水工混凝土氯离子侵蚀模拟的相似性研究.pdf
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1、第 4 4卷 第 2 0期 2 0 1 3年 1 0月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri ve r Vo 1 4 4, No 2 0 0c t 2 0I 3 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 3 ) 2 00 0 4 6 0 4 水工混凝土氯离子侵蚀模拟的相似性研究 高 延 红 , 庄 华 夏 , 李 西 宗2 , 伍 亚 玲 , 刘 如 泰 ( 1 浙江工 业大学 建筑工程学 院, 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ; 2 浙江省 温州 市温瑞塘 河水系管理局 , 浙江 温州 3 2 5 0 0 0 ) 摘要 : 以典型海 洋环境 下温州市瓯江 口
2、一座既有 水闸为背景 , 分析 了处 于潮 差 区的 闸墩 混凝 土氯 离子侵蚀 参 数 , 将其与 室内模拟加 速试 验结果相 比较 , 研 究在人工 气候环境 下水工混 凝土氯 离子侵蚀参数 的相似 性。根 据 测定的混凝土不 同深度 处 自由氯离子浓度 , 分析 了既有 闸墩混凝土 的对 流区厚度 、 氯 离子浓度峰值 , 计算 了 混凝 土的氯 离子扩散 系数 ; 对比分析 了人工 气候环境 与模拟 环境 中主要 参数 的相似性 。分 析结果表 明 , 人 工 气候环 境侵 蚀试验 中, 氯 离子对流 区厚度和混凝 土扩散 系数等重要参数 与 自然环境 下的侵蚀有相似规律 。 关键词
3、: 氯 离子 ;模拟试验 ;相似性 ;水工混凝土 ;海洋环境 中图法分类号 : T V 4 3 1 文献标志码 :A 混 凝土 耐久 性研 究 的常 用试 验方 法包 括 真实试 验 法和模拟试验法 。真实试验法是对现场真实环境中的 结 构构 件进 行试 验 , 它包 括 现场 检测试 验 、 暴 露试 验 和 替 换构 件试 验 等 。模 拟试 验 法是 采用 各种 人 工 的方 法 对钢筋混凝土构件进行 耐久性性能 的加速退化 , 当达 到 所需 的退 化程 度 后 , 即可 进 行 耐 久 性 试 验 。模 拟 试 验法 为相 似 理论 的 运 用 , 但 目前 的 模 拟试 验 大 多
4、是 根据经验方法设计 , 缺乏相应 的理论指导 。实 际 上 , 自然海 洋 环 境 下 的 混 凝 土 结 构 , 不 仅 承 受 氯 盐 侵 蚀 , 还受潮水 冲刷和荷载作用等其它因素的影响 , 室内 试 验是 很难 模 拟这 些 自然环 境 因素 共 同作用 下 的氯 离 子 侵蚀 过程 。 因此 , 分 析 已有 混 凝 土 构 件 的氯 离 子侵蚀特征、 侵蚀参数及抗侵蚀性能等 , 是 自然海洋环 境 下混 凝 土结 构耐 久性 研究 的重 要 手段 。 本文 以浙 江省 温州 市 瓯江 口一 座处 于 海洋 环境 下 的既有 水 闸为 背景 , 研 究 了处 于 潮 差 区 的闸
5、墩 混凝 土 氯 离 子侵 蚀参 数 , 在取 得 该 水 闸 闸墩 不 同深 度 处 混 凝 土 样 品 的 自由氯 离子浓 度 基础 上 , 分 析 了运 行 1 5 a的 闸墩混凝土氯离子侵蚀 的对流 区厚度 、 峰值氯离子浓 度和氯离子浓度分布类型等 , 并计算 了该 闸墩混凝土 的扩散系数。根据人工气候干湿循环环境下的模拟试 验结果 , 研究 了侵蚀参数 的相似性。研究结论可为在 室 内模 拟海 洋环 境下 水工 混凝 土氯 盐侵 蚀 的耐久 性 试 验设 计提 供参 考 。 1 海洋环境下水工 混凝土氯离子侵蚀参 数 1 1 工程概 况与混凝土取样 取样位置位于温州龙湾扶贫开发区瓯
