混凝土孔結(jié)構(gòu)及氯離子擴(kuò)散

混凝土孔結(jié)構(gòu)及氯離子擴(kuò)散第一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日杭州灣大橋第二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日港珠澳大橋耐久性設(shè)計（全長50km）設(shè)計年限100年）第三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日實際混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞案例

美國某橋梁工程鋼筋銹蝕破壞第四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日混凝土碳化與鋼筋銹蝕第五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日發(fā)生的主要破壞情況鋼筋銹蝕鹽水侵蝕混凝土開裂第六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日融雪劑造成的混凝土路面破壞混凝土表面存在著大量的毛細(xì)孔及各種原因造成的細(xì)微裂縫，這些都是氯鹽侵蝕混凝土的直接通道第七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日混凝土的孔結(jié)構(gòu)和氯離子擴(kuò)散模型硬化水泥漿體和混凝土是多孔材料。硬化水泥漿體和混凝土的許多工程性質(zhì),如:強(qiáng)度、收縮、滲透性等,都受到孔結(jié)構(gòu)特征的影響。氯離子滲透到混凝土中會引起鋼筋銹蝕而導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞。第八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日一、硬化水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)混凝土是由水泥漿體和包裹在水泥漿體中的粗骨料和細(xì)骨料組成的混合材料。通常,骨料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是不隨時間而變化的,然而,因為水泥顆粒與水之間的化學(xué)作用,硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)是隨著時間慢慢發(fā)展形成的。Powers指出:水化產(chǎn)物的體積約是它的反應(yīng)物體積的1.6倍。因此,水化反應(yīng)也是一個空隙填充過程。盡管影響水化反應(yīng)和硬化水泥漿體結(jié)構(gòu)的因素有很多,但初始水灰比和水化時間是兩個最主要的影響因素。第九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日硬化水泥漿體中的孔隙包括凝膠孔、毛細(xì)孔和氣孔。根據(jù)Powers理論分析，在硅酸鹽水泥漿體中,凝膠孔大約占整個C一S一H凝膠體積的28%,孔徑為1.5~2.0nm,與水分子的大小相近,所以水不能流過凝膠孔。掃描電子顯微鏡(SEM)不能分辨出凝膠孔,它包藏在C一S一H凝膠里面。毛細(xì)孔是新拌水泥漿體中最初由水占據(jù),而后來又沒有被水泥水化物填充的哪一部分空隙。氣孔是振搗不密實或引入的氣泡或兩者共同作用而形成的。毛細(xì)孔通常是彎曲的細(xì)管,而氣孔比毛細(xì)孔短而孔徑大。下表列出了凝膠孔和毛細(xì)孔的分類以及它們對硬化水泥漿體性質(zhì)的影響。第十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日第十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日水泥石中的毛細(xì)孔體積取決于水灰比和水泥水化程度，假定1cm3水泥完全水化產(chǎn)生2cm3水化產(chǎn)物，假定水泥的密度為3.14g/cm3，可計算出水泥石毛細(xì)孔隙率隨不同水灰比的水泥石中水化程度而變化。——Mehta1）毛細(xì)孔:水泥石中沒有被水化產(chǎn)物填充的那部分空間，其體積和尺寸主要取決于水泥顆粒組成、水灰比和水泥水化程度。水化良好的低水灰比水泥石中，毛細(xì)孔主要在10~50nm范圍；高水灰比水泥石中，水化早期毛細(xì)孔可大至3~5μm。第十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日200cm3或66%150cm3或50%125cm3或42%毛細(xì)管孔隙水化齡期07d28d365d水化程度50%75%100%100cm3或33%水化產(chǎn)物未水化水泥300cm3結(jié)論一：在相同水灰比條件下，隨著水化程度的增加，孔隙率減小第十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日320－200=120cm3或37%88cm3或30%57cm3或22%毛細(xì)管孔隙水灰比0.70.60.50.425cm3或11%水化產(chǎn)物300cm3總體積=100+100×3.14×0.7=320cm3總體積=257cm3總體積=288cm3總體積=225cm3結(jié)論二：在同等水化程度100%條件下，隨著水灰比的增加，孔隙率減小通過計算發(fā)現(xiàn)，W/C=0.32時，毛細(xì)管孔隙率=0第十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日2）凝膠孔:凝膠體顆粒之間存在的細(xì)小孔隙(1.8nm

)，隨水化齡期增長而增多，水泥完全水化時占膠體體積28%；Feldman和Sereda測定并認(rèn)為細(xì)小孔隙距離為0.5~2.5nm。另外，有關(guān)文獻(xiàn)給出硅酸鹽水泥漿體的毛細(xì)孔孔隙率可以根據(jù)下式計算其中,W/C是水灰比,a是水泥的水化度。隨著漿體的W/C增大,毛細(xì)孔孔隙率增大。W/C越大，毛細(xì)孔孔隙率越大，混凝土的滲透性越大。

在滿足混凝土強(qiáng)度和工作性的條件下，應(yīng)該采用較小的水灰比，減小混凝土的孔隙率，提高混凝土的抗透性第十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日Mehta教授按孔徑大小將水泥混凝土中的孔大體分成小于4.5nm、4.5~50nm、50~100nm、大于100nm等4級。他認(rèn)為，只有其中大于100nm的孔才影響混凝土的強(qiáng)度和滲透性。二、

