外部环境对混凝土中氯离子扩散性能的影响

外部环境对混凝土中氯离子扩散性能的影响

氯离子岩进入混凝土的过程非常复杂，包括扩散、细水吸收和渗透等作用的组合。然而，在许多情况下，扩散是最重要的渗透形式。氯离子子在混凝土中的扩散是非线性和非稳定的。除了混凝土本身的性能外，它还受到组件的强度、裂缝、温度和湿度的影响。此外，氯盐和冷冻循环等外部条件对混凝土中的氯离子扩散也有一定的影响。1测试1.1指标测定指标水泥:华新水泥厂生产的堡垒牌32.5级矿渣水泥,其各项指标均达国家标准;砂:河砂,细度模数2.78,属Ⅱ区级配;石:碎石,粒径5～25mm,连续级配;水:自来水.混凝土配合比及28d标准混凝土立方体抗压强度见表1.1.2冻融循环的一维扩散试验在钢模中浇注100mm×100mm×100mm的立方体试件共54块,其中:36块为钢筋混凝土试件(钢筋为Φ10mm×100mm圆钢,距试件左表面25mm,且与前后表面等距),18块为素混凝土试件,用以测试不同时期混凝土试件的抗压强度.试件均在浇注1d后拆模,并标准养护28d.将36块钢筋混凝土试件分为两大组,每组各18块.一组用来做常温、不同氯盐种类条件下的一维扩散试验;另外一组用来做冻融循环、不同氯盐种类条件下的三维扩散试验.对于常温组试件,把它们从标准养护室取出后在试件距钢筋近侧(左表面)固定一试验槽(试验槽周围涂上环氧树脂以防漏水),加入8%(质量分数,下同)NaCl溶液或等摩尔量KCl溶液,让氯盐自然扩散至混凝土内,测试试件左表面与钢筋间混凝土的0,5,10,15,25d的电阻;而对于冻融循环组试件,把它们从养护室取出后放在20℃的等温水槽中浸泡3d,使其充分饱水,测试试件的初始电阻,然后开始进行冻融循环,即将试件先在低温箱中冻4h,而后在8%NaCl溶液或等摩尔量KCl溶液中融4h,1d之内循环3次,同样每隔4d测试一次试件的电阻.试件编号及试验安排见表2,所用设备为华中科技大学化学系生产的型号为CS300H的腐蚀电化学测试系统.当氯离子扩散时间达到25d之后,自钢筋混凝土试件左表面起分别按5,10,15,20,25mm的深度分5层钻取试样粉末,将其过0.63mm筛后装入铝土盒中,然后置于(105±5)℃的烘箱中干燥2h,取出后再放入干燥器中冷却至室温.之后,按《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270—98)中“混凝土中砂浆的水溶性氯离子含量测定”的步骤分别测定各试样中的自由氯离子含量.2试验结果2.1冻融循环组试件电阻测定实测结果见图1,由图1发现,混凝土电阻的变化是很有规律的:(1)相同浸泡环境下,常温及冻融循环两组试件的电阻均随水灰比的增大而减小(见图1).(2)同种盐溶液及相同水灰比条件下,冻融循环组试件的电阻较常温组试件的电阻小.(3)相同水灰比混凝土试件在盐溶液中浸泡后,比较其首次测试值发现:常温组试件的电阻值增大而冻融组试件的电阻值减小.(4)浸泡的盐溶液种类和水灰比相同的情况下,冻融循环次数n为12～57的这组试件电阻呈增大的趋势;而当n超过57次时,其电阻开始有减小的趋势.(5)相同水灰比条件下,无论是常温组试件还是冻融循环组试件,NaCl溶液环境下的电阻比KCl溶液环境下的要大.2.2溶液及浸泡盐溶液类型对混凝土d值的影响扩散系数是描述扩散速度的物理量,它等于浓度梯度为1时在1s内通过1m2面积的物质质量或微粒数.扩散系数越大,则扩散速度越快.混凝土中的氯离子扩散系数(D)是反映混凝土结构抗氯离子耐久寿命的重要指标.目前检测混凝土中氯离子扩散系数的方法主要有:自然浸泡法、电迁移法及饱盐电导率法等.本试验采用的是自然浸泡法,即将浸泡完成后的试件通过钻粉、浸取、化学滴定的步骤后再利用最小二乘法拟合Fick第二定律,最后得到试件的氯离子扩散系数。各组试件所测得的氯离子扩散系数如表3所示,表中的D值给出的是混凝土等级及浸泡环境相同的一组试件(3个)的氯离子扩散系数平均值.由表3可见,混凝土中氯离子扩散系数的大小除与水灰比有关外,还与浸泡盐溶液种类及有否冻融循环有很大的关系.(1)浸泡的盐溶液种类相同时,常温及冻融循环这两组试件的D值随混凝土水灰比的增加而增加;(2)相同水灰比条件下,常温组或冻融循环组的试件均表现为KCl溶液环境下的D值较NaCl溶液环境下大;(3)同种盐溶液及相同水灰比条件下,冻融循环组试件的D值较常温组试件的大;(4)冻融循环及浸泡盐溶液类型对混凝土D值的影响均随水灰比的增大而增大,即混凝土强度越低,其受上述2种因素影响的程度越大;(5)水灰比、冻融循环及浸泡盐溶液类型这3种影响混凝土D值的因素中,冻融循环的影响最为显著.3外部环境对混凝土中氯离子扩散性的影响由上可见,除水灰比等混凝土自身因素外,冻融循环及浸泡盐溶液类型等外部环境对混凝土中的氯离子扩散性也有影响,并呈现出一定的规律性,下面笔者试从理论上对此进行简要分析.3.1冻融循环对混凝土电阻的影响混凝土冻融破坏机理认为,混凝土中的孔隙水因受冻而膨胀,并使混凝土内部产生拉应力,扩展了混凝土内部的微裂缝,同时也会使混凝土产生新的微裂缝,而当混凝土孔隙中的冰融化时,微裂缝又会有所闭合.