干湿循环机制下碳化混凝土氯离子侵蚀试验研究

《干湿循环机制下碳化混凝土氯离子侵蚀试验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《干湿循环机制下碳化混凝土氯离子侵蚀试验研究（7页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 年 月 干湿循环机制下碳化混凝土氯离子侵蚀试验研究 元 成 方 ，牛 荻 涛 ，齐 广 政西安建筑科技大学土木工程学院 ，陕 西 西 安摘 要 ：海工混凝土结构的水上区局部 ，长期受到氯离子侵蚀和碳化的双重作用 ，较之一般大气环境下的混凝 土 结 构 ，这一区域的混凝土结构更易发生钢筋锈蚀 本 文开展了干湿循环机制下碳化混凝土的氯离子侵蚀试 验 ，通过分析氯离子浓度分布规律 ，扩散系数以及微 观 结 构 ，深入研究混凝土碳化对氯离子扩散的影响 研 究 结 果 表 明 ，碳化反响增加了混凝土内部自由氯离子的含量 ，减缓了氯离子浓度的衰减 ，对混凝土的抗氯离子侵 蚀性能造成了不利影响 碳 化 后

2、 ，低水胶比混凝土的氯离子扩散系数有所下降 ，而高水胶比混凝土的氯离子扩 散系数显著增大 碳化反响对混凝土的微观结构有一定的劣化作用 ，将会加速有害介质的侵入 降 低 水 胶 比 可 显著提高混凝土的密实度 ，增强混凝土自身的抗氯离子 侵 蚀 性 能 ，同时可以减轻碳化反响对氯离子侵蚀的加 剧 关 键 词 ：海工混凝土结构 ；氯 离 子 ；碳 化 ；干 湿 循 环 ；扩 散 系 数 ；微 观 结 构中 图 分 类 号 ：文 献 标 志 码 ：文 章 编 号 ：我 国 海 域 辽 阔 ，海 岸 线 很 长 ，大规模的根本建设都集中在沿海地区 ，随 着 杭 州 湾 跨 海 大 桥 、珠 港 澳 跨

3、海 大 桥 、青 岛 胶 州 湾 海 底 隧 道 、厦 门东通道海底隧 道 等大型海工混凝 土 工 程 的 开 工 建 设 ，海 工 混 凝 土 工程 耐 久 性 得 到 了 越 来 越 多 的 关 注 海 工混凝土结构不同于一般大气 环 境 下的 混凝 土结构 ，在 特 殊 的 外 部 条 件 作 用 下 如 温 度 变 化 、海 水 浸 泡 与 溅 浪 、碳 化 、冻融及干湿循环等 会 产 生 多 种 形 式 的 破 坏 海 工 混 凝 土 结 构 的 水 上 区 部 分 ，长 期 受 到 氯 离 子 侵 蚀 和 碳 化 的 双 重 作 用 ，较 之 一 般 大 气 环 境 下 的 混 凝

4、 土 结 构 ，这 一 区 域 的 混 凝 土 结 构 更 易 发 生 钢 筋 锈 蚀 目 前 ，关 于 混凝土 碳 化 对于氯离 子扩散的影响 还 未 达 成 共 识 ，此类研究 尚存在不少争议 ：通 过 将混凝 土 浸 泡在冲入 二氧化碳气体的硫酸盐氯 盐 复 合 溶 液 中 发 现 ，二氧化碳的存在降 低 了 氯 离 子 在 普 通 混 凝 土 中 的 扩 散 性 能 ，但却提高了氯离子在矿渣混凝土 中 的 扩 散性能 ；通过 研究 砂浆 碳化对 氯 离子扩散性能的影响发现 ，碳化作用降低了氯离子在 普 通 水 泥 砂 浆 中 的 扩 散 性 能 ，但却提 高了氯离子 在 火山灰水 泥