孔徑分布第十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日吳中偉院士根據(jù)孔徑可分小于20nm、20~50nm、50~200nm、大于200nm等4級。其中孔徑大于50nm以上的對混凝土強(qiáng)度和耐久性危害較大，小于20nm的孔隙對混凝土性能影響極微。第十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日28d不同水灰比混凝土孔徑分布第十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日第十九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日水泥石孔隙與滲透性間關(guān)系a)高孔隙，低滲透性

b)高孔隙，高滲透性c)高孔隙，無滲透性

d)低孔隙，高滲透性孔結(jié)構(gòu)與滲透性間關(guān)系第二十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日三、混凝土中的氯離子擴(kuò)散模型

硬化水泥漿體和混凝土是多孔材料:海水或除冰鹽中的氯離子能滲入混凝土中，主要通過以下五種機(jī)理向硬化混凝土中滲透和傳輸(I)靜水壓下的對流,(2)毛細(xì)管吸附作用,(3)擴(kuò)散,(4)熱遷移和(5)電遷移。

其中,擴(kuò)散、對流、電遷移是主要的3種遷移方式,研究表明,對流主要發(fā)生在干濕交替區(qū)混凝土表層,電遷移只發(fā)生在含外加電場的結(jié)構(gòu),而擴(kuò)散作用貫穿于混凝土結(jié)構(gòu)主體,而且在對流和電遷移過程中也伴隨著擴(kuò)散作用,因而擴(kuò)散成為主要的傳輸方式。此外,氯離子在擴(kuò)散過程中還受表面氯離子濃度、膠凝材料吸附等多因素藕合的影響。因此,建立合適的擴(kuò)散模型選擇恰當(dāng)方法求解,成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點和重點問題之一。第二十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日1.經(jīng)典擴(kuò)散模型1970年CollePardi等最先提倡用Fick第二擴(kuò)散定律來描述氯離子在混凝土中的表觀擴(kuò)散行為,其基本假設(shè)如下:1）混凝土是半無限大的均勻介質(zhì);2）混凝土的擴(kuò)散是一維的;3）

氯離子不與混凝土發(fā)生吸附和結(jié)合，即混凝土的氯離子結(jié)合能力為零；4）氯離子擴(kuò)散系數(shù)是一個常數(shù);5）邊界條件即暴露表面的氯離子濃度是常數(shù)據(jù)此,Fick第二擴(kuò)散定律的擴(kuò)散方程為第二十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日2.基于Fick第二定律描述混凝土氯離子擴(kuò)散模型存在的理論問題Fick第二擴(kuò)散定律的簡單公式是基于一維的半無限大介質(zhì),考慮的條件過于理想化,對混凝土并沒有普適意義.其實,實際混凝土的氯離子擴(kuò)散過程難以用理想化模型描述,它并不滿足Fick第二擴(kuò)散定律的上述理論條件,主要存在8個方面的問題:第二十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日1）混凝土是非均質(zhì)材料,它在形成和使用過程中存在結(jié)構(gòu)微缺陷或損傷;2）混凝土結(jié)構(gòu)通常不是無限大的;3）實際結(jié)構(gòu)一般有多個暴露面,即氯離子擴(kuò)散不是一維的,往往是二維或三維的;4）氯離子擴(kuò)散系數(shù)是隨齡期而減小的;5）混凝土在荷載、環(huán)境和氣候等因素作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)微缺陷對氯離子擴(kuò)散有加速作用;6）氯離子與混凝土發(fā)生了結(jié)合和吸附,即混凝土具有一定的氯離子結(jié)合能力;7）在較高的自由氯離子濃度范圍內(nèi),混凝土的氯離子結(jié)合能力具有典型的非線性特征;8）

混凝土表面氯離子濃度(即邊界條件)是隨著時間推移而逐漸增加的動態(tài)變化過程,最終與環(huán)境介質(zhì)的濃度相當(dāng),或達(dá)到平衡。第二十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日考慮擴(kuò)散系數(shù)的時間依賴性的Mangat理論模型考慮擴(kuò)散系數(shù)的時間依賴性的Mage理論模型考慮線性函數(shù)和冪函數(shù)邊界條件的Amey理論模型考慮指數(shù)函數(shù)邊界條件的Kassi:理論模型歐洲D(zhuǎn)uraCrete項目的Mejlbro理論模型3.國外學(xué)者對Fick第二擴(kuò)散定律的修正第二十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日水灰比對硬化水泥漿體和混凝土滲透性的影響第二十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日深圳大學(xué)劉軍研究了砼氯離子擴(kuò)散系數(shù)與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系孔隙率、平均孔徑與混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系圖國內(nèi)學(xué)者的研究第二十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期日加載與未加載情況下受彎簡支梁氯離子分布浙江大學(xué)金偉良研究了氯離子在受荷混凝土的傳輸?shù)诙隧?，共三十頁，編輯?023年，星期日4.目前國內(nèi)外研究及存在的問題及研究方向目前，國內(nèi)外對混凝土氯離子擴(kuò)散的研究都建立在表觀擴(kuò)散模型基礎(chǔ)上，包括上述的國外研究的修正模型都是在實驗基礎(chǔ)上對擴(kuò)散系數(shù)的修正，對于氯離子傳輸?shù)挠嬎惴椒ㄓ捎跈C(jī)理比較復(fù)