混凝土表面氯离子浓度时变规律试验研究.pdf
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1、第 3 2卷第 3 期 2 0 1 0年 O 6月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f C i v i l 。Ar c h i t e c t u r a l& E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o l | 3 2 No 3 J u n 2 0 1 0 混凝土表面氯离子浓度时变规律试验研究 赵 羽习, 王传坤 , 金 伟 良, 许 晨 ( 浙江大学 结构工程研究所 , 杭 州 3 1 0 0 5 8 ) 摘 要 : 采用氯盐浸泡试验 , 定期检测了混凝土表 面处的氯 离子浓度 , 并对数据进行 了
2、拟合分析 , 研 究了混凝土表面氯 离子浓度随时间的变化规律 , 分析 了氯盐溶液浓度 、 水灰比和粉煤灰掺量对表面 氯离子浓度大小及其累积速率的影响。结果表明, 表 面氯 离子浓度 随时间的增加逐渐增长并最终 达到稳定状态。随着氯盐溶液浓度的增加 , 表面氯离子浓度将更快地达到稳定状态, 表 面氯离子浓 度也相应增大; 水灰比越大, 表 面氯离子浓度 累积速率越快 , 表面氯离子浓度越 大; 掺入粉煤灰可加 快表面氯离子浓度的累积速率, 表 面氯 离子浓度 随粉 煤灰掺 量的增加 而增大。通过对现有模 型的 比较与修 正 , 提 出 了一个 更为 完善 的模 型 。 关键词 : 混凝 土 ;
3、 表 面氯 离子浓度 ; 时变规 律 ; 氯盐溶 液浓度 ; 水灰 比 ; 粉 煤灰掺 量 中图分 类号 : TU5 2 8 文献标 志码 : A 文 章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 0 8 0 6 Ex pe r i me n t a l An a l y s i s o n Ti me d e p e n d e nt La w o f S u r f a c e Chl o r i d e I o n C0 n c e n t r a t i 0 n 0 f Co n c r e t e ZHAO Yu x i ,WANG Ch u
4、an - k u n,J t N We i - l i a n g,XU Ch e n ( I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n 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 ,Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8,P R Ch i n a ) Ab s t r a c t :I mme r s i o n i n s o d i um c hl or i de s ol u t i o n wa s a d op t e d t o pe r i od i c a
5、l l y t e s t c hl o r i d e i o n c o n c e nt r a t i o n a t t h e s u r f a c e o f c o n c r e t e a nd r e g r e s s i o n a n a l y s i s wa s c o mpl e t e d An d t i me d e p e nd e n t l a w o f s ur f a c e c h l o r i de i on c on c e nt r a t i o n o f c onc r e t e wi t h t i me wa s i
6、 nv e s t i g a t e d I n f l ue nc e s of s o d i u m c hl o r i d e s o l ut i o n c o n c e nt r a t i o n,wa t e r t O c e me nt r a t i o a nd f l y as h c o nt e n t o n s i z e a n d a c c umul a t i o n r a t e o f s u r f a c e c hl o r i d e i o n c o n c e nt r a t i o n we r e a l s o a