5、砂浆中的扩散性能 ；等 采 用 二 维 非 线 性 有限差分 程序 分析了氯离 子和碳 化 共同作用下的钢 筋混凝土劣化机理 ，证 实 碳化降低了混 凝 土中氯 离子 的 渗 透 性 ；的 研 究 结 果 表 明 ，碳 化 会 降 低混凝土的渗透性 ，对于高水胶比 和 养 护 较 差 的 混 凝 土 尤 其 明 显 ；郑 永 来研 究 发 现 混 凝 土 的 碳 化 降 低 了 内 部 的 孔 隙 率 ，提 高 了 混 凝 土 的 密 实 度 ，降低 了 氯 离 子 扩 散 系 数 ，完全 碳 化试件的 氯 离子扩散系数约为未碳化试件的 左 右 ；赵 铁 军研 究 表 明 碳 化 作用一定 程

6、度上 降低了混凝土 的抗氯离子渗透性能 ；许 晨等 通 过 试 验 ，研究了混凝土氯离 子 侵 蚀与 碳 化 的 交 互 影 响 ，结 果 表 明 碳 化 对 氯 离 子 侵 蚀 存 在 正 负 效 应 ，一 方 面 碳 化 产 物 填 充 了 混 凝 土 孔 隙 ，阻 止 了 氯 离 子 扩 散 ，另一方面 碳 化将释放 结 合氯离子从而导致自由氯离子增多 ；金 祖 权通 过 将 碳 化 后 的混 凝 土 浸 泡 到 腐 蚀 溶 液 中 发 现 ，碳 化 增加了 混凝土中的氯离子含量 ，提高了混凝土表观氯离子扩散系 数 ，且 随 碳 化 时 间 的 增 加 ，其 变 化 幅 度 变 大 ；苏

7、 卿、万 小 梅亦 通 过 将 碳 化 后 的 混 凝 土 浸 泡 到 氯 化 钠 溶 液 中 发 现 ，碳 化 作用加快了氯 离子在混 凝 土中的扩散速度 ；张 鹏研究发现碳化反 应 破 坏混 凝 土 基体 原 有 的 过 滤 机 制 ，提 高 了 混 凝 土 中 的 氯 离 子 含 量 方 璟等 人 的 试 验说明碳化后的混 凝 土 ，其 渗 透 性收 稿 日 期 ：修 改 稿 日 期 ：基 金 项 目 ：国家杰出青年科学基金 ；“十 一 五 国家科技支撑方案课题 作 者 简 介 ：元 成 方 ，男 ，河 南 郑 州 人 ，博 士 研 究 生 ，主要从事混凝土结构耐久性方面的研究 西 安

8、建 筑 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 卷有 所 提 高 ；孙 丛 涛研 究了 碳 化与 氯 离 子 侵蚀交替作用下的混凝土劣化机制 ，证 实 碳 化 加 速 了 混 凝 土中 氯 离 子 的 扩 散 有 鉴 于 此 ，本文将 开 展 干湿循环 机制下碳化混凝土的氯离子侵 蚀 试 验 ，通 过分析氯离子浓度分布规 律 ，扩 散 系 数 以 及 微 观 结 构 ，深 入 研究混凝土碳化对氯离子扩散的影响 试验原 材 料 及 混 凝 土 配 合 比水 泥 ：陕 西 秦 岭 牌 普通硅酸盐水泥 粗 骨 料 ：陕 西 泾 阳 碎 石 ，细 骨 料 ：西 安灞 河 中 砂 ，细 度 模

