有压溶液作用下混凝土中氯离子浓度分布研究.pdf
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1、l 8 6 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 3期 2 0 1 3年 6月 有压溶液作用下混凝土中氯离子浓度分布研究 赵川, 宋晓冰 ( 上海交通大学土木工程系, 上海2 0 0 2 4 0 ) 摘要: 为探索测定混凝土中钢筋锈蚀临界氯离子浓度的快速测定方法, 本文对有压溶液作用下混凝土内部的氯 离子浓度分布进行了测定。试验测定了0 6 5水灰 比、 1 MP a压强作用下混凝土的渗透系数以及不同加压时间条件 下的 自由氯离子浓度和总氯离子浓度, 得到了不同加压时间下自由氯离子沿混凝土深度的浓度分布曲线。结
2、果表 明, 随着加压时间的增长, 在同一混凝土渗透深度处, 自由氯离子浓度呈上升趋势。数值模拟的结果也较好的反映 了这一规律。这为钢筋锈蚀临界氯离子浓度的快速测定方法的提出提供了理论及实验基础。 关键词: 渗透系数; 自由氯离子浓度; 结合作用; 对流扩散方程 中图分类号: T U 5 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 31 8 6 0 7 Ex p e r i m e n t a l r e s e a r c h 0 n d i s t r i b u t i o n o f c h l o r i d e i n c o n c r
3、e t e u nd e r s t r e s s e d C l l l 0 r i d e s o l u t i o n Z HA0 Ch u a n SONG Xi a o b i n g ( D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g , S h a n g h m J i a o t o n g U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 , C h i n a ) Ab s t r a c t : I n o r d e r t o e x p l o r e
4、 a q u i c k e x p e r i me n t a l me t h o d me a s u ri n g t h e c h l o ri d e t h r e s h o l d l e v e l i n c o n c r e t e , an e x p e r i me n t al r e s e a r c h o n t h e d i s t ri b u t i o n o f c h l o ri d e c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e u n d e r s t r e s s e d s
5、 o l u t i o n i s i n t r o d u c e d T h e p e r me a b i l i t y c o e mc i e n t o f c o n c r e t e w i t h 0 6 5 w c u n d e r 1 0 MP a p res s u r e a n d t h e c hlo r i d e c o n c e n t r a t i o n f o r d i ff e r e n t p r e s s u ri n g t i me a r c me a s u r e d T h e dis t r i b u t
6、i o n s o f t h e c h l o rid e c o n c e n tr a t i o n alo n g t h e d e p t h o f c o n c r e t e a r e o b t a i n e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t , w i t h p res s i n g t i me i n c rea s i n g, t h e f r e e c h l o ri d e c o n c e n t r a t i o n i n c rea s e s a t t h e s a me d e
