水位變動(dòng)區(qū)域混凝土中氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)研究

水位變動(dòng)區(qū)域混凝土中氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)研究

0關(guān)于氯離子在混凝土中的擴(kuò)散性能的研究進(jìn)展metisa指出，混凝土破壞的主要原因是鋼筋侵蝕、冷氣候條件下的凍傷和侵蝕環(huán)境中的物理和化學(xué)性質(zhì)作用，以及氯離子侵蝕。氯離子在混凝土中的侵蝕是各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn),關(guān)于這方面的研究取得了許多成果,這對(duì)于明確氯離子在混凝土中的擴(kuò)散性能具有重要意義。其中也有部分學(xué)者考慮了荷載作用和環(huán)境特點(diǎn)而進(jìn)行相關(guān)研究,但多集中在實(shí)驗(yàn)室全部浸泡條件下,如彎曲荷載作用下浸泡于鹽水中的氯離子擴(kuò)散性能,長(zhǎng)期持續(xù)荷載對(duì)素混凝土氯離子滲透性能的影響等。這些研究成果對(duì)于模擬水下區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子擴(kuò)散性能具有重要意義?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明,干濕交替的環(huán)境條件普遍存在,而且鋼筋銹蝕也更為嚴(yán)重,因此分析干濕交替環(huán)境下,荷載作用對(duì)氯離子在混凝土中的滲透擴(kuò)散影響非常必要。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)加載制度試件為100mm×100mm×400mm的混凝土小梁。試驗(yàn)因素為混凝土強(qiáng)度等級(jí)和荷載作用方式?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C25和C35,相應(yīng)的水灰比分別為0.58和0.45。試驗(yàn)加載方式為:持續(xù)三分點(diǎn)加載,采用2種荷載水平0.3Pu和0.6Pu,Pu為試件彎拉強(qiáng)度。試驗(yàn)環(huán)境條件為:①在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行干濕循環(huán);②在持續(xù)加載狀態(tài)下,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)。試驗(yàn)方案見表1。1.2水泥、混凝土砂配制2種混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25和C35。水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥;砂為中砂;粗骨料為碎石,最大粒徑20mm;水為飲用水?；炷僚浜媳群?8d彎拉強(qiáng)度見表2。1.3凝土試件加載加載裝置如圖1所示。通過擰緊螺栓對(duì)混凝土試件進(jìn)行三分點(diǎn)加載,在每個(gè)鋼筋拉桿的加載端都有1個(gè)壓力環(huán)。荷載的大小通過與靜態(tài)電阻應(yīng)變儀相連接的壓力環(huán)來控制。1.4滲透面面試件在鋼模中澆注,24h后拆模,再灑水養(yǎng)護(hù)28d。用于干濕循環(huán)試驗(yàn)工況的試件,將2個(gè)正方形截面和3個(gè)長(zhǎng)方形截面的表面浮漿磨去,用酒精清洗干凈后,用環(huán)氧樹脂涂刷封閉,只留1個(gè)長(zhǎng)方形截面作為滲透面;用于持續(xù)三分點(diǎn)加載作用和干濕循環(huán)試驗(yàn)工況的2個(gè)試件,受拉面和受壓面均作為滲透面。在浸泡試驗(yàn)前,取3根試件進(jìn)行彎拉強(qiáng)度測(cè)試,確定試件加荷值。荷載比P/Pu分別取0.3、0.6,P為施加應(yīng)力。2個(gè)試件為1組,每個(gè)試件留出的2個(gè)滲透面分別作為受拉面和受壓面。將試件放置在2.0m×1.5m×0.5m的鐵箱中,同時(shí)進(jìn)行模擬水位變動(dòng)區(qū)域的干濕交替試驗(yàn)。濕循環(huán)時(shí),NaCl溶液應(yīng)淹沒試件上表面。試驗(yàn)期間定期檢測(cè)NaCl溶液濃度,使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在3.5%左右。試驗(yàn)時(shí)間t分別為35、70、120、180d。1.5研磨面與暴露面的變化每到預(yù)定的試驗(yàn)時(shí)間,取出相應(yīng)的試件,在暴露面從中間100mm區(qū)段位置分層取出粉末試樣,對(duì)持續(xù)彎曲荷載作用試件分別從受拉面和受壓面的純彎段取樣。研磨面與暴露面平行,分層深度為:0～3、3～6、6～9、9～12、12～15、15～20mm。將取出的混凝土粉末試樣每層都通過孔徑0.63mm的篩進(jìn)行篩取,分別裝入鋁土盒中,置于(105±5)℃烘箱中烘2h,取出后放入干燥器,冷卻至室溫,根據(jù)文獻(xiàn)中規(guī)定的方法測(cè)試混凝土中的氯離子含量。