6、江口的临海 水 闸 , 距 河 流 的人 海 口为 1 k m, 1 9 9 8年 4月 建 成 投 入 运行 。该 闸的特点是过 闸水体化学污染严重, 水体及 河床土体均 变黑 , 主要是 由于开发 区内皮 革 、 铁 钉厂 ( 作 坊 ) 排 出大量 污水 所致 。水 闸为 1 孔 , 净 宽 5 0 m, 钢 闸 门 ; 设计 过 流 流 量 为 5 0 2 m s , 闸 底 板 高 程 ( 吴 淞高程 ) 1 4 8 m。总体来看 , 混凝土情况 尚好 , 过水潮 差 区有 骨料 外 露 , 见 图 1 。 2 0 1 2年 1 2月 取 得该 水 闸 闸墩 混凝 土芯 样 1 0个
7、 。 取 样位 置均 在 闸墩 下 部 , 以 闸 门槽 为 界 , 上 、 下 游 各 取 5个芯样 ; 高度距离 闸底板 7 71 8 0 c m。混凝土芯样 直 径 6 c m, 长度 为 1 O一 2 0 c m不 等 。取 得 芯 样 的位 置 见图 2, 其 中部分 芯样 的表面 冲刷剥蚀严 重 、 骨料外 露 。 根据 该水 闸的施 工 竣 工 验 收 资料 , 此 水 闸 闸墩 混 凝土 的配合比为 : 水泥: 水: 砂: 骨料 =1 0 0 : 0 5 3 : 2 0 0 : 3 8 8 。本文参考文献 5 的方法 , 对所取得 的闸墩混 收 稿 日期 : 2 0 1 3 0
8、 31 6 ; 修 回 日期 : 2 0 1 3 0 4 2 8 基金项 目: 国家 自然科 学基金 项 目( 5 1 2 9 1 8 1 , 5 0 8 7 9 0 7 9 ) 作者简介 : 高延红 , 女 , 副教授 , 硕士 , 主要从事混凝 土耐久性方面的研 究。Em a i l : z h o n g g a o y u n s i n a t o m 第 2 0期 高延红 , 等 : 水 工混凝 土氯离子侵蚀模拟 的相似性研 究 4 7 凝 土水 灰 比进 行 推 定 。根 据 推 定 结 果 , 上 游 3号 芯 样 两组 混凝 土 分别 为 : 水泥 : 水 =1 0 0 :
9、0 5 7 , 水 泥- 水= 1 0 0 : 0 5 3 。下 游 4号 芯 样 两组 混 凝 土分 别 为 : 水 泥 : 水=1 0 0 : 0 5 4, 水 泥 : 水=1 O 0 : 0 5 7 。取 4组 混 凝 土 的平 均 值 , 则 该 水 闸 闸墩 混 凝 土 的水 灰 比为 0 5 6 。 施 工 竣工 验 收时 的水 灰 比为 0 5 3 , 两 者较 为接 近 。 图 1 既有临海混凝土水 闸工程 下 游 上游 。 2 一 三 三 土 三 嗵l 门槽 1 4 8 in 闸底板 r 图 2水 闸 闸 墩 混 凝 土 芯 样 的 取 样 位 置 ( 尺寸 单位 : c m
10、) 1 2水工混凝 土氯离子浓度分布 将 取 得 的混凝 土 用 H D M 一1 5 0混 凝 土研 磨 机 , 按 2 m m 厚度 的规格从 混凝 土表 面一 侧 逐 步 向 内侧 研磨 成粉末 , 直到芯样磨至距离外表面至少 3 0 m m结束 , 并过 0 6 3 m m水 泥筛后 收集 , 每一 个芯样取 至少 1 5 个 不 同深 度处 的氯 离 子浓度 值 。混 凝土 中 自由氯 离 子 浓 度 ( 自由氯 离 子 占混 凝 土 的 质 量 百 分 数 ) 利 用 美 国 T H E R MO O r i o n D U A L S t a r P H 离 子 浓 度 测 量
