混凝土氯离子扩散系数试验研究_杨进波

建　筑　材　料　学　报

JOURNALOFBUILDINGMATERIALS

Vol.10,No.2Apr.,2007

　　文章编号:1007-9629(2007)02-0223-07

混凝土氯离子扩散系数试验研究

杨进波1,　FolkerH.WITTMANN2,　赵铁军2,　阎培渝1

(1.清华大学土木工程系,北京100084;2.青岛理工大学耐久性研究中心,山东青岛266033)

摘要:采用Cl-电迁移方法、交流电导率测定和Cl-自然扩散方法研究了一系列不同龄期混凝土的Cl-传输特性,分析了影响混凝土Cl-扩散系数的主要因素,比较了混凝土的交流电导率与Cl-扩散系数的关系以及电加速对Cl-扩散系数的影响.结果表明,在饱水状态下,混凝土的孔隙率和孔结构是影响其Cl-扩散系数的主要因素.混凝土的交流电导率不能直接与Cl-扩散系数相互换算,Cl-电迁移试验结果接近自然扩散试验结果的4倍,而自然扩散箱试验更接近自然扩散过程.电加速试验结果应根据自然扩散试验进行修正.关键词:Cl-扩散系数;电加速试验;自然扩散试验;耐久性;使用寿命中图分类号:TU528.01　　　文献标识码:A

ExperimentalResearchofChlorideDiffusionCoefficientinConcrete

YANGJin-bo,　FolkerH.WITTMANN,　ZHAOTie-jun,　YANPei-yu

(1.DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.CentreforDurabilityStudies,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China)

1

2

2

1

Abstract:Thediffusioncoefficientofchlorideionisoneofthemostimportantparameterstoesti-matethedurabilityofconcretestructures.Recently,therefore,manyelectro-migrationtestsmethodshavebeendevelopedtoevaluatethediffusivityofchlorideioninconcrete.Inthiscom-parativestudychloridemigrationwasstudiedbymeansofthreedifferentmethods.Resultsoftherapidchloridemigrationtest,thealternatingcurrenttest,andthesimplediffusioncellarepres-entedanddiscussed.Theexperimentalresultsshowthatinwatersaturatedcondition,thediffu-sioncoefficientofchlorideiondependsontheporosityandporestructureofconcrete.Itturnsoutthattherapidchloridemigrationtestoverestimateschloridepenetrationbyafactorofnearlyfour.Electricalconductivityasmeasuredwiththealternatingcurrenttestisnotadirectindica-tionofchloridediffusion.Thesimplediffusioncellprovidesuswithmostreliablevaluestopre-dictchloridediffusioninconcrete.Resultsofthesimplediffusiontestmayprovideabasisforcor-rectionofresultsobtainedbyelectro-migrationmethods.

Keywords:chloridediffusioncoefficient;electro-migrationtests;diffusioncell;durability;serv-icelife

　　混凝土碳化和Cl腐蚀是引起混凝土构件破坏的两个重要原因,会引起混凝土耐久性问题,大大降低混凝土结构的使用寿命.对已破损混凝土结构的修复与维护往往会带来巨大的经济损失和

收稿日期:2006-04-10;修订日期:2006-05-24

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50378045);国家自然科学基金重点资助项目(50538060)作者简介:杨进波(1978-),男,吉林白山人,清华大学博士生,Email:jb-yang05@mails.tsinghua.edu.cn.

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生态环境问题.相对于碳化过程,Cl侵蚀过程更加复杂,很难用单一的数学模型加以预测.混凝土构件表面一旦与氯盐环境接触,Cl首先通过毛细管吸收和对流作用侵入混凝土内部

--[1]

,且很快达

到20～30mm的深度.尽管混凝土表面防水剂处理可以建立一层有效的Cl栅栏,通过其离子过滤作用降低侵入混凝土中的Cl-数量[1-3],但是侵入混凝土的Cl-仍将通过孔溶液继续侵入混凝土内部.扩散速度相对较慢,主要与混凝土的孔溶液、孔结构和内部湿度有关.

