潮差环境下混凝土中氯离子扩散时变性试验.pdf
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1、第 1 9卷第 3 期 2 0 1 6 年 6 月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATE RI ALS VoL 1 9。 No 3 J u I 1 , 2 0 1 6 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 4 6 7 0 5 潮差环 境下混凝土 中氯离子扩散 时变性试验 张俊芝 , 石佳 乐 , 庄 华夏 , 黄 俊 。 , 高延 红 ( 1 浙江工业大学 建筑工程学 院, 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ;2 浙江省工程结构防灾减灾技术研究重点实验室, 浙江 杭州 3 1 0 0 1 4 ; 3 同济大学 土木
2、工程学院,上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 :以 自然 海 洋潮差 区环境 条 件 下暴 露 时间 分 别 为 6 0 , 1 2 0 , 2 4 0 , 3 6 0 , 4 8 0 , 6 0 0 d的混 凝 土现 场 试 验结 果 为基础 , 计 算 了 5种 水 灰 比混 凝 土 的氯 离子扩 散 系数 ; 以 6 0 , 1 2 0 , 2 4 0 , 3 6 0 , 4 8 0 d的氯 离 子 扩散 系数 测量 结果 , 推 导 了潮差 环 境 下混 凝 土 中氯 离子扩 散 系数 的 时 变模 型 , 并 以该 时 变模 型 计 算 了暴露 6 0 0 d后 混凝 土 中氯
3、 离子 扩散 系数 及 自由氯 离子含 量 , 验 证 了该 时变模 型 的适 用性 结 果表 明 : 水 灰 比越 大 , 混凝 土 中氯 离子 扩散 系数在 前 期衰 减 的经验 系数 m 越 小 , 即 对 降低 混 凝 土氯 离子长期扩散性能的效果越差, 因此减 小水灰 比能有效降低 混凝 土的长期 氯离子扩散性 能; 暴露 6 0 0 d后 混凝 土 中氯 离子扩散 系数 降低 幅度 已经很 小 , 基 本 趋 于稳 定 ; 得 到 的 混凝 土 氯 离子 扩散 系 数 时变模 型 能较 好 地反 映潮 差环 境 下混凝 土 中氯 离子侵 蚀过 程 关 键词 :潮差 区;混凝 土 ;
4、氯 离子 ;扩散 系数 ;时 变性 中图分 类号 : TU5 2 8 0 1 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 3 0 0 9 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n Ti me - Va r i a t i o n o f Ch l o r i d e Di f f u s i v i t y i n Co n c r e t e u n d e r Na t u r a l Ti da l En v i r o n me n t ZHANG J u n z
5、h i , SH I Ji a l e ,ZH UANG Hu a xi a ,H U ANG J u n , G AO Y a n h o n g ( 1 C o l l e g e o f Ar c h i t e c t u r e& Ci v i l En g i n e e r i n g ,Zh e j i a n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4,Ch i n a ; 2 Z h i a n g Ke y La b o r a t o r y o f C i v i l
6、E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s& Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a n d Mi t i g a t i o n Te c h n o l o g y, Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 4,Ch i n a ;3 C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g,To n g j i Un i v e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,Ch i n a ) Ab s t r a c t :B a s
7、 e d o n t h e f i e l d e x p e r i me n t o f c o n c r e t e s e x p o s e d t o ma r i n e t i d a l e n v i r o n me n t f o r 6 0, 1 2 0 , 2 4 0, 3 6 0 , 4 8 0 , 6 0 0 d ,t h e c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t s o f c o n c r e t e s wi t h 5 wa t e r c e me n t r a t i
8、o s we r e d e t e r m i ne d A c c o r d i ng t o t he c hl o r i d e d i f f u s i on c o e f f i c i e n t s o f c o nc r e t e s e x po s e d f o r 6 0, 1 2 0, 2 4 0, 36 0, 4 8 0 d,t h e t i me - v a r i a t i o n mo d e l o f c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i n c o n c r
