防盐蚀剂对输变电基础混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响李镜培

李鹤+丁士君

摘要：通过室内加速氯离子侵蚀试验，测试不同侵蚀时间内掺GN防盐蚀剂混凝土和无防盐蚀剂混凝土内部不同深度处的氯离子浓度，研究GN防盐蚀剂对氯离子扩散系数和混凝土表面氯离子浓度的影响，引入氯离子扩散系数降低系数和表面氯离子浓度降低系数，对防盐蚀剂的效果进行定量评价。结果表明：GN防盐蚀剂可以使混凝土中氯离子的扩散系数降低31.3%，混凝土表面氯离子浓度降低22.67%；防盐蚀剂可以较大程度地提高氯离子侵蚀环境下输变电基础的使用寿命。

关键词：输变电基础混凝土；氯离子；GN防盐蚀剂；耐久性

中图分类号：TU528文献标志码：A

Effect of Salt Erosion Inhibitor Resisting Chloride Ions Penetration on

Concrete in Power Transmission and Transformation FoundationLI Jingpei1，2， LI He1，2， DING Shijun3

（1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education， Tongji University，

Shanghai 200092， China； 2. Department of Geotechnical Engineering， Tongji University， Shanghai

200092， China； 3. China Electric Power Research Institute， Beijing 100192， China）Abstract： Through indoor accelerated chloride ion erosion test， chloride ion concentrations in concrete with GN salt erosion inhibitor and without salt erosion inhibitor at different depths and erosion time was tested. The impacts of GN salt erosion inhibitor on chloride diffusion coefficient and surface chloride ion concentration of concrete were researched. The reduction coefficient of chloride diffusion coefficient and surface chloride ion concentration of concrete were introduced to quantitative evaluate the effect of salt erosion inhibitor. The results show that GN salt erosion inhibitor can reduce chloride diffusion coefficient by 31.3% and reduce surface chloride ion concentration by 22.67%. GN salt erosion inhibitor can increase service life of power transmission and transformation foundation structure in large extent in chloride ion environment.

Key words： concrete in power transmission and transformation foundation； chloride ion； GN salt erosion inhibitor； durability

0引言

一般情况下混凝土内部的高碱性环境能在钢筋表面形成致密的氧化膜，从而对钢筋起到保护作用，但在沿海环境下由于氯离子侵入混凝土内部，会使钢筋去钝化而发生锈蚀，进而使混凝土结构保护层开裂，导致钢筋混凝土结构承载力降低，使用寿命下降。目前，钢筋锈蚀的危害越来越受到关注，如何减缓氯离子的侵入，降低钢筋锈蚀速率，减少因钢筋锈蚀造成的结构破坏已成为世界性问题。钢筋涂层、电化学保护、钢筋阻锈剂等方法已经广泛应用于侵蚀环境中钢筋混凝土结构的保护，在众多的保护措施当中，内掺钢筋阻锈剂和防盐蚀剂是最简单、经济和长期有效的方法[1]。

虽然钢筋阻锈剂在钢筋混凝土结构的耐久性研究中得到大量应用和广泛研究[27]，但是在钢筋混凝土结构中添加阻锈剂并不能减缓氯离子的侵蚀，并且只有在钢筋表面氯离子浓度达到一定程度时阻锈剂才能发挥作用[3]。现阶段对阻锈剂的研究多是通过相关试验对阻锈剂的效果进行定性分析[47]，缺少阻锈剂抗氯离子侵蚀的定量计算，无法提供使用阻锈剂后钢筋混凝土结构耐久性寿命的预测结果。同时，目前针对钢筋混凝土结构的耐久性研究多是针对海洋环境下的高强度混凝土[23]，而对于沿海输变电基础等强度较低的混凝土结构的研究还未见报道。

