; 硫酸根离子; 扩散速度 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 5 ) O 卜0 0 6 8 0 4 Ch
3、lor i d e l o n h a s a n e ff e c t o n t h e di f f u s i o n o f t h e s u l f a t e I O n I n t h e c o n c r e t e WANG Zh a r e i , Y= 4 G Di n g y i, YU J u n b a o, LIPe n g ( C o l l e g e o f Ar c h i t e c t u r a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g, Yang z h o u Uhiv e i t y , Ya
4、 n g z hou 2 2 5 0 0 9, C h i n a ) Ab st t a ct : I t s t u d i e d t he d i f f e r e n t c o n c e n t r a ti o n o f c h l o r i d e i o n d i flu s i o n i n the s u l f a t e i o n i n the c o n c r e te, the i n flu e n c e o f s i n g l e s u l f a t e i o n c o n c e n a ti o n i n s o l ut
5、i o n, d i ffe r e nt c h l o r i d e i o n c o n c e n tra ti on an d s ulf a te i o nc o mp o u n d s o l u t i o n f o r e r os i o n s o l u t i o n u n d e r c o n tin u o u s s oa k i n g o n c o n c r e t e t e s t bl o c ks , an d b y t u r bi d i me t r i c me tho d t o a c e r t a i n a g
6、e o f s u l f a t e i o n c o nt e n t i n c o n c r e t e we r e me a s u r e d, t h e r e s u l t s s h ow tha t the e x i s t e n c e o f c h l o r i n e i o n do e s n o t c h a n g e t he dif f u s i o n r ule o f s u l f a t e in t he c o nc r e t e, the s u l f a t e g r a d u a l l y r e d u
7、 c e wi t h t h e i n c r e a s e o f e r o s i o n d e p th o f c o n t e n t ; Ch l o r i n e s alt c o n c e n t r a ti o n c h a n g e s o f s u l f u r i c a c i d r o o t , the i n f l u e n c e o f t h e d i f fus i o n v e l o c i t y i n c o n c r e t e h a v e l a r g e r s u l f a t e d i
8、 f f u s i o n v e l o c i ty i n c o n c r e t e i n c r e a s e d wi t h the i n c r e a s e o f c h l o r i n e s a l t c o n c e n tr a ti o n d e c r e a s e d Ka y wor ds: c o n c r e t e; c h l o r i de i o n; s u l f a t e i o n; d i f f us i o n v e l o c i t y 0 引言 混凝土是目前使用最广泛的结构材料 , 其耐久性将
9、直 接影响着结构 的安全性 、 可靠性 、 耐久性 , 国内外对混凝土 耐久性进行 了大量 的研究 , 取得 了相 当多 的研究成 果。 混 凝土硫酸盐侵蚀是危害性较大的一种侵蚀性介质破坏, 也 是影响混凝 土耐久性 的重要因素之一 , 同时还是影 响因素 最复杂 、 危害性最大 的一种环境水侵蚀 。 我 国沿海海水 硫酸盐含量约 1 4 0 0 2 7 0 0 mg L, 因此沿海地带的跨 海大 桥以及众多海洋工程都将受到硫酸盐的侵蚀破坏 。 硫酸根 侵入混凝土内部 空隙 中与混凝土 中的水泥水化产 物铝 酸 钙发生反应 , 产生以钙矾石 、 石膏为主的腐蚀产物 , 当因腐 蚀产物 的膨胀力
10、超过混凝土的抗拉强度时 , 混凝土就会出 现开裂现象, 导致恶性循环。 由于混凝土材料的多孔性和亲水性, 硫酸根侵入混 凝土内部主要有三种途径 : 渗透、 毛细作用、 扩散 , 其 中 扩散是最 主要 的侵 入方 式。 在外 界环 境 的影 响 下 , 硫 酸 根离子侵入混凝 土 中的扩散 速度会 发生 变化 , 同时硫 酸 根离子扩散速 度 在研 究混 凝 土受 硫 酸盐 侵蚀 下 的寿 命 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 7 1 1 预测中是 一个很 重 要 的影 响 因素 , 因此 , 研 究 外界 环 境 对硫酸根在混凝 土 中扩散 的影 响非常 重要 , 国 内外 在侵 蚀方式、
11、 混凝土强度等级、 硫酸根浓度对硫酸根离子在 混凝土中传输 的影 响 以及 氯 离子 与硫 酸 根离 子 交互 作 用下 的相 互 影 响 都进 行 了研 究 , 并 取 得 了一定 的研 究 成果 。 1 硫酸根在混凝土中的传输 受外界环境的影 响研 究 1 1 侵蚀 方式对硫 酸根在 混凝土 中传输 的影响 目前 由于试验室条件的限制 , 在研究侵蚀方式对硫酸 根在混凝土传输影 响主要 以干湿循环 和连续浸泡两 种方 式 , 相 比连续浸泡 , 千 湿循 环方式加速 了硫 酸根在混凝 土 的传输 , 这是因为在混凝土在干湿循环侵蚀方式中, 在 浸泡状态时硫酸根由于混凝土的内部空隙, 通过扩
12、散、 渗 透等方式传输到混凝土内部, 一部分与水泥水化产物发生 反应生成钙矾石、 石膏等侵蚀产物, 一部分未发生反应的 硫酸钠滞 留在孔隙 中, 后期 由于混凝 土处于干燥 状态 , 水 分被蒸发 , 滞留在混凝土孔 隙中的硫酸钠会 因毛细作用到 基金项目: 国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) ( m O 9 C B 6 2 3 mO ) ; “ 十-:ff ” 国家科技支撑计划( 2 0 1 2 B A J 2 0 B o 1 ) ; 水利部公益性行业科研专项( 2 0 1 2 0 1 0 0 5 ) ; 江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修计 划资助 68 学兔兔 w w w .