9、数 外 加 剂 ：西 安 红 旗 外 加 剂 厂 高 效 减 水 剂 水 ：普 通 自 来 水 水 泥 品 质 指 标如 表 所 示 混 凝 土 配 合 比 及 抗 压 强 度 见 表 表 普通水泥各项品质指标 ；表 混凝土配合比及抗压强度 试 件 制 作 及 试 验 方 法按 照 设 计 配 合 比 制 作 试 件 ，试 件 尺 寸 为浇 筑 好 的 混 凝 土后 拆 模 ，之 后 将 试 件 放 入 标 准 养 护 室 内 养 护 ，自 然 养 护 至 养 护 到 期 后 ，将 试 件 放 入 烘 箱 烘 干 ，留 一 个侧 面 作 为 渗 透 面 ，其 余 各 面 均 用 石 蜡 密 封

10、 ，之后进行加速碳化试验 碳 化 试 验 参 照 ?普通混凝土长期性能 和 耐 久 性 能 试 验 方 法 标 准 ?进 行 ，龄 期 为 ，将 碳 化 至 预 定 龄 期 的 混 凝土 试 件 放 入 浓 度 为 的 溶 液 进 行 干 湿 循 环 试 验 ，干湿制度为浸泡 周 ，自 然 凉 置 周 ，每 周 为 一 个 测 试 周 期 ，测 试 同 时 更 换 溶 液 ，试 验 共 持 续 周 到 达 预 定 的 试 验 时 间 ，取 出 试 块 并 烘 干，采 用 混 凝 土 磨 粉 机 从 试 块 渗 透 面 由 表 及 里 逐 层 取 粉 ，第 一 厘 米 以 为 单 位 分 层 研

11、 磨 ，之 后 以 为 单 位 分 层 磨 粉 取 粉 后 过 筛 ，并 立 即 装 入 自 封 袋 ，然 后 参 照 ?水 运 工 程 混 凝 土 试 验 规 程?测 试 混 凝 土 中 水 溶 性 氯 离 子 含 量 通过电镜扫描 试 验 观 察腐蚀后混凝土的微观结 构 ，试 验 设 备 为 日 本 电 子 株 式 会 社 制 造 型扫描电子显 微 镜 试验结果及分析 氯 离 子 浓 度 变 化 规 律图 图 为干 湿 循环试 验 后的混凝 土 中水溶性氯离子浓度 变 化 规 律 图 由 图 可 见 ，在 干 湿 循 环 条件 下 ，混 凝土 内 部氯离 子 浓 度最大值 均出现在混凝土表

12、层附近 ，混凝土 内 部 的 氯离子到达某一深度后开 始 出 现 稳 定 趋 势 ，水胶 比 的 增大以及 侵蚀时间的增长使得氯离子趋 于 稳 定时 的深 度有所增 加 ，这 表 明 氯离 子 主 要 以 扩 散 机 制 向 混 凝 土 内 部 迁 移 随着侵蚀时间的增长 ，各组混 凝 土 内 部的氯离子浓度均有所增 加 ，且 增 长 幅 度 对 于 低 水 胶 比 混 凝 土 更 为 明 显 较 之 水 胶 比 和 的 混 凝 土 ，水 胶 比 混 凝 土第 期元 成 方 等 ：干湿循环机制下碳化混凝土氯离子侵蚀试验研究 的 抗 氯 离 子 侵 蚀 性 能 较 差 由 图 可 见 ，干 湿

13、循 环 周 时 ，水 胶 比 和 混凝土内部的氯离子浓 度 在 深 度 左 右 时 即 开 始 趋 于 稳 定 ，而 水 胶 比 混凝土内部的氯离子 浓 度 在 深 度 大 于 时 尚 未 出 现 稳 定 趋 势 混 凝 土的水饱 和程度对氯离子扩散有较为显 著 的 影响 ，混凝土的水饱和度不仅与 环 境 相 对 湿 度 有 关 ，还 与 混 凝 土 自 身 的 密 实 度 密 切 相 关 在 混 凝 土 由 饱 和 向 非 饱 和 状 态 变 化 的 过 程 中 ，对 于 低 水 胶 比 混 凝 土 ，由 于 其 密 实 度 较 高 ，混凝土内部水分蒸发较慢 ，在 下 一 次 浸 泡 之 前

