粉煤灰混凝土中自由氯离子渗透性能试验研究*

李怀垣 吴相豪 岳鹏君

在海洋环境中氯离子侵入混凝土内部引起钢筋锈蚀导致混凝土结构力学性能劣化、耐久性降低,严重影响海工混凝土结构的安全性及其使用寿命[1-7]。氯离子侵蚀引起的钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要的、迫切需要解决的问题。本文采用自然扩散方法研究氯离子侵蚀时间、环境氯离子浓度及干湿循环对粉煤灰混凝土中氯离子渗透性能的影响规律,为海工混凝土结构设计和耐久性评估奠定理论基础。

1 试验方案

1.1 试验材料

1)水泥:上海水泥厂生产的P.S42.5级普通硅酸盐水泥;2)砂:中砂,级配良好;3)粗骨料:粒径5 mm～20 mm的连续级配碎石;4)水:上海市饮用水;5)氯盐:江西盐矿有限公司生产的工业盐;6)粉煤灰:上海外高桥电厂生产的Ⅱ级粉煤灰,其细度为14.8%,烧失量为5.79%。

1.2 混凝土配合比

混凝土试样的配合比见表 1,粉煤灰等量取代水泥率为20%。

表1 试验混凝土配合比 kg/m3

1.3 试样制备

按表1配制成的100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试块,成型1 d后拆模,水中养护28 d。将试件分为全浸泡和干湿循环两种试验条件,放入4个腐蚀箱中,按试验方案分别注入浓度为1%,3%,5%,7%的NaCl溶液,将腐蚀箱置于室温环境中。对于干湿循环的试件,按每天浸泡16 h取出自然风干8 h的规律进行人工循环。到规定腐蚀龄期后取出试件,在混凝土侧面距离表面6 mm,11 mm,16 mm,21 mm处划线做好记号,用钻机分别在0 mm～6 mm,6 mm～11 mm,11 mm～16 mm,16 mm～21 mm各层钻取样品粉末30 g以上,研磨至全部通过0.63 mm的筛子。然后将样品置于(105±5)℃烘箱中烘2 h,取出后放入干燥器中冷却至室温,单独封装,并进行编号。

1.4 自由氯离子含量的测定方法

按照交通部标准JTJ 270-98水运工程混凝土试验规程[8]的方法测定混凝土各层样品中自由氯离子含量。

2 试验结果与分析

2.1 环境氯离子浓度对氯离子渗透性能的影响

不同氯离子侵蚀时间下,环境氯离子浓度影响粉煤灰混凝土中氯离子渗透性能的试验结果如图1所示。

从图1中可以看出,60 d,90 d腐蚀龄期下,混凝土中各层氯离子浓度随着环境氯离子浓度的增大相应增大,在个别分层不是很明显或出现异常,随着腐蚀龄期的增加,该规律趋于明显。这种现象表明,在相同腐蚀龄期下,环境氯离子浓度越高,混凝土内外氯离子浓度差越大,增大了氯离子渗透的源动力,促使渗透速度加快,因此各层氯离子浓度总体上有不同程度的增大。同时,由于腐蚀龄期总体较短,各层氯离子浓度的增加并不明显,并且随着距离表面深度的增大,氯离子浓度增加的幅度逐渐减小,另因试验的离散性,导致有的分层浓度甚至降低。

2.2 侵蚀时间对氯离子渗透性能的影响

不同环境氯离子浓度浸泡下,氯离子侵蚀时间影响氯离子渗透性能的试验结果见图2。由图2可以看出,在同样浸泡浓度下,随着腐蚀龄期的增加,各层氯离子浓度都不同程度地增大。同时,随着离混凝土表面距离的增加,这种增加的幅度逐渐减小,在深度18.5 mm分层处,氯离子浓度增加已经不明显。这是因为混凝土内外氯离子存在浓度差,氯离子由外部高浓度环境向低浓度的混凝土内部扩散,并在混凝土内部集聚。随着腐蚀龄期的增加,各层氯离子浓度都会因集聚而增加。同时,距离混凝土表面越深,内部氯离子浓度差越低,氯离子渗透速度越慢,因此随着混凝土深度的增加,由侵蚀时间引起的氯离子浓度变化越不明显。

2.3 干湿循环对氯离子渗透性能的影响

环境氯离子浓度为5%时,干湿循环影响粉煤灰混凝土中氯离子渗透性能的试验结果见图3。

由图3可以看出,干湿循环状态下各层氯离子浓度都要比相同腐蚀龄期全浸泡试样中的氯离子浓度大,表明干湿循环加快了氯离子在混凝土中的渗透速度。干湿循环的影响在混凝土浅层比较明显,在混凝土内部较深处干湿循环与全浸泡试验条件下的氯离子浓度相差不大。对于全浸泡状态下的混凝土试件,主要是因为混凝土处于饱水状态,外部环境和内部的孔隙液中的氯离子有浓度差,这种浓度差促使氯离子由表面向内部扩散。而对于干湿循环条件下的混凝土试件,当混凝土由饱水状态进入干燥状态时,表面水分蒸发,表层混凝土中氯离子浓度增大,内外浓度差增大加快了氯离子向内部扩散的速度。当表层大部分水分蒸发后进入浸泡状态时,混凝土表面的毛细管吸附作用使氯离子随水吸入,并通过混凝土内部孔隙与毛细管水一起向混凝土内部渗透。但是,到了混凝土内部一定深度后,毛细管作用明显减弱,扩散作用起主导作用,而且由于内部氯离子浓度差较小,扩散作用也相对减弱,因此内部氯离子浓度差别不大。

3 结语

1)在相同的腐蚀龄期下,随着环境氯离子浓度的增加,混凝土内外氯离子浓度差增大,氯离子渗透速度加快,各层氯离子含量都有所增加。2)在相同的环境氯离子浓度下,随着腐蚀龄期的增加,混凝土内部氯离子不断累积,各层氯离子含量都有所增加。随着离混凝土表面距离的增大,混凝土中氯离子含量呈减少趋势。3)干湿循环加快了粉煤灰混凝土中氯离子的渗透速度。干湿循环对氯离子渗透性能的影响随着离混凝土表面距离的增加逐渐减弱。

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[8] JTJ 270-98,水运工程混凝土试验规程[S].