9、 e t e wa s d e d u c e d u n d e r n a t u r a l t i d a l e n v i r o n me n t Ba s e d o n t h e r e s u l t s a b o v e ,c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t a n d f r e e c h l o r i d e c o n t e n t o f c o n c r e t e e x p o s e d f o r 6 0 0 d we r e c a l c u l a t e d
10、b y t h e t i me v a r i a t i o n mo d e l ,a n d t h e a d a p t a b i l i t y o f t h e t i me - v a r i a t i o n roo d e l wa s v e r i f i e d Re s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e h i g h e r wa t e r - c e me n t r a t i o o f c o n c r e t e i S ,t h e 1 o we r a t t e n u a t i o n C
11、O e f f i c i e n t o f c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i s ,t h e p o o r e r r e d u c t i o n e f f e c t o f 1 o n g - t e r m c h l o r i d e d i f f u s i v i t y i n c o n c r e t e i S Th u s r e d u c t i o n o f wa t e r - c e me n t r a t i o o f c o n c r e t e i
12、S e f f e c t i v e t o r e d u c e l o n g t e r m c h l o r i d e d i f f u s i v i t y i n c o n c r e t e Th e d e c r e a s e r a n g e o f c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i n c o n c r e t e e x p o s e d f o r 6 0 0 d i s v e r y n a r r o w ,a n d t h e c h l o r i d
13、e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f c o n c r e t e i S s t a b l e b a s i c a l l y a f t e r 6 0 0 d Th e t i me v a r i a t i o n mo d e l o f c h l o r i d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i n c o n c r e t e c a n b e t t e r r e f l e c t t h e c h l o r i d e e r o s i o n
14、 p r o c e s s i n c o n c r e t e u nde r na t ur a I t i da l e n v i r on m e nt Ke y wo r d s :t i d a l z o n e ;c o n c r e t e ;c h l o r i d e ;d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t ;t i me - v a r i a t i o n 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 1 2 9 ;修 订 日期 : 2 0 1 5 0 4 1 5 基金项 目: 浙江省 自然科 学基金 资助项 目( L Y1
15、 3 E 0 9 0 0 0 8 ) ; 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 2 7 9 1 8 1 , 5 0 8 7 9 0 7 9 ) 第一作者 : 张俊芝( 1 9 6 4 一 ) , 男 , 江西金溪人 , 浙江工业大学教授 , 博士生导师 , 博士 E - ma i l : j z z h a n g z j u t e d u c n 4 6 8 建筑材料学报 第 1 9 卷 氯离子环境下 的混凝土结 构耐久性 问题 , 主要 是氯离子侵入混凝土而引起 的钢筋锈蚀及结构承载 力降低_ 1 混凝土氯离子 的扩散性能是反映混凝土 抵抗氯离子侵 入和钢筋抗锈 蚀能力 的一 个重要
16、参 数 , 其影 响因素众多 2 。 由于混凝土材料及环境 因 素的随机性 , 以及混 凝 土氯离 子扩 散性 能 的时变 性_ 3 , 基于钢筋锈蚀 的混凝土结构使用寿命预测 的 重要 问题是建立基于背景环境的混凝土氯离子扩散 性能的时变随机性模型L 6 _ 8 在 自然氯离子环境 中, 混凝土内的氯离子迁移 和钢筋锈蚀是一 个缓慢过 程 , 建立 自然环境下混凝土中氯离子扩散的时变模 型是一项用时很 长的工作 ; 学者们 多以室 内快速试 验或人工环境模拟试验为基础来研究混凝土中氯离 子扩散的时变性及其衰减规律 , 但是由于环境 因素 的差异 , 室内模拟试验得到 的时变模 型与 自然环境