14、 ，其 内 部 的 水 分能够保 证氯 离子继续以 扩散机 制 向混凝土内部 迁 移 ，反之对于水胶 比 较 高 的 混 凝 土 ，由 于 密 实 度 较 差 ，混 凝 土 内 部 水 分 蒸 发 较 快 ，在 下 一 次 浸 泡 之 前 ，氯 离 子的迁移将受扩 散 和 毛 细 吸 收 两 种 机 制 的 影 响 ，因此 迁 移 速 度 加 快 ，造 成 混 凝 土 内 部 氯 离 子 浓 度 的 升 高 由 此 可 见 ，采 用 低水 胶比混凝土可 以 显著提 高混 凝 土 自 身 的 抗 氯 离 子 侵 蚀 性 能 由 图 图 可 见 ，干 湿 循 环 试 验 后 ，碳 化和未碳化混凝土

15、内部氯离 子 浓度 分布表现 出一 定 差 异 对 低 水 胶 比 混 凝 土 而 言 ，碳 化 反 应 未 对氯离子 浓 度 分布造成明显影响 ，无 论 碳 化 与 否 ，氯 离 子 浓 度 分 布 曲 线 均 较 为 平 滑 ，无明 显波动并单调递减 ，碳化反响一定 程 度 上 降低了混凝土内部自由氯 离 子 浓 度 见 图 、图 随 着 水 胶 比 的 增 大 ，碳 化混凝土的氯离子浓度分布与未碳化混凝土相 比 ，发 生 了 两 方 面 变 化 ：其 一 ，氯 离 子 浓 度 出 现 波 动 ，甚 至 出 现 “二 次 峰 值 见 图 、；其 二 ，碳 化 与 未 碳 化 混 凝 土 的

16、 氯 离 子 浓 度 分 布 曲 线 有 明 显 的 “交 点 以 图 为 例 ，碳 化 和 未 碳 化 混 凝 土 氯 离 子 浓 度 分 布 曲 线 的 “交 点出 现 在 深 度 处 ，深 度 小 于 时 ，未碳化混凝土内部的氯离子浓度 较 高 ，当 深 度 大 于 时 ，碳化混凝土内部的氯离 子 浓 度 较 高 由 此 可 见 ，混 凝 土 碳 化 对 氯 离 子 浓 度变 化 的 影 响 可 概 括 为 “先 降 低 ，后 增 大，碳化反响减缓了氯离子浓度 的 衰 减 ，增 加 了 自 由 氯 离 子 含 量 ，对混 凝 土 的 抗 氯 离 子 侵 蚀 性 能 造 成 了 不 利 影

17、 响 图 干 湿 循 环 周氯离子浓度 变 化 图 干 湿 循 环 周氯离子浓度变化 氯 离 子 扩 散 系 数处于干湿交替条件下的混凝土在枯燥过程中，混凝土表层的水份逐渐地 蒸 发，而表层以内混凝土中的 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 卷图 干 湿 循 环 周氯离子浓度变化 湿 度 一 般 均 能 保 证 氯 离 子 扩 散 的 进 行，即 在 干 燥 过 程 中，混凝土内部氯离子的扩散并未停止 ，因 此 干 湿 交替条件下混凝土中氯离子的扩散时间包括枯燥过程经历的时间 ，即类似于全浸泡条件下的混 凝 土 ，从 混 凝土开始接触氯离子的那一刻开始计时虽然氯离子

18、在混凝土中的迁移分为对流过程和扩散过程 ，但 是 扩 散 过程占据主导地位，因此应用 第二定律对试验数据进行了回归分析 第二定律可以表示为： 式 中 为 氯 离 子 的 浓 度 氯 离 子 占 胶 凝 材 料 或 混 凝 土 的 质 量 百 分 比 ；为 结构暴露于氯 离 子环境 中的 时 间 ，； 为 距 离 混 凝 土 表 面 的 深 度 ，； 为氯离子的扩散系数 ，当 边 界 条 件 为 ：， ，；初 始 条 件 为 ：， 时 ，可 以 得 到 函 数 的 解 析 解 为 ：， 槡式 中， 为时 刻 深 度 为 时的氯离子浓度 ， 为氯离子初始浓度 ， 为氯离子外表浓度 ， 为 氯 离