2氯離子含量的影響因素2.1混凝土中氯離子的含量C25、C35混凝土試件在鹽水中進(jìn)行干濕循環(huán)35、70、120、180d后氯離子含量分布見圖2(圖2中氯離子含量為氯離子質(zhì)量與混凝土質(zhì)量的百分比,后文同)。從圖2可以看出,提高強(qiáng)度、降低水灰比可以減弱氯化物在混凝土中的擴(kuò)散。由于試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)比較短,氯離子在混凝土中的滲透僅在距離混凝土表面一定深度處比較明顯。這里以距離混凝土試件表面4.5mm處為例來說明荷載對(duì)不同混凝土強(qiáng)度在相同深度處氯離子滲透的影響,見圖3。從圖3可以看出:在相同的暴露期,C25混凝土中氯離子的含量高于C35中氯離子的含量;隨著混凝土強(qiáng)度增加、水灰比降低,同一深度處的氯離子含量也在減小。試驗(yàn)結(jié)果表明,混凝土強(qiáng)度和水灰比對(duì)氯離子在混凝土中的擴(kuò)散存在影響,主要原因是水灰比減小,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的孔隙率減小,混凝土密實(shí)度增加,抗?jié)B透性增強(qiáng),因此氯離子在混凝土中的擴(kuò)散速度減小。2.2彎曲負(fù)荷2.2.1混凝土中氯離子含量的影響部分加載混凝土試件中的受拉區(qū)與未加載混凝土試件中氯離子含量沿滲透深度的分布見圖4。由圖4可以看出:隨著荷載的增大,受拉區(qū)混凝土中的氯離子含量增加。在彎曲荷載作用下,在受拉區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力使得混凝土微觀結(jié)構(gòu)逐步劣化,表面及內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋乃至微裂縫損傷,隨著微裂紋或微裂縫的發(fā)展、擴(kuò)張,氯離子在混凝土中的擴(kuò)散和滲透速度加快,從而使更多的氯化物滲入混凝土中,導(dǎo)致氯化物含量增加。Konin等對(duì)普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的研究也得到了相似的結(jié)論。同樣以距離混凝土表面4.5mm處為例,說明加載情況對(duì)氯離子在受拉區(qū)混凝土滲透的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖5可以看出:隨著荷載的增加,C25、C35混凝土在同一深度處的氯離子含量都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)在NaCl溶液中干濕循環(huán)時(shí)間較短時(shí)(t=35d),氯離子含量變化不大,荷載作用不明顯;隨著干濕循環(huán)時(shí)間的增長(zhǎng),同一深度處氯離子含量隨著荷載的增大明顯增大。在相同的暴露時(shí)間,氯離子在受拉區(qū)混凝土中的滲透擴(kuò)散程度高于未加載混凝土。同時(shí)可以看出,即使在受拉荷載作用條件下,C35混凝土中氯離子含量也低于C25混凝土中的氯離子含量。2.2.2荷載比作用下的氯離子含量加載混凝土試件中的受壓區(qū)與未加載混凝土試件中氯離子含量沿滲透深度的分布見圖6。從圖6可以看出,隨著荷載的增大,受壓區(qū)混凝土中的氯離子含量減小。這主要是由于在彎曲荷載作用下,試件受壓區(qū)產(chǎn)生的壓應(yīng)力使混凝土中的毛細(xì)孔受到壓縮,限制了微裂縫的出現(xiàn),從而使氯化物通過毛細(xì)孔進(jìn)行滲透變得更加困難,在一定程度上抑制了氯離子在混凝土中的滲透擴(kuò)散,相應(yīng)地滲入到混凝土中的氯離子含量也隨之減小,外部荷載越大,這種作用越顯著。由于混凝土本身的離散性以及取樣和化學(xué)分析過程中的誤差,個(gè)別深度處的氯離子含量不服從這種規(guī)律,但這并不影響整體的規(guī)律性。以距離混凝土表面4.5mm處為例,不同荷載比作用下加載混凝土試件的受壓區(qū)與未加載混凝土試件在相同深度處的氯離子含量比較見圖7。從圖7可以看出,隨著荷載的增加,同一深度處的氯離子含量在減小。當(dāng)荷載比較小時(shí),受壓區(qū)混凝土中的壓應(yīng)力也相應(yīng)較小,其氯離子含量與未加載的混凝土試件相比變化不大,這說明壓應(yīng)力較小時(shí)對(duì)抑制氯離子在混凝土中的滲透擴(kuò)散作用不明顯。在相同的暴露時(shí)間,受壓區(qū)混凝土中氯離子的含量隨著荷載的增大而減小。3氯離子擴(kuò)散系數(shù)3.1試驗(yàn)結(jié)果分析在混凝土中氯化物滲透最普遍的傳輸機(jī)理是擴(kuò)散、毛細(xì)管吸附和滲透,這3種傳輸方式可能同時(shí)發(fā)生,也可能以1種為主;然而,當(dāng)計(jì)算氯化物在混凝土中的侵蝕時(shí),通常假設(shè)氯化物在混凝土中的侵蝕遵循Fick第二定律。