17、 下有 一定 差 异L 9 , 并 不 能 完 全反 映 自然 环 境 下 混 凝 土 中氯离子的迁移过程口 为研究 自然海洋潮差区环境条件下混凝土中氯 离子扩散的时变性, 建立较真实的时变模型 , 本文以 海洋潮差区环境下的现场侵蚀试验为基础 , 得 到了 暴露 4 8 0 d后混凝 土 中 自由氯离 子含量 的分布情 型; 以暴露 6 0 0 d后混凝土 中自由氯离子含量及氯 离子扩散系数对 该时变模型的适用性进行 了验证 , 结果表 明该时变模型能较好地反映潮差环境下混凝 土中氯离子侵蚀过程 1 试验 1 1原材 料及 混凝 土 配合 比 粗骨 料 为砾 石 , 最 大粒 径 4 0 m
18、m, 表 观 密 度 2 7 0 0 k g m。 ; 细骨料为中细河砂( 级配合格) , 细度模 数 2 4 , 表观密度 2 6 0 0 k g ms ; 拌和水及养护水均采 用杭州当地 自来水 , 密度取 1 0 0 0 k g m 3 ; 水泥为钱潮 牌 P C 3 2 。 5 复合硅酸盐水泥 , 密度 3 1 0 0 k g m 3 制备直径为 1 0 0 mm, 高度为 5 0 mm 的圆盘型 混凝土试件 混凝土的配合 比和 2 8 d抗压强度见表 1 1 。 。 各试件的砂率 统一设为 3 2 为消除材料随 机性对试验结果 的影响 , 相 同暴露时间和相 同配合 比下各制备 5
19、个混凝土试件 1 2 现 场环境 与试 验方 法 试验现场位于浙江舟山定海新城某滨海码头附近 滩涂的潮差区, 该区域年平均气温约为 2 O, 每天被 海水浸没时间为 4 5 h , 干湿循环时间比约为 5: 1 , 该 况 , 并以此为基础推导 了混凝土扩散系数的时变模 区域海水中年平均游离氯离子含量约为 1 3 L 衰 1 混凝土配合比及 2 8 d抗压 强度 Ta b l e 1 M i x p r o p o r t i o n a n d 2 8 d c o mpr e s s i v e s t r e ng t h o f c o nc r e t e 混凝土试件置于 ( 2 0
20、2 ), 相对湿度 9 0 的 养护室中养护 2 8 d后 , 在其侧面和成型面涂环氧树 脂 , 然后将试件放置在定制钢筋笼 中, 将钢筋笼固定 在试验现场 考虑到前期混凝土氯离子扩散系数较 大 , 设定侵蚀时间 f 为 6 0 , 1 2 0 , 2 4 0 , 3 6 0 , 4 8 0 , 6 0 0 d 暴露至设定侵蚀时间后 到现场取 回对应试件 , 在 室 内测试混凝土中 自由氯离子含量 1 3 氯离子含量的测试方法 将取 回的试件用 HD M一 1 5 0混凝土研磨机从表 面开始以 2 mm 间隔取样 , 研磨成粉末并隔离收集 包装 , 研磨 至距 离试 件表面以内至少 2 0 m
21、m( 暴露 6 0 0 d的试件取样至 3 0 ram) 将所得粉末配制成溶 1 ) 本文所涉及 的砂率 、 含量等除特别说明外均为质量分数 液 , 放 置 4 8 h后用 美 国 THE R MO O r i o n DUAL S t a r p H 离子浓度测量仪测定溶液 中的 自由氯离子 含量 c , 即 自由氯离 子 占混 凝 土粉 末 的质 量分 数 3 , 测试结果取 5个试件的平均值 2 结果及分析 2 1 氯离 子含量 分布 图 1 给出了暴露 4 8 0 d时混凝土 中 自由氯离子 含量 C 州 。 a 随深度 ( z ) 的分布情况 由图 1可见 , 在暴露 4 8 0 d
22、时, 各组混凝 土试件 表面均存在 明显 的对流 区, 对流区深度约为 4 mm; 相同深度处 的自由氯离子含量 随混凝土水灰 比的增 第 3 期 张俊芝 , 等 : 潮差环境下混凝 土中氯离子扩散时变性试验 4 6 9 毒 童 图 1 暴露 4 8 0 d 时混凝土 中 自由氯离 子 含量 随深度的分布情况 Fi g 1 Di s t r i b u t i o n o f f r e e c h l o r i d e c o n t e n t wi t h d e p t h s i n c o n c r e t e e x p o s e d f o r 4 8 0 d 大 而增
23、大 2 2 氯 离子 扩散 系数 氯离子扩散系数可依据 t 时刻混凝土试件中 X 深度处测得的 自由氯离子含量 C , 由 F i c k第二定 律反算求得 : c o + c c 。 一 C o) I 1 - e r ( ) 式中: C 0 为初始氯离子含量 , ; C 。 为混凝土表面氯 离子含量 , ; D 为氯离子扩散系数 , m s ; e r r ( ) 为误差函数, e r f ( x ) 一告 I e 出 J 0 由于氯离子在混凝土表面并不符合 F i c k第二 定律 , 故排除对流区数据, 以扩散区氯离子含量最大 处作为扩散表面 , 要求 R 尽可能接近 1来进行拟合 优度
24、的检验 在边界条件恒定以及混凝土为半无限 介质假定 的基础上, 对 F i c k第二定律的一维解析解 进行修正, 得到式( 2 。 。 : t C 0 + ( C 一 C o ) 1 _ e “ ( ) J ) 式中: C 为对流区与扩散区界面处 的 自由氯离子含 量 , ; X 为对流区深度 , mm 用式( 2 ) 计算 出每个时间点各组 5个混凝土试 件的氯离 子扩 散系数 , 按 照格拉 布斯 ( G r u b b s ) 准 则 , 取显著性水平 a 一0 0 5 , 剔 除异常值后取氯离子 扩散系数 的平 均值 作为该 时间点 的氯离 子扩散系 数 , 结果见表 2 由表 2可
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- 关 键 词:
- 潮差 环境 混凝土 氯离子 扩散 变性 试验
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