19、子 扩散 系 数 ，为 渗 透 时 间 ， 为 误 差 函 数 ： 槡本 文 根 据 自 由 氯 离 子 浓 度 实 测 结 果 ，按 照 公 式 ，采 用 进 行 曲 线 拟 合 ，求 得 氯 离 子 扩 散系 数 ，结 果 如 图 所 示 图 氯离子扩散系数 由 图 可 以 较 为 直 观 的 看 到 混 凝 土 碳 化 对 氯 离 子 扩 散 系 数 的 影 响 ：水 胶 比 的 混 凝 土 在 碳 化后 ，氯 离 子 扩 散 系 数 有 一 定 程 度 的 降 低 ，对 于 水 胶 比 和 的 混 凝 土 ，碳 化 反 应 提 高 了 混 凝 土 的 氯 离 子 扩 散 系 数 ，且

20、水 胶 比 混凝土碳化前后 的 氯 离 子 扩 散 系 数 差 异 很 大 ，干 湿 循 环 周 后 ，加 速碳 化 混凝土的氯离 子扩散系数是未碳化混凝土的 倍 ，由 此 可 见 ，碳 化 反 应 提 高 了 低 水 胶 比 混 凝第 期元 成 方 等 ：干湿循环机制下碳化混凝土氯离子侵蚀试验研究 土 的 抗 氯 离 子 侵 蚀 性 能 ，但 使高水胶 比混凝土的氯离子扩散系数显 著 增 大 ，这 一结论与氯离子浓度的试 验 结 果 相 一 致 此 外 ，混 凝土水 胶 比对氯离子扩散 有 较为显著的影响 ，混凝 土氯离子扩散 系 数随水 胶比 的 降 低 而 减 小 这是由 于 低 水胶比

21、混 凝土拥有更为密实的孔隙结构 和 较 好的 抗渗 性 混凝土的水化是一 个 缓 慢 的 过 程 ，随 着 水 化 的 不 断 进 行 ，混 凝 土 的 孔 结 构会得到逐步的 改 善 ，从而使氯离子 扩 散系数 也逐 渐 减 小 ，因 此 认 为 氯 离 子 扩 散 系 数 是 具 有 时 间 依 赖 性 的 从 图 可 以 发 现 ，离子扩散系数 随 时间增 长呈 现 出 减 小 的 趋 势 混 凝 土 微 观 结 构选 取 干 湿 循 环 周 、碳 化 时 间 为 、的混凝土进行电 镜 扫 描 试 验 混 凝 土 试 样 取 自 距 混 凝 土 侵 蚀 表 面 左 右 处，混 凝 土 内

22、 部 照 片 如 图 所 示 将 混 凝 土 碳 化 前 后 的 照 片 进 行 对 比 后可看 出碳 化反响对混 凝土微 观 形貌造成的影响 ：当 水 胶 比 的 混 凝 土 碳 化 后 ，原 本 排 列 致 密 的 蠕虫 状 凝 胶 结 构 不 复 存 在 ，取 而 代之的是不规那么的簇状 凝 胶 结 构 见 图 ，这 使 得 混 凝土 的 密 实 度 一 定 程 度 上 有 所 下 降 水 胶 比的混凝土在碳化前 ，结 晶 不 完 全 的 在 成 熟 水 泥 浆 体 中 形 成 片 层 状 沉 淀 ，而 碳 化 反 应 之 后 ，水 化 产 物 与 反 应 生 成 了 大 量 ，由 图