由于碳化和温度、湿度变化等外界环境作用,Cl-扩散过程十分复杂[4],仅仅根据Cl-扩散系数来评价混凝土结构耐久性是不够的.但是,作为评价混凝土结构耐久性的基本参数之一,测定混凝土的Cl扩散系数具有重要意义.目前评价混凝土的Cl传输特性的试验方法很多

--[5～9]

,本文采用

两种电加速方法和Cl-自然扩散方法研究了一系列不同龄期混凝土的Cl-传输特性,分析了影响混凝土Cl-扩散系数的主要因素,比较了交流电阻与Cl-扩散系数的关系以及电场对Cl-扩散过程的影响.试验测定的Cl-扩散系数只能在混凝土内部湿度确定的条件下,分析评价侵入混凝土内部Cl-的传输过程.

1　试验材料与试验方法

1.1　混凝土配合比及试件制备

试验用混凝土为普通混凝土,由花岗岩碎石、砂子、水泥和水组成.所有原材料均来自青岛.砂的细度模数2.48,属于中砂,级配合格,属Ⅱ区;水泥为32.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰选用青岛电厂产的Ⅱ级原状灰;水为自来水;减水剂为萘系减水剂.混凝土配合比共2个系列,见表1,2.第1系列混凝土未掺粉煤灰,水胶比分别为0.35,0.40,0.45,0.50,0.55,0.60(质量比);第2系列混凝土水胶比为0.50,粉煤灰掺量分别为10%,15%,20%,25%,30%(质量分数,以水泥质量计).混凝土基本性能见表3,混凝土孔隙率用汞压法测定.

表1　第1系列混凝土配合比

Table1　CompositionofconcretepreparedwithordinaryPortlandcement(firstseries)

Typeofconcrete

ABCDEF

mw/mb0.350.400.450.500.550.60

Mixproportion/(kg m-3)

Water140160180200220240

Cement400400400400400400

Coarseaggregate

120012001200120012001200

Fineaggregate

600600600600600600

SP7.507.004.003.0000

表2　第2系列混凝土配合比

Table2　Compositionofconcretecontainingflyashcement(secondseries)

Typeofconcrete

DF10DF15DF20DF25DF30

mw/mb0.500.500.500.500.50

Mixproportion/(kg m-3)

Water200200200200200

Cement360340320300280

Flyash406080100120

Coarseaggregate

12001200120012001200

Fineaggregate

600600600600600

SP2.632.632.632.632.63

　　按设计配合比计算材料用量,称取各种原材料,在竖轴强制式混凝土搅拌机中搅拌,先加入石　第2期杨进波,等:混凝土氯离子扩散系数试验研究　　　

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子和砂,预拌少许时间(约10s),然后加入胶凝材料和水,继续搅拌,总搅拌时间为3min.将搅拌均

匀的混凝土装入400mm×200mm×400mm钢模中人工插捣成型.混凝土成型48h后拆模,表面撒水,用塑料薄膜覆盖,室内静置.14d后用取芯机取芯(尺寸为Υ100mm×200mm),取芯方向垂直于混凝土板浇注方向.将取出的圆柱体置于(20±3)℃、相对湿度≥90%的标准养护室中继续养护至试验时间.

表3　混凝土基本性能

Table3　Characteristicpropertiesoffreshandhardenedconcrete

TypeofConcreteABCDEFDF10DF15DF20DF25DF30

Slumpoffreshconcrete/mm

1015020020025606020604040

Compressivestrengthofhardenedconcrete/MPa28d57.252.949.341.631.328.835.835.130.929.231.7

60d71.169.257.751.542.737.045.540.835.235.638.2

90d73.465.161.049.540.536.145.746.139.741.042.9

Totalporosity/%

9.1310.9210.1417.4518.5019.3018.1416.1114.4217.8419.80

1.2　Cl-电迁移试验(RCM法)

　　RCM法是一种电加速试验方法,试验装置简单方便,可以快速测定混凝土Cl扩散系数

[10～12]

-

.试验采用30V直流电,阳极溶液为0.2mol/L含5%(质量分数)NaCl的KOH溶液,阴

极溶液为0.2mol/L的KOH溶液.试验结束后在压力机上劈开试件,表面喷涂0.1mol/LAgNO3溶液,约15min后可观察到白色硝酸银沉淀.测量显色分界线离试件底面的距离,计算所得的平均值即为显色深度.将制备的200mm高圆柱体切割成厚50mm的试件,试件圆周面用石蜡密封,试验前将其真空饱水.