13、x u e t u t u .c o m 达混凝土表面形成结晶体 , 一旦盐晶体达到超饱和状 态 , 就会 出现结晶压力 , 同时 由于水分 的减少 , 腐蚀产物 的 膨胀作用和混凝土内部的孔隙收缩应力叠加 造成混 凝土原有孔 隙产生拉应力 , 并 最后导致新 裂缝 的形 成 , 如 此反复作用出现恶性循环现象, 加速了硫酸根侵入混凝土 内部 。 F l a t t 在试验中表 明盐 晶体在水 分减少 的情况下 在球形孔 隙和 圆柱形孔 隙中产生 的环向拉应力分别为 2 0 、 1 0 MP a , 此环 向拉应力 已足够使混凝 土开裂 。 李凤 兰 通过对干湿循环 和连续浸泡 两种侵蚀方 式
14、 进行研究 , 结果表 明在 侵蚀龄期相 同时 , 在相 同深度 处干 湿循环与连续浸 泡相 比, 硫酸根 的含量 增高 , 干湿循 环加 速 了硫酸根对混凝土的侵蚀 。 李长乐 在干湿循环试验 中指 出处 于干湿循环 下 的 混凝土会 因在干燥状态 时 的结 晶破坏 造成混凝 土裂缝 的 出现和表层的剥落 , 加剧 了在溶液 中硫酸根离子对混凝土 的破坏。 汪廷秀、 高建明 用环境扫描 电镜 ( E S E M ) 对于湿循 环 和 自然浸泡 , 结果表 明干湿循环加剧 了硫酸盐对混凝土 的侵蚀。 因此 , 干湿循环和连续侵蚀 浸泡相 比 , 在干湿循 环侵 蚀方式 中, 混凝土除了受到与连
15、续 浸泡相 同的硫酸根与水 泥水化产物的化学反应侵蚀外 , 还受 到在 干状态 的盐结 晶 的物理破坏 , 对混凝土具有更大的破坏性 。 1 2 混凝土强度等级对硫酸根在混凝土中传输的 影响 根据工程实际 , 在试验中对硫酸盐 的侵蚀研究涵盖 了 从低到高的混凝土强度等级, 高强度混凝土由于水灰比较 小, 混凝土内部孔隙在一定程度上得到优化、 较为密实, 阻 碍了硫酸根在混凝土中的传输, 有研究表明在侵蚀前期在 混凝土表层硫酸根出现富集现象, 并且随着混凝土强度等 级 的提高富集现 象更 为明显 , 这 是 由于相 比低 强度混 凝 土 , 高强度混凝土 内部孔 隙的优化 以及 随着硫酸盐侵蚀
16、产 物的生成填充 了混凝土内部 的孔 隙 , 减少 了硫酸根侵入混 凝 土的通道 , 并且 随着侵蚀龄期 的加长 , 大量 的硫 酸根 聚 集在混凝土表层, 出现富集现象。 高润东 通过 对 四种 W C( 0 5 7 、 0 4 4 、 0 3 5 、 0 2 8 ) 研究 , 试验结果 表 明对应 上述 四种水 灰 比的混 凝土前 两 层硫酸根的含量 分别 为 3 4 2 和 2 9 1 , 3 1 和 2 6 2 , 2 8 6 和 1 5 2 , 2 7 1 和 1 0 2 , 由于高强混凝土 内部由于 在一定程度上 得到优 化 , 有利 于抵 抗硫 酸根 对混凝 土 的 侵蚀 。 余
17、振新, 高建明 。 。 研究混凝土在荷载 一千湿循环 一 硫酸盐三因素作用下的损伤 , 结果表明混凝土强度等级越 高, 混凝土抵抗硫酸根的侵蚀能力越强。 梁 咏宁 在研 究硫酸 根在混凝 土 中的扩 散系数 , 结 果表明 : 硫酸根在混凝土中的扩散系数随着水灰 比的增 大 呈线性增大趋势。 混凝土 内部缺陷是硫酸根离子能够进入混凝土并 与水化产物进行 反应 基础 , 因此混 凝土 强度 等级对 于研 究硫酸根 离子 在 混凝 土 中 的扩散 是 非常 重要 的影 响 因 素 , 是混凝土受硫 酸盐 侵蚀 寿命 预测 中不可缺 少 的研究 因素。 1 3 溶液 中硫酸根浓度对硫酸根在混凝土中传
18、输 的影响 在试验 中硫酸根浓度 在硫酸根 的传输 中扮演 着很重 要的角色, 由于硫酸盐浓度 的不同 , 混凝土 内外 的浓度梯 度就不同, 并且随着侵蚀浓度 的加 大浓度梯度增 大 , 最后 造成硫酸根扩散驱动力的不同。 硫酸根在混凝土传输深度 上随着硫酸盐浓度 的不同也发生着变化 , 低 浓度混凝土 的 侵蚀深度要大于高浓度的侵蚀液, 由于高浓度的侵蚀液扩 散驱动力较大更易传输 到混凝 土 内部与水化产 物发生反 应 , 但是侵蚀产物会减少混凝 土内部 的孔 隙, 阻碍 了硫酸 根进一步传输 到混凝 土更深 处 ; 相 比与 高浓度 硫酸 根溶 液, 低浓度硫酸根离子更容易沿着混凝土内部