23、可 明 显 看 到 溶 液 表 面 沉 淀 的 碳 化 层 受到扰 动 后 再结晶而形成的菱形面 解 理 ，这 种 晶 体 之间 的 孔 隙 较 之 碳 化 前 有 所 增 大 而 水 胶 比 的混凝土在碳化之后 ，其 内 部 孔 隙 的 增 大 更 为 明 显 ，由 图可 见 ，孔 径 最 大 可 达 ，且孔隙之间 的 连通性也在提高 综 上 所 述 ，碳 化 反 应 对 混 凝 土 的 微 观 结 构 有 一 定 的 劣 化 作 用 ，将 会 加 速 有 害 介 质 的 侵 入 这一结论与宏观试验 的 研 究 结 论相吻合 图 混 凝 土 内 部 照 片 结论研 究 结 果 表 明 ，碳化

24、反 应 增加了混凝土内部自由氯离子的含量 ，减 缓 了 氯 离 子 浓 度 的 衰 减 ，对 混凝 土 的 抗 氯 离 子 侵 蚀 性 能 造 成 了 不 利 影 响 碳 化 后 ，低水胶比混凝土 的 氯 离 子 扩 散 系 数 有 所 下 降 ，而 高 水 胶 比 混 凝 土 的氯离子扩散 系 数那么显著增大 通 过 分 析 发 现 ，碳 化 反 应 对 混 凝 土 的 微 观 结 构 有 一 定 的 劣 化 作 用 ，将 会 加 速 有 害 介 质 的 侵 入 降 低 水 胶 比 可 显 著 提 高 混 凝 土 的 密 实 度 ，增 强混凝土自身的 抗 氯 离 子 侵 蚀 能 力 ，同 时

25、 可 以 减 轻 碳 化 反 应 对 氯 离 子 侵 蚀 的 加 剧 ，因 此 ，海工混凝土宜采用低水胶比混 凝 土 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 卷参 考 文 献， ，： ， ，： ， ，： ， ，： 郑 永 来 ，郑 洁 琼 ，张：梅 碳 化 程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响 同 济 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版 ， ， ：，： 赵 铁 军 ，李 淑 进 碳化对混凝土渗透性及孔隙率的影响 工 业 建 筑 ，： ，：许 晨 ，王 传 坤 ，金 伟 良 混凝土中氯离子侵蚀与碳化的相互影响 建 筑 材 料 学 报 ，： ， ， ，：金 祖 权 ，孙伟

26、，李 秋 义 碳化对混凝土中氯离子扩散的影响 北京科技大学学报 ，：， ，：苏卿 滨海环境下海砂混凝土结构耐久性机理与寿命预测研究 西 安 ：西安建筑科技大学 ，：，万 小 梅 力学荷载及环境复合因素作用下混凝土结构劣化机理研究 西 安 ：西安建筑科技大学 ， ：， 张鹏 ，赵 铁 军 ，郭 平 功 等 冻融和碳化作用对 混 凝土氯离子侵蚀的影响 东 南 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版 ， 增 刊 ：， ： ，： 方 璟 ，梅 国 兴 ，陆 采 荣 碳化对混凝土性能影响的研究 水 利 水 电 技 术 ，： ， ，：孙 丛 涛 氯离子侵蚀环境下混凝土耐久性研究及寿命预测 西 安 ：西安建筑科技大学 ，：，中华人民共和国住房 与 城 乡 建 设 部 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 北 京 ：中国建筑工业出版社 ， ， ：， 中华人民共和国交通部 水运工程混凝土试验规程 北 京 ：中国建筑工业出版社 ， 下 转 第 页：，第 期杨 柳 等 ：包头住宅建筑夏季室内热舒适实地调查与分析 ， ， ， ，； ，；，：， ， ， ， ， ：；： ，：，：上 接 第 页 ，：， ， ， ， ， ， ：； ： ，：，：