楊蔚為,鄭永來,鄭 順

(同濟(jì)大學(xué) 水利工程系,上海 200092)

混凝土碳化對氯離子擴(kuò)散影響試驗(yàn)研究

楊蔚為,鄭永來,鄭 順

(同濟(jì)大學(xué) 水利工程系,上海 200092)

混凝土耐久性研究從環(huán)境層面分主要是碳化和氯離子擴(kuò)散兩個(gè)方面。碳化過程會(huì)改變混凝土的性質(zhì),影響氯離子擴(kuò)散。在相同養(yǎng)護(hù)條件下制成混凝土試件,試件在內(nèi)部環(huán)境條件相同的碳化箱中進(jìn)行不同程度碳化并測量碳化深度。采用標(biāo)準(zhǔn)電流電量法測量不同碳化深度混凝土試件的擴(kuò)散系數(shù),分析在其他條件相同的情況下碳化深度對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響及產(chǎn)生這種影響的原因。試驗(yàn)結(jié)果表明氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨碳化深度增加而增大。綜合分析碳化影響效應(yīng),碳化對于氯離子擴(kuò)散存在正反兩方面的影響。一方面碳化增加混凝土密實(shí)度,阻礙氯離子擴(kuò)散;另一方面碳化增加混凝土內(nèi)毛細(xì)孔數(shù)量且增加自由氯離子含量,促進(jìn)氯離子擴(kuò)散。實(shí)際情況下碳化對于氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響效應(yīng)取決于哪一方面的作用更具主導(dǎo)性。

混凝土耐久性;碳化;氯離子擴(kuò)散;電流電量法

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋與混凝土的優(yōu)點(diǎn),以其造價(jià)相對低廉的優(yōu)勢逐漸成為了當(dāng)今最常用的結(jié)構(gòu)型式。在混凝土材料運(yùn)用于土木工程的150多年來,出現(xiàn)了許多由于混凝土耐久性不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)提前失效的案例。尤其是一些近海工程結(jié)構(gòu),由于受到海洋環(huán)境腐蝕的影響,混凝土耐久性的重要性更需引起重視。耐久性不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效造成的損失往往是巨大的。例如:位于我國南方城市的湛江港于1956年建成一座碼頭,1963年調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)梁底部分有順筋銹裂,雖然于次年進(jìn)行一次修補(bǔ),但使用20年后發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重,底板混凝土因鋼筋銹蝕而大面積脫落,露筋面積占底板的21%,由于碼頭混凝土耐久性的嚴(yán)重不足,經(jīng)多方論證后不得不拆除了碼頭的上部結(jié)構(gòu),造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

我國混凝土耐久性研究始于20世紀(jì)60年代,至今已有50余年歷史?；炷聊途眯匝芯繌沫h(huán)境層面來分其影響主要包括混凝土碳化和氯離子侵蝕兩個(gè)方面。因而不少研究圍繞碳化與氯離子擴(kuò)散的關(guān)系展開。

鄭永來等[2]通過快速滲透試驗(yàn)測定完全碳化、部分碳化、完全未碳化3種混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù),得出碳化降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)的結(jié)論。龐超明等[3]使用自然浸泡法、RCM法和Permirt法分別觀測氯離子擴(kuò)散系數(shù),發(fā)現(xiàn)自然浸泡法中碳化使得表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大。采用RCM或Permit快速測試法,碳化使測得的擴(kuò)散系數(shù)降低。V.G.Papadakis[4]和柳俊哲等[5]通過對摻入一定量氯鹽的砂漿(或混凝土)進(jìn)行碳化研究,得出碳化促進(jìn)了Friedel鹽分解,加速氯離子在混凝土中滲透的結(jié)論。白軻等[6]按照RCM氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測定法發(fā)現(xiàn)碳化作用使混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯增大(增加將近1個(gè)數(shù)量級)。

碳化是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程,主要化學(xué)反應(yīng)式如下[1]:

碳化的過程改變了混凝土的密實(shí)度、孔隙結(jié)構(gòu)等性質(zhì)。對氯離子擴(kuò)散的影響非常復(fù)雜。不同試驗(yàn)環(huán)境與方法都可能對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。盡管前人圍繞這個(gè)問題開展了很多研究,但這些研究中鮮有專門針對氯離子的擴(kuò)散系數(shù)與其所對應(yīng)的具體碳化深度值之間關(guān)系的討論。

