杂散电流对地下结构混凝土中氯离子传输过程的影响.pdf
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1、2 0 1 6 年 第 1期 ( 总 第 3 1 5 期 ) Nu mb e r l i n 2 0 1 6 ( T o ta l No 3 1 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEoRETI 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 6 0 1 0 1 8 杂散 电流对 地下结构混凝土 中氯 离子传输过程 的影 响 张雪勤, 徐锋 , 王曙光,刘伟庆, 管志超 ( 南京工业大学 土木工程学院,江苏 南京 2 1 1 8 1 6 ) 摘要 : 为了研究杂散电流对地下结构混凝土
2、中氯离子传输性能的影响 , 进行 了四种不同杂散电流强度下 C 5 5双掺 ( 粉煤灰和 矿渣) 混凝土试件在氯盐溶液中的腐蚀试验 。 结果表明 : 存在杂散 电流情况下 , 混凝土内氯离子传输以电迁移为主, 且不均匀电 场中侵入氯离子浓度分布与 电场强度分布相关 ; 杂散电流强度越大 , 侵人混凝土 中的氯离子含量越多 , 氯离子含量越高 , 反应生 成了更多的 F ri e d e l 盐; 杂散电流能够显著降低水泥材料对氯离子的结合能力 , 其作用在于削弱了混凝土对氯离子 的物理吸附作 用, 使得部分结合状态的氯离子转变为自由氯离子。 关键词 : 杂散电流 ; 氯离子 ; 混凝土 ; 固
3、化率 ; 氯离子含量 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号: l O 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 7 5 0 4 I n f l u e n c e o f s t r a y c u r r e n t o n c h l o r i d e l on t r a n s p or t me c h a n i s m i n u n de r g r ou n d s t r u c t u r e c o n c r e t e ZHANG Xu e q i n,XU Fe n g,WANG S h u gu a n
4、g, LI U We i q i n g,GUAN Zh i c h a o ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g , N a n j i n g T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y , N a n j i n g 2 1 1 8 1 6 , C h i n a ) Ab st r a ct : To i nv e s ti g a t e t h e i mp a c t o f s t r a y c u r r e n t o n the t r a ns p or t me c
5、h a n i s m o f c h l o rid e i o n i n u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e c o n c r e t e, f o u r l e v e l s o f s tr a y c u r r e n t wa s a p p l i e d t o t h e c o r r o s i o n t e s t s o f C 5 5 d o u b l emi x t u r e c o n c r e te( fl y a s h a n d s l a g) i n c h l o ri d e s o
6、l u ti o n T h e t e s t s r e s u l t s s h o w tha t , wi t h the e x i s t e n c e o f s tra y c u r r e n t , the t r an s p o r t o f c h l o rid e i o n i s c h a r g e d b y the e l e c t r o mi g r a t i o n an d t h e c o nc e n tra t i o n o f c hl o rid e i o n i s a ffe c t e d by the i
7、n t e ns i t y o f the e l e c t r i c fie l d u n d e r a n o n u n i f o r m e l e c t r i c fie l d W i th the i n c r e a s e i n s tra y c u r r e nt s ge n g t h, mo r e c h l o rid e i on s i mmi gra t e i n t o c o n c r e t e that r e s u l t s i n a h i gh c o n c e ntra t i o n o f c hl o
