再生混凝土中氯离子传输性能研究

祁兵

摘 要：笔者主要研究再生混凝土中氯离子传输随侵蚀周期的变化规律。将试件放置于质量分数为3.5%的氯化钠溶液中，侵蚀周期达到设计条件时，利用电位滴定仪測定再生混凝土内不同深度处的氯离子含量，并对扩散系数以及结合能力进一步分析。分析试验结果表明，氯离子含量随着侵蚀周期的增加而变大，而扩散系数以及结合能力则相反。再生骨料完全取代天然骨料后会加快氯离子传输。

关键词：耐久性;氯离子;再生混凝土

中图分类号：TU528     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）12-0087-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.018

Study on Chloride Ion Transport Performance in Recycled Concrete

QI  Bing

（ Shanghai Shimao Yixin Real Estate Co.， Ltd.， Shanghai 200127， China）

Abstract： The author studies the variation law of chloride ion transmission in recycled concrete with erosion cycle. The test pieces was placed in mass fraction 3.5% sodium chloride solution. When the erosion cycle reached the design conditions， the potentiometric titrator was used to measure the chloride ion concentration at different depths in the recycled concrete， and the diffusion coefficient and bonding capacity was further analyzed. The results show that the chloride ion content increases with the increase of erosion cycle， while the diffusion coefficient and binding capacity are opposite. When recycled aggregate completely replaces natural aggregate， chloride ion transmission will be accelerated.

Keywords： durability; chloride ion; recycled concrete

0 引言

随着建筑废弃物问题的日益加剧，废弃资源的循环利用尤为重要。再生混凝土是利用再生材料取代天然材料的一种新型混凝土[1]。研究者们对氯离子传输行为的研究成果较多，但对于再生混凝土中氯离子传输性能的研究较少。再生混凝土中氯离子传输性能的研究仍须基于其自身材料特性以及环境因素进一步探讨。笔者以再生混凝土为研究对象，即用再生粗骨料完全取代天然粗骨料，在考虑材料、环境因素的基础上，研究了其在氯化钠溶液侵蚀下的氯离子传输规律。基于普通混凝土氯离子传输的基础研究成果[2-4]，对氯离子在再生混凝土中的传输性能进一步研究。试验测定不同侵蚀周期内试件中的氯离子含量，利用Matlab软件计算相应的扩散系数，并建立水溶和酸溶氯离子含量数值关系。

1 试验进程

1.1 配合比设计

水泥采用P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，Ⅱ类再生粗骨料[5]，天然中砂。依据再生混凝土配合比设计规程要求[6-7]，最终得到再生混凝土配合比，如表1所示。

1.2 试件准备

本研究仅考虑一维尺度上氯离子在再生混凝土中的传输规律。混凝土试件为长方体，长、宽、高分别为280 mm、70 mm、70 mm，仅预留2底面（70 mm×70 mm）作为氯化钠溶液侵蚀面，将试件其余4面进行密封处理，尽量减少水化对氯离子传输的影响，试件标准养护60 d后，放置于质量分数为3.5%的氯化钠溶液中，在侵蚀30 d、90 d、180 d、270 d后分别取样。

1.3 测试方法

1.3.1 氯离子含量测定。本研究主要测定4个不同深度（0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm）处氯离子含量。钻取上述不同深度处样品粉末并烘干过筛（筛孔直径0.15 mm）。采用电位滴定仪进行滴定。具体测试方法如下。

①将2 g左右粉末置于锥形瓶中，称重并记录粉末质量m，g。

②加入50 mL溶液对样品粉末进行浸泡，测定水溶（自由）氯离子含量时，浸泡溶液为蒸馏水，测定酸溶（总）氯离子含量时，浸泡溶液为稀硝酸溶液。

③浸泡24 h并过滤，移取10 mL过滤后的溶液进行滴定。采用0.025 mol/L AgNO3溶液进行滴定。记录消耗的AgNO3溶液的体积V1，mL。氯离子含量计算公式为式（1）。

1.3.2 扩散系数计算。再生混凝土中氯离子传输方式与普通混凝土一致，基于传输理论[8-9]，可用式（2）计算扩散系数。

式中：[cx，t]为与侵蚀时间和深度相关的含量方程;[cs]为表面氯离子含量;[D]为氯离子扩散系数;[erf]为误差函数。

2 结果和讨论

2.1 再生混凝土中氯离子含量

在不同侵蚀周期内，试件中氯离子含量分布如图1所示。从图1可以看出，氯离子含量随侵蚀周期的增加而变大，且随着取样深度的增加而变小，这与之前普通混凝土氯离子传输规律一致。这表明再生混凝土中氯離子含量与侵蚀时间呈正向相关，与取样深度呈负向相关，与普通混凝土研究结果基本一致。在侵蚀30 d、270 d时，0～5 mm处水溶氯离子含量分别为0.272%、0.523%，酸溶氯离子含量分别为0.353%、0.657%。虽然随着侵蚀周期的增加氯离子含量增量较大，但氯离子含量绝对值较小，其传输速度较慢。

