1、冻融循环对混凝土氯离子扩散系数的影响摘要： 采用盐湖卤水分别进行长期浸泡和冻融循环试验, 定期检测了混凝土不同深度的自由氯离子含量，应用二维氯离子扩散定律和Fick 第二定律计算了混凝土氯离子扩散系数和混凝土的寿命寿命， 分析了混凝土强度和试验环境对表面氯离子扩散系数的影响。结果表明，氯离子扩散系数随着混凝土的强度增大而降低，与长期浸泡相比，冻融循环加速了混凝土表面氯离子扩散系数，在盐湖环境下采用高强混凝土是提高混凝土耐久性的有效方法。 关键词：盐湖卤水;混凝土;氯离子扩散系数;寿命预测 中图分类号：TU 528.0 文献标志码：A 收稿日期： 修回日期： Influence of freez
2、e-thaw cycle on Concrete diffusion coefficient WANG Bo1,ZHANG Fengquan2, LI Chang cheng3 (1.Road Bureau of Yan Bian , JiLin Yan Bian, 133001; Transportation Bureau of Yan Bian , JiLin Yan Bian, 133002; 3.JiLin Communication Polytechnic, Chang chun, 130012) Abstract: Immersion and freeze-thaw cycle i
3、n salt lake brine was adopted to periodically test chloride ion content at different depths of concrete and concrete chloride diffusion coefficient and concrete life was computed with Fick second low and 2-D chloride diffusion model. Effect of water to cement ratio and test condition on concrete chl
4、oride diffusion coefficient were also analyzed. Test result showed that chloride ion diffusion coefficient is increase with the increase of concrete strength; freeze-thaw cycle accelerate chloride ion diffusion coefficient comparation with immersion, High strength concrete as an effective method to
5、improve concrete life in salt lake enviroment Key words: salt lake brine ; concrete ; chloride diffusion coefficient ; service life predication 在氯盐环境下的钢筋混凝土结构早期破坏的主要原因是环境中的氯离子进入钢筋混凝土结构内部引发钢筋锈蚀，钢筋体积膨胀引发混凝土表面剥落、截面变小、承载力下降。根据美国的统计, 在所有结构耐久性破坏中, 钢筋腐蚀破坏可占到 55%。英国调查统计了 271 项混凝土工程劣化破坏事例, 环境氯盐锈蚀占 33%。因此氯离子扩
6、散能力是混凝土耐久性研究的热点 12。目前对氯离子扩散系数的试验方法很多，最常用的是长期浸泡法，但周期很长，因此冻融循环和冻融循环成为研究混凝土氯离子扩散的主要方法。但对于两者之间的氯离子扩散系数的对比的报道还不多见。基于此，本文采用青海察尔汗盐湖卤水作为腐蚀溶液，分别进行长期浸泡和冻融循环，定期测定三种试验环境下的氯离子扩散系数，通过对比选择更适合盐湖地区混凝土氯离子扩散系数测定方法，并利用 Fick 第二定律对混凝土使用寿命进行了预测。 1 试验计划 1.1 原材料 湖北黄石水泥厂生产的华新牌 P.52.5 硅酸盐水泥。镇江谏壁电厂华源级粉煤灰。江苏江南粉磨公司生产的 S95 级磨细矿渣，