7、na l y z e d I t i s f o u nd t h a t s ur f a c e c hl o r i d e i o n c o nc e nt r a t i o n gr a d u a l l y gr ows wi t h t h e o f t i m e i nc r e a s e t he o f t i me a nd r e a c he s a s t e a d y s t a t e f i na l l y W i t h t he i nc r e a s e of s od i u m c hl o r i d e s o l u t i
8、o n c o n c e nt r a t i o n,s u r f a c e c hl or i d e i on c o nc e n t r a t i on r e a c he s t he s t e a d y s t a t e m o r e qu i c kl y a nd t he n i nc r e a s e s n u m e r i c a l l y Bi g ge r wa t e r t o c e me n t r a t i o me a ns q ui c ke r a c c umul a t i o n o f s u r f a c e
9、c hl o r i d e i on c o nc e nt r a t i o n a n d g r e a t e r s u r f a c e c hl o r i d e i o n c o nc e n t r a t i on Fl y a s h r e pl a c e me nt c ou l d f a s t e n a c c u m u l a t i o n o f s u r f a c e c hl o r i d e i o n c o nc e n t r a t i on a n d s ur f a c e c h l or i d e i on
10、c o nc e n t r a t i on i nc r e a s e s wi t h t he i n c r e a s e of f l y a s h c o nt e nt An i mpr o v e d m o d e l wa s p r o po s e d by c o mpa r i s o n a n d c or r e c t i o n o f c u r r e nt mo de l s Ke y wo r d s:s u r f a c e c hl o r i d e i on c o n c e nt r a t i o n;t i m e d e
11、 p e n de n t l a w ;s o d i um c hl o r i de s ol u t i o n c o nc e n t r a t i on; wa t e r t o c e m e nt r a t i o;f l y a s h c o nt e nt 沿海混凝土结构的耐久性问题主要表现为氯盐 侵蚀引起的钢筋锈蚀 。氯离子在混凝土中的扩散是 由于氯离子的浓度差引起 的, 混凝土表面氯 离子浓 度越 高 , 内外 部氯 离子浓 度差 越大 , 扩散 至混 凝 土 内 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 9 2 7 基金项 目: 国家 自然科学基金重点项 目( 5
12、 0 5 3 8 0 7 0 ) ;国家高技术研究发展 8 6 3计划项 目( 2 0 0 6 A A0 4 Z 4 2 2 ) 作者简介 : 赵 羽习( 1 9 7 3 一 ) , 女 , 教授 , 主要从事混凝 土结构耐久性研究 , ( E ma i l ) y x z h a o 1 6 3 c o rn。 金伟 良( 联系人) , 男 , 教授 , 博士生导师 , 主要从事混凝 土结 构耐 久性研究 , ( E ma i l ) j i n wl z j u e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 赵羽 习, 等 : 混凝土表