本文試件在相同溫度及濕度下養(yǎng)護(hù)而成,在同樣條件的碳化箱內(nèi)進(jìn)行不同程度的碳化。利用酚酞試劑測定不同混凝土試件的具體碳化深度值,使用相同濃度的溶液,采用標(biāo)準(zhǔn)電流電量法測定這些混凝土試件中氯離子的擴(kuò)散系數(shù),力求分析在其他條件相同的情況下碳化深度對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響及產(chǎn)生這種影響可能的原因。

試驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)電流電量法,其原理是通過施加外加電場達(dá)到加速氯離子擴(kuò)散的目的。外加電場加速氯離子擴(kuò)散的方法最初由D.Whiting[7]于1981年發(fā)明。由于此方法試驗(yàn)時(shí)間短,在試驗(yàn)室內(nèi)具有較強(qiáng)重復(fù)性。目前,標(biāo)準(zhǔn)電流電量法是美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明[8-9],該方法適用于所測電量較大的混凝土。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用混凝土試件材料為復(fù)合硅酸鹽水泥、普通河砂、天然礫石?；炷了褂盟酁镻·C 32.5,礫石直徑從5～20 mm不等,水灰比為0.5。經(jīng)強(qiáng)度檢測,混凝土標(biāo)號為C40,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后用于試驗(yàn)。試件尺寸為Φ100×50 mm。試件共10個(gè),分別編號1#～10#?；炷僚浔葹?水175.0 kg/m3,水泥350.0 kg/m3,礫石1 144.5 kg/m3,沙630.3 kg/m3。

1.1 快速碳化及碳化深度測量

碳化箱內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)為(20±3)%,相對濕度為(70±5)%,溫度為(20±3)℃。10個(gè)試件在碳化箱內(nèi)分別碳化10～13 d不等。由于混凝土呈堿性,酚酞試件遇堿性會(huì)變紅色。碳化完成后在試件上表面均勻滴酚酞試劑,從試件側(cè)面看不變色的區(qū)域即為已發(fā)生碳化的區(qū)域,得出1#～10#混凝土試件的碳化區(qū)域深度分別為25,19,30,22,24,18,19,25,27和21 mm,碳化率分別為50%,38%,60%,44%,48%,36%,38%,50%, 54%和42%。

1.2 電流電量法測氯離子擴(kuò)散系數(shù)

試驗(yàn)使用主要的設(shè)備為PROOVE′it ASTM C1202-08。測試前先把混凝土試件放在一個(gè)大容器中(容器蓋子上有閥門)。打開閥門,用氣泵抽氣3 h以使容器內(nèi)形成真空環(huán)境。之后通過軟管將蒸餾水抽入干燥容器內(nèi)直到試件完全浸沒于水中。繼續(xù)抽氣1 h后打開閥門讓空氣流入。試件再浸泡18 h后放空容器內(nèi)的水,取出試件,吸干表面。之后在混凝土試件周圍安裝橡膠墊圈。在墊圈的內(nèi)外兩側(cè)事先涂上三甲基硅油以防止漏水,將試件套上橡膠墊圈之后固定在兩個(gè)容器單元之間,檢查有無漏水現(xiàn)象。兩側(cè)容器單元分別灌注0.3 mol/L NaOH溶液和3.0%的Nacl溶液,前者通過導(dǎo)線連接設(shè)備的正極接口,后者連接設(shè)備負(fù)極接口。每隔5 min系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄一次電流讀數(shù),持續(xù)6 h。6 h后系統(tǒng)計(jì)算給出測量時(shí)間段內(nèi)通過試件的電量值。圖1為混凝土試件安裝圖,經(jīng)處理的試件固定在2個(gè)透明的容器單元之間,紅色導(dǎo)線所在容器單元內(nèi)為0.3 mol/L NaOH溶液,黑色導(dǎo)線所在容器單元內(nèi)為3.0%的Nacl溶液。圖2為導(dǎo)線與設(shè)備的連接情況。

圖1 混凝土試件安裝Fig.1 Concrete sample installation

圖2 導(dǎo)線與設(shè)備連接Fig.2 Wires connected with equipment

紅色導(dǎo)線連接設(shè)備正極接口,黑色導(dǎo)線連接設(shè)備負(fù)極接口。在6 h內(nèi)1#～10#試件通過的總電量值分別為:1 577,934,2 761,1 663,2 308,1 135,121,1 438,1 941和2 135 C?？梢?10個(gè)試件中7#試件測得的電量值異常,其值遠(yuǎn)小于其他試件測得的電量值。這可能是由于前期試件飽水不充分,導(dǎo)致混凝土導(dǎo)電性不夠引起的。數(shù)據(jù)分析中將其排除,只考慮剩余9組試件的碳化深度與氯離子擴(kuò)散的關(guān)系。