7、 p t h i n c o n c r e t e T h e c o n c l u s i o n s f r o m n u me r i c al s i mula t i o n a g r e e w e l l w i t h e x pe ri me n t al res ult s Th e p r e s e n t p a p e r p r o v i d e s g 0 o d e x peri me n t al a n d t h e o r e t i c al b a s e s for t h e q u i c k me t h o d me asu r
8、in g t h e c hlo ri d e t h r e s h o l d l e V e l i n c o nc r et e Ke y wo r d s : p e rm e abi l i t y c o e ff i c i e n t ; f r e e c hlo ri d e c o n c e n t r a t i o n; b i n din g c a p a c i t y ; c o n v e c t i o n d i ff u s i o n e q u a ti o n 0 前言 大量暴露于海洋环境下的钢筋混凝土结构 的使 用情况表明, 钢筋锈蚀是影
9、响结构安全性最重要的 因素, 其中氯离子引起的钢筋锈蚀是最主要 的原 因 引。研究表明混凝土中钢筋表面的氯离子浓度 达到或超过临界氯离子浓度 , 是混凝 土中钢筋脱钝 并开始腐蚀的充分条件 J , 因此临界氯离子浓度一 直被认为是一个重要的研究参数。已有的测定 l临界 氯离子浓度的方法主要有如下几种 。 1 ) 混凝土模拟孔隙液法 -5 j 该方法是通过将几种化学试剂混合配制成一定 p H值的碱性溶液来简单模拟混凝土内部的碱性环 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 2 1 3 作者简介 : 赵川( 1 9 8 7一), 男 , 吉林 长春人 , 硕士研究生 , 主要从事 结构耐久性方面的研
10、究。 基金项 目: 上海市 自然科学基金资助项 目( 1 1 Z R 1 4 1 7 4 0 0 ) E ma i l : z h a oo h u a n r e n y a h o o c o m c a 境。这种测试方法与真实的情况存在较大差异 , 测 试结果只能定性地反应钢筋在不同碱性环境下的电 化学表征 , 不能直接用于氯离子临界浓度的确定 。 2 ) 外掺氯盐法 该方法是在试件制作时掺入不 同含量 的氯离 子 , 通过测定试块中钢筋在不同氯离子含量情况下 的电化学特性 , 大致确定引起钢筋脱钝的氯 离子浓 度范围。由于在试件浇筑时钢筋表面处于不稳定状 态 , 很容易在较低的氯离子浓
11、度下脱钝 , 使得测试结 果出现较大偏差。 3 ) 电场加速法 该方法是在外加电场的作用下使氯离子快速迁 移至钢筋表面。该方法由于在实验过程中对试件施 加外加 电场 电压 , 改变了钢筋所处的电场环境 , 使得 通过钢筋的外极化电流击穿钢筋的钝化膜从而导致 钢筋提前脱钝。 4 ) 自然浸泡法 该方法是 以自然浸泡的方式使氯离子扩散至钢 筋表面引起钢 筋脱钝 , 从而确 定临界氯离子浓 度。 2 0 1 3 N o 3 赵川, 等: 有压溶液作用下 昆 凝土中氯离子浓度分布研究 1 8 7 该方法与实际锈蚀情况最为相符, 所得结果也较为 可靠, 但由于 自然扩散过程缓慢, 导致试验周期过 长 。
12、 目前已有的测定 临界氯离子浓度的方法各有不 足 , 如何既不干扰混凝土内部电化学环境 , 又能连续 快速测定临界氯离子浓度?在借鉴测试 昆 凝土渗透 性的“ 渗水高度法” 的基础上, 作者提出了一种新 的快速测试临界氯离子浓度的方法“ 临界氯离 子浓度压力渗透测试法 ” 。该方法通过对含氯离子 溶液施加压力从而使氯离子快速进入 昆 凝土内部并 在钢筋表面积 累来快速测定临界氯离子浓度。该方 法能否实现需解决两个关键问题: 压力作用下溶 液中氯离子在混凝土中的传递速率; 压力作用下 溶液中氯离子在混凝土中的浓度梯度。为研究以上 问题 , 本文从理论和试 验上探讨 了压力作用下溶液 中氯离子进入