8、 rid e a n d mo r e p r o d u c ti o n o f F rie d e l s a l t Th e s t r a y c u r r e n t c a n r e ma r k a bl y b rin g d o wn the b i n d i n g c a pa c i t y o f c e me n ti t i o u s ma terials t o the c h l o r i d e i o n s Th i s i s d u e t o t h e p h ys i c a l a ds o r pti o n o f c o
9、n c r e t e t o c hl o rid e i s we a ke n e d an d p a r t o f b o u n d e d c h l o rid e i o ns t u r n i n t o f r e e c h l o rin e i o ns Ke y wor ds: s tra y c u r r e n t ; c h l o ride; c o n c r e t e; c u rin g r a t e; c h l o rid e i o n c o n t e n t 0 引言 随着我国城市化的不断推进 , 大量地下结构工程建成 并投入使
10、用 。 由于这些工程处 于地下复杂侵蚀 性环境 中, 其安全性和耐久性受到广泛的关注。 在一般侵蚀环境条件 下 , 结构主要与空气介质接触, 环境中的侵蚀性介质( 如二 氧化碳 、 氯离子等) 可以通过混凝土的表 面孔隙 、 微裂纹 以 及水泥石 一 骨料界面过渡区向混凝土 内部侵蚀 , 该过程进 展缓慢且机理复杂。 但地下 复杂侵蚀环境含水 丰富 , 不可 避免地存在地下水压力及渗透 问题 , 将使侵蚀性介质发生 运移, 在混凝土表面产生吸附、 沉积作用并向混凝土基体 内部扩散 , 这将使地下工程 混凝土受 到严 重侵蚀 , 并 可能 导致其 材料和结构性能 的严重退化 。 地 下轨道交通结
11、 构 中, 地铁 常采 用直 流电牵 引机车 , 由于钢轨和大地之间难以实现完全绝缘 , 导致杂散电流泄 露到隧道主体混凝土结构 的钢筋 中以及地下 埋设 的金属 构件上 。 当混凝土 中有 电流通过 时, 氯离 子侵入混凝 土中 的方式有别 于一般侵蚀环境下的扩散方 式 , 由于氯离子在 孔隙液中参与离子导电过程 , 因而不仅存在 因浓度梯度产 生 的扩散 运 动 , 而 且存 在 因 电场 力所 致 的强 迫 扩 散 运 动 , 从而加速 了氯离子 向混凝 土 内部的侵蚀过程 , 对 混 凝土耐久性能造成严重 的威胁 。 近年来 , 国内外学者 开 展了杂散 电流与氯离子共存情况下 的腐蚀
12、试验 , 朱瑶宏 等研究表 明, 杂散 电流 的存在 , 会加速氯 离子 向混凝 土内 部侵蚀, 其扩散深度平均值为一般扩散条件下的7 8倍。 耿建 采用加载直流电的方法研究表 明, 随着杂散电流强 度的增大与作用时间的增长, 杂散电流对氯离子的传输加 速效果越明显。 但总体 而言 , 已有 的研 究结果只局 限于氯 离子扩散深度 的测定 , 并没有 系统 的定量分析杂散电流 与 氯离子共存情况下 , 混凝土不 同深度和宽度方向的总氯离 子含量和 自由氯离子含量 。 鉴于此 , 本试验针对地下结构混凝土材料 的服役环境 特点 , 考虑了杂散电流对氯离子传输性的影响 , 设计 了对比 腐蚀试验
13、, 探究 了杂散电流作用下氯离子在混凝土中传输过 程与无杂散 电流条件下的差异, 探索 电场存在对氯离子在混 凝土中传输速率及固化氯离子稳定性的影响规律, 通过微观 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 3 - 1 8 基金 项 目 : 国家 9 7 3计划项 目( 2 0 1 1 C B 0 1 3 8 0 0) ; 江苏省 自然科学基金( B K 2 0 1 3 0 9 4 3 ); 江苏省 高校 自然科学基金面上项 目( 1 3 K J B 5 6 0 0 0 4) 7 5 极板之间的电场最弱 , 该不均匀分布 的电场将引起 混凝 土 内氯离子以不 同的速率传输 。 杂散电流作用 2 8
14、d后各 点 位沿试件深度方向相应 的总氯离子含量分布如图 3所示 。 由该图氯离子含量的分布变化趋势可 以看出 , 距 离 1点位 方 向越近, 同一深度处氯离子含量越高。 以 0 2 r n l T l 深度 内各点位氯离子含量为例 , F S 2试件 1 点位处氯离 子含量 比5点位处氯离子含量高出3 6 ; F S 3试件 1 点位处氯离 子含量比 5点位处氯离子含量高出 5 4 ; F S 4试件 1点位 O 8 0_ 7 薹 0 6 0 4 O 2 0 1 0 2 3 4 点位 f a ) F S 2 各点位 氯离 子含量 0 8 O 7 芝 0 6 帮 。 一s 0 4 s 0 2
