海砂中氯离子扩散过程的研究

海砂中氯离子扩散过程的研究

0海砂与氯离子随着我国经济快速发展，沿海地区河流砂的缺乏现象频繁出现。一些沿海城市在工程建设活动中开始利用海砂拌制混凝土和砂浆,在国内外研究表明:合理使用海砂是可以取代河砂的,它价格便宜,容易取得,可广泛用于大型工程项目建设和填海造陆。但海砂中含氯离子,能够腐蚀钢筋、破坏混凝土结构。沿海环境下,氯离子引起的钢筋锈蚀对混凝土结构使用寿命的影响很大,使建筑工程出现了氯离子腐蚀情况,降低了工程的耐久性,给工程质量带来了隐患。本文基于微观试验结果讨论了模拟海砂混凝土中氯离子扩散机理,在此基础上提出海砂型氯盐侵蚀的概念。1试验设计1.1河砂及碱土质量试验用的水泥是深圳海星小野田水泥有限公司生产的海星小野田P·O42.5级水泥,使用的河砂均取自深圳地区,满足标准JTJ52—1992的质量要求,试验用NaCl采用工业用氯盐,纯度>99%,使用的海砂是经过3%NaCl溶液浸泡的普通河砂。砂为II区中砂,含泥量为5%,细度模数2.61,ρ=2632kg/m3,级配见表1。1.2试块的养护混凝土设计水灰比为0.68,尺寸为100mm×100mm×100mm。试块成型后在标准养护室中养护。测试方法采用EN14629,从3d龄期开始,定期检测混凝土的游离氯离子理论含量。2结果与讨论2.1海砂近端水泥凝胶的比选试验采用养护3d的海砂砂浆试件,氯离子含量为水泥质量的0.367%。选取海砂颗粒周围的凝胶表面作为扫描区域,对海砂近端水泥凝胶中的氯离子含量和海砂远端的含量做对比,共对3个海砂砂浆样品进行了扫描。试验结果见表2。2.2配制试件的溶解及养护制作相同氯离子引入量的内掺型砂浆试件。在制作试件的拌合用水中溶解含量同为0.367%(Cl-对水泥质量)的NaCl,同样条件养护3d后取样测试,结果见图1和表3。2.3内掺型砂浆试件从元素扫描结果可以看出:3个样品的扫描结果均显示海砂附近凝胶的氯离子含量,由海砂近端到远端逐渐降低(如表2)。这说明:在砂浆拌和时,海砂表面携带的氯离子并没有及时的完全溶解,只有少量的氯离子进入到了附近的孔溶液中参与了水化反应。而水泥终凝后,由于养护湿度大,凝胶孔中始终充满了孔溶液,这时海砂表面的氯离子才逐渐的释放到其中。而内掺型砂浆试件在同一区域连续扫描了3次,其中有两次氯离子含量过少而无法测出其数值,而区域1处的氯离子含量也只是0.34%。可以看出内掺型引入的氯离子在水泥凝胶中分布的含量较海砂型来说是非常少的,内掺型引入的氯离子在水泥凝胶中的分布与海砂型不同。3混凝土扩散系数法从试验结果知道,海砂携带的氯离子与传统的外渗型和内掺型引入的氯离子不同,这里提出海砂型氯离子侵蚀的概念。海砂型氯离子侵蚀指的是氯盐附着在骨料表面或浸入在骨料内部,在拌和时由骨料带入混凝土中的特殊引入形式。下面将对外渗型和内掺型的氯离子引入形式进行分析后,对海砂型的氯离子扩散模型进行推导。如图2所示,外渗型氯离子的情况是混凝土本身并不含有氯离子,在混凝土成型后由于外部氯盐环境的污染,氯离子在压力差或浓度差的驱动下,通过混凝土中连通孔的孔溶液向混凝土内部传播的过程,其过程是非稳态扩散过程,可以用Fick第二定律来描述。式中:D——扩散系数,表示单位浓度梯度条件下,单位试件单位截面上通过的物质流量,cm2/s。对于混凝土无限大板,公式可以写为:式中:C(x,t)——t时刻,距离混凝土表面x深度处的氯离子浓度;C0——混凝土表面污染源的氯离子浓度;设C0、D、t为常数,得到混凝土内部深度与氯离子浓度的典型关系如图3所示。内掺型的氯离子不存在扩散的过程,在水泥水化初期,氯离子就已经溶解在水泥颗粒周围的溶液中(如图4所示)。因此内掺型污染的混凝土中的游离氯离子含量只与水泥的氯离子结合能力B有关,B可以表示为:式中:CT、CF、CB分别表示氯离子总含量、游离量和结合量。由于B与诸多因素有关,现在还没有数学模型加以描述,因此其值只限于实测。对于海砂型的氯离子扩散,可以这样描述:拌和初期,骨料表面的氯化物溶解在骨料与水泥浆的界面ITZ(interfaciatransitionzone)溶液中,后期伴随着水泥的水化,氯离子以骨料为中心逐渐向外部扩散。扩散的过程中有一部分被水泥的水化产物结合,剩下的游离氯离子分布在骨料周围(如图5)。在二维条件下讨论海砂型氯离子的扩散模型。如图6所示,假设骨料形状是半径为r的圆形,ITZ界面厚度为d,骨料带入的氯离子质量为M,则开始时ITZ溶液的氯离子初始浓度为:设t时刻距离骨料表面距离x处的水泥结合能力为Bx,游离氯离子浓度为CF(x,t),由于砂表面携带的氯离子量是定值,ITZ的氯离子浓度也随时间改变,为C(0,t)。扩散在水泥凝胶中的氯离子和ITZ中剩余的氯离子总量之和始终为M,因此CF(x,t)和C(0,t)有下式关系成立:根据砂的级配情况,可以得到单位面积中砂的粒径分布情况,结合式(5)进一步求得t时刻试件中的游离氯离子含量。4基于微观试验的混凝土施工机理(1)试验发现海砂型引入的氯离子存在一个从海砂表面到水泥凝胶内部的渗透过程,内掺型引入的氯离子在水泥凝胶中的分布与海砂型不同。(2