随着环境温度的升降以及混凝土内的加载、卸载过程,使得混凝土中的微裂缝张开、闭合,并逐步增多、扩大,从而导致混凝土内部形成较多、较大的渗透通道,加大了混凝土的渗透性.此外,盐溶液对混凝土抗冻融循环有双重作用,一方面盐溶液冰点的降低、压缩性的增大有利于混凝土抗冻性能的提高,但另一方面结冰后混凝土的体积膨胀率和渗透性增大,则不利于混凝土抗冻,冻融循环次数越多,混凝土中的D值越大.可见,正是由于冻融循环后混凝土渗透性增大,从而使其电阻降低,D值增大.而对于“相同盐溶液种类和水灰比情况下,n不大(12～57)时,混凝土电阻呈增大的趋势;而当n超过57次时,混凝土电阻开始有减小的趋势”这一现象,笔者认为主要原因为:试件从养护室取出后,开始随着时间的增长,混凝土水化程度增加,即其密实度增大,因此即使有冻融循环作用,密实度的增加对混凝土渗透性的影响还是占主导地位,致使混凝土电阻上升;随着冻融循环次数逐渐增多,冻融破坏开始占主导地位,混凝土本身逐渐劣化,从而表现为混凝土电阻开始减小.另外,由于水灰比越大,混凝土中可冻水的含量越多、气泡结构越差、平均气泡间距越大,从而使得混凝土的结冻速度越快,冻融过程内毛细孔中的静水压和渗透压越大,导致混凝土的抗冻性越低,故而相同冻融条件下混凝土内部形成的微裂缝将越多,渗透通道将越多越畅通,因此宏观上必然表现为其电阻减小,D值增大,而这种电阻或D值随水灰比变化的幅度必然比常温下二者随水灰比变化的幅度更大.3.2kcl与nacl溶液的相互作用通常氯离子在混凝土中的扩散过程用Fick第二定律来描述.该定律假设混凝土是半无限均匀介质,氯离子扩散时不与混凝土发生化学反应,且D值是一个常量.据此导出的一维扩散方程为其数学解为式中:c(x,t)为经过时间t达到混凝土深度x处的氯离子浓度;c0为混凝土内的初始氯离子浓度;cs为混凝土表面的氯离子浓度;erf为误差函数,erfu=2π√∫u0e−t2dt.u=2π∫0ue-t2dt.由式(1)成立的前提可知,方程中的D值是一个材料常数,即D值的大小只由混凝土本身的质量来决定,而与浸泡溶液的浓度及类型等无关.但从表3可见,D值却与浸泡溶液类型有关.同时,图1中混凝土电阻值的变化也反映出不同盐溶液浸泡下混凝土的渗透性并不相同.产生这一问题的原因十分复杂,下面仅从扩散机理角度作一简要阐述.扩散过程就是组分在空间中净迁移的过程,这一组分净迁移是全部组分分子或离子在一定推动力的作用下随机运动的总体结果.组分在空间位置上的净迁移速度主要与组分所受到的推动力有关.引起一个组分相对于混合物迁移(即扩散的推动力)是该组分的势能梯度,这里的势能就是指所研究的某一组分的所有种类的势能总和,如化学势能、重力势能、电位势能、压力势能等等,所以某一组分扩散的推动力应是与这些势能相应的化学位推动力(浓度梯度推动力)、重力推动力、电场推动力及压强推动力的总和.Fick第二定律把分子或离子的扩散表示为只是由浓度梯度推动力引起的,而无法描述其他形式推动力的作用.所以,出现D值或混凝土电阻与浸泡溶液类型有关、相同条件下KCl溶液中的D值比NaCl溶液中大的主要原因是:在一定的浓度梯度下,离子将沿着其浓度降低的方向迁移.Ushiyama,Roy等经研究后均发现,在水泥浆中Na+,K+,Li+等阳离子的扩散率均比Cl-的要低.由于强电解质溶液中的离子并不是独立的自由离子,不能完全自由运动,每一个离子都被周围电荷相反的离子包围着,以保持溶液的电中性,所以,当氯离子迁移时必将引起正电荷的不平衡和一个电位梯度,这个电位梯度将对氯离子扩散产生一个反向电场推动力.最终导致氯离子的扩散是在浓度梯度推动力与反向电场推动力的共同作用下进行的.另外,又因为K+的扩散率较Na+快,故而KCl溶液中产生的反向电场推动力必然小于NaCl溶液,而两种溶液中Cl-的浓度梯度推动力是相同的,所以如表3所示,对于在KCl溶液中浸泡的试件,其氯离子扩散速度较快,D值较大;相同条件下,同一时刻、同一位置的Cl-浓度较大,混凝土的导电性能较好,电阻偏小,从而有图1所示的差别.3.3同组常温或冻融循环试件间的氯离子扩散性能差别的原因分析除了以上两个主要影响因素外,还有如温度、湿度、浸泡方式等也是造成常温组与冻融循环组试件间混凝土渗透性差别的原因,例如,图1所示“浸泡初期常温组试件电阻值增大而冻融循环组减小”的现象,主要就是由于这些因素引起的,但它们不应是引起同组(常温或冻融循环)试件间氯离子扩散性能差别的原因.4冻融循环对混凝土抗氯离子扩散的影响1.氯离子在混凝土中的扩散性能除了受混凝土自身性能、温度及湿度等影响