氯盐侵蚀对原状海砂混凝土初始氯离子含量的影响

氯盐侵蚀对原状海砂混凝土初始氯离子含量的影响

中国沿海地区丰富的海砂资源。据统计，各类砂体面积34.2万公里，浅沙资源储量约1.6亿吨。挖掘潜力大，选择集中，适合大规模机械化开采，具有低运输成本的特点。然而，近年来，由于一些沿海地区使用未经处理的海砂，生产混凝土材料的未经处理而被用作非处理的海砂，大量海砂钢筋混凝土结构使用不到10a，导致了严重的钢筋腐蚀、开裂和剥离。由于严重的问题，必须拆除和重建。这不仅造成了巨大的经济损失，而且给社会带来了严重的问题。因此，合理开发和使用海砂，缓解江河砂资源的压力，避免“海砂屋”现象，是土木工程科学研究和技术人员的中心课题。以往的文献侧重于理论分析海砂应用对混凝土性能的影响,但定量研究的文献很少.因此,本文从定量分析的角度出发,通过室内、外对比试验,研究了相同配比的河砂混凝土、海砂混凝土与氯盐溶液长期接触后,混凝土中氯离子的含量及分布情况,进而对比滨海环境中氯盐侵蚀对两种混凝土性能的影响.研究结果证明:使用原状海砂显著增大了混凝土的初始氯离子含量,而潮汐区的干湿循环更加速了介质中氯离子的渗透,在“混入”和“渗入”氯离子的共同作用下,海砂混凝土中钢筋发生锈蚀的几率极大.1充填材料和粗骨料试验采用了青岛山水水泥股份有限公司的PO42.5普通硅酸盐水泥,矿物掺合料为青岛鲁青粉煤灰公司的Ⅱ级粉煤灰,粗骨料为粒径5～25mm的花岗岩;细骨料选用了青岛大沽河河砂和海砂,各项性能指标见表1.减水剂采用SP-8聚羧酸系高效减水剂.混凝土配合比如表2所示.2测试2.1混凝土试块的制作混凝土试件是边长100mm的立方体,成型24h后拆模放入标准养护室(20±2℃,RH≥95%)养护,14d后将混凝土试块取出,沿试块顶面(成型时的上表面)切成两个相等的棱柱体(100mm×50mm),然后将试块放入标准养护室直至试验龄期.试验前用石蜡将试块的成型面及其相对面、两个侧面密封,仅留下两个相对面(100mm×100mm),以确保混凝土的毛细吸收过程为一维吸收.进行室内试验时,将试块放入平底容器,底部用三角架支撑,然后向容器中倒入质量浓度3%NaCl溶液,直至液面高出试块底面5±1mm(见图1所示);用于潮汐区暴露试验的混凝土试块,待封蜡晾干后放在特制铁笼中,并将其固定在海边潮汐区,如图2所示.2.2混凝土氯离子浓度混凝土试块经受6个月的氯离子侵蚀后,采用自行设计加工的干磨混凝土粉末机,从试块表面(与盐溶液接触面)开始由表及里以1mm为单位分层研磨,取粉后过0.63mm筛,并立即装入塑封袋内.氯离子浓度分析参考《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270-98),采用莫尔法测定自由氯离子(水溶性氯离子)浓度.根据式(1)计算混凝土中不同深度处氯离子含量.P=GAgNO3V5G×V4V3×100%×0.03545(1)Ρ=GAgΝΟ3V5G×V4V3×100%×0.03545(1)式中:P水溶性氯离子含量(%);GAgNO3硝酸银标准溶液浓度(mol/L);G样品质量(g);V3浸样品的水体积(mL);V4每次滴定时提取的滤液体积(mL);V5每次滴定时消耗的硝酸银溶液体积(mL).3试验结果与讨论3.1混凝土暴露后的氯离子分布研究表明,环境中的氯离子能够通过渗透、扩散和吸附等方式进入混凝土.