防盐蚀剂可以使混凝土致密性增强，提高抗渗性，阻止氯离子等有害离子的侵入；同时，当氯离子等有害离子侵入混凝土内部后，会与防盐蚀剂中的活化矿粉结合，从而失去侵蚀活性，降低有害离子对混凝土的影响[8]。Ormellese等[2]通过3年的室内试验研究了3种有机复合防盐蚀剂对氯离子侵蚀的抑制作用；李固华等[8]通过室内腐蚀试验对FLV型防盐蚀剂的抗氯离子和硫酸盐的侵蚀性能进行研究；刘芳[9]通过干湿循环和长期浸泡试验，研究了RAM防盐蚀剂对混凝土结构防氯离子侵蚀的效果与工程应用情况，但是都缺少对防盐蚀剂使用效果的定量评价。

GN防盐蚀剂是中国专利产品[10]，是一种新的提高混凝土结构耐久性的有效且方便的方法。本文主要针对目前沿海地区输变电基础等强度较低的混凝土结构内掺防盐蚀剂的耐久性能开展试验研究。通过180 d的室内加速氯离子侵蚀试验，探讨内掺防盐蚀剂的混凝土内部氯离子浓度随时间的变化规律，分析防盐蚀剂对氯离子扩散系数和表面氯离子浓度的影响，引入氯离子扩散系数降低系数和表面氯离子浓度降低系数，对防盐蚀剂的效果进行定量评价；进而对内掺防盐蚀剂的输变电基础混凝土的耐久性使用寿命进行预测。

1防盐蚀剂抗氯离子侵蚀试验

1.1试验材料及配合比

水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；砂为级配良好的中砂，细度模数为2.5；粗骨料为最大粒径20 mm的碎石；钢筋为Ⅰ级光圆钢筋，直径为6 mm。

鉴于目前沿海地区输变电基础的混凝土强度等级多为C20和C25[11]，本文试验选取的混凝土试件强度等级为C25，水灰比为0.6，混凝土配合比见表1。

表1混凝土配合比

Tab.1Mix Proportions of Concretekg·m-3材料水泥水砂石子防盐蚀剂无防盐蚀剂3251956841 1650掺防盐蚀剂3251956841 16512防盐蚀剂呈灰色粉末状，与水泥搅拌均匀后使用，标准用量为胶凝材料质量的3%，且每立方米用量不少于12 kg，按照表1中的配合比计算本文试验防盐蚀剂掺量为每立方米用量12 kg。

1.2试件制作

混凝土采用小型搅拌机拌和，加料顺序为石子、水泥、砂、水（内掺防盐蚀剂混凝土在加料前将防盐蚀剂掺入水泥并搅拌均匀）。搅拌3 min后在木模中浇筑（图1），模板厚度为9 mm，试件尺寸为100 mm×100 mm×500 mm，在试件单侧配置2根钢筋，混凝土保护层厚度为10 mm。内掺防盐蚀剂试件与无防盐蚀剂试件分开浇筑。

图1浇筑试件

Fig.1Pouring Specimen试件浇筑24 h后脱模，将脱模后的试件放入温度为（20±2） ℃、相对湿度为97%的标准养护室中养护28 d。本文试验所制作试件28 d抗压强度为27 MPa。

1.3氯离子浓度测试

在试件养护完成后，将配有钢筋的一侧留出作为暴露面，其余各面用环氧树脂密封（图2），之后放图2涂刷环氧树脂后的试件

Fig.2Specimen with Epoxy Coating入质量分数为5%的NaCl溶液中，在室温下进行完全浸泡试验。在侵蚀时间分别为30，60，90，180 d时取出内掺防盐蚀剂试件和无防盐蚀剂试件各1个，测试试件内部的氯离子浓度分布规律。

每个试件取出后，用冲击钻沿侵蚀方向每隔5 mm钻1次取粉末，并以每次取样的深度平均值作为该试样氯离子侵蚀深度的代表值，取粉总深度为50 mm。对于每份粉末试样（图3），称取1 g放入50 mL蒸馏水中，充分振荡后静置萃取48 h（图4），采用CABRRCTF型氯离子含量快速测定仪测试每个试样的氯离子浓度（图5），从而可以得到不同深度的氯离子浓度（占混凝土质量的百分比）。