13、混凝 土内部后的浓度分布情况 , 为临 界氯离子浓度压力渗透测试法的提出提供理论及实 验基 础 。 1 试验 1 1 原材料和配合比 水泥 ( C ) : P 0 4 2 5水泥 ; 砂( S ) : 河沙 , 中砂 , 细度模数 2 9 ; 粗骨料( G ) : 5 2 5 m m连续粒级碎石 ( 去离子水清洗) 。混凝土配合比见表 1 。 表 1 不同加压时间条件下混凝土配合比 Ta b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n s o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t p r e s s u r i n g t i
14、m e 1 2混凝土试件的制备 为避免混凝土试件在浇筑过程中受到外界氯离 子的干扰 , 拌合水采用去离子水。将混凝土拌和物 搅拌后人模 , 置于平板振动台上振动 , 试件静置 2 4 h 后脱模, 然后用钢丝刷刷去两个端面水泥浆膜后浸 入饱和石灰水中进行养护。试件养护至 2 8 d 龄期 进行试验。 1 ) 渗透系数 测试 试件 制备 : 制作 西l 7 5 I T l m 1 8 5 m m 1 5 0 m m的圆台试件做渗透系数测试。 2 ) 自由氯离子、 总氯离子 ( 自由氯离子与结合 氯离子的和) 浓度测试制备: 从完成测试渗透系数 的圆台中部钻取 + 5 o m m 1 5 0 m
15、m的圆柱体, 沿垂 直于浇筑方向将圆柱体切成 l 0片 + 5 0 mm1 0 mm 和一片 + 5 0 mm 2 0 mm的薄片 ( 由于混凝 土试件 远离有压溶液端附近氯离子含量较小 , 因此 , 为得到 可测定 的浓 度数 据 , 最 后一 片切 片厚 度取 为 2 O m m) 。将薄片粉碎研磨做 自由氯离子浓度、 总氯离 子浓度测试。 1 3 实验装置 1 ) 加压装置 本加压装置是对混凝土渗透仪改造而成。由于 混凝土渗透仪为活塞式液压水泵, 其耐腐蚀能力很 差 , 在含有氯离子的溶液作用下会很快锈蚀损坏 , 故 将液压水泵提供液压替换为空压机提供气压经导气 管进入储液罐, 气压作用
16、于溶液上从而转化为液压。 实验加压示意及装置如图 1 、 2所示。 开关 :空 矗 f 一一 一 图 1 实验加压装置示意 F i g 1 Th e s k e t c h o f e x p e r i m e n t a l e q u i p me n t 图 2实验加压装置 F i g 2 Th e e q u i p me n t o f e x pe r i me n t 2 ) 渗透系数测试装置 如图3所示, 通过旋紧竖向金属螺杆将上部带 有量管的有机玻璃盖板与混凝土钢套具进行连接, 在盖板与钢模具间采用橡胶垫圈进行密封。以量管 测定给定时间内通过混凝土试件的去离子水的流 量。
17、3 ) 自由氯离子、 总氯离子浓度测试装置 图4为 P C I S一 1 0型氯度仪。该装置通过测定 氯离子溶液的电位并利用浓度与电位的关系得到溶 液氯离子浓度。 1 4 测试过程 1 ) 渗透系数测试 一 萄 一; 一呻 銎 线一一1 输一一 一 传 一 号一 一 2 0 1 3 N o 3 赵川, 等 : 有压溶液作用下混凝土中氯离子浓度分布研究 1 8 9 验方法得到的渗透系数与已有文献研究结果非常接 近, 这说明采用本方法来测试渗透系数是有效的。 2 2 氯离子浓度沿其渗透方向分布 曲线 2 2 1 试件 A 1 一A 5内部 自由氯 离子浓度分布 曲 线 试件 Al A 5内部 自由
18、氯离子浓度分布曲线如 图5 9 所示。同样试验条件下 3 个混凝土芯柱分 别为 X Z 1 、 X Z 2 、 X Z 3 。 喜 l 8 毫 皿 图 5 A 1自由氯离子浓度分布曲线 ( 1 d ) F i g 5 D i s t r i b u ti o n o f f r e e c h l o r i d e i n A1( 1 d ) 鑫 崔 巷 簇 墨 0 2 O 40 印8 0 1 0 0 1 20 1 40 1 6 0 距混凝土表面距离 mm 图6 A 2自由氯离子浓度分布曲线( 5 d ) F i g 6 Di s t r i b u ti o n o f f r e e c
19、 h l o ri d e i n A 2( 5 d ) 鑫 崔 娱 H J眶 埽 母 皿 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 距混凝土表面距离 r a m 图 7 A 3自由氯离子浓度分布 曲线 ( 1 O d ) F i g 7 Di s t r i b u ti o n o f f r e e c hlo r i d e i n A 3( 1 0 d ) 对不同加压时间条件下混凝土试件的自由氯离 子浓度分布曲线进行分析 , 结果表 明同一试件不 同 芯柱所测得的自由氯离子浓度分布有一定的离散 性。混凝土试件 A 3 ( 1 0 d ) 具有较高
