氯離子在海南八所港實(shí)海暴露試驗(yàn)中的試驗(yàn)研究

氯離子在海南八所港實(shí)海暴露試驗(yàn)中的試驗(yàn)研究

0混凝土中氯離子的擴(kuò)散行為隨著大量重要工程的建設(shè)和對可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的要求，混凝土的耐久性和使用壽命的設(shè)計(jì)越來越受到重視。許多國際大型工程開始采用使用壽命設(shè)計(jì)。大量工程實(shí)踐表明,氯離子在混凝土中的滲透規(guī)律是影響其使用壽命的主要因素,因此Cl-在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)及其演變是各國學(xué)者普遍研究的方向,并已提出了眾多的研究成果。由于氯離子在混凝土中的侵入速度不僅與材料性能有關(guān),還與服役環(huán)境的微觀和宏觀因素密切相關(guān),如波浪、氣溫、鹽度、風(fēng)速以及降雨情況等,因此開展氯離子擴(kuò)散滲透行為的現(xiàn)場研究具有重要的意義。本工作通過海南八所港的現(xiàn)場暴露試驗(yàn),研究不同配方混凝土試件的氯離子滲透性能和氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化。1測試方法1.1實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)(1)水砌高爐礦渣粉法制作暴露試件所用的原材料為:五羊牌525號硅酸鹽水泥(江南水泥廠),一級粉煤灰(濟(jì)寧電廠),水淬高爐礦渣粉(南京鋼鐵廠),萘系減水劑(FDN),河砂,最大粒徑為10mm的碎石。膠凝材料的物理、化學(xué)性質(zhì)見表1。(2)混凝土試件設(shè)計(jì)為了對比不同配方混凝土在海洋環(huán)境的氯離子滲透性能,制作表2所示的6種技術(shù)條件的混凝土試件,其中包括普通水泥OPC和摻合料混凝土兩大類。(3)坍落度的測定試件成型按《港口工程混凝土試驗(yàn)方法》(JTJ225-1987)進(jìn)行,尺寸為10cm×10cm×20cm,所有試件的坍落度控制在30～50mm之間,成型24h后脫模編號,放入溫度為20±3℃、相對濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28天,取出。各技術(shù)條件混凝土試件的抗壓強(qiáng)度見表2。1.2挖掘中心海洋性氣候區(qū),生物學(xué)特性有以下優(yōu)勢試件在我國海南八所港進(jìn)行現(xiàn)場暴露試驗(yàn),暴露條件為腐蝕最為嚴(yán)重的浪濺區(qū),分兩層安放,上層標(biāo)高3.91m,下層標(biāo)高2.74m。八所港位于海南省西海岸中部,西臨北部灣東部海面,屬于熱帶海洋性氣候,因受東京灣季候風(fēng)影響,冷熱懸殊不大,最高氣溫38.7℃,最低1.4℃。海水含鹽量平均為3.34%,最高3.5%,最低3.08%。因此八所港氣溫高,光照強(qiáng),在我國屬于最為惡劣的腐蝕環(huán)境之一。1.3取樣深度和粒徑混凝土試件在暴露試驗(yàn)站暴露一定時(shí)間后,取回,用清水沖掉污物,晾干,用臺鉆鉆取試件中央部位不同深度(暴露2.42年、3.50年和6.75年時(shí)取樣深度為0～10mm、10～20mm、20～30mm、30～40mm和40～50mm,暴露13.83年時(shí)取樣深度為0～2mm、2～10mm、10～20mm、20～30mm和30～40mm)的粉末樣口,研磨至全部通過孔徑0.63mm的篩子。對上述混凝土粉樣按《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ270-1998)進(jìn)行處理,并分析樣品中游離Cl-含量。2試驗(yàn)結(jié)果和分析2.1氯離子含量比較從圖1和圖2可見:所有技術(shù)條件的混凝土試件中氯離子含量隨深度的增加而下降;各深度層氯離子含量隨暴露時(shí)間的延長而增加;OPC表面氯離子含量增長的同時(shí),深層氯離子含量也有較快的增長,而摻合料混凝土試件表層氯離子增長迅速,深層氯離子含量增長緩慢;OPC各深度層氯離子含量與水灰比有關(guān),水灰比越低,氯離子含量越低,混凝土中含水量會影響氯離子的滲透速度;摻合料混凝土試件深層(大于15mm)氯離子含量顯著低于OPC;相同技術(shù)條件的混凝土,上層試件中氯離子含量普遍低于下層試件氯離子含量。上述變化規(guī)律說明,降低水灰比或使用摻合料可使混凝土孔結(jié)構(gòu)致密化,而且粉煤灰與礦渣等活性摻合料對氯離子具有較強(qiáng)的束縛能力,因此能有效降低氯離子向混凝土深度的侵入能力。2.2deff的計(jì)算早在1970年,Collepardi等提出用Fick第二擴(kuò)散定律來描述氯離子在混凝土中的擴(kuò)散行為,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:C=Cs[1?erf(x2Dt√)](1)C=Cs[1-erf(x2Dt)](1)式中:C為暴露時(shí)間t時(shí)距取樣面x深度處氯離子的含量;Cs為混凝土表面的氯離子含量;D為氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù);erf(x)為誤差函數(shù)。近年來,考慮到混凝土材料以及環(huán)境的時(shí)間變化特性,對Fick第二擴(kuò)散定律進(jìn)行修正,但這些修正公式所包含的系數(shù)較多,一般難以獲得,因此對于已暴露于氯鹽環(huán)境的結(jié)構(gòu)件,許多研究者為了使理論預(yù)測符合實(shí)際檢測數(shù)據(jù),提出氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)Deff的概念,將氯離子濃度隨混凝土深度的分布按式(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到Deff,Deff是檢測時(shí)暴露期間氯離子傳輸速率的平均值。根據(jù)圖1中所示的氯離子含量隨深度分布,按式(1)進(jìn)行擬合,可以得到試件在暴露期間的Deff,見圖3和圖4。由圖3和圖4可見:不同技術(shù)條件混凝土的氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)存在顯著差異,降低水灰比能減小氯離子在混凝土中的有效擴(kuò)散系數(shù),使用活性摻合料特別是活性礦渣,能使氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù)降低1個(gè)數(shù)量級以上;除了OPC-R,其余混凝土試件的氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)在暴露過程中均有不同程度的下降,初期氯離子擴(kuò)散系數(shù)越大,下降幅度越大。這可能與它們在暴露期間混凝土內(nèi)孔結(jié)構(gòu)演變有關(guān),氯離子擴(kuò)散系數(shù)較大的混凝土,密實(shí)性較差,在暴露期間環(huán)境中各種離子侵入量也較多,因此孔結(jié)構(gòu)改變程度就較大,氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降程度相應(yīng)也較大。因此氯離子擴(kuò)散系數(shù)如果采用固定值預(yù)測,使用壽命將產(chǎn)生較大的誤差,為了較可靠地預(yù)測使用壽命,必須了解氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。根據(jù)Bamforth和Mangat等的觀點(diǎn),氯離子的擴(kuò)散系數(shù)D與時(shí)間t符合下列關(guān)系式:D=at?m(2)D=at-m(2)通過表3所示的氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系,就可以按式(1)預(yù)測若干年后保護(hù)層深度處的氯離子含量,進(jìn)而估計(jì)其使用壽命。3混凝土氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)隨試驗(yàn)件的變化由海南八所港近14年的實(shí)海暴露試驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:(1)OPC試件的深層氯離子含量隨著表層氯離子含量的增長明