高濃度鹽分湖水中混凝土的氯離子擴(kuò)散行為

高濃度鹽分湖水中混凝土的氯離子擴(kuò)散行為

混凝土在實(shí)環(huán)境中的氯離子擴(kuò)散及其壽命預(yù)測(cè)已成為世界學(xué)術(shù)界最受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。自1970年CollePardi等倡導(dǎo)用Pick第二擴(kuò)散定律描述氯離子在混凝土中的表觀擴(kuò)散行為以來,很多學(xué)者對(duì)Fick擴(kuò)散定律進(jìn)行了諸多修正,取得了重要的成果。作者還導(dǎo)出了有限大體的多維氯離子擴(kuò)散模型,為通過混凝土試件研究混凝土的氯離子擴(kuò)散規(guī)律提供了理論計(jì)算依據(jù)。當(dāng)前,研究混凝土氯離子擴(kuò)散行為的常用方法是自然擴(kuò)散法,即先將混凝土試件長時(shí)間浸泡在含氯鹽的溶液中,再通過切片或鉆孔取樣,用化學(xué)分析方法得到不同擴(kuò)散深度的自由氯離子濃度,然后利用Fick擴(kuò)散定律計(jì)算出表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)。該方法有充分的理論基礎(chǔ),與實(shí)際環(huán)境中氯離子的擴(kuò)散機(jī)理完全一致,吳中偉院士等曾認(rèn)為,該方法最能反映工程的實(shí)際情況。本文通過測(cè)定混凝土試件在高濃度鹽湖鹵水的長期浸泡和干濕循環(huán)條件下不同深度的自由氯離子濃度,研究了普通混凝土(OrdinaryPortlandcementconcrete,OPC)、高強(qiáng)混凝土(hishstrengthconcrete,HSC)、高性能混凝土(highperformanceconcroto,HPC)、纖維增強(qiáng)高性能混凝土(fiberreinforcedhighperformanceconcrete,FRHPC)的氯離子擴(kuò)散規(guī)律,探討了干濕循環(huán)對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散行為的影響。1實(shí)驗(yàn)部分1.1其他高效減水劑P.II42.5R硅酸鹽水泥,南京江南水泥廠生產(chǎn),比表面積356m2/kg;硅灰(SF),青海華電鐵合金股份有限公司產(chǎn),比表面積20000m2/kg);粉煤灰(FA),青海橋頭電廠產(chǎn);S95級(jí)礦渣(SO),江蘇江南粉磨公司產(chǎn),比表面積461m2/kg;鋁酸鹽膨脹劑(AEA),安徽巢湖速凝劑總廠產(chǎn),它系一定比例的高鋁熟料、天然明礬石和硬石膏混合磨細(xì)而成,它們的化學(xué)成分見表1;河砂,南京產(chǎn),細(xì)度模數(shù)為2.74,II區(qū)級(jí)配,屬中砂;碎石,江蘇省句容市產(chǎn)玄武巖,最大粒徑12mm,5~16mm連續(xù)級(jí)配;JM-B型高效減水劑,江蘇省建筑科學(xué)研究院產(chǎn)品,減水率達(dá)20%以上,Na2SO4含量小于2%,氯離子含量小于0.01%;鋼纖維,江西工程纖維科學(xué)技術(shù)研究所生產(chǎn),長度為20mm,長徑比為31;高強(qiáng)高模聚乙烯纖維(HEMPF),國產(chǎn),密度0.97kg/m3,抗拉強(qiáng)度2.8489GPa,拉伸彈性模量73.9GPa,伸長率3.9%,直徑為35μm,長度20mm;水,飲用水。1.2混凝土膠凝材料的篩選表2是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的5種配合比及其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28~90d的立方體試件抗壓強(qiáng)度:OPC(強(qiáng)度等級(jí)C30)、不含摻合料的HSC(強(qiáng)度等級(jí)C80)、復(fù)合摻加(10%SF+20%FA+20%SG)的高強(qiáng)HPC(強(qiáng)度等級(jí)C80)和SFRHPC(強(qiáng)度等級(jí)C80)以及HEMPFRHPC(強(qiáng)度等級(jí)C70)。其中,HPC、SFRHPC和HEMPFRHPC的AEA摻量占總膠凝材料質(zhì)量的10%,后兩者的纖維摻量分別占混凝土總體積的2%(鋼纖維)和0.1%(PF)?；炷恋某尚团c養(yǎng)護(hù)執(zhí)行GBJ81—85規(guī)定。1.3化學(xué)成分及浸泡時(shí)間混凝土試件采用100mm×100mm×400mm的棱柱體,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為90d。浸泡溶液為模擬青海鹽湖鹵水的高濃度溶液,化學(xué)成分見表3。浸泡時(shí)間為451~453d,浸泡條件有2種:(1)腐蝕實(shí)驗(yàn),直接將試件浸泡在鹵水中;(2)“腐蝕+干濕循環(huán)”實(shí)驗(yàn),先將試件在鹵水中浸泡68h,然后干燥4h(采用電吹風(fēng)的50℃熱風(fēng)快速干燥10min、然后自然干燥)為1次循環(huán)。熱風(fēng)干燥時(shí)主要控制試件的表面干燥狀態(tài),每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件的干燥失水質(zhì)量控制在(75±5)g,相當(dāng)于質(zhì)量變化為-0.75%。1.4混凝土中自由氯離子濃度的確定在經(jīng)過一定時(shí)間的鹵水浸泡或干濕循環(huán)后的混凝土試件,取出后拭干,固定在小型鉆床上,用直徑為6mm的鉆頭從側(cè)面分層鉆孔取樣,收集混凝土粉末試樣,并用孔徑0.15mm的篩子過篩。鉆孔的定位坐標(biāo)為:x=3cm和z=3cm,每層的鉆取深度(y)分別是0~5mm、5~10mm、10~15mm和15~20mm。