11、仪 测 定 。测 得混 凝土 中的 自由氯 离子 浓度 分 布如 图 3所 示 。 由图 3可见, 闸门下游混凝土 中 自由氯离子浓度 总体上 比上游混凝土 中的要 高, 主要原因是下游环境 水 体 中的氯 离子 浓度 比上游 高 。 睫 l 喽 母 皿 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 l 6 l 8 2 O 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 : 3 2 距离表面深度 m ( a )闸门上游 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 距离表面深度 m ( b )闸门下游 图 3 混 凝 土 中 自 由氯 离 子 浓 度
12、 1 3 水工混凝土氯离子侵蚀的主要参数 混 凝 土氯离 子侵 蚀 的对 流 区 厚度 , 一 般 是 指 混凝 土 中氯离 子峰 值 浓 度 之前 外 侧 的厚 度 。 因此 , 根 据测 定 的 自由氯 离 子浓 度 , 可 得 该 水 闸 闸墩 潮 差 区的 混凝土氯离子侵蚀的对流区厚度 , 见表 1 。 表 1 闸墩 潮 差 区混 凝 土 氯 离 子 侵 蚀 对 流 区厚 度m m 编号 闸 门上游闸门下游 编号 闸门上游闸门下游 l 2 2 2 4 4 2 6 2 4 2 2 4 2 0 5 2 2 2 4 3 l 8 l 8 按 表 1统计 , 闸 门上 游 混 凝 土 的对 流
13、区厚 度 平 均 值 为 2 2 4 m m, 下游 为 2 2 0 mm。测 定 的混 凝 土 中最 高 自由氯离子浓度, 即 自由氯离子浓度峰值见表 2 。 表 2 闸墩 潮 差 区 混 凝 土 自 由氯 离 子 浓 度 峰值 编号 闸门上游闸门下游 编号 闸 门上游闸门下游 1 O 1 0 9 3 0 1 3 6 6 4 0 1 8 6 0 2 6 0 1 0 9 3 2 4 2 0 1 8 9 7 0 2 2 8 7 5 0 0 9 8 7 0 1 3 6 6 3 0 1 4 81 0 2 2 5 6 按表 2结果 , 闸门上游混凝 土中 自由氯离子浓度 峰值的平均值为 0 1 6 0
14、 0 , 下游为 0 1 6 5 5 。下游 混凝土中自由氯离子浓度峰值也比上游混凝土中的峰 值要高。 氯离子在混凝土内部的扩散符合 F i c k第二定律 。 则该水 闸闸墩混凝土氯 离子侵蚀 可用扩 散方程 表示 姗 。 O 0 O O O 啪 嘞 瑚 。 0 O O 0 O 0 O 4 8 人 民 长 江 C =C 。 +( C 一 C 。 ) 1 一 e rf ( ( 1 ) 2 D t 式 中 , c 为 t 时刻 深 度处 的 氯离 子浓 度 , ; C 。 为 初 始 氯离 子浓 度 , ; C 为 混 凝 土 表 面 氯 离 子 浓 度 , ; D为混凝土的有效扩散系数 , 1
15、 T I s ; e r f( ) 为误差函数 , e )= I e d t 。 7 r 从 该水 闸投 入使 用 到取 芯样 时 已运 行 5 3 0 0 d , 方 程 ( 1 ) 中 的侵蚀 时 间 为 t= 5 3 0 0 X 2 4 X 3 6 0 0= 4 5 9 2 X 1 0 s 。再根 据测 得 的 自由氯 离 子浓 度 , 以 上述 方 程 为依据用最小二乘法拟合混凝土扩散 系数 , 即将每个 混凝土芯样各深度处 的坐标值 ( , C )代入式 ( 1 ) 。 由于氯 离子 在混凝 土 表 面并 不符 合 扩 散 规 律 , 故排 除 对流 区数 据 , 以稳 定 扩散 区