本试验中,不同配比的河砂混凝土、海砂混凝土与室内、外不同环境中的氯盐接触6个月后,氯离子在混凝土中的分布曲线如图3所示.从图3可以看出,不论室内试验还是潮汐区暴露试验,混凝土与氯盐接触6个月后,氯离子均渗透到混凝土内部一定深度,且暴露环境下,氯离子的渗透作用更加显著.与室内试验的氯离子分布曲线相比,暴露试验的混凝土试块中氯离子分布存在明显的对流区,即氯离子浓度的最大值并非出现在表层,而是在距离表层2-3mm处,这与许多研究者的结论一致.究其原因是,处于潮汐区的混凝土,受到干湿循环的影响,风干时水分向外迁移,而盐分向内迁移,在下一次再被海水润湿时,又有更多的盐分以溶液的形式被带入混凝土的毛细管孔隙中.由于在混凝土表层内有一个向外降低的浓度差,于是离表层一定深度处氯化物浓度达到峰值.3.2海砂混凝土的氯离子含量和组成变化图4中对比了相同强度等级的河砂、海砂混凝土试件在不同环境中与氯盐接触6个月后,氯离子的含量及分布曲线,若将氯离子扩散曲线稳定段的氯离子含量作为混凝土的初始氯离子含量,从图4可以看出,海砂混凝土的初始氯离子含量约为胶凝材料质量的0.16%,大于我国规范要求的硬化混凝土中氯离子总量小于0.1%的规定,也远大于河砂混凝土的0.07%,于是,海砂混凝土中的钢筋过早地暴露于较高浓度的氯盐环境,极大地提高了钢筋腐蚀的风险.另外,使用海砂的多为沿海地区,海砂混凝土结构的服役环境中氯离子浓度普遍高于内陆,因此,在内、外氯离子的共同作用下,混凝土内钢筋的腐蚀速率大大提高了.这也从量化角度解释了,上世纪90年代,由于使用未经淡化的海砂,在我国福建、深圳及台湾地区出现的大量新建不到十年的“海砂屋”,其主要的“内因”就是随海砂“混入”的氯盐较早地破坏了钢筋表面的钝化膜,从而为钢筋腐蚀埋下严重隐患.3.3面氯离子浓度氯离子扩散系数D是用来反映混凝土对氯化物侵蚀抵抗能力的参数.对氯离子侵入,有许多预测模型,目前广泛应用的是基于Fick第二扩散定律误差函数解法的模型.在Fick第二定律中,氯离子的渗透可用以下参数描述:氯离子的表观扩散系数Dap;理论上的表面氯离子浓度Csa;对流区深度Xc;扩散区表面氯离子浓度Csc;初始氯离子浓度C0.值得注意的是,对于室内试验的混凝土试块,由于氯离子源浓度稳定,因此氯离子含量曲线没有对流区.根据式(2)拟合的曲线表示t时刻x深度处的氯离子浓度:Cx,t=C0(Csa−C0)[1−erf(x2Dapt√)](2)Cx,t=C0(Csa-C0)[1-erf(x2Dapt)](2)图5对比了混凝土中氯离子含量的测试结果和MATLAB拟合曲线,二者吻合较好.拟合得到的各项参数见表3.从表5可以看到,河砂混凝土的氯离子表观扩散系数Dap均大于相同强度等级的海砂混凝土,分析其原因可能是:结合表3中砂的性能指标可知,河砂的细度模数小于海砂且含泥量较大.因此,水泥水化生成水泥砂浆时将消耗较多的拌合水,从而影响混凝土拌合物的流动性,此外,河砂较高的含泥量不仅影响水泥的水化,减弱水泥浆对骨料的包裹作用,还将影响粉煤灰“填充效应”和“润滑作用”的发挥,造成水泥石结构的孔隙较多,从而为环境中氯离子的更深、更快地渗入提供了通道.4确保材料质量,注重表面防护(1)定量分析的试验结果表明,使用原状海砂显著增大了混凝土的初始氯离子含量,而潮汐区的干湿循环更加速了介质中氯离子的渗透,在“混入”和“渗入”氯离子的共同作用下,海砂混凝土中钢筋发生锈蚀的几率极大.