碳化—干湿循环作用下风积沙混凝土氯离子传输试验研究_董伟.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ,收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目();内蒙古自治区自然科学基金项目();内蒙古科技大学建筑科学研究所开放基金项目()作者简介:董 伟(),男,内蒙古包头人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事绿色建筑材料方面的研究。通讯作者:周梦虎(),男,河南新乡人,硕士研究生,主要从事风积沙混凝土方面的研究。:碳化干湿循环作用下风积沙混凝土氯离子传输试验研究董 伟,周梦虎,王雪松,杭美艳,薛 刚,王 栋(内蒙古科技大学 土木工程学院,内蒙古 包头;内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心,内蒙古 包头)摘 要:我国西北地区有
2、大量盐湖分布,加之冬季除冰盐的使用,使这种环境下混凝土工程的气液交换区经常受到干湿循环和碳化的双重作用,这部分混凝土比一般环境下的混凝土更容易发生钢筋锈蚀。进行了风积沙混凝土在干湿循环和碳化作用下氯离子侵蚀试验研究,通过分析自由氯离子含量和分布规律、氯离子扩散系数以及时间依赖性与碳化时间的关系,深入研究了风积沙混凝土在碳化和干湿循环作用下氯离子的传输规律。结果表明:碳化作用阻碍了氯离子向内部的迁移速度,且碳化时间越长氯离子扩散系数越小,对混凝土抗氯离子侵蚀起到了积极作用;干湿循环作用前期加速了氯离子侵入,中后期由于形成的盐结晶填充了孔隙,增大了混凝土的密实度,阻碍了氯离子继续向内侵蚀,但结晶应
3、力产生的裂缝却使表层氯离子含量增加。关键词:风积沙混凝土;碳化作用;干湿循环;自由氯离子含量;氯离子扩散系数;时间依赖性中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,):,;,:;研究背景风积沙作为建筑材料资源化利用,一方面可以推进可持续发展,另一方面为缓解河沙资源枯竭提供了有力保障。随着我国西北地区经济的发展,大量混凝土工程陆续建成,部分混凝土建筑需在盐湖及常用除冰盐地区服役,气液交替区的混凝土长期受到碳化和干湿循环的共同作用,氯离子侵蚀也成为影响混凝土使用寿命的重要原因之一,因此研究氯离子在风积沙混凝土经历碳化和干湿循环双重作用下的传输规律具有现实意义。为了明确氯离子在混凝土中的传输行为
4、,许多学者开展了较为全面的研究。相关研究表明,干湿循环加快了氯离子的侵蚀,干湿循环次数越多,混凝土中氯离子的浓度越高,在干湿循环条件下,氯离子主要是通过毛细管的吸收和扩散作用进行传输。浸泡阶段,通过毛细吸收和浓度势能等作用促使氯离子进入混凝土;干燥阶段,随着孔隙中水分的蒸发,孔隙中溶液浓度不断增大,氯离子向混凝土内部迁移,且干湿循环使混凝土内产生湿度差,造成混凝土毛细吸力的提升,增加了混凝土对水分的吸收,造成混凝土表层自由氯离子含量快速增加。而碳化对氯离子的扩散有着正负影响。一方面,碳化作用使混凝土产生了碳酸盐晶体,使混凝土的密实性提高,同时降低了混凝土的渗透性和吸水性,增强了混凝土抵抗氯离子
5、侵蚀的能力;另一方面,碳化会释放混凝土中的结合氯离子,使混凝土中局 部 氯 离 子 浓 度 增 大,促 进 了 氯 离 子 的 扩散。元成方等、牛荻陶等、等研究了碳化作用下混凝土中氯离子的扩散性能,结果表明碳化虽然降低了混凝土的孔隙率,但使其最可几孔径和临界孔径变大,从而增大了氯离子的扩散系数。郑永来等、许晨等研究了不同碳化程度对混凝土中氯离子扩散的影响,表明碳化会减小氯离子的扩散系数,完全碳化的氯离子扩散系数仅为未碳化的。因此关于碳化对氯离子扩散的影响需要综合考虑。目前大部分学者研究内容多为单一碳化或干湿循环作用对混凝土中氯离子传输的影响,而研究在不同碳化时间及不同干湿循环次数的共同作用下风