19、的缺陷向混 凝土更深处传输 , 但是低浓度和高浓度侵蚀液相比在侵蚀 龄期和深度相同处 , 硫酸根含量要小 。 S a n t h a n a m 通过研究混凝土的膨胀速率与硫酸钠溶 液浓度的关系 , 研 究表 明在膨胀 过程 的两个 阶段 中 , 硫酸 根离子的浓度不改变第一阶段 的膨胀 速率 , 但改变 了第二 阶段的膨胀速率。 孙迎召 , 牛荻 涛 采用 超声平 测法对 混凝土 的损伤 厚度进行测量 , 研究 了硫酸钠 侵蚀溶液 浓度分别为 ( 1 、 5 、 1 0 ) 情况下对混凝 土的损伤 , 结果表 明: 超声 波速随 着硫酸根浓度的升高而减少, 高浓度硫酸根加速了混凝土 的损伤。
20、 张柬 , 浦海 通 过对硫 酸盐在 混凝 土 中的扩 散过程 进行研究 , 利用 F I C K定律建立 了硫 酸根在 混凝土 中扩散 的数值分析模型, 结果表明: 在侵蚀龄期和相同深度处, 硫 酸根离子 的质量分数随着水胶 比的增大而增大 。 金海军 , 于继 寿 通过研 究混凝 土在冻 融 一干湿循 环 一 硫酸盐 耦合作 用下 的损伤 , 结 果表 明硫酸 根浓 度对 混凝土 受到 冻融 一干湿 循环 破坏 的影 响存 在 临界值 为 4 7 , 当硫酸根浓度小于 4 7 时, 混凝土在冻融 一 干湿循 环下 , 相对动 弹性模 量损失 随着硫 酸根 浓度 的增 大而增 大 , 质 量
21、 损失 随着 硫酸 根浓 度 的提高 而减 小 ; 当硫 酸根 浓度大于 4 7 时对混凝土受 到冻融 一干湿循环 的影响并 不大 。 目前对单一硫 酸根浓度 的研究 比较多并且 普遍得到 的结论是硫酸根浓度 的提高加速 了混凝土 受硫 酸盐 的侵 蚀 , 但是对硫酸盐与多种因素耦合作用下的研究还 比较缺 乏 , 对多因素耦合作用 的损伤机理及破坏过程并没有一直 的结论 , 还需要进一步研究 。 1 4 氯盐与硫酸盐在混凝土中交互作用扩散的研究 目前 对 于硫 酸 盐与 p H、 碳 化作 用研 究 的 比较 多并 取得了一系列成就, 但是国内外对混凝土在硫酸盐和氯 盐的交互作用下 的损伤 研
22、究并 不 多见 , 对硫 酸盐 和氯盐 在混凝土的扩散研究 尚没有统一的认识 。 扩散是 c l 一 69 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和 S O 一 侵蚀混凝土的主要途径之一, 在混凝 土扩散能 力方面 c l 一 要高于 S O 一两个数量级, 但是在与水化铝 酸钙的结合能力上s 0 一 要优于c l 一 。 众所周知C 1 一 、 s o : 一 在与水化铝酸钙发生反应时产物分 别为 F r i e d e l 盐 和 A F t 盐 。 有研究表 明 C l 一 的存 在 因两 者扩 散能 力 的不 同 c 1 一 先与铝酸钙结合时有利于混凝土抵抗硫
23、酸盐侵蚀, S O : 一 的存在在侵蚀初期 因侵蚀 产物的生成填实 了混凝土 内部空隙 , 造 成 C l 一 扩 散 系数 的 降低 , 此 时有 利 于抵 抗 氯盐的侵蚀 , 但 是 随着侵 蚀 龄期 的加长 , 混凝 土 因硫酸 盐侵蚀 产 物 的膨 胀 破 坏 出现 裂缝 , 此 时加 速 了 c 1 一 的 侵蚀。 国内外对 硫 酸根 的存 在 对氯 离 子在 混 凝 土 中的 扩 散进行了大 量 研 究。 金 祖权 将 O P C 和 MP C 浸 泡 在 ( 3 5 N a C I ) 单一溶液、 ( 5 0 N a 2 S O 十 3 5 N a C 1 ) 复合溶 液中通过
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