馮乃謙等[10]給出了氯離子擴(kuò)散系數(shù)與導(dǎo)電量的關(guān)系式:

由此計(jì)算得到的9組試件(1#～6#及8#～10#)所對應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)見表1。

表1 氯離子擴(kuò)散系數(shù)與碳化深度關(guān)系Tab.1 Relation between chloridion diffusion coefficients and carbonation depth

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

用Matlab軟件對碳化深度及氯離子擴(kuò)散系數(shù)(表1)進(jìn)行線性擬合,結(jié)果見圖3。氯離子擴(kuò)散系數(shù)D (10-8cm2/s)與碳化深度x(mm)大致滿足如下關(guān)系:

不同碳化深度的試件所對應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)并非是一個(gè)固定值。即使是相同的碳化深度,如1號試件和8號試件,他們所對應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)也會(huì)有所不同。這是由于氯離子擴(kuò)散受多方面因素影響。即便是相同條件下制作而成的試件,由于振搗不均勻等因素都有可能使試件內(nèi)的孔隙數(shù)量、分布情況等存在不同,這必然會(huì)一定程度上影響氯離子的擴(kuò)散。

從圖3的擬合情況來看。本試驗(yàn)中,對于部分碳化的混凝土試件,氯離子的擴(kuò)散系數(shù)整體趨勢是隨著試件碳化深度增大而增大。碳化深度最小為18 mm(36%碳化率),最大為30 mm(60%碳化率)。氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小為0.717 293× 10-8cm2/s(對應(yīng)19 mm碳化深度),最大為1.616 177× 10-8cm2/s(對應(yīng)30 mm碳化深度)。

氯離子擴(kuò)散系數(shù)歸根到底取決于氯離子含量以及混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。碳化過程中Ca(OH)2轉(zhuǎn)化成CaCO3使得混凝土密度提高。就這一層面來說,碳化對于氯離子的擴(kuò)散是起阻礙作用的。與此同時(shí),研究表明碳化過程中混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔數(shù)量增加[11],從而促進(jìn)混凝土內(nèi)部氯離子的擴(kuò)散。另外考慮混凝土對于氯離子的結(jié)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。則在碳化區(qū)參與上述化學(xué)反應(yīng)的Ca(OH)2含量減少,進(jìn)而導(dǎo)致與混凝土結(jié)合的氯離子變少,自由氯離子的含量增加。碳化區(qū)與未碳化區(qū)間的氯離子濃度梯度變大,氯離子的擴(kuò)散速度增加。

綜合來說,碳化對于氯離子擴(kuò)散存在正反兩方面的作用。衡量碳化對于氯離子擴(kuò)散影響是促進(jìn)還是阻礙,關(guān)鍵取決于兩方面作用中更具有主導(dǎo)性的那一面。本試驗(yàn)中,碳化的促進(jìn)作用占主導(dǎo),直觀表現(xiàn)為氯離子的擴(kuò)散系數(shù)隨著碳化深度增加而增大。

圖3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)與碳化深度關(guān)系Fig.3 Relationship between chloridion diffusion coefficients and carbonation depth

3 結(jié) 語

(1)不同碳化深度的試件所對應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)并非一個(gè)固定值。即使是相同的碳化深度,他們所對應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)也會(huì)有所不同。

(2)用標(biāo)準(zhǔn)電流電量法測定不同碳化深度混凝土中氯離子的擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明對于部分碳化混凝土,氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著碳化深度增加而增大。

(3)碳化對于氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響效應(yīng)有正反兩方面作用。一方面碳化增加混凝土密實(shí)度,阻礙氯離子擴(kuò)散;另一方面碳化增加混凝土內(nèi)毛細(xì)孔數(shù)量且增大自由氯離子含量,促進(jìn)氯離子擴(kuò)散。實(shí)際情況下碳化對于氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響效應(yīng)取決于哪一方面的作用更具有主導(dǎo)性。

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《水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)》編輯部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

楊蔚為(1989-),男,上海人,碩士研究生,主要從事混凝土耐久性及地下結(jié)構(gòu)抗震研究工作。E-mail:1232493@#edu.cn