碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响

第38卷第3期2010年3月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TONGJ I UNIVERSI TY (NATURAL SCIENCE )Vol.38No.3　Mar.2010文章编号:02532374X (2010)0320412205DOI :10.3969/j.iss n.02532374x.2010.03.018收稿日期:2009-02-19作者简介:郑永来(1964—),男,教授,博士生导师,工学博士,主要研究方向为水利岩土工程,地下结构、港工和水工结构抗震,港工结构耐久性等.E 2mail :zyll @碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响郑永来,郑洁琼,张　梅(同济大学水利工程系,上海200092)摘要:为研究碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响,通过室内混凝土快速碳化试验获得不同碳化程度的混凝土试块,再结合氯离子快速渗透试验,计算各混凝土试块的氯离子扩散系数.试验结果表明:完全碳化试件与部分碳化试件的氯离子扩散系数未见明显差别;而完全未碳化试件的氯离子扩散系数最大,与已碳化试件有明显差距.混凝土的碳化会降低氯离子的扩散系数;碳化使混凝土的孔隙率降低、密实度提高,一定程度上阻止了氯离子向混凝土内部扩散,完全碳化试件的氯离子扩散系数约为未碳化试件的1/2左右.利用p H 计对部分碳化试件进行了测试,结果表明方法可行.关键词:混凝土耐久性;碳化程度;氯离子扩散系数;快速渗透试验;p H 值中图分类号:TV 92　文献标识码:AExperi ment al S t udy on Eff ectof Conc rete Ca r boniza tionDegreesonChlorideDiff usion Coeff icientZHENG Y onglai ,ZHENG J ieqiong ,ZHANG Mei(Depart ment of Hydraulic Engineering ,Tongji Universit y ,Shanghai200092,China )Abs t r act :Different carbonized concrete specimens were obtained by rapid carbonization testand their chloridediff usion coefficients were tested and calculated by rapid permeability test.The results show that there ’s no obvious difference between chloride diffusion coefficient of totally carbonized concrete and that of partly carbonized concrete while that of non 2carbonized concrete is higher than the former two.It can be concluded that there exits substantial benefits of reducing the chloride diffusion coefficient by concrete ’s carbonizing ;concrete ’s carbonizing increases concrete ’s density to some extent by reducing the porosity.Thechloridediff usioncoefficientoftotallycarbonizedspecimen is about 1/2that of non -carbonized specimen.Thispaper also int roduces a method by using p H device to measure the p H of different carbonization degree concretes and offeres the changes of the p H.Key w or ds :durability of concrete ;carbonization degrees ;chloride diff usion coefficient ;rapid permeability test ;p H 海港混凝土建筑物不同于一般混凝土建筑物,在特殊外部条件的作用下(如温度变化、海水浸泡与溅浪、冻融及干湿循环等)会产生多种形式的破坏[1].