16、 的最 高 氯 离 子 浓 度 处作 为 扩散表面, 要求拟合相关度 尽可能接近 1作为拟合 优度 的检验 , 拟合 以下方 程 。 ,r C C o ) 1- ( 2 ) 式 中 , c 为对 流 区 与 扩 散 区界 面处 的 自由氯 离 子 浓 度 , 即峰值浓度 , ; X 为对流区厚度 , mm。 拟 合 的各 芯样 混凝 土 的氯离 子扩 散 系数如 表 3 。 表 3 闸墩 潮 差 区 混 凝 土 的 氯 离 子 扩 散 系数 1 0- 1 m s 编号 闸门上游闸门下游 编号 闸门上游闸门下游 l 3 2 5 1 9 2 4 1 4 3 2 6 1 2 0 0 5 5 2 2
17、5 1 2 8 8 9 9 3 2 8 0 3 2 4 除闸门上游 2号混凝土外 , 其它的部位混凝土拟 合相关 度 R 均 大 于 0 9 0 。按 表 3的计算 结果 统 计 , 闸 门上 游 混 凝 土 的 氯 离 子 扩 散 系 数 平 均 值 为 1 7 6 X 1 0 。m s ,下游 的为 4 4 0 X 1 0 。 m s 。上 述 结 果是 可信 的, 与文献 2 中同样侵蚀 时间下混凝 土扩散系 数在数量级吻合。下游扩散系数较上游稍大, 主要是 因为下游 混 凝 土 所 处 环 境 的氯 离 子 浓 度 比上 游 的 要 大 , 且取芯的位置比上游要高 , 水位变化频繁 ,
18、 使其干 燥 的时 间更 长 。 2 人工环境下混凝土氯离子侵蚀试验 2 1 试验方法 与原材 料 人工气候环境的腐蚀模拟试验 , 是 以 自然环境与 各种工业环境为背景, 设计人工气候参数 , 通过气候环 境模拟装置形成一个加速侵蚀 的人 工气候环境 , 以达 到对建筑材料与结构进行耐久性能加速试验 的 目的。 本 文 所述 的模 拟 试验 设备 是 人工 大气 模拟 气候 试 验室 ( Z HS一 0 2 8 ) 。试 验模 拟 主要考 虑 温度 和湿 度 因素 , 设 置 了 4个 环境 条件 , 见 表 4 。 表 4模拟气候 环境设计参数 ( 温度与湿度 ) 环境 温度 相对湿度 环
19、境 温度 相对 湿度 条件 条件 条件 I ( 春 ) 3 4 7 8 条件 3 ( 秋 ) 3 4 8 0 条件 2 ( 夏) 5 3 8 0 条件 4 ( 冬) 1 2 7 5 试验 中采 用 浓 度 为 5 N a C 1 的盐 雾 从 上 部 向下 喷洒 , 以达到加速腐蚀的效 果。为模拟潮水位波动特 征 , 设置的喷雾腐蚀时间为2 h , 干燥腐蚀时间为4 6 h 。 按照表 4中的环境 因素依 次循环, 经历 4个气候环境 后 为一个 大循 环周 期 ( 8 d , 即相 当于 自然 环 境 腐蚀 的 时 间 1 a ) 。 试验采用钱潮牌 3 2 5普通硅酸盐水泥 , 粗骨料为
20、最 大粒径 为 4 0 m m 的 砾 石 , 细 骨 料 为 细 度模 数 为 2 2 的中细 河砂 , 拌 和水 和养 护 水 为 杭 州 当 地 自来水 。本 文 以接 近上 述既 有 水 闸 闸墩 混凝 土 ( 水 灰 比 0 5 6 ) 的 试 件 ( 水 灰 比 0 5 5 ) 为例 进行 分析 , 试 验混 凝 土 的配 合 比为水 泥 : 水: 砂 : 粗 骨 料 =1 0 0 : 0 5 5 : 1 6 7 : 3 5 5 , 与 上述 既有水 闸的 闸墩混凝 土 配合 比组 分接 近 。根 据混 凝 土配 合 比, 按 相关 规范 , 每组 混凝 土浇 制 3个 1 0 0
