混凝土孔结构及氯离子扩散

混凝土孔结构及氯离子扩散第1页，共30页，2023年，2月20日，星期一杭州湾大桥第2页，共30页，2023年，2月20日，星期一港珠澳大桥耐久性设计（全长50km）设计年限100年）第3页，共30页，2023年，2月20日，星期一实际混凝土结构耐久性破坏案例

美国某桥梁工程钢筋锈蚀破坏第4页，共30页，2023年，2月20日，星期一混凝土碳化与钢筋锈蚀第5页，共30页，2023年，2月20日，星期一发生的主要破坏情况钢筋锈蚀盐水侵蚀混凝土开裂第6页，共30页，2023年，2月20日，星期一融雪剂造成的混凝土路面破坏混凝土表面存在着大量的毛细孔及各种原因造成的细微裂缝，这些都是氯盐侵蚀混凝土的直接通道第7页，共30页，2023年，2月20日，星期一混凝土的孔结构和氯离子扩散模型硬化水泥浆体和混凝土是多孔材料。硬化水泥浆体和混凝土的许多工程性质,如:强度、收缩、渗透性等,都受到孔结构特征的影响。氯离子渗透到混凝土中会引起钢筋锈蚀而导致钢筋混凝土结构破坏。第8页，共30页，2023年，2月20日，星期一一、硬化水泥浆体的微观结构混凝土是由水泥浆体和包裹在水泥浆体中的粗骨料和细骨料组成的混合材料。通常,骨料的结构和性质是不随时间而变化的,然而,因为水泥颗粒与水之间的化学作用,硬化水泥浆体的结构是随着时间慢慢发展形成的。Powers指出:水化产物的体积约是它的反应物体积的1.6倍。因此,水化反应也是一个空隙填充过程。尽管影响水化反应和硬化水泥浆体结构的因素有很多,但初始水灰比和水化时间是两个最主要的影响因素。第9页，共30页，2023年，2月20日，星期一硬化水泥浆体中的孔隙包括凝胶孔、毛细孔和气孔。根据Powers理论分析，在硅酸盐水泥浆体中,凝胶孔大约占整个C一S一H凝胶体积的28%,孔径为1.5~2.0nm,与水分子的大小相近,所以水不能流过凝胶孔。扫描电子显微镜(SEM)不能分辨出凝胶孔,它包藏在C一S一H凝胶里面。毛细孔是新拌水泥浆体中最初由水占据,而后来又没有被水泥水化物填充的哪一部分空隙。气孔是振捣不密实或引入的气泡或两者共同作用而形成的。毛细孔通常是弯曲的细管,而气孔比毛细孔短而孔径大。下表列出了凝胶孔和毛细孔的分类以及它们对硬化水泥浆体性质的影响。第10页，共30页，2023年，2月20日，星期一第11页，共30页，2023年，2月20日，星期一水泥石中的毛细孔体积取决于水灰比和水泥水化程度，假定1cm3水泥完全水化产生2cm3水化产物，假定水泥的密度为3.14g/cm3，可计算出水泥石毛细孔隙率随不同水灰比的水泥石中水化程度而变化。——Mehta1）毛细孔:水泥石中没有被水化产物填充的那部分空间，其体积和尺寸主要取决于水泥颗粒组成、水灰比和水泥水化程度。水化良好的低水灰比水泥石中，毛细孔主要在10~50nm范围；高水灰比水泥石中，水化早期毛细孔可大至3~5μm。第12页，共30页，2023年，2月20日，星期一200cm3或66%150cm3或50%125cm3或42%毛细管孔隙水化龄期07d28d365d水化程度50%75%100%100cm3或33%水化产物未水化水泥300cm3结论一：在相同水灰比条件下，随着水化程度的增加，孔隙率减小第13页，共30页，2023年，2月20日，星期一320－200=120cm3或37%88cm3或30%57cm3或22%毛细管孔隙水灰比0.70.60.50.425cm3或11%水化产物300cm3总体积=100+100×3.14×0.7=320cm3总体积=257cm3总体积=288cm3总体积=225cm3结论二：在同等水化程度100%条件下，随着水灰比的增加，孔隙率减小通过计算发现，W/C=0.32时，毛细管孔隙率=0第14页，共30页，2023年，2月20日，星期一2）凝胶孔:凝胶体颗粒之间存在的细小孔隙(1.8nm

)，随水化龄期增长而增多，水泥完全水化时占胶体体积28%；Feldman和Sereda测定并认为细小孔隙距离为0.5~2.5nm。另外，有关文献给出硅酸盐水泥浆体的毛细孔孔隙率可以根据下式计算其中,W/C是水灰比,a是水泥的水化度。随着浆体的W/C增大,毛细孔孔隙率增大。W/C越大，毛细孔孔隙率越大，混凝土的渗透性越大。