其中,由海水环境中氯离子侵入而引起混凝土内部钢筋锈蚀,是造成构筑物破坏、影响其耐久性的最主要因素之一[2].所以,研究氯离子在混凝土内的迁移过程,对预测氯盐环境条件下钢筋锈蚀速度和结构耐久性具有重要意义[3].氯离子扩散系数的确定,对于氯离子侵入模型的建立具有关键意义.氯离子扩散系数不仅与混凝土的组成、内部孔结构的数量和特征、水化程度等内在因素有关,同时也受到外部因素的影响,主要包括温度、养护龄期、掺合料的种类和数量、诱导钢筋腐蚀的氯离子的类型等[4].此外,如R.K.Dhir 等研究了粉煤灰对于混凝土的抗氯渗透作用[5];袁承斌等分析了混凝土的应力水平、水灰质量比对氯离子侵蚀速度的影响[6];P.Cast ro 等综合考虑了温度、水灰质量比、风向以及洪积降水的因素,得到混凝土内的氯离子浓度[7].但是关于混凝土碳化对于氯离子扩散系数的影响还未达成共识,此类研究存在一定的争议,甚至得到相反的结论.究其原因,实验手段的不同具有很大影响.如S.G oni ,在铝酸钙水泥浆体中掺加NaCl 使混凝土达到一定的氯离子含量,再通过65%相对湿度下对试样粉末喷射体积分数为5%的CO 2气体来加速碳化过程,得出的结论是Friedel 盐的碳化并未明显提高可溶性氯化物的含量[8];P.J.Tumidajs ki　第3期郑永来,等:碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响 通过在硫酸盐2氯盐复合溶液中充入CO 2气体进行研究,发现在普通混凝土中,CO 2减小了氯离子的渗透和扩散系数,在矿渣混凝土中则相反[9];金祖权将快速碳化后的混凝土浸泡于质量分数为3.5%的NaCl 溶液中测试自由氯离子、总氯离子含量,计算得到表观氯离子扩散系数,结果表明,混凝土碳化后浸泡到腐蚀溶液中,增加了混凝土中的氯离子含量,提高了混凝土表观氯离子扩散系数,降低了混凝土对氯离子的结合能力[10].直接测量氯离子在混凝土中的含量而判断混凝土抗氯离子的渗透性,从试件制作到最终滴定,中间环节较多,容易出现不可预见的错误,并且整个试验所需的时间较长,代价很高[4].标准直流电量法被AS TM (American Society for T esting and Materials )采用,是具有权威性的混凝土渗透试验方法.本文通过对快速碳化后的混凝土试块进行标准直流电量法测试氯离子扩散系数,比较未碳化、部分碳化和完全碳化混凝土试样的氯离子扩散系数,初步分析不同碳化程度对氯离子扩散性能的影响,对进一步研究海港混凝土结构的耐久性具有一定参考价值.1　实验方案[11]1.1　实验材料、配合比设计及试件制作 试验材料:32.5号普通硅酸盐水泥(含掺合料15%);天然河砂;天然砾石(粒径5～20mm ).试件配合比设计:参考混凝土配合比设计手册[12],经过试配,最终确定的试件配合比结果见表1.试件制作:(1)制作Ф100mm ×400mm 的圆柱体混凝土试样两个(如图1a 所示).试样经过2d 拆模,放入标养箱中养护14d.(2)运用混凝土切割机,从每个试样的轴线中心点开始割取出6个Ф100mm ×50mm 的试件,切割方法如图1b 所示.切割出的12个试件编号分别为A i ,B i ,C i ,D i (i =1,2,3).切割后的试件如图1c 所示.(3)将试件A 2,B 2,C 2,D 2直接放进标准养护箱中继续养护,以备与试验试件进行对比;其他8个试件留待实验.表1　混凝土试件配合比Ta b.1　S a mple concrete ’s mix p r op or tion 水灰质量比砂率配合比/(kg ・m -3)水水泥砂石0.550.362053726561167图1　混凝土试件(单位:m m )Fig.1　Concrete s a mp les (u nit :m m )1.2　实验方法1.2.1　混凝土快速碳化试验混凝土快速碳化试验参照《水工混凝土试验规程》DL/T51502001进行[13].试验装置采用经改装的上海建筑科学研究所研制的快速碳化试验装置,碳化箱内CO 2体积分数β为(20±3)%;相对湿度为(70±5)%,温度为(20±3)℃.