混凝土碳化对氯离子扩散影响试验研究

杨蔚为,郑永来,郑 顺

(同济大学 水利工程系,上海 200092)

混凝土碳化对氯离子扩散影响试验研究

杨蔚为,郑永来,郑 顺

(同济大学 水利工程系,上海 200092)

混凝土耐久性研究从环境层面分主要是碳化和氯离子扩散两个方面。碳化过程会改变混凝土的性质,影响氯离子扩散。在相同养护条件下制成混凝土试件,试件在内部环境条件相同的碳化箱中进行不同程度碳化并测量碳化深度。采用标准电流电量法测量不同碳化深度混凝土试件的扩散系数,分析在其他条件相同的情况下碳化深度对氯离子扩散系数的影响及产生这种影响的原因。试验结果表明氯离子扩散系数随碳化深度增加而增大。综合分析碳化影响效应,碳化对于氯离子扩散存在正反两方面的影响。一方面碳化增加混凝土密实度,阻碍氯离子扩散;另一方面碳化增加混凝土内毛细孔数量且增加自由氯离子含量,促进氯离子扩散。实际情况下碳化对于氯离子扩散系数的影响效应取决于哪一方面的作用更具主导性。

混凝土耐久性;碳化;氯离子扩散;电流电量法

钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点,以其造价相对低廉的优势逐渐成为了当今最常用的结构型式。在混凝土材料运用于土木工程的150多年来,出现了许多由于混凝土耐久性不足导致的结构提前失效的案例。尤其是一些近海工程结构,由于受到海洋环境腐蚀的影响,混凝土耐久性的重要性更需引起重视。耐久性不足导致结构失效造成的损失往往是巨大的。例如:位于我国南方城市的湛江港于1956年建成一座码头,1963年调查时发现梁底部分有顺筋锈裂,虽然于次年进行一次修补,但使用20年后发现钢筋锈蚀更为严重,底板混凝土因钢筋锈蚀而大面积脱落,露筋面积占底板的21%,由于码头混凝土耐久性的严重不足,经多方论证后不得不拆除了码头的上部结构,造成了巨大的经济损失[1]。

我国混凝土耐久性研究始于20世纪60年代,至今已有50余年历史。混凝土耐久性研究从环境层面来分其影响主要包括混凝土碳化和氯离子侵蚀两个方面。因而不少研究围绕碳化与氯离子扩散的关系展开。

郑永来等[2]通过快速渗透试验测定完全碳化、部分碳化、完全未碳化3种混凝土试件的氯离子扩散系数,得出碳化降低氯离子扩散系数的结论。庞超明等[3]使用自然浸泡法、RCM法和Permirt法分别观测氯离子扩散系数,发现自然浸泡法中碳化使得表观氯离子扩散系数增大。采用RCM或Permit快速测试法,碳化使测得的扩散系数降低。V.G.Papadakis[4]和柳俊哲等[5]通过对掺入一定量氯盐的砂浆(或混凝土)进行碳化研究,得出碳化促进了Friedel盐分解,加速氯离子在混凝土中渗透的结论。白轲等[6]按照RCM氯离子扩散系数快速测定法发现碳化作用使混凝土氯离子扩散系数明显增大(增加将近1个数量级)。

碳化是一个复杂的化学反应过程,主要化学反应式如下[1]:

碳化的过程改变了混凝土的密实度、孔隙结构等性质。对氯离子扩散的影响非常复杂。不同试验环境与方法都可能对试验结果产生较大的影响。尽管前人围绕这个问题开展了很多研究,但这些研究中鲜有专门针对氯离子的扩散系数与其所对应的具体碳化深度值之间关系的讨论。

本文试件在相同温度及湿度下养护而成,在同样条件的碳化箱内进行不同程度的碳化。利用酚酞试剂测定不同混凝土试件的具体碳化深度值,使用相同浓度的溶液,采用标准电流电量法测定这些混凝土试件中氯离子的扩散系数,力求分析在其他条件相同的情况下碳化深度对氯离子扩散系数的影响及产生这种影响可能的原因。