6、积沙混凝土中氯离子传输规律的文献较少。基于此,开展了风积沙混凝土在碳化与干湿循环共同作用下氯离子传输试验研究,以揭示风积沙混凝土中氯离子的传输行为,为工程应用提供参考。试验材料与方法 材料及其参数水泥:普通硅酸盐水泥;粉煤灰:级粉煤灰;细骨料:库布齐沙漠腹地风积沙(取代河沙),其堆积密度为 ,表观密度为 ,含泥量为 ,主要粒径范围为 ;粗骨料:普通碎石,连续级配();水:自来水;外加剂:复合高效减水剂,其中减水率为,含固量为。配合比为了探讨复杂环境下风积沙混凝土的耐久性,研究 掺量风积沙混凝土在不同环境下耐久性的劣化机制,试验采用统一配合比。配合比设计参考普通混凝土配合比设计规范(),水泥用量
7、为 ,粉煤灰为 ,石子为 ,坍落度,外加剂为胶凝材料的,水胶比为 ,砂率为 。试验方法碳化试验按碳化龄期分为 (组)、(组)、(组)组,其中 组碳化深度为 ,组碳化深度为 ,组碳化深度为 。碳化深度按普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准()中的酚酞法测定,试验时试件四周不封闭。次干湿循环试验历时,干湿比为,共进行 次干湿循环试验。试件尺寸为 ,经标准养护 后取出试块,在()的烘箱中烘干。将烘干的试块在 溶液(质量浓度为)中放置,之后再放入()的烘箱中烘干,此为 个干湿循环周期。氯离子浓度检测参照水运工程混凝土试验检测技术规范()进行,试验以水溶、酸溶萃取法进行滴定测量。测量的结果取两次试验
8、的平均值,若二者超过 则重新测定。分别在干湿循环(组)、(组)、(组)、(组)、(组)次时对试块进行分层取粉,对所取粉末采用化学滴定法检测其自由氯离子含量并记录相关数据。试验结果与分析 碳化龄期对氯离子含量的影响图 为风积沙混凝土试件在不同碳化龄期下自由氯离子含量随深度的变化曲线。水 资 源 与 水 工 程 学 报 年图 风积沙混凝土试件在不同碳化龄期下自由氯离子含量随深度的变化曲线 对比图()、()、()可知,碳化作用使混凝土整个干湿循环过程中自由氯离子含量明显降低。在 深度处,组自由氯离子含量比组高 ,组比 组高;在 深度处,组比 组高 ,组比 组高 ;在 深度处,组比 组高 ,组比 组高
9、 。综合来看,碳化作用后混凝土自由氯离子含量较低,碳化对氯离子的扩散有一定的阻碍,且干湿循环周期越长,碳化阻碍氯离子侵蚀效果越明显,但随深度的增加,碳化对自由氯离子的抵抗效果减弱。观察图()、()、()可知,碳化作用在干湿循环前期对混凝土内自由氯离子含量无明显影响,碳化后混凝土与未碳化混凝土中自由氯离子含量基本一致。干湿循环 次后,与 深度处自由氯离子含量相似,可见经过 次干湿循环后,自由氯离子未侵蚀到混凝土内 处;干湿循环 次后,、组自由氯离子含量有明显差异,处组自由氯离子含量为 ,比 组高 ,比 组高。可见碳化作用对混凝土抗氯离子侵蚀能力提升的效果在混凝土内依旧明显。对比图()、()中、组
10、自由氯离子含量可知,组和 组表层自由氯离子含量无明显变化,组与 组表层自由氯离子含量相差 。碳化作用对于混凝土内自由氯离子含量的影响在干湿循环前期不明显。但随干湿循环次数的增长,碳化时间越长,混凝土表层自由氯离子含量越低。干湿循环是氯离子跟随水分由混凝土外部向内部运输的过程,在干燥过程中,部分氯离子会随溶液由混凝土内部向外部流失,氯离子会在混凝土表层累积,所以表层氯离子变化明显。干湿循环 次时氯盐侵蚀主要在表层 处,组碳化深度为 ,碳化混凝土的密实效果能够有效地阻碍氯离子的侵入。但干湿循环后期氯离子的侵蚀由外向内延伸,碳化深度更深的 组阻碍氯离子侵蚀效果更好。干湿循环周期对氯离子含量的影响图
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