7、比表面积461 m2/kg。胶凝材料化学成分见表 1。兰州产河砂， 区级配，中砂细度模数为 2.5。甘肃省临洮河口产石灰岩碎石，520mm 连续级配,最大粒径 20mm。饮用水。江苏省苏博特 PCA（I）聚羧酸类高性能减水剂，减水率达 20%以上。试件的尺寸为 500mm100mm75mm 表 1 胶凝材料的化学成分 名称 SiO2 Al2O3 CaO MgO SO3 Fe2O3 MnO TiO2 Na2O K2O 水泥 21.35 4.67 62.60 3.08 2.25 3.31 1.2 配合比 选用水胶比分别为 0.53、0.35 和 0.23 的三种不同混凝土的配合比、坍落度及 28d
8、 抗压强度见表 2。 表 2 混凝土配合比及抗压强度 编号 W/B 混凝土配合比/(kg/m3) 坍落度 /mm 28d 抗压强度/MPa 水泥 砂 碎石 PCA （I） 水 C30 0.53 368.0 735 1103 195 75 31.3 C50 0.35 412 687 1145 1.42 160 65 58.6 C80 0.23 531.0 708 1062 5.85 136 200 80.6 1.3 试验步骤 1.3.1 试验方法 腐蚀溶液是从青海察尔汗盐湖运回的盐湖卤水，用等离子光谱测定的化学成分件见表 3。 表 3 青海察尔汗盐湖卤水化学成分 名称 Na+ K+ Mg2+ C
9、a2+ Cl- SO42- HCO3- CO32- 含量/( mg/L) 68360 5977.8 35130 4241 204209 22290 127.4 171.6混凝土梁成型后经过标准养护 28d 后，在盐湖卤水中进行冻融循环试验。冻融循环为快速冻融试验。 1.3.2 混凝土取样和氯离子分析测试 钢筋混凝土梁分别置于试验室盐湖卤水中进行试验，腐蚀时间分别为 90d、180d、270d、360d、450d 和 540d 后，将混凝土梁运回试验室，80烘干 24h 后，冷却到室温后，用钻头对干燥的钢筋混凝土构件分层取样，深度依次为 05mm、510mm、1015mm、1520mm 和202
10、5mm。每个构件钻孔的数量为 8 个，对于收集的混凝土粉末，用孔径 0.16mm 的方孔筛过筛，以除去粗颗粒。自由氯离子浓度（Cf）采用水溶法溶样，其化学分析方法参照国家交通部标准 JTJ270-98水运工程混凝土试验规程3。 图 1 钻孔位置布置图(mm) 图 2 二维氯离子扩散模型 采用 Fick 第二定律推导的二维氯离子扩散理论模型4： (1) 式中，L1、L2 分别为混凝土梁构件截面的宽度和厚度；t 是混凝土暴露于 Cl-环境中的时间；x 和 z 分别为 L1 和 L2 方向的扩散深度；Cf是 t 时刻(x, z)坐标位置处的自由 Cl-浓度；C0 是混凝土内部初始 Cl-浓度；CS
11、是混凝土表面 Cl-浓度，按照实测的 Cf -y 之间的一元二次多项回归式计算确定；m、n、p 为计算时的迭代次数；Dt 为 t 时刻的混凝土表观 Cl-扩散系数，利用 SAS 软件计算得出，计算时取 L1= 100mm、L2= 75mm，C0=0 、x=30 mm、z=40mm，y 分别为 2.5 mm、7.5 mm、12.5 mm、17.5mm 和 22.5mm。 2.试验结果 各混凝土梁在试验 540d 后，测定的不同深度自由氯离子含量如图 3所示：从图 3 可知，各钢筋混凝土氯离子含量随着扩散深度的增加而减少，附和氯离子变化规律，可用（1）计算氯离子扩散系数。 a)C30 b)C50
12、c)C80 图 3 氯离子浓度随扩散深度变化图 3.试验结果分析 利用式（1）可计算出各混凝土在不同试验环境下的氯离子扩散系数见图 4 和图 5。 3.1 抗压强度对表观氯离子扩散系数的影响 由图 4 是氯离子扩散系数与抗压强度的关系，从图 4 可知，氯离子的扩散系数随着水灰比的增大而增大，在浸泡环境下，C30 的表面氯离子扩散系数为 2.239E-9m2/s，C50 和 C80 混凝土表面氯离子扩散系数分别为 C30 的 0.94 和 0.64 倍；在冻融循环环境下，C30 的表面氯离子扩散系数为 3.016E-9m2/s，C50 和 C80 混凝土表面氯离子扩散系数分别为 C30的 0.9