图3混凝土粉末样品

Fig.3Samples of Concrete Powder图4氯离子静置萃取

Fig.4Static Extraction of Chloride Ion图5氯离子浓度测试

Fig.5Testing Chloride Ion Concentration在氯离子浓度随深度的分布确定后，混凝土表面氯离子浓度和氯离子扩散系数可以通过Fick第二定律采用式（1）进行曲线拟合得到[12]，即

C=Cs[1-erf（x2Dt）]（1）

式中：C为混凝土中的氯离子浓度，一般以氯离子占水泥或混凝土的质量百分比表示；Cs为混凝土的表面氯离子浓度，与结构所处环境类别和混凝土水灰比等因素有关；x为氯离子侵蚀的深度；t为混凝土结构暴露于氯离子环境中的时间；D为混凝土中氯离子扩散系数，是描述混凝土中氯离子迁移状况的物理量；erf（·）为误差函数，erf（z）=2π∫x0exp（-z2）dz。2试验结果与分析

2.1防盐蚀剂对氯离子浓度分布的影响

图6为试验测得的不同侵蚀时间内掺防盐蚀剂试件和无防盐蚀剂试件内部氯离子浓度随侵蚀深度的变化曲线。从图6可以看出，随着渗透深度的增图6不同侵蚀时间有、无防盐蚀剂试件氯离子浓度

分布曲线

Fig.6Variation Curves of Chloride Ion Concentration in

Specimen （with GN and Without GN） with Time大，氯离子浓度逐渐减小，分布规律基本符合Fick第二定律所描述的混凝土结构内部氯离子浓度变化规律。随着侵蚀时间的增加，混凝土中相同深度处的氯离子浓度呈增大趋势，并且氯离子浓度在距混凝土表面20 mm的范围内表现出较大的增长趋势，曲线斜率较大；在渗透深度超过30 mm后氯离子浓度增长缓慢，氯离子浓度变化不大，曲线相对平缓。

此外，通过对比内掺防盐蚀剂试件和无防盐蚀剂试件在30，60，90，180 d时的氯离子浓度可以看出，掺防盐蚀剂可以有效减缓混凝土试件内部氯离子的扩散，从而降低试件内部氯离子浓度和混凝土表面氯离子浓度。30 d时试件内部氯离子浓度差别并不大，尤其在渗透深度超过30 mm后，氯离子浓度差别很小，这是由于在时间较短的情况下，混凝土内部的氯离子浓度并不大，内掺防盐蚀剂试件与无防盐蚀剂试件内部的氯离子浓度相差很小，因此防盐蚀剂的效果并不能十分明显地体现出来；90 d后内掺防盐蚀剂试件内部氯离子浓度比无防盐蚀剂试件内部氯离子浓度低很多且差别明显，这是由于随着时间的增长，混凝土内部的氯离子浓度逐渐提高，内掺防盐蚀剂试件与无防盐蚀剂试件内部的氯离子浓度差值变得较大，因此说明随着侵蚀时间的增加，防盐蚀剂的抗氯离子侵蚀效果变得更加显著。

2.2防盐蚀剂对氯离子扩散系数的影响

根据所测得不同深度处的氯离子浓度，利用Fick第二定律进行非线性拟合，可以得到不同侵蚀时间的氯离子扩散系数，见表2。

表2氯离子扩散系数

Tab.2Chloride Ion Diffusion Coefficient试件类别不同浸泡时间（d）下的扩散系数/（10-11 m2·s-1）306090180无防盐蚀剂8.136.445.144.03掺防盐蚀剂5.594.413.302.95图7为扩散系数随时间的变化曲线。由图7可以看出，对于内掺防盐蚀剂试件和无防盐蚀剂试件，氯离子扩散系数均随侵蚀时间的增加大致呈指数下降趋势，变化规律符合已有研究结果[13]。这是由于随着浸泡时间的增加，混凝土内部的水泥浆体结构发生了变化，其孔隙率不断缩小，使得氯离子的渗透性随之降低，表现为氯离子扩散系数随浸泡时间增大而降低，但扩散系数初期下降明显，一定时间以后扩散系数的下降速度变得缓慢。