當(dāng)初始條件為t=0、x>0時(shí),C=0;當(dāng)邊界條件為x=0、t>0時(shí),C=Cs,Fick第二定律的解為C(x,t)=Cs[1?fer(x2Dct√)](1)C(x,t)=Cs[1-fer(x2Dct)](1)式中:Cs為混凝土暴露表面的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù),等于暴露環(huán)境介質(zhì)的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù);t為混凝土暴露于氯離子環(huán)境中的時(shí)間;x為氯離子在混凝土中的侵蝕深度;fer為誤差函數(shù)fer(u)=2π√∫u0e?t2dt(2)fer(u)=2π∫0ue-t2dt(2)根據(jù)式(1),利用最小二乘法通過優(yōu)化得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)、表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)和變異系數(shù)δ。在荷載作用下不考慮時(shí)間變化的試件表面氯離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出:①隨著作用在試件上的荷載增大,試件受拉區(qū)中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大,而受壓區(qū)中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)在相應(yīng)地減小;由于混凝土的離散性和測(cè)量誤差,造成部分試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)異常;②應(yīng)力性質(zhì)對(duì)氯離子擴(kuò)散性能影響明顯,在相同應(yīng)力值下,拉應(yīng)力作用下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是壓應(yīng)力作用下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的2～3倍;③隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)增大、水灰比減小,氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小。3.2氯離子長(zhǎng)期毒性分析將每組試件在相同的表面質(zhì)量分?jǐn)?shù)下對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行擬合,研究氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出,根據(jù)每組試件實(shí)測(cè)的離子濃度,用式(1)計(jì)算得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dc并不是常數(shù),而是一個(gè)變量,其總的趨勢(shì)是隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸降低,如試件C25-CX和C35-CX,經(jīng)過180d滲透后的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均小于35、70、120d的擴(kuò)散系數(shù)。混凝土的成熟度對(duì)氯離子的擴(kuò)散有很大的影響,因此,考慮時(shí)間因素的影響來預(yù)測(cè)氯離子長(zhǎng)期濃度比較符合實(shí)際情況。以Fick第二定律為基礎(chǔ),考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化D(t)=D1t-m(3)式中:D(t)為暴露時(shí)間t時(shí)的擴(kuò)散系數(shù);D1為暴露1a時(shí)的擴(kuò)散系數(shù);m為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。Fick第二定律的解可以表示為C(x,t)=Cs{1?fer[x2D1t1?m/(1?m)√]}(4)C(x,t)=Cs{1-fer[x2D1t1-m/(1-m)]}(4)按式(4)擬合得到的各組氯離子擴(kuò)散系數(shù)見表5。對(duì)比表3、5可以看出,考慮氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間變化時(shí),回歸變異系數(shù)比未考慮時(shí)間變化的情況小,回歸結(jié)果離散性小。在施加荷載以后,氯離子擴(kuò)散系數(shù)在120、180d時(shí)的變化有些波動(dòng),荷載作用和時(shí)間在混凝土結(jié)構(gòu)不同階段對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)是否存在不同程度的復(fù)合影響,還有待于進(jìn)一步分析研究。4拉應(yīng)力作用中的氯離子作用,在壓力(1)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和水灰比是影響氯離子在混凝土中擴(kuò)散速度的重要因素。隨著混凝土的強(qiáng)度等級(jí)提高、水灰比減小,氯離子在混