RCM法测定的混凝土Cl-扩散系数DRCM(m2/s)按下式计算

DRCM=RTLZFU

xd-αxd

t

(1)(2)

α=3.338×10-3TL式中:R为气体常数,8.314J K/mol;F为Faraday常数,96480J/(V mol);Z为Cl-的电荷数或价数;U为直流电压,30V;T为阳极溶液初始温度和最终温度的平均值,K;L为试件厚度,m;xd为Cl-扩散深度,m;t为通电试验时间,s;α为辅助变量.1.3　交流电测电导率试验

用高频低压交流电测量混凝土试件的电导率,以电导率反映混凝土抵抗Cl-渗透的能力,试验装置简单方便,试验时间短[13,14].试件尺寸及制备与1.2节相同,试验电压为1V,1000Hz交流电,通电1min后读取数值,计算混凝土电导率,试件两端为3%NaCl溶液.

混凝土电导率σ(S/m)按下式计算

σ=SAL

式中:S为试件电导,S;A为试件截面面积,m.2

(3)

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-

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1.4　Cl自然扩散箱试验

Cl-自然扩散箱试验被广泛用于测试各种多孔材料[15,16].本文试验扩散箱上游室为含5%NaCl的Ca(OH)2饱和溶液,下游室为Ca(OH)2饱和溶液.将制备的200mm高圆柱体切割成厚10mm的试件,试验龄期为90d,试验前将试件真空饱水.试验开始后,定时用离子电极法跟踪测定下游室Cl-浓度,绘制Cl-浓度与时间曲线,计算下游室Cl-浓度随时间的变化率b[g/(L S-1)].

Cl自然扩散箱测试的Cl扩散系数D(m/s)按下式计算

D=bVLc0A

液接触的面积,6.362×10-3m2.

(4)

--2

式中:V为下游室内溶液体积,1.0857×10-3m3;c0为上游室内Cl-初始浓度,g/L;A为试件与溶

2　试验结果与讨论

2.1　孔径分布

离子在多孔材料中的扩散与材料的孔隙率和孔结构有关,本文混凝土孔隙率与孔径分布试验由德国Karlsruhe研究中心完成,试验龄期为90d.部分试验结果见图1,2.由图1、表3可以看出,混凝土的孔隙率随水胶比增加而增加,而且大孔体积增加.由图2可见,掺加粉煤灰后,试件中孔径大于0.01μm的孔体积明显降低,孔径小于0.01μm的孔体积增加.由此可见,粉煤灰替代部分水泥可降低混凝土的Cl-扩散系数.

(a)A(b)F

图1　水胶比对孔径的影响

Fig.1　Influenceofwater-cementratioonporesizedistribution

(a)D(b)DF30

图2　粉煤灰掺量对孔径的影响

Fig.2　Influenceofadditionofflyash(FA)onporesizedistribution

2.2　Cl-电迁移试验(RCM法)

用RCM法测试不同配合比的混凝土,试件龄期分别为28,60,90d.取3块试件的平均值为每组试验的结果.图3为水胶比和龄期对混凝土Cl-扩散系数的影响.由图3可见,混凝土Cl-扩散系数随水胶比增加而增加,随龄期增长而降低.　第2期杨进波,等:混凝土氯离子扩散系数试验研究　　　

-

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　　图4为粉煤灰掺量和龄期对混凝土Cl扩散系数的影响,试件的水胶比均为0.50.由图4可

见,混凝土Cl-扩散系数随粉煤灰掺量增加而降低.当粉煤灰掺量为30%时,试件的Cl-扩散系数与水胶比为0.35的试件相近.这是由于掺加粉煤灰后,孔径大于0.01μm的孔体积降低,从而使混凝土Cl扩散系数降低.