13、2 和 0.71 倍。 3.2 试验环境对表观氯离子扩散系数的影响 由图 5 是氯离子扩散系数与试验环境的关系，从图 5 可知，与浸泡环境相比，施加冻融循环后，混凝土的氯离子扩散系数显著的增大。C30混凝土，在浸泡环境下氯离子扩散系数为 2.239E-9m2/s，冻融循环环境下混凝土表面氯离子扩散系数为浸泡环境的 1.30 倍；C50 混凝土，在浸泡环境下氯离子扩散系数为 2.183E-9m2/s，冻融循环环境下混凝土表面氯离子扩散系数分别为浸泡环境 1.27 倍；C80 混凝土，在浸泡环境下氯离子扩散系数为 1.492E-9m2/s，冻融循环环境下混凝土表面氯离子扩散系数分别为浸泡环境的 1
14、.43 倍。 图 4 氯离子扩散系数与抗压强度的关系 图 5 氯离子扩散系数与试验环境的关系 4.盐湖地区混凝土寿命预测 利用 Fick 第二定律修正公式5计算各混凝土在保护层厚度为 30mm情况下，在三种试验环境下的使用寿命： （2） 式中：tcr 是钢筋开始锈蚀的时间/a，CS 是腐蚀环境下表面氯离子含量/%，D0 是腐蚀环境下混凝土 1d 自由氯离子扩散系数/(mm2/s)，R 为氯离子结合能力取值 0.402，m 是时间依赖系数取值 0.64，Ccr 钢筋锈蚀的临界氯离子浓度取 0.5%。 图 6.混凝土在三种试验环境下的使用寿命 图 6 是混凝土在二种环境下的使用寿命如图 6 所示：
15、C30 混凝土在浸泡和冻融循环条件的使用寿命依次为：16.75a 和 5.62a；而 C50 在这二种环境下的使用寿命依次是 C30 的 1.57 倍和 1.82 倍； C80在这二种环境下的使用寿命依次是 C30 的 11.96 倍和 5.87 倍。因此在盐湖环境下采用高强混凝土是提高混凝土耐久性的有效方法；各混凝土在二种试验环境下，其使用寿命从大到小的顺序为：浸泡冻融循环。 5.结论 1）混凝土在二种试验环境下，自由氯离子含量均随着扩散的深度增加而降低，说明在盐湖卤水环境下可以使用二维氯离子扩散模型计算氯离子扩散系数 2）氯离子扩散系数随着水灰比的增大而增大，与浸泡环境相比，施加 35%荷
16、载和冻融循环都混凝土氯离子扩散性，冻融循环更显著，因此在盐湖环境下冻融循环是一种有效的试验方法。 3）利用 Fick 第二定律计算各混凝土在保护层厚度为 30mm 情况下，在二种试验环境下的混凝土的使用寿命；各混凝土在二种试验环境下，其使用寿命从大到小的顺序为：浸泡冻融循环；盐湖环境下采用高强混凝土是提高混凝土耐久性的有效方法。 参考文献： 1 张立明，余红发，何忠茂.盐湖地区混凝土的氯离子扩散性J.中南大学学报(自然科学版),2011,42(6):17521755 2Nelson Silva, Tang Luping , Sebastien Rauch. Application of LA-
17、ICP-MS for meso-scale chloride profilingin concreteJ. Materials and Structures, 2013, 46:13691381 3 JTJ270-1998, 水运工程混凝土试验规程S. 北京：人民交通出版社，1998:202-210 4余红发，孙伟，鄢良慧等. 混凝土使用寿命预测方法的研究 I-理论模型J. 硅酸盐学报, 2002, 30(6): 686-690. 5余红发，孙伟，麻海燕等. 混凝土使用寿命预测方法的研究-模型验证与应用 J. 硅酸盐学报, 2002, 30(6): 691-695.基金项目：浙江省自然科学基金项目(LY12E08003)；浙江省科技计划项目(2013C31011)； 作者简介：王波 (1972-)，本科，工程师，吉林延边公路管理处，研究方向：桥梁耐久性。
