氯鹽侵蝕對(duì)原狀海砂混凝土初始氯離子含量的影響

氯鹽侵蝕對(duì)原狀海砂混凝土初始氯離子含量的影響

中國(guó)沿海地區(qū)豐富的海砂資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各類砂體面積34.2萬(wàn)公里，淺沙資源儲(chǔ)量約1.6億噸。挖掘潛力大，選擇集中，適合大規(guī)模機(jī)械化開采，具有低運(yùn)輸成本的特點(diǎn)。然而，近年來(lái)，由于一些沿海地區(qū)使用未經(jīng)處理的海砂，生產(chǎn)混凝土材料的未經(jīng)處理而被用作非處理的海砂，大量海砂鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用不到10a，導(dǎo)致了嚴(yán)重的鋼筋腐蝕、開裂和剝離。由于嚴(yán)重的問(wèn)題，必須拆除和重建。這不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且給社會(huì)帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，合理開發(fā)和使用海砂，緩解江河砂資源的壓力，避免“海砂屋”現(xiàn)象，是土木工程科學(xué)研究和技術(shù)人員的中心課題。以往的文獻(xiàn)側(cè)重于理論分析海砂應(yīng)用對(duì)混凝土性能的影響,但定量研究的文獻(xiàn)很少.因此,本文從定量分析的角度出發(fā),通過(guò)室內(nèi)、外對(duì)比試驗(yàn),研究了相同配比的河砂混凝土、海砂混凝土與氯鹽溶液長(zhǎng)期接觸后,混凝土中氯離子的含量及分布情況,進(jìn)而對(duì)比濱海環(huán)境中氯鹽侵蝕對(duì)兩種混凝土性能的影響.研究結(jié)果證明:使用原狀海砂顯著增大了混凝土的初始氯離子含量,而潮汐區(qū)的干濕循環(huán)更加速了介質(zhì)中氯離子的滲透,在“混入”和“滲入”氯離子的共同作用下,海砂混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕的幾率極大.1充填材料和粗骨料試驗(yàn)采用了青島山水水泥股份有限公司的PO42.5普通硅酸鹽水泥,礦物摻合料為青島魯青粉煤灰公司的Ⅱ級(jí)粉煤灰,粗骨料為粒徑5～25mm的花崗巖;細(xì)骨料選用了青島大沽河河砂和海砂,各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1.減水劑采用SP-8聚羧酸系高效減水劑.混凝土配合比如表2所示.2測(cè)試2.1混凝土試塊的制作混凝土試件是邊長(zhǎng)100mm的立方體,成型24h后拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(20±2℃,RH≥95%)養(yǎng)護(hù),14d后將混凝土試塊取出,沿試塊頂面(成型時(shí)的上表面)切成兩個(gè)相等的棱柱體(100mm×50mm),然后將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室直至試驗(yàn)齡期.試驗(yàn)前用石蠟將試塊的成型面及其相對(duì)面、兩個(gè)側(cè)面密封,僅留下兩個(gè)相對(duì)面(100mm×100mm),以確保混凝土的毛細(xì)吸收過(guò)程為一維吸收.進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí),將試塊放入平底容器,底部用三角架支撐,然后向容器中倒入質(zhì)量濃度3%NaCl溶液,直至液面高出試塊底面5±1mm(見(jiàn)圖1所示);用于潮汐區(qū)暴露試驗(yàn)的混凝土試塊,待封蠟晾干后放在特制鐵籠中,并將其固定在海邊潮汐區(qū),如圖2所示.2.2混凝土氯離子濃度混凝土試塊經(jīng)受6個(gè)月的氯離子侵蝕后,采用自行設(shè)計(jì)加工的干磨混凝土粉末機(jī),從試塊表面(與鹽溶液接觸面)開始由表及里以1mm為單位分層研磨,取粉后過(guò)0.63mm篩,并立即裝入塑封袋內(nèi).氯離子濃度分析參考《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ270-98),采用莫爾法測(cè)定自由氯離子(水溶性氯離子)濃度.根據(jù)式(1)計(jì)算混凝土中不同深度處氯離子含量.P=GAgNO3V5G×V4V3×100%×0.03545(1)Ρ=GAgΝΟ3V5G×V4V3×100%×0.03545(1)式中:P水溶性氯離子含量(%);GAgNO3硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度(mol/L);G樣品質(zhì)量(g);V3浸樣品的水體積(mL);V4每次滴定時(shí)提取的濾液體積(mL);V5每次滴定時(shí)消耗的硝酸銀溶液體積(mL).3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1混凝土暴露后的氯離子分布研究表明,環(huán)境中的氯離子能夠通過(guò)滲透、擴(kuò)散和吸附等方式進(jìn)入混凝土.