-

图3　水胶比和龄期对混凝土Cl-扩散系数的影响Fig.3　Influenceofwater-binderratioandage

ofconcreteondiffusioncoefficient

图4　粉煤灰掺量和龄期对混凝土Cl-扩散系数的影响

Fig.4　Influenceofflyashcontentondiffusion

coefficient

2.3　交流电测混凝土电导率试验

用交流电测电导法测试不同配合比的混凝土,试件龄期分别为28,60,90d,取3块试件的平均值为每组试验的结果(见图5).由图5可以看出,混凝土电导率随水胶比增加而增加,随龄期增长而降低.应当指出,混凝土的电导率不仅与混凝土的孔隙率和孔结构有关,而且还受到孔溶液成分的影响.

　　图6为粉煤灰掺量和龄期对电导率的影响.由图6可以看出,电导率随粉煤灰掺量的增加而降低.但孔隙率并不是影响混凝土电导率的主要因素,因为由表3可以看出,混凝土的孔隙率随粉煤灰掺量的变化并不明显.假设电导元件为充满孔溶液的孔隙,那么随着孔径减小,导电路径变得曲折,从而使混凝土的电导率降低.

图5　水胶比和龄期对混凝土电导率的影响Fig.5　Influenceofwater-binderratioon

electricalconductivityofconcrete

图6　粉煤灰掺量和龄期对混凝土电导率的影响Fig.6　Influenceofflyashcontentonelectrical

conductivityofconcrete

　　由于混凝土电导率还受到Cl-扩散以外的很多因素影响,因此它不能直接反映混凝土的Cl-扩散过程.图7为用RCM法与交流电测混凝土电导率试验测试结果的关系图.从图7可以看出,两者有较好的相关性,但是离散性较大,图中的线性关系不能用来换算2种试验的结果.2.4　Cl-自然扩散箱试验

用Cl-自然扩散箱试验测试了3个水胶比为0.60的混凝土Cl-扩散系数,试件龄期为90d.图8为扩散箱下游室Cl浓度与时间的关系,用拟合直线斜率来表示Cl浓度随时间的变化率,3个试件的计算结果为2.75×10-12,3.56×10-12,4.05×10-12m2/s,平均值为3.45×10-12m2/s.与RCM的测试结果(12×10-12m2/s)相比约小4倍.Cl-自然扩散箱试验更接近Cl-自然扩散过--

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[17]

第10卷　

程,电加速试验方法结果往往高于自然扩散试验.与自然扩散相比,电极会导致溶液中的阴、阳离子向相反的电极迁移,水解作用会扩大孔隙,最终导致混凝土崩解[18～20].所以RCM试验测定的Cl-扩散系数较真实值要高,用它预测混凝土构件的使用寿命时要对其进行修正.

图7　RCM法与交流电测电导率试验的相关性Fig.7　Correlationbetweenelectricalconductivity

anddiffusioncoefficient

图8　扩散箱下游室Cl-浓度与时间的关系Fig.8　Evolutionofchlorideconcentrationindown-streamcellduringadiffusiontestonsamplesofconcretewithmw/mb=0.6

3　结论

混凝土Cl-扩散系数随水胶比的增加和龄期的增长而降低,且早期龄期的下降速度快.随着粉煤灰替代水泥量的增加,混凝土Cl-扩散系数降低,当水胶比为0.50,粉煤灰掺量为30%时,混凝土的Cl-扩散系数与水胶比为0.35、不掺粉煤灰的混凝土相近.

RCM法快速简单,但是电迁移机理不能等同于扩散机理,它测定的Cl-扩散系数接近自然扩散试验结果的4倍.考虑到本文自然扩散试验结果较少,RCM法与自然扩散试验之间的关系还有待于进一步研究.交流电测电导率试验与RCM法相比更加简单快速,但是混凝土电导率与Cl扩散系数间没有简单的直接换算关系.自然扩散箱试验能较真实地模拟Cl扩散过程,能提供准确的Cl扩散系数,因此可根据自然扩散试验结果修订RCM法等电加速试验结果.参考文献:

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