15、 O_ l 0 处氯离子含量 比 5点位处氯离子含量高 出2 4 。 这主要是 因为杂散 电流在混凝土内部形成 的电场改变 了氯离子在混 凝土中的传输速率。 当杂散电流流经混凝土内部时, 钢筋相 当于 阳极 端 , 带 正 电荷 , 对 带 负 电荷 的氯 离 子具 有 吸 引 作用。 距离 电场 中心 线越 近, 电场强度越高 , 吸引作用 越 大 J 。 在电场强度高的区域 , 氯离子传输速率要高于电场强度 低的区域 , 因而氯离子含量也更高, 即 1 点位方向上的氯离子 含量最高。 文献 4 的试验结果印证了本试验研究的结论。 0 8 0 7 o 6 。 一 s H 0 4 s 0 2
16、O 1 O 1 2 3 4 5 1 点位 ( b ) F S 3 各点位氯离子含量 图 3 不同点位氯离子含量分布 2 1 2 杂散电流强度的影 响 不同杂散 电流强度下腐蚀后混凝土试件 中总氯离子 含量随深度 和时间变化 如图 4所示 。 图 4 ( a ) 为无 杂散 电 流条件下总氯离子 含量的分布 , 由该 图可知 , 总氯离 子含 量 随着深 度 的增 加 而 明显 下 降。以腐 蚀 7 d为 例 , 2 4 mm、 4 6 m m 和 6 8 m i l l 范围 内总氯离子 含量 比 0 2 mm范围内总氯离子含量分别降低 3 4 、 6 0 和7 1 。 由 图 4 ( a )
17、 还可以看 出, 总氯离子含 量随着腐蚀 时间 的延 长 呈现增大的趋势, 但氯离子的传输过程是一个缓慢的过 程。 例如, 0 2 m m深度范围内腐蚀时间 1 4 、 2 8 d的总氯 离子含量分别为 7 d总 氯离子含量 的 1 1 7倍和 1 4 5倍 。 芝 删 扣 褪 蹈 距离表面深度 ram ( a ) F S l 总 氯离 子含量 距离 表 面深度 mm ( c ) r S 3 总氯离子含量 2 3 4 点 位 ( c ) F S 4 各 点位 氯离子 含量 图 4 ( b ) ( d ) 显示 了不 同杂散 电流强度对混凝土 中总氯 离子含量的影 响。 在有杂散 电流情况 下
18、, 试 件 中总氯离子 含量随深度与腐蚀 时间变化 的规律 与无杂 散电流情况下 相似。 但与无杂散电流条件下 的结果 相 比, 在杂散 电流影 响下 , 试件 中的总氯离子含量明显高于无杂散电流条件下 的总氯离子含量, 以2 8 d 腐蚀时间为例, 杂散电流强度为 2 06 0 V作 用使 得 总氯离 子含 量 比一般 条件 下增 长 了 4 3 1 9 3 。 以上结果表明, 杂散电流的存在, 改变了氯离 子传输过程迁移机制 的主导 因素。 在 此条件下 , 由浓度 主 导的扩散过程与电场力驱使的电迁移过程并存, 因而使得 侵入混凝土中的氯离子含量得到 了极大的提高。 芝 血 扣 褪 撅
19、距离表面深度 mm ( b ) F S 2 总氯离 子含量 图4不同工况氯离子含量变化 图 5 显示 了混凝土试件表层 0 2 r a m 范围 内不 同杂 散电流强度下总氯离子含量 的变 化。 由图 5可知 , 混凝土 距 离表 面深度 mm ( d ) F S 4 总氯离子含量 中总氯离子含量随着杂散 电流强度 的增 大而呈现增大 的 的趋势 。 例如 , 在腐蚀 7 d时 2 0 、 4 0 、 6 0 V杂散 电流强度下 77 混凝土 中总氯离子含量 , 比 0 V( 无杂散电流) 总氯离子含 量分别增大 6 1 、 6 4 、 9 6 , 在腐蚀 1 4 d时分别增大 5 8 、 7
20、 6 、 7 7 , 在腐蚀 2 8 d时分别增大 5 1 、 5 9 、 8 9 。 表明 杂散电流强度对氯离子侵蚀混凝土有 明显影响 , 且杂散 电 流强度越大, 侵入混凝土的总氯离子含量越高。 杂散 电流强度 V 图 5 0 2 m m范围内不同杂散电流强度下氯离子含量变化 2 2 杂散电流对氯离子结合能力的影响 1 点位方 向混凝 土内部各层深度处 的总氯离 子含量 c 和 自由氯离子含量 c 如表 3 、 4所示 。 该表可 以看 出, 随着腐蚀时间的延 长 , 氯离子 固化率呈现增大 的趋 势。 如 F S 2工况下 0 2 m i l l 范 围内, 腐蚀 7 d时的氯离子 固化
21、率 为 2 1 5 5 , 而腐蚀 2 8 d时的氯离子固化率增为2 7 4 0 。 这 主要是 由于水泥水化更加充分 , 水化产物增 多 , 对 氯离子 的物理吸附能力和化学结合能力增强所致 。 表 3 0 2 m m范围内氯离子含量 78 由表 3 、 4还可以看 出, 随着杂散 电流强度 的增大 , 氯 离子固化率主要集 中在较为稳定 的范 围内, 但是相 比无杂 散电流条件下氯离子 固化率要低 。 这说明杂散 电流在一定 程度上影响水泥材料吸附或结合氯离子的过程 , 降低 了混 凝土结合氯离子的能力, 使得混凝土中固化的氯离子转化 为 自由态的氯 离子。 这 主要是 因为 C , A与
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