此時(shí),混凝土中的自由氯離子濃度分布屬于III維長方體擴(kuò)散,其示意見圖1。假定混凝土試件沿x方向的厚度為L1,沿y方向的厚度為L2,沿z方向的厚度為L3,混凝土內(nèi)部的初始氯離子濃度C0=0,表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)為Da,混凝土表面的自由氯離子濃度為CS,根據(jù)Fick擴(kuò)散定律,經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo),得到混凝土III維長方體內(nèi)部的自由氯離子濃度Cf的計(jì)算公式,即氯離子擴(kuò)散理論模型為Cf=Cs[1?∑m=1,3,5∞∑n=1,3,5∞∑p=1,3,5∞64mnpπ3sin(mπL1x)sin(nπL2y)sin(pπL3z)e?Da(m2π2L21+n2π2L22+P2π2L23)t](1)Cf=Cs[1-∑m=1,3,5∞∑n=1,3,5∞∑p=1,3,5∞64mnpπ3sin(mπL1x)sin(nπL2y)sin(pπL3z)e-Da(m2π2L12+n2π2L22+Ρ2π2L32)t](1)1.5混凝土等水劑的抗壓強(qiáng)度采用水溶萃取法測(cè)定混凝土中的自由氯離子濃度,其詳細(xì)的操作與分析步驟主要參照國家交通部標(biāo)準(zhǔn)JTJ270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》。在分析過程中,由于原標(biāo)準(zhǔn)與國外同類標(biāo)準(zhǔn)相比存在許多不足之處,本文應(yīng)用時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整。2結(jié)果與討論2.1混凝土內(nèi)部自由氯離子濃度隨擴(kuò)散深度的變化圖2是在青海高濃度鹽湖鹵水浸泡下不同混凝土的自由氯離子濃度與擴(kuò)散深度之間的關(guān)系。結(jié)果表明,隨著擴(kuò)散深度的增加,混凝土內(nèi)部的自由氯離子濃度逐漸降低,該規(guī)律符合Fick擴(kuò)散定律。不同混凝土的氯離子濃度與擴(kuò)散深度之間的關(guān)系趨勢(shì)有較大的差異,HPC和HEMPFRHPC的氯離子濃度落差較大,OPC、HSC和SFRHPC的氯離子濃度落差則較小。2.2不同擴(kuò)散深度對(duì)opc、hsc和hpc自由氯離子擴(kuò)散的影響圖3是干濕循環(huán)對(duì)不同混凝土的氯離于擴(kuò)散行為的影響。根據(jù)圖3a所示的結(jié)果,可見干濕循環(huán)并沒有改變混凝土氯離子擴(kuò)散的規(guī)律與特征,其自由氯離子濃度仍然隨著擴(kuò)散深度的增加而減小。由圖3b可見,干濕循環(huán)作用加快了OPC、HSC和HPC的氯離子擴(kuò)散速度,其自由氯離子濃度明顯高于相同擴(kuò)散深度的單純浸泡的混凝土試件。對(duì)于摻加纖維的混凝土,干濕循環(huán)對(duì)混凝土的氯離子擴(kuò)散濃度的影響與擴(kuò)散深度有關(guān),干濕循環(huán)提高了SFRHPC的淺層自由氯離子濃度,卻減小了其深層自由氯離子濃度,這充分說明干濕循環(huán)作用加劇了SFRHPC表面的氯離子濃度富集現(xiàn)象,不過,HEMPFRHPC的規(guī)律正好與SFRHPC相反。2.3干法循環(huán)作用圖4是干濕循環(huán)對(duì)不同混凝土的暴露表面自由氯離子濃度和表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。其中,暴露表面自由氯離子濃度根據(jù)二元回歸公式得出,表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)由式(1)計(jì)算得到,計(jì)算時(shí)的模型參數(shù)為:L1=10cm、L2=10cm,L3=40cm,x=3cm,z=3cm,擴(kuò)散深度取平均值,即y=2.5cm、7.5cm、12.5cm和17.5cm。由圖3a可見,除HEMPFRHPC以外,干濕循環(huán)作用提高了OPC、HSC、HPC和SFRHPC暴露表面的自由氯離子濃度,混凝土表面的氯離子濃度存在富集現(xiàn)象,這與混凝土表面的毛細(xì)管作用有關(guān)。由圖3b可見,在干濕循環(huán)作用下,HSC、HPC和HEMPFRHPC的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化并不顯著,而OPC的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低了50%,其原因是干濕循環(huán)時(shí)氯鹽在混凝土內(nèi)部較大毛細(xì)孔中結(jié)晶和淤塞作用。對(duì)于SFRHPC,干濕循環(huán)作用使其表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大了32%,這可能與鋼纖維—基體界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此,干濕循環(huán)對(duì)混凝土擴(kuò)散系數(shù)的影響程度與混凝土的種類有關(guān)。3混凝土表面氯離子擴(kuò)散特性(1)在干濕循環(huán)條件下,混凝土的氯離子擴(kuò)散行為符合Fick擴(kuò)散定律。在擴(kuò)散過程中,HPC的氯離子濃度落差比較大,OPC的氯離子濃度落差較小;(2)干濕循環(huán)作用加快了OPC、HSC和HPC的氯離子擴(kuò)散速度,在相同擴(kuò)散深度時(shí)的自由氯離子濃度明顯高于單純的浸泡試件。干濕循環(huán)作用加劇了SFRHPC表面的氯離子濃度富集現(xiàn)象,HEMPFRHPC的規(guī)律正好與SFRHPC相反;(3)混凝