将第一组试件A 3,B 1,C 3,D 1(亦即试样中间段的试件)的圆柱面全部用石蜡密封好,使CO 2仅能从两端的圆截面进入;而第二组试件A 1,B 3,C 1,D 3(亦即试样两端的试件)不密封.然后,将这8个试件放进碳化箱中,碳化12d 后从第一组试件中取出C 3,过圆柱的轴线将其劈为两半,在劈开的截面用酚酞试剂测定其碳化情况,结果如图2所示,碳化深度为12mm 左右(由于实验条件限制,试件柱面亦有一定程度的碳化);第二组试件则不用取出,继续碳化14d 后取出C 1,用同样的方法劈开,在劈开的截面滴上酚酞试剂,未显色,说明试件已完全碳化.1.2.2　氯离子扩散系数测试方法参照美国试验与材料协会的标准试验方法ASTM1202测定氯离子扩散系数[14],采用Ф100mm ×50mm 圆柱体试件,每组3块.具体测试方法为:①将试314 同济大学学报(自然科学版)第38卷　件的圆周面用环氧树脂密封好,并在真空条件下进行饱水;②在试件的两个端面安装铜网电极,将其固定在水槽上;③两端水槽分别装备质量分数为3.0%的NaCl 溶液和0.3mol ・L -1的NaOH 溶液;④在两个电极间接上60V 的直流电.装置如图3所示,将其持续通电6h ,并且每隔0.5h 记录一次电流读数.图2　酚酞显色试剂检测碳化深度Fig.2　P he nolp ht halei n colored rea gent tes ti ngca r bona tion dep th图3　标准直流电量法测定混凝土的抗氯离子渗透性Fig.3　Standard test met hod f or elect rical indication ofconcrete ’s ability to resist chloride ion penet ration 总电量的计算公式为Q =900(I 0+2I 0.5+2I 1.0+…+2I i +…+2I 5.0+2I 5.5+I 6.0)(1)式中:Q 为通过的总导电量;I 0为加电压时的瞬时电流;I i 为加电压i 小时的瞬时电流.根据通过的电量,评定混凝土抗氯离子渗透能力等级,如表2所示.表2　AS TMC 1202混凝土的渗透性划分标准Ta b.2　Division s t a nda r d of AS TMC 1202concrete ’s p enet r a bilit y 通过的电量/C氯离子渗透性>4000高2000～4000中1000～2000低100～1000很低<100不渗透 通过回归分析,氯离子扩散系数与导电量的关系如下[15]:D = 2.57765+0.00492Q(2)1.2.3　部分碳化试件的p H 值测试方法由于酚酞试剂只能判断出碳化区与未碳化区,而无法显示出部分碳化区的情况,所以本试验采用p H 计测量混凝土的p H 值,进而用测得的p H 值来判断混凝土的部分碳化程度.具体方法为:(1)先将试件呈十字形劈开,如图4所示,按劈开线将试件圆形横断面分为四个区(①～④),取一纵断面(标记为A B CD )作为碳化程度测量的研究对象.(2)在相邻的小试块(①和②)的接触面上划线标记,如图5所示.图4　试件劈开方式(单位:m m )Fig.4　S a mp le clea ve met hod (u nit :m m )图5　标记示意图(单位:10-1m m )Fig.5　L a bel dia gr a m (u nit :10-1m m )414　第3期郑永来,等:碳化程度对混凝土中氯离子扩散系数的影响 (3)在标记处用钢锯锯下约1g的粉末,放入试管中,然后再加入4mL的纯净水,静置待溶液澄清后用p H计测试其p H值.2　实验结果及分析2.1　氯离子扩散系数电流读数记录及导电量Q的计算结果见表3.结合表2的评定标准可以看出,测得的B3试件的导电量是异常的,按误差理论予以剔除.各个试块的氯离子扩散系数计算结果见表4.通过式(2),得到3种不同碳化程度混凝土试件相应的Cl-1扩散系数的平均值及标准差.实验结果表明,完全碳化试件与部分碳化试件的氯离子扩散系数未见明显差别,可以找到明显中值来代表已碳化试件的氯离子扩散系数;而完全未碳化试件的氯离子扩散系数最大,与已碳化试件有明显差距.碳化使混凝土的孔隙率降低、密实度提高,一定程度上阻止了氯离子向混凝土内部扩散,故氯离子扩散系数会因碳化的发生而降低.碳化的程度对于氯离子扩散系数的影响并非简单的线性关系;一旦混凝土进入碳化过程,其表面混凝土的孔隙率就最先降低,且密实度提高,有效阻止了氯离子向混凝土内部扩散;而当混凝土碳化到了一定程度,碳化对于氯离子扩散系数的影响趋于稳定.