13、面氯离子浓度时变规律试验研 究 部 的氯离 子 就会越 多 l 】 。而 混凝 土 表 面氯 离 子浓 度 除 了与 环境 条件 有 关 外 , 还 与混 凝 土 的胶 凝 材 料 类 型 、 水灰 比和 孔 隙率等 有关 。 长 期 以 来 ,国 内 外 研 究 机 构 倾 向 于 采 用 C o l l e p a r d i l 2 提 出的 F i c k第二 定律 来计 算 混 凝 土 中 氯离子侵蚀过程 , 在 F i c k扩散方程 的解答 中通 常假 设混凝土表面氯离子浓度为恒定值 。然而大量检测 结 果表 明 , 实 际氯 盐环 境 中混 凝 土表 面氯 离 子浓 度 并不是
14、 恒 定值 , 它有 一 个 随时 间逐 步 累积 并 最 终 达 到稳定 的过 程 。 目前 , 对 混 凝 土 表 面 氯 离 子 浓 度 随 时间 的变化 规律 已进 行 了不少 研 究工 作 。关 于 描 述表 面氯 离子 浓 度 时 变 性 的模 型 主要 有 线 性 6 、 平 方根型_ 7 、 幂函数型_ 8 、 对数型_ g 和指数型l 4 等几种 形式 , 但这 些模 型相 别 较大 , 其适 用性 还 有 待进 一 步 研究 。尽 管 也 曾有 学 者 进 行 过 这 方 面 的研 究 , 但也 仅 限于在 线性 和平 方根 模 型 的基 础 上 进行 一 些 修正 。在研
15、 究 方 法 上 , 不 少研 究 人 员 l l 倾 向于 通 过采用 F i c k第二定律恒定边界条件 的解析解 对氯 离子变化 曲线进行拟合 的方法得 到表面氯离子 浓 度 , 再 对其 进行 时变 性研 究 , 这在 逻辑 上 难 免 自相 矛 盾 。影 响因素 方面 , D u r a C r e t e u 。 认 为表 面 氯离子 随 水 灰 比的增 大 而增 大 , 但 也有 文 献 9 指 出 , 由于 皮肤 效 应 ( s k i n e f f e c t ) 的影 响 , 水灰 比较 大 的混凝 土 的表 面氯离 子浓 度反 而较 低 。此外 , 关 = F环境 、
16、材 料 等 因 素对混凝土表面氯离子浓度累积规律影响的研究未 见 报道 。 基 于 以上 研 究 现 状 , 采 用 氯 盐 浸 泡 试 验 , 通 过 实际检 测 和数 据 分析 , 研 究 了 混凝 土 表 面 氯离 子 浓 度 随 时问 的累积 规律 , 讨论 了氯盐 溶 液浓 度 、 水 灰 比 和粉煤灰掺量对表面氯离子浓度及其累计规律的影 响。基于试验数据对现有的表面氯离子浓度时变性 模 型进行 了 比较 与修 正 , 提 出 了一 个 更 为完 善 的模 型 。 1 试验设计 1 1 试 验 方案 采用氯盐浸泡试 验 , 通 过定期 检 测混凝 土 表面 处 的氯离子浓度 , 研究
17、 表 面氯 离子浓 度 随时 间 的累积 规 律 。为了研究氯 盐溶 液浓 度 、 水灰 比和粉煤 灰 掺量对 表面氯离子浓 度的影 响 , 试验分 3组进行 , 分 组情况 见 表 1 。试验所用水泥为浙江杭州 钱潮水泥 厂生产 的 P ( ) 4 2 5 水 泥 , 砂子为天然河砂 , 属 于中砂 , 石子 为产 自 獐山的 5 1 6 m m连续级配的碎石, 粉煤灰为 级灰, 水 为自来水。各组混凝土试验配合比见表 2 , 其 中 B 1 5 、 $ 4 5 、 F 0作为各组试验 的基 准配合 比, 粉煤 灰采用 超量 取代法 , 取代系数为 1 2 。 表 1 试验 分组 试验 试块
18、 材料用量 ( k gm ) 组号 编号 水泥 粉煤灰 砂 石 水 1 2 试 验步 骤 1 )浇筑 混 凝 土 试 块 尺 寸 为 1 0 0 mm 1 0 0 mm 1 0 0 mm, 标 准养 护 2 8 d 。 2 ) 为 实现 一 维 方 向 的 氯 离 子 扩散 , 将 试 块 的 一 个侧面作为暴露面 , 其余各面均用海工砼专用漆密 封 , 放 于水 中浸泡 至饱 和状 态 。 3 ) 试块 在 室 温 下 干燥 至饱 和 面 干状 态 , 浸 泡 于 预 先 配制好 的 Na C 1 溶 液 中 , 各组 试 验溶液 浓度 参照 表 1 , 试 验温 度 统一 控 制 在 (
19、3 0 3 ) C, 如 图 1所 示 。 溶 液每 周更 新一 次 。 4 ) 浸泡 开始 后 , 分别 于 7 d 、 1 4 d 、 2 1 d 、 2 8 d 、 3 5 啪 5 5 5 5 9 9 9 9 1 6 9 O 4 1 3 3 O l ;1 1 7 4 6 0 8 6 3 5 5 6 7 O 0 O 0 7 3 5 O 5 3 5 O 5 4 3 3 5 5 5 5 3 4 5 6 S S S S 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 3 3 3 3 3 7 O 3 6 9 8 6 3 O 7 5 5 5 5 4 o 粼 3 0 7 3 0 3 9 4 O 6 4 3 3