20、渗透系数, 其浓 度曲线波动性较大 。 图8 A 4自由氯离子浓度分布曲线 ( 1 5 d ) F i g 8 D t ri b u fi o n o f f r e e c h l o ri d e i n A 4 ( 1 5 d ) 喜 萋 藿 耋 图9 A 5自由氯离子浓度分布曲线 ( 2 0 d ) F i g 9 Di s t ri b u ti o n o f f r ee c hlo rid e i n A 5( 2 0 d ) 2 2 2 试件 A 1 一A S 自由氯离子浓度与 总氯 离子 浓度分布曲线对比 对不同加压时间条件下混凝土试件( A l A 5 ) 3 个芯柱 的
21、自由氯离子浓度分布及总氯离子浓度分布 取平均值, 并将二者进行对比, 如图 1 O一 1 4 所示。 苦 疑 H 键 旧 皿 图1 0 A 1自由氯离子与总氯离子浓度分布曲线 Fig 1 0 Di s t r i b u tio n o f f r e e c hlo rid e a n d t o t a l c h l o rid e in Al 从图 l O 1 4中可以看出, 每个试件中两条曲线 在不同深度处的氯离子浓度变化不大, 这表明实验 过程中结合氯离子浓度( 氯离子与混凝土胶凝材料 的化学结合作用) 较小, 实验过程时间较短是影响 其结合作用充分进行的主要原因。 堪 m嘶 O
22、O 0 O O O 0 O O H 0 O O 0 O O O O O l 9 0 四川建筑科学研究 第3 9卷 0 0 0 0 2 0 40 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 60 距混凝土表面距离 m m 图 l l A 2自由氯离子与总氯离子浓度分布曲线 F i g 1 1 Di s t r i b u t i o n o f f r e e c h l o rid e a n d t o t a l c h l o rid e i n A 2 距混凝土表面距离 mm 图 1 2 A 3自由氯离子与总氯离子浓度分布曲线 Fi g 1 2 Di s t r i b u
23、 tio n o f f r e e c h l o r i d e a n d t 0 t a l c h l o rid e i n A3 距混凝土表面距离 mm 图 1 3 A 4自由氯离子与 总氯 离子浓度分布 曲线 Fi g 1 3 Di s t rib u t i o n o ff r e e c h l o rid e a n d t o t a l c hlo rid e i n A4 距混凝土表面距离 mm 图 1 4 A 5自由氯离子与总氯离子浓度分布曲线 Fi g 1 4 Di s t r i b u t i o n o ff r e e c h l o rid e a
24、n d t o t a l c h l o r i d e i n A5 3 讨论 3 1 对流扩散方程 1 9 9 7年 H o o t o n - l 等提出, 当 昆 凝 土暴露 到氯 盐环境时 , 氯离子进入混凝 土内部的迁移机制有吸 附、 扩散 、 结合 、 渗透、 毛细作用和弥散等。其 中, 扩 散 、 毛细作用和渗透是主要的三种迁移方式 。扩散 是因氯离子浓度梯度引起的;毛细作用是指氯离子 随水一起通过连通毛细孔向内部迁移; 渗透是在压 力作用下氯离子随水一起进人混凝土内部。本文所 采用的实验方法主要采用有压氯离子溶液作用于饱 水混凝土试件引起氯离子在混凝 土中的迁移 , 因此
25、渗透作用是氯离子的主要迁移机制。压渗实验过程 中混凝土试件处于饱水状态 , 故毛细作用可 忽略。 但混凝土胶凝材料对于氯离子的吸附作用 , 以及 由 于氯离子溶液浓度梯度而产生的扩散作用在氯离子 的迁移过程中不可忽略。根据氯离子的质量守恒可 以得到如下形式的对流一 扩散方程 : 竿: D 磐 一 一 卫 ( 1 ) d dx , 己dt 其 中, C为溶液 中经过时间 t 在深度 位置的 自由 氯离子浓度; D为扩散系数; C 为结合氯离子浓度; P为混凝土密度 ; 为孔 隙率 ; 为溶液平均线性流 速。式( 1 ) 中右端第一项为扩散项; 第二项为对流 项 ; 第三项为结合项。 3 2 方程
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