试验中采用的标准电流电量法,其原理是通过施加外加电场达到加速氯离子扩散的目的。外加电场加速氯离子扩散的方法最初由D.Whiting[7]于1981年发明。由于此方法试验时间短,在试验室内具有较强重复性。目前,标准电流电量法是美国试验与材料协会认定的标准试验方法。相关试验结果表明[8-9],该方法适用于所测电量较大的混凝土。

1 试验方案

试验用混凝土试件材料为复合硅酸盐水泥、普通河砂、天然砾石。混凝土所使用水泥为P·C 32.5,砾石直径从5～20 mm不等,水灰比为0.5。经强度检测,混凝土标号为C40,标准养护28 d后用于试验。试件尺寸为Φ100×50 mm。试件共10个,分别编号1#～10#。混凝土配比为:水175.0 kg/m3,水泥350.0 kg/m3,砾石1 144.5 kg/m3,沙630.3 kg/m3。

1.1 快速碳化及碳化深度测量

碳化箱内CO2体积分数为(20±3)%,相对湿度为(70±5)%,温度为(20±3)℃。10个试件在碳化箱内分别碳化10～13 d不等。由于混凝土呈碱性,酚酞试件遇碱性会变红色。碳化完成后在试件上表面均匀滴酚酞试剂,从试件侧面看不变色的区域即为已发生碳化的区域,得出1#～10#混凝土试件的碳化区域深度分别为25,19,30,22,24,18,19,25,27和21 mm,碳化率分别为50%,38%,60%,44%,48%,36%,38%,50%, 54%和42%。

1.2 电流电量法测氯离子扩散系数

试验使用主要的设备为PROOVE′it ASTM C1202-08。测试前先把混凝土试件放在一个大容器中(容器盖子上有阀门)。打开阀门,用气泵抽气3 h以使容器内形成真空环境。之后通过软管将蒸馏水抽入干燥容器内直到试件完全浸没于水中。继续抽气1 h后打开阀门让空气流入。试件再浸泡18 h后放空容器内的水,取出试件,吸干表面。之后在混凝土试件周围安装橡胶垫圈。在垫圈的内外两侧事先涂上三甲基硅油以防止漏水,将试件套上橡胶垫圈之后固定在两个容器单元之间,检查有无漏水现象。两侧容器单元分别灌注0.3 mol/L NaOH溶液和3.0%的Nacl溶液,前者通过导线连接设备的正极接口,后者连接设备负极接口。每隔5 min系统会自动记录一次电流读数,持续6 h。6 h后系统计算给出测量时间段内通过试件的电量值。图1为混凝土试件安装图,经处理的试件固定在2个透明的容器单元之间,红色导线所在容器单元内为0.3 mol/L NaOH溶液,黑色导线所在容器单元内为3.0%的Nacl溶液。图2为导线与设备的连接情况。

图1 混凝土试件安装Fig.1 Concrete sample installation

图2 导线与设备连接Fig.2 Wires connected with equipment

红色导线连接设备正极接口,黑色导线连接设备负极接口。在6 h内1#～10#试件通过的总电量值分别为:1 577,934,2 761,1 663,2 308,1 135,121,1 438,1 941和2 135 C。可见,10个试件中7#试件测得的电量值异常,其值远小于其他试件测得的电量值。这可能是由于前期试件饱水不充分,导致混凝土导电性不够引起的。数据分析中将其排除,只考虑剩余9组试件的碳化深度与氯离子扩散的关系。

冯乃谦等[10]给出了氯离子扩散系数与导电量的关系式:

由此计算得到的9组试件(1#～6#及8#～10#)所对应的氯离子扩散系数见表1。

表1 氯离子扩散系数与碳化深度关系Tab.1 Relation between chloridion diffusion coefficients and carbonation depth

2 试验结果及分析

用Matlab软件对碳化深度及氯离子扩散系数(表1)进行线性拟合,结果见图3。氯离子扩散系数D (10-8cm2/s)与碳化深度x(mm)大致满足如下关系:

不同碳化深度的试件所对应的氯离子扩散系数并非是一个固定值。即使是相同的碳化深度,如1号试件和8号试件,他们所对应的氯离子扩散系数也会有所不同。这是由于氯离子扩散受多方面因素影响。即便是相同条件下制作而成的试件,由于振捣不均匀等因素都有可能使试件内的孔隙数量、分布情况等存在不同,这必然会一定程度上影响氯离子的扩散。