在满足混凝土强度和工作性的条件下，应该采用较小的水灰比，减小混凝土的孔隙率，提高混凝土的抗透性第15页，共30页，2023年，2月20日，星期一Mehta教授按孔径大小将水泥混凝土中的孔大体分成小于4.5nm、4.5~50nm、50~100nm、大于100nm等4级。他认为，只有其中大于100nm的孔才影响混凝土的强度和渗透性。二、

孔径分布第16页，共30页，2023年，2月20日，星期一吴中伟院士根据孔径可分小于20nm、20~50nm、50~200nm、大于200nm等4级。其中孔径大于50nm以上的对混凝土强度和耐久性危害较大，小于20nm的孔隙对混凝土性能影响极微。第17页，共30页，2023年，2月20日，星期一28d不同水灰比混凝土孔径分布第18页，共30页，2023年，2月20日，星期一第19页，共30页，2023年，2月20日，星期一水泥石孔隙与渗透性间关系a)高孔隙，低渗透性

b)高孔隙，高渗透性c)高孔隙，无渗透性

d)低孔隙，高渗透性孔结构与渗透性间关系第20页，共30页，2023年，2月20日，星期一三、混凝土中的氯离子扩散模型

硬化水泥浆体和混凝土是多孔材料:海水或除冰盐中的氯离子能渗入混凝土中，主要通过以下五种机理向硬化混凝土中渗透和传输(I)静水压下的对流,(2)毛细管吸附作用,(3)扩散,(4)热迁移和(5)电迁移。

其中,扩散、对流、电迁移是主要的3种迁移方式,研究表明,对流主要发生在干湿交替区混凝土表层,电迁移只发生在含外加电场的结构,而扩散作用贯穿于混凝土结构主体,而且在对流和电迁移过程中也伴随着扩散作用,因而扩散成为主要的传输方式。此外,氯离子在扩散过程中还受表面氯离子浓度、胶凝材料吸附等多因素藕合的影响。因此,建立合适的扩散模型选择恰当方法求解,成为国内外学者研究的热点和重点问题之一。第21页，共30页，2023年，2月20日，星期一1.经典扩散模型1970年CollePardi等最先提倡用Fick第二扩散定律来描述氯离子在混凝土中的表观扩散行为,其基本假设如下:1）混凝土是半无限大的均匀介质;2）混凝土的扩散是一维的;3）

氯离子不与混凝土发生吸附和结合，即混凝土的氯离子结合能力为零；4）氯离子扩散系数是一个常数;5）边界条件即暴露表面的氯离子浓度是常数据此,Fick第二扩散定律的扩散方程为第22页，共30页，2023年，2月20日，星期一2.基于Fick第二定律描述混凝土氯离子扩散模型存在的理论问题Fick第二扩散定律的简单公式是基于一维的半无限大介质,考虑的条件过于理想化,对混凝土并没有普适意义.其实,实际混凝土的氯离子扩散过程难以用理想化模型描述,它并不满足Fick第二扩散定律的上述理论条件,主要存在8个方面的问题:第23页，共30页，2023年，2月20日，星期一1）混凝土是非均质材料,它在形成和使用过程中存在结构微缺陷或损伤;2）混凝土结构通常不是无限大的;3）实际结构一般有多个暴露面,即氯离子扩散不是一维的,往往是二维或三维的;4）氯离子扩散系数是随龄期而减小的;5）混凝土在荷载、环境和气候等因素作用下产生的结构微缺陷对氯离子扩散有加速作用;6）氯离子与混凝土发生了结合和吸附,即混凝土具有一定的氯离子结合能力;7）在较高的自由氯离子浓度范围内,混凝土的氯离子结合能力具有典型的非线性特征;8）

混凝土表面氯离子浓度(即边界条件)是随着时间推移而逐渐增加的动态变化过程,最终与环境介质的浓度相当,或达到平衡。第24页，共30页，2023年，2月20日，星期一考虑扩散系数的时间依赖性的Mangat理论模型考虑扩散系数的时间依赖性的Mage理论模型考虑线性函数和幂函数边界条件的Amey理论模型考虑指数函数边界条件的Kassi:理论模型欧洲DuraCrete项目的Mejlbro理论模型3.国外学者对Fick第二扩散定律的修正第25页，共30页，2023年，2月20日，星期一水灰比对硬化水泥浆体和混凝土渗透性的影响第26页，共30页，2023年，2月20日，星期一深圳大学刘军研究了砼氯离子扩散系数与孔结构的关系孔隙率、平均孔径与混凝土氯离子扩散系数的关系图国内学者的研究第27页，共30页，2023年，2月20日，星期一加载与未加载情况下受弯简支梁氯离子分布浙江大学金伟良研究了氯离子在受荷混凝土的传输第28页，共30页，2023年，2月20日，星期一4.目前国内外研究及存在的问题及研究方向目前，国内外对混凝土氯离子扩散的研究都建立在表观扩散模型基础上，包括上述的国外研究的修正模型都是在实验基础上对扩散系数的修正，对于氯离子传输的计算方法由于机理比较复杂