21、 m m x 5 0 mm 的 圆盘 型 试 件 。试 件 放 在 温 度 为 2 0 2 、 相 对 湿 度 为 9 0 的养 护 室 中养 护 2 8 d 。养 护 完 成后 , 对试 件侧 面及 底 面均 涂抹环 氧 树脂 进行 隔离 , 试 件上 表 面不涂 抹环 氧 树 脂 , 将 其 作 为 腐蚀 时 氯 离子 的 入侵 面 。 2 2人工环境 下混凝 土氯离子侵蚀参数 试 件进行 了 5个 时 间段 ( 4 O, 8 0 , 1 2 0 , 1 6 0 d和 2 0 0 d ) 的腐蚀试验。表 5是水灰 比0 5 5的混凝土腐蚀后 的主要 参数 , 均为 一 组 3个 试 件 的
22、平 均 值 。对 流 区厚 度 、 自由氯 离子浓 度 测试 和扩 散 系数计 算方 法 同上 。 表 5 人工气候环境下水 工混凝 土氯离子侵蚀的主要参数 试 验结 果 表明 , 上 述 环境 下 的加 速 试 验 也 出现 了 氯离子侵蚀的对流区。随着腐蚀 时间的延长 , 在设置 的 环境条 件 下 , 氯 离子 对流 区的 厚度 在 6 mF l l 左 右 , 混 凝土中氯离子峰值浓度也在增加。随着腐蚀时间的增 第 2 O期 高延红 , 等 : 水 工混凝 土氯离子侵蚀模拟 的相似性研 究 4 9 加 , 混凝土氯离子扩散系数降低 , 这一现象符合混凝土 氯 离 子扩 散 系数 随时
23、间增 加 而降 低 的一般 规律 。 3 模 拟试验 的参 数相似性分析 3 1 对流 区厚 度及峰值浓 度相似 性 在上 述测 定 的 既有 混 凝 土 腐 蚀 试 验 的结 果 中 , 由 于环境条件的不同 , 其氯离子侵蚀 的对 流区厚度是不 同 的 。以 A 表示 试 验 与 自然 环 境 下 的 氯 离子 侵 蚀 对 流 区厚度 的相似 率 , 则在 本 文所 述 的条 件 下 , 以 1 6 0 2 0 0 d侵 蚀试 验 的 6 m m 的 情 形 , 计 算 得 A ,:0 2 7 3 。 之所 以出现 这种 情况 , 主 要 是 由于侵 蚀 试 验 的 时 间相 对不长 ,
24、侵蚀的深度 并 不大 。随着侵蚀 试验时间的延 长 , 试 验 混凝 土 中 自由氯 离 子 浓 度 的峰 值 在 增 加 。用 A , 表 示试 验 与 自然 环 境下 的氯 离子 峰 值 的 相似 率 , 以 既有水 闸闸墩 混 凝 土 的 自由氯 离 子浓 度 峰 值均 值 0 1 6 2 8 计 算 , 则 4 0 2 0 0 d共 5个 试验 时 间 内 的 A : 分别 为 2 0 2 6 , 2 1 7 4, 2 3 5 9 , 3 2 8 2和 4 0 2 6 。 由此 , 试 验混 凝 土 的氯 离子浓 度 的峰 值相 似 率是 随着 时 间的延 长而 增 加 的。 3 2
25、混凝土扩散性 能的相似性 随 着侵 蚀试 验 时 间 的 延 长 , 试 验 混 凝 土 的氯 离 子 扩散 系数降低。用 A 表示试验与 自然环境下的氯离 子扩 散 系数 的相 似 率 , 以既 有 水 闸 闸 门 下游 闸墩 混 凝 土的氯离子扩散 系数均值 4 4 01 0 1T I s 计算 , 则 4 02 0 0 d共 5个 试 验 时 间 内 的 A 分 别 为 3 0 9 l , 2 1 3 6 , 1 8 2 1 , 1 5 5 5和 1 1 0 2 。试 验 混 凝 土 的氯 离 子 扩散 系数 相 似率 是 随 着 时 间 的延 长 而减 低 的 。因 此 , 在本文所述
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