本試驗(yàn)中,不同配比的河砂混凝土、海砂混凝土與室內(nèi)、外不同環(huán)境中的氯鹽接觸6個(gè)月后,氯離子在混凝土中的分布曲線如圖3所示.從圖3可以看出,不論室內(nèi)試驗(yàn)還是潮汐區(qū)暴露試驗(yàn),混凝土與氯鹽接觸6個(gè)月后,氯離子均滲透到混凝土內(nèi)部一定深度,且暴露環(huán)境下,氯離子的滲透作用更加顯著.與室內(nèi)試驗(yàn)的氯離子分布曲線相比,暴露試驗(yàn)的混凝土試塊中氯離子分布存在明顯的對(duì)流區(qū),即氯離子濃度的最大值并非出現(xiàn)在表層,而是在距離表層2-3mm處,這與許多研究者的結(jié)論一致.究其原因是,處于潮汐區(qū)的混凝土,受到干濕循環(huán)的影響,風(fēng)干時(shí)水分向外遷移,而鹽分向內(nèi)遷移,在下一次再被海水潤(rùn)濕時(shí),又有更多的鹽分以溶液的形式被帶入混凝土的毛細(xì)管孔隙中.由于在混凝土表層內(nèi)有一個(gè)向外降低的濃度差,于是離表層一定深度處氯化物濃度達(dá)到峰值.3.2海砂混凝土的氯離子含量和組成變化圖4中對(duì)比了相同強(qiáng)度等級(jí)的河砂、海砂混凝土試件在不同環(huán)境中與氯鹽接觸6個(gè)月后,氯離子的含量及分布曲線,若將氯離子擴(kuò)散曲線穩(wěn)定段的氯離子含量作為混凝土的初始氯離子含量,從圖4可以看出,海砂混凝土的初始氯離子含量約為膠凝材料質(zhì)量的0.16%,大于我國(guó)規(guī)范要求的硬化混凝土中氯離子總量小于0.1%的規(guī)定,也遠(yuǎn)大于河砂混凝土的0.07%,于是,海砂混凝土中的鋼筋過(guò)早地暴露于較高濃度的氯鹽環(huán)境,極大地提高了鋼筋腐蝕的風(fēng)險(xiǎn).另外,使用海砂的多為沿海地區(qū),海砂混凝土結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境中氯離子濃度普遍高于內(nèi)陸,因此,在內(nèi)、外氯離子的共同作用下,混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速率大大提高了.這也從量化角度解釋了,上世紀(jì)90年代,由于使用未經(jīng)淡化的海砂,在我國(guó)福建、深圳及臺(tái)灣地區(qū)出現(xiàn)的大量新建不到十年的“海砂屋”,其主要的“內(nèi)因”就是隨海砂“混入”的氯鹽較早地破壞了鋼筋表面的鈍化膜,從而為鋼筋腐蝕埋下嚴(yán)重隱患.3.3面氯離子濃度氯離子擴(kuò)散系數(shù)D是用來(lái)反映混凝土對(duì)氯化物侵蝕抵抗能力的參數(shù).對(duì)氯離子侵入,有許多預(yù)測(cè)模型,目前廣泛應(yīng)用的是基于Fick第二擴(kuò)散定律誤差函數(shù)解法的模型.在Fick第二定律中,氯離子的滲透可用以下參數(shù)描述:氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)Dap;理論上的表面氯離子濃度Csa;對(duì)流區(qū)深度Xc;擴(kuò)散區(qū)表面氯離子濃度Csc;初始氯離子濃度C0.值得注意的是,對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)的混凝土試塊,由于氯離子源濃度穩(wěn)定,因此氯離子含量曲線沒(méi)有對(duì)流區(qū).根據(jù)式(2)擬合的曲線表示t時(shí)刻x深度處的氯離子濃度:Cx,t=C0(Csa?C0)[1?erf(x2Dapt√)](2)Cx,t=C0(Csa-C0)[1-erf(x2Dapt)](2)圖5對(duì)比了混凝土中氯離子含量的測(cè)試結(jié)果和MATLAB擬合曲線,二者吻合較好.擬合得到的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表3.從表5可以看到,河砂混凝土的氯離子表觀擴(kuò)散系數(shù)Dap均大于相同強(qiáng)度等級(jí)的海砂混凝土,分析其原因可能是:結(jié)合表3中砂的性能指標(biāo)可知,河砂的細(xì)度模數(shù)小于海砂且含泥量較大.因此,水泥水化生成水泥砂漿時(shí)將消耗較多的拌合水,從而影響混凝土拌合物的流動(dòng)性,此外,河砂較高的含泥量不僅影響水泥的水化,減弱水泥漿對(duì)骨料的包裹作用,還將影響粉煤灰“填充效應(yīng)”和“潤(rùn)滑作用”的發(fā)揮,造成水泥石結(jié)構(gòu)的孔隙較多,從而為環(huán)境中氯離子的更深、更快地滲入提供了通道.4確保材料質(zhì)量,注重表面防護(hù)(1)定量分析的試驗(yàn)結(jié)果表明,使用原狀海砂顯著增大了混凝土的初始氯離子含量,而潮汐區(qū)的干濕循環(huán)更加速了介質(zhì)中氯離子的滲透,在“混入”和“滲入”氯離子的共同作用下,海砂混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕的幾率極大.