图7氯离子扩散系数随时间变化曲线

Fig.7Variation Curves of Chloride Ion Diffusion

Coefficient with Time引入扩散系数降低系数α来评价防盐蚀剂对氯离子扩散系数的影响，即

α=D1-D2D1×100%（2）

式中：D1为无防盐蚀剂混凝土中氯离子扩散系数；D2为内掺防盐蚀剂混凝土中氯离子扩散系数。

由表2数据，利用公式（2）可以计算得到α的数值，见表3。由表3可以看出，α随时间增加变化不大，可以取其平均值作为内掺防盐蚀剂混凝土的扩散系数降低系数，即α=31.3%。

表3氯离子扩散系数降低系数

Tab.3Reduction Coefficients of Chloride Ion

Diffusion Coefficients不同浸泡时间（d）下的扩散系数降低系数/%306090180平均值/%31.2531.4235.7426.8031.302.3防盐蚀剂对表面氯离子浓度的影响

根据所测得的不同深度处的氯离子浓度，利用Fick第二定律进行非线性拟合可以得到不同侵蚀时间的混凝土表面氯离子浓度，见表4。

表4表面氯离子浓度

Tab.4Surface Chloride Ion Concentration试件类别不同浸泡时间（d）下的表面氯离子浓度/%306090180无防盐蚀剂0.326 70.347 00.391 40.404 1掺防盐蚀剂0.221 90.278 80.311 50.325 1图8为表面氯离子浓度随时间的变化曲线。由图8可以看出，内掺防盐蚀剂和无防盐蚀剂混凝土表面氯离子浓度均随侵蚀时间的增加呈指数增长趋势，其变化规律符合已有研究结果[13]。无防盐蚀剂混凝土表面氯离子浓度在30～60 d时增加较慢，60～90 d时增加较快，而内掺防盐蚀剂混凝土表面氯离子浓度在30～60 d时增加较快，60～90 d时增加较慢，这说明内掺防盐蚀剂使表面氯离子浓度分布规律发生了变化；90 d后内掺防盐蚀剂和无防盐蚀剂混凝土表面氯离子浓度都趋于稳定。

图8表面氯离子浓度随时间变化曲线

Fig.8Variation Curves of Surface Chloride Ion

Concentration with Time引入表面氯离子浓度降低系数β来评价防盐蚀剂对表面氯离子浓度的影响，即

β=Cs1-Cs2Cs1×100%（3）

式中：Cs1为无防盐蚀剂混凝土表面氯离子浓度；Cs2为内掺防盐蚀剂混凝土表面氯离子浓度。

将表4数据代入公式（3）可以计算得到β的数值，见表5。

由表5可以看出，60，90，180 d时混凝土表面氯离子浓度降低系数与30 d时相比差别较大，这是由

表5表面氯离子浓度降低系数

Tab.5Reduction Coefficients of Surface

Chloride Ion Concentrations不同浸泡时间（d）下的表面氯离子浓度降低系数/%306090180平均值/%32.0719.6519.3919.5522.67于试验误差造成的，此处忽略β随时间的变化，取其平均值作为内掺防盐蚀剂混凝土的表面氯离子浓度降低系数，即β=22.67%。

根据试验得到的氯离子扩散系数降低系数α和表面氯离子浓度降低系数β的数值，并结合钢筋混凝土结构耐久性寿命计算的相关理论，可以计算得到内掺防盐蚀剂混凝土的抗氯离子侵蚀耐久性的使用寿命。3内掺防盐蚀剂输变电基础的寿命预测3.1氯离子侵蚀输变电基础寿命预测

钢筋混凝土结构的使用寿命是指钢筋混凝土结构从建成使用开始到结构失效的时间过程，一般认为是由腐蚀诱导期、腐蚀发展期和腐蚀失效期3个阶段组成[14]。

氯盐环境下腐蚀诱导期ti表示从混凝土结构暴露于氯盐环境到混凝土中钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度所需要的时间；腐蚀发展期tc表示从钢筋锈蚀到混凝土保护层形成贯穿裂缝所需要的时间；腐蚀失效期较短，一般可忽略不计。

