浅析受浓度差异海水腐蚀混凝土性能

杨 杰 贺文柏 肖 敏 李 晟

（中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖南 长沙 410018）

浅析受浓度差异海水腐蚀混凝土性能

杨 杰 贺文柏 肖 敏 李 晟

（中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖南 长沙 410018）

目前国内外都局限于研究普通混凝土在一种海水浓度腐蚀后的性能，然而对混凝土在不同浓度的海水中腐蚀的分析很少，基于海水主要成分，实验配置2、4、6倍人工海水对混凝土加速腐蚀，实验表明，在人工模拟海水环境中，不同浓度海水对混凝土抗压强度有一定的影响。

人工模拟海水；加速腐蚀；抗压强度腐蚀系数

1 引 言

海工工程混凝土耐久性的问题是讨论海洋工程建设中的关键问题，施惠生等[1]研究模拟过5倍海水中的氯离子对混凝土的腐蚀；牛荻涛等[2]探讨了CO2和Cl-对混凝土共同的作用；施锦杰等[3]提出造成混凝土中的钢筋腐蚀是氯离子的问题；今后的海工工程中钢筋腐蚀的保护应该在RCM电通量法检测、有限元模拟方面有所发展。试验综合上述研究方法且基于他们的研究成果，在0、2、4和6倍人工模拟海水浓度进行混凝土腐蚀对比试验，比较混凝土受海水腐蚀后抗压强度。

2 原材料及试验方法

2.1 试验方法

1）C40混凝土配合比见表1

表1 C40混凝土配合比

2）试件制作方法

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2003)制成试样，钢纤维掺入按《钢纤维混凝土设计与应用》加入。

3）人工模拟海水见表2

表2 人工模拟2倍海水化学成分

4)试验加载条件

按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中规定，C40混凝土试件加载速率是0.5MPa/s-0.8MPa/s,本试验加载速率 0.5MPa/s。

3 实验结果分析

图1 不同浓度海水腐蚀混凝土的抗压强度对比

3.1 从混凝土抗压强度腐蚀系数分析

本实验选用100t液压万能试验机，对150mm×150mm×150mm混凝土标准试件测试抗压强度。图1中所示，试验序号1～10分别表示普通混凝土在人工模拟海水0倍、2倍、4倍、6倍腐蚀三个月后的抗压强度，混凝土从破坏结果分析， 受海水腐蚀混凝土容易破坏，在相同的压力作用下，细骨料和粗骨料分离速度更快，坍塌现象更明显。

考虑试验过程中养护龄期对混凝土强度的影响，引入抗压腐蚀系数[4]。

式中：K-抗压腐蚀系数

Sn-人工模拟n倍海水混凝土的抗压强度值,n=2、4、6

S-同周期清水混凝土抗压强度值

图2 不同浓度海水抗压腐蚀系数比较

普通混凝土抗压腐蚀系数K如图2，对比分析，2倍、4倍和6倍浓度海水腐蚀混凝土的抗压强度平均腐蚀系数分别是 0.97、0.922 和 0.899，因为不同浓度海水对混凝土腐蚀具有不同腐蚀作用，所以海水浓度越高，抗压腐蚀系数会越低，

3.2 从氯离子化学、物理作用角度分析

在实际工程上，钢筋混凝土构件必须要设置一定厚度的混凝土保护层，由于环境介质中存在CO2、H2O、和Cl-，混凝土主要由CaCO3和Ca(OH)2组成，所以会发生化学作用。如：

目前混凝土保护层碳化深度主要应用Fick第一定律，如下

k-碳化系数，与温度、湿度和CO2浓度有关

由于混凝土的碳化作用，混凝土收缩会引起微小裂缝，形成新的混凝土裂缝边界与海水接触时，海水中Cl-会趁虚而入，Cl-和混凝土发生化学作用（5)和（6），如下

一方面，由于（5）式水化生成的CaO·CaCl2·15H2O会导致混凝土体积膨胀，表面开裂；另一方面，在（6）式水化生成沉淀Mg(OH)2，使混凝土碱性降低，混凝土发生分解性腐蚀。一定条件下，混凝土中未完全水化的铝酸三钙与氯盐反应生成不溶性“复盐”，但是这种“复盐”极不稳定，只有在强碱性环境下，“复盐”才能保持稳定。氯离子在破坏混凝土保护层过程中充当“搬运工”的角色，所以，氯离子腐蚀问题是实际海工工程中耐久性关键问题之一。对跨海大桥的桥墩，它与海水接触的区域可以分为水下区、浪溅区和大气区，水下区和大气区分别主要是Cl-和CO2作用，产生的危害较小，氯离子在钢筋混凝土接触钢筋时的扩散符合Fick第二定律[5]，如下

式中：Dcl-氯离子浓度（%）

T—时间（年）

X—位置（cm）

Dcl-扩散系数（cm2/s)

注：临界裂缝大于0.1mm时Fick第二定律失效

但是，浪溅区不但存在Cl-的物理、化学作用和CO2的化学作用，而且有海浪对裂缝界面的撞击作用。在这三种外力耦合作用下，混凝土保护层有效厚度不断被削弱，当钢筋混凝土构件中钢筋与Cl-、CO2接触后，钢筋表面会发生电化学腐蚀，如下，

阳极反应过程：

阴极反应过程：

钢筋的阳极区会生成Fe(OH)2，Fe(OH)2遇O2进一步氧化成Fe(OH)3，Fe(OH)3脱水后会形成疏松、多孔的Fe2O3，同时Fe2O3在混凝土保护层和钢筋之间产生膨胀应力，进一步产生新的裂缝，导致钢筋和混凝土粘结性能下降，钢筋混凝土性能提前失效。

4 结 语

从引进混凝土抗腐蚀系数出发，解释海水中氯离子从混凝土保护层表面侵蚀到钢筋的过程，系统的解释氯离子破坏混凝土物理作用、化学作用的过程，且试验证明海水对混凝土腐蚀作用后抗压性能有一定的影响，因为氯离子主要是消耗保护层碱性，破坏了混凝土内部碱性环境，容易导致粗骨料和细骨料分离，最终使混凝土强度降低。既然氯离子侵入混凝土与构件保护层有关，我们是否可以通过掺入一定比例的外加剂提高混凝土密实度进而抑制氯离子腐蚀？这一系列问题需要在今后的研究中仔细的思考。

[1]施惠生．氯离子含量对混凝土钢筋腐蚀的影响[J]．水泥技术，2009：23．

[2]牛荻涛．混凝土碳化与氯离子侵蚀共同作用研究[J]．水泥基材料，2013：1095．

[3]施锦杰．混凝土中钢筋腐蚀研究现状及热点分析[J]．硅酸盐学报，2014：1054．

[4]朱海堂．模拟工业废水对钢纤维混凝土的腐蚀试验研究[J]．东南大学学报，2010：203．

[5]杨小明．早龄期混凝土氯离子扩散特性的试验研究[J]．建材世界 ,2011:5．

Analysis on the performance of seawater corrosion concrete by concentration difference

At home and abroad are confined to the study of ordinary concrete in a concentration of seawater corrosion performance, however,analysis of the corrosion of concrete in different concentration in seawater is very few,the major constituents of seawater based on the experimental configuration 2,4,6 times of artificial seawater to accelerate the corrosion of concrete．The experiments show that in simulated seawater in the environment,different concentrations of sea water has a certain influence on the compressive strength of concrete．

artificial simulated seawater；accelerated corrosion；compressive strength corrosion coefficient

TU528．33文献辨识码：B

1003-8965(2017)01-0017-02

中南林业科技大学2016年度研究生科技创新基金学院自筹项目