从图3的拟合情况来看。本试验中,对于部分碳化的混凝土试件,氯离子的扩散系数整体趋势是随着试件碳化深度增大而增大。碳化深度最小为18 mm(36%碳化率),最大为30 mm(60%碳化率)。氯离子扩散系数最小为0.717 293× 10-8cm2/s(对应19 mm碳化深度),最大为1.616 177× 10-8cm2/s(对应30 mm碳化深度)。

氯离子扩散系数归根到底取决于氯离子含量以及混凝土的内部结构。碳化过程中Ca(OH)2转化成CaCO3使得混凝土密度提高。就这一层面来说,碳化对于氯离子的扩散是起阻碍作用的。与此同时,研究表明碳化过程中混凝土内部毛细孔数量增加[11],从而促进混凝土内部氯离子的扩散。另外考虑混凝土对于氯离子的结合能力[12]: C4AH6+Ca(OH)2+NaCl+H2O—C3A·CaCl2·10H2O(Friedel′s)+NaOH,先期碳化降低了混凝土中Ca(OH)2的含量。则在碳化区参与上述化学反应的Ca(OH)2含量减少,进而导致与混凝土结合的氯离子变少,自由氯离子的含量增加。碳化区与未碳化区间的氯离子浓度梯度变大,氯离子的扩散速度增加。

综合来说,碳化对于氯离子扩散存在正反两方面的作用。衡量碳化对于氯离子扩散影响是促进还是阻碍,关键取决于两方面作用中更具有主导性的那一面。本试验中,碳化的促进作用占主导,直观表现为氯离子的扩散系数随着碳化深度增加而增大。

图3 氯离子扩散系数与碳化深度关系Fig.3 Relationship between chloridion diffusion coefficients and carbonation depth

3 结 语

(1)不同碳化深度的试件所对应的氯离子扩散系数并非一个固定值。即使是相同的碳化深度,他们所对应的氯离子扩散系数也会有所不同。

(2)用标准电流电量法测定不同碳化深度混凝土中氯离子的扩散系数。结果表明对于部分碳化混凝土,氯离子扩散系数随着碳化深度增加而增大。

(3)碳化对于氯离子扩散系数的影响效应有正反两方面作用。一方面碳化增加混凝土密实度,阻碍氯离子扩散;另一方面碳化增加混凝土内毛细孔数量且增大自由氯离子含量,促进氯离子扩散。实际情况下碳化对于氯离子扩散系数的影响效应取决于哪一方面的作用更具有主导性。

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《水利水运工程学报》编辑部2014年8月30日

Experimental studies of concrete carbonization impact on chloride diffusion

YANG Wei-wei,ZHENG Yong-lai,ZHENG Sun
(Department of Hydraulic Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

Carbonization and chloride diffusion are the two most important factors which affect durability of concrete in the aspect of environment.The process of carbonization changes the properties of concrete and affects chloride diffusion.The concrete samples were cured under the same conditions.The concrete samples were carbonized to different degrees in the carbonization box with the same conditions inside.Current and electric quantity method has been used to test the chloride diffusion coefficients in the concrete samples with different carbonization depths,and to analyze the effects of carbonization on the chloridion diffusion and the probable reasons for it when other conditions are the same.Experiment results show that the chloride diffusion coefficients will grow when the carbonization depth is increased.Further analysis results show that the carbonization has both positive and negative effects on the chloride diffusion.As the negative effect,carbonization increases the degree of density in concrete which prevents the chloride diffusion.As the positive effect,carbonization increases the amount of capillary porosity and content of free chloridion in concrete which promotes chloride diffusion.The effects given by carbonization on the chloride diffusion depends on the aspect which is more dominant in the practical situation.

durability of concrete;carbonization;chloridion diffusion;current and electric quantity method

TV528

A

1009-640X(2014)04-0093-05

2014-01-04

杨蔚为(1989-),男,上海人,硕士研究生,主要从事混凝土耐久性及地下结构抗震研究工作。E-mail:1232493@tongji.edu.cn