学术界一般将腐蚀诱导期寿命作为混凝土的设计寿命[1516]，但这种计算方法忽略了腐蚀发展期，计算结果过于保守。本文将腐蚀诱导期和腐蚀发展期这2个阶段的寿命定义为输变电基础的使用寿命，如图9所示，则输变电基础的使用寿命tcr可以表示为

tcr=ti+tc（4）

图9输变电基础的使用寿命

Fig.9Service Life of Power Transmission and

Transformation Foundation3.1.1腐蚀诱导期

本文忽略氯离子扩散系数随时间的变化，求解式（1）可得到腐蚀诱导期ti的计算公式为

ti=x24D[erf-1（1-CcrCs）]-2（5）

式中：Ccr为引起钢筋锈蚀的氯离子临界浓度。

3.1.2腐蚀发展期

腐蚀发展期tc可通过下式进行简化计算[17]，即

tc=δcrλ（6）

式中：δcr为混凝土保护层开裂时钢筋的临界锈蚀深度；λ为氯离子侵蚀环境下混凝土保护层开裂前钢筋的平均锈蚀速率。

钢筋的临界锈蚀深度可通过下式计算得到[17]

δcr=0.012xd0+0.000 84fcu，k+0.018（7）

式中：d0为钢筋锈蚀前的直径；fcu，k为混凝土抗压强度标准值。

钢筋的平均锈蚀速率为[17]

λ=0.011 6i（8）

式中：i为钢筋的锈蚀电流密度。

对于锈蚀电流密度，Liu等[18]通过对混凝土内钢筋锈蚀速率、钢筋表面氯离子浓度、温度以及混凝土电阻率进行回归分析，得到其表达式为

i=0.926exp[7.98+0.777 1ln（1.69C）-3 006T-

0.000 116R+2.24t-0.215]（9）

式中：C为钢筋周围氯离子浓度，可以通过式（1）进行计算；T为钢筋表面的温度；t为钢筋锈蚀时间；R为混凝土保护层的电阻。

R可以表示为[19]

R=exp[8.03-0.549ln（1+1.69C）]（10）

假设内掺防盐蚀剂不会对混凝土保护层的电阻和腐蚀电流产生影响，则将式（7）～（10）代入式（6），可以求得腐蚀发展期tc。

3.2内掺防盐蚀剂对输变电基础使用寿命的影响

设某输变电基础的混凝土强度等级为C25，混凝土保护层厚度x=30 mm，纵筋直径d0=20 mm。无防盐蚀剂时，氯离子扩散系数D=2.0×10-12 m2·s-1；混凝土表面氯离子浓度和临界氯离子浓度与结构所处的环境和水胶比等因素有关，采用文献[20]中的混凝土表面氯离子浓度确定方法，取Cs=0.54%，Ccr=0.22%，同时按照试验结果取α=31.3%，β=22.67%。

经过计算可得：无防盐蚀剂时，输变电基础的腐蚀诱导期寿命ti=14.3年，腐蚀发展期寿命tc=1.8年；内掺防盐蚀剂时，腐蚀诱导期寿命t′i=37.2年，腐蚀发展期寿命t′c=2年。

由计算结果可以看出：内掺防盐蚀剂可以使输变电基础的使用寿命提高22.9年，使其腐蚀诱导期寿命提高1.6倍，这表明内掺防盐蚀剂可以较大程度地提高输变电基础的腐蚀诱导期寿命，但对腐蚀发展期的寿命影响并不明显。4结语

（1）混凝土试件内部的氯离子浓度随侵蚀深度的增加而降低，分布规律符合Fick第二定律。

（2）对于混凝土强度等级为C25的混凝土试件，内掺防盐蚀剂使混凝土结构的氯离子扩散系数降低31.3%，使混凝土表面氯离子浓度降低22.67%。

（3）内掺防盐蚀剂可以有效降低氯离子对混凝土的侵蚀速率，从而延长输变电基础的腐蚀诱导期寿命，但对腐蚀发展期的寿命影响不大。参考文献：

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