20、 3 2 0 O 0 O n |罡 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 2 卷 d 、 4 2 d 、 4 9 d 、 6 0 d 取 出试 块 进行 检 测 。首先 用砂 纸 将试 块暴 露面 表 面 的结 晶 盐 除去 , 然 后 用 剖 面磨 削 机在暴露面磨粉取样, 见 图 2 。综 合考虑试验 的精 确性和可操作性 , 取样深度定为 0 5 mm。 5 ) 对混凝土粉样进行氯离子浓度测试 , 绘制表 面氯 离子 浓度 随时 间的变化 曲线 。 图 1 氯 盐 浸 泡 试 验 图 2剖 面磨 削 1 3氯离子
21、 测试 方法 使用 R C T( 快 速氯离子浓度测试仪) 对 已取得 的混凝 土粉 样 进 行 氯 离 子 浓 度 的 测试 。R C T 是 丹 麦 Ge r ma n n I n s t r u me n t s A s公 司 的产 品 , 其 检 测 方 便快捷 , 既 可用于 硬化混凝 土 的检 测 , 也 可用 于 新 拌 混凝 土 的检 测 。R C T 与 标 准 实 验 室 氯 化 物 浓 度 测试有很好的相关性 , 其精度可与离子色谱法相提 并 论 。R C T测 出的氯离 子浓 度 , 均 以氯 离 子 占? 昆 凝 土重量 的百分 比来表 示 , 故 文 中所 涉及 到
22、 氯 离 子 浓 度 均为 氯离 子 占混 凝 土 质 量 的 百 分 比。R C T 的 原 理及操作步骤介绍见文献 1 4 。 2 试验结果 试验 检测 得到 了各组混 凝土表 面 氯离 子浓 度 随 时间的变化曲线, 见图 3 一图 5 。试验结果显示 , 各 组试验的混凝土表面氯离子浓度大致上一开始都随 着 侵蚀 时间 的增 加而 增长 , 且 早期 增长 速度 较 快 , 随 后 逐渐减 慢 , 并 逐 步 趋 于 稳定 。在 不 同浓 度 的 氯盐 溶 液侵蚀 下 , 混 凝 土 表 面氯 离 子浓 度 随着 溶 液 浓度 的增大而增大, 但浓度较大时差异减小。混凝土表 面氯离 子
23、浓度 随水 灰 比的增 大 而增 大 。掺人 粉煤 灰 之 后 , 混 凝土 表面氯 离子浓 度 明显增 大 , 并 随着 粉 煤 灰掺量的增加有增大的趋势。 鋈 世 醢 辑 宣 图 3第 1组表面氯离子浓度 随时间的变化 曲线 鋈 H 1 镀 喧 磷 图 4第 2组表 面氯 离子浓度 随时 间的变化 曲线 避 键 蛙 1 0 2 0 3 0 4 0 50 60 H ,f lu l d 图 5 第 3组表面氯离子浓度随时间的变化 曲线 3分 析 与讨 论 3 1 模型 的 比较 与修 正 如 前言 所述 , 描述混 凝土 表面氯 离 子浓 度 C 随 时 间 t 的变化规 律 的模 型 主要
24、有 线 性 、 平 方 根 型 、 幂 函数型、 对数型 和指数 型等, 具体 函数 表达式见表 3 。采 用这 几种模 型分别 对试 验数据 进 行拟 合 分析 , 发现各 个 模 型 与试 验 数 据 的 相 关 性 不 尽 相 同。 以 B 1 5为 例 , 各模 型对 B 1 5数 据 的拟 合 结 果见 表 3 , 拟 合 曲线 见 图 6 。 0 9 8 7 6 5 4 3 2 O O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 期 赵羽习, 等: 混凝土表面氯 离子浓度时变规律试验研 究 表 3 B 1 5数据 的模型
25、 拟合结果 模型类型 表 达式 拟合结 果 R。 o 线性 f = t k 一0 0 1 5 9 5 0 3 4 8 9 6 00 6 3 1 8 平 方根 型 一 女 一0 1 0 8 8 1 0 6 3 6 7 5 0 0 1 7 0 1 幂 函数型 f 一 C l 一 = 。 0 4 0 7 l 4 1 7 。 9 9 3 9 7 O 0 0 0 14U 3 2 一【 J J l 对数型( 一f 。 +d1 m C 口 。 一 = 。 0 36 1 9 2 4。 9 9 3 9 7 O 0 0 0 U 0 U 1 3 2 口 一U 指 数型 ( 1 - e - ,t ) 。 6 。 0
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