2.2 再生混凝土中氯离子扩散系数

上述研究结果表明，在长期浸泡条件下，氯离子传输速度相对较慢。因此，为更准确地描述再生混凝土中氯离子的传输规律，在试验数据的基础上进行理论推导。在上文水溶氯离子含量结果的基础上，可用式（2）计算氯离子扩散系数。由于式（2）中[cs]和[D]均为未知参数，可设定误差函数为限制条件，利用Matlab软件进行求解，计算结果如图2所示。再生混凝土试件在侵蚀30 d后扩散系数为8.70×10−12 m2/s，在侵蚀270 d后扩散系数为4.26×10−12 m2/s，可以发现氯离子扩散系数随侵蚀周期的增加有明显降低。

2.3 再生混凝土氯离子结合能力

氯离子进入混凝土内部后，部分氯离子会以物理或者化学方式结合，物理吸附主要是孔结构吸附，结合较弱，化学结合主要是发生化学反应生成Friedel's盐，结合较强。结合氯离子会在一定程度上影响氯离子的传输[10-11]，通常酸溶氯离子含量（[Ca]）为结合氯离子含量（[Cb]）与水溶氯离子含量（[Cw]）之和，结合氯离子含量[Cb=Ca−Cw]。混凝土氯离子结合能力[R=Cb/Cw]，将上述结合氯离子含量关系式代入后可得出酸溶氯离子含量和水溶氯离子含量关系，即[Ca=（1+R）Cw]。

再生混凝土酸溶氯离子含量与水溶氯离子含量的关系拟合结果如图3所示。由图3可以看出，酸溶氯离子含量和水溶氯离子含量有较好的线性关系，具体拟合方程及数据见表2。由表2可知，再生混凝土试件酸溶氯离子含量与水溶氯离子含量拟合方程相关系数在0.900 0以上，表明具有良好的线性拟合关系。在侵蚀30 d时，氯离子结合能力为0.351 9，在侵蚀270 d时，氯离子结合能力为0.332 4。由此可以看出，随着侵蚀时间的增加，氯离子结合能力有明显的下降趋势，主要原因是可用于化学结合的产物随侵蚀时间而减少。

3 结论

①在氯化钠溶液长期浸泡侵蚀下，再生混凝土试件中，无论水溶氯离子含量或酸溶氯离子含量均随侵蚀时间的增加而增大，呈现较好的正向相关关系，但随取样深度的增加而减小，呈现明显的反向相关关系。再生混凝土仅是骨料的变化，并未对混凝土中氯离子传输造成根本性改变。

②利用Matlab可以计算出再生混凝土试件中氯离子表观含量，氯离子扩散系数随侵蚀时间的增加而降低，呈现较为明显的反向相关关系。且与普通混凝土相比，再生混凝土试件中氯离子的传输抗性较差。

③再生混凝土试件中氯离子结合能力表现为酸溶氯离子含量与水溶氯离子含量的线性关系，相关系数较高，且氯离子结合能力随侵蚀时间的增加而降低，呈现出反向相关关系。

参考文献：

[1] 肖建庄.再生混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] ANDERS K A，BERGSMA B P，HANSSON C M. Chloride concentration in the pore solution of Portland cement paste and Portland cement concrete [J]. Cement and Concrete Research，2014，63：35-37.

[3] CONCIATORI D， SADOUKI H， BRUHWILER E. Capillary suction and diffusion model for chloride ingress into concrete[J].Cement and Concrete Research，2008，38（12）：1401-1408.

[4] YU L，FRANCOIS R，DANG V H，et al. Development of chloride-induced corrosion in pre-cracked RC beams under sustained loading：Effect of load-induced cracks，concrete cover，and exposure conditions [J]. Cement and Concrete Research，2015，67：246-258.

[5] 住房和城乡建设部.混凝土用再生粗骨料：GB/T 25177—2010 [S].北京：中国标准出版社，2010.

[6] 住房和城乡建设部.再生骨料应用技术规程：JGJ/T 240—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[7] 住房和城乡建设部.普通混凝土配合比设计规程：JGJ/T 55—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[8] FANAHASHI M. Predicting corrosion free service life of a concrete structure in a chloride environment [J].ACI Materials Journal，1990，87：581-587.

[9] West R E，HIME W G. Chloride profiles in salty concrete [J].Materials Performance，1985，24：29-36.

[10] PREZZI M，GEYSKENS P，MONTERIRO P J M. Reliability approach to service life prediction of concrete exposed to marine environments[J]. ACI Materials Journal， 1996，93（6）：544-552.

[11] FLOREA M V A，BROUWERS H J H. Chloride binding related to hydration products Part I：Ordinary Portland Cement [J]. Cement and Concrete Research，2012，42（2）：282-290.