表3　电流读数记录结果Ta b.3　Elect ric c u r rent recor ds编号电流/A00.5h 1.0h 1.5h 2.0h 2.5h 3.0h 3.5h 4.0h 4.5h 5.0h 5.5h 6.0hQ/C1-1(A2)0.160.280.310.330.360.370.380.400.390.380.380.380.387614 1-2(B2)0.160.220.280.320.350.360.390.400.380.370.370.380.387362 1-3(C2)0.150.290.300.330.360.370.370.390.390.400.400.400.397686 2-1(A3)0.070.080.090.090.100.110.130.150.170.170.190.220.222961 2-2(B1)0.070.070.080.080.100.100.130.150.170.280.200.230.233132 2-3(D1)0.070.080.080.100.110.100.120.130.160.170.180.210.212844 3-1(A1)0.030.080.090.090.100.100.130.140.140.140.150.190.192628 3-2(B3)0.080.120.120.140.150.160.210.210.230.220.260.290.334167 3-3(D3)0.080.080.110.140.120.130.160.170.190.180.200.220.243348表4　氯离子扩散系数计算表Ta b.4　Calculation res ults of chloridediff usion coeff icie nt试件导电量/C 氯离子扩散系数/(10-8cm2・s-1)计算值平均值标准差7614 4.003851号未碳化试件7362 3.87987 3.97430.08377686 4.039282961 1.714582号部分碳化试件3132 1.79871 1.72340.07132844 1.657013号完全碳化试件2628 1.550741.72790.2505 3348 1.904982.2　部分碳化试件的pH值3个部分碳化试件(A2对应0号,B2对应1号, C2对应2号)的p H值测试结果如表5所示.从表5中可以看出,混凝土的p H值由外向内逐渐增加,表明混凝土碱性逐渐增加,这与混凝土完全碳化区、部分碳化区和完全未碳化区的p H值的逐渐变化规律是一致的.以往的试验表明,完全碳化区混凝土的p H值大约为8.5,完全未碳化区混凝土的p H值为12.5,部分碳化区混凝土的p H值为8.5～12.5,本次试验的结果与此结果是相符的,说明本文采用的测试混凝土p H值的方法是可行的,可有效得到碳化路径上不同点的p H值.3　结论(1)在CO2体积分数为(20±3)%、相对湿度为(70±5)%、温度为(20±3)℃的基本环境条件下,进行了混凝土快速碳化试验,得到完全碳化、部分碳化和完全未碳化3种不同碳化程度的混凝土试件.3种混凝土试件的氯离子快速渗透试验证明,混凝土的碳化会使其氯离子扩散系数降低,完全碳化后混凝土的氯离子扩散系数约为未碳化混凝土试件的0.43倍.(2)对部分碳化试件利用p H计测试了混凝土粉末与水的混合物的p H值,实验结果表明这种测试p H值的方法是可行的,且混凝土沿截面由外向内的p H值变化完全符合混凝土的碳化情况.514 同济大学学报(自然科学版)第38卷　表5　部分碳化试件p H值测试结果Ta b.5　The p H of p a rtly2ca r bonated concrete编号距离表面距离/mm p H值平均值编号距离表面距离/mm p H值平均值0-7108.408.420-2219.6010.241-710—1-221—2-710—2-2219.710-8108.400-42110.441-8108.451-42110.452-810—2-42110.980-6138.338.810-32511.2711.371-613—1-32511.162-613—2-32511.680-9138.281-9138.912-9139.720-1179.659.33未碳化1—11.9511.971-1179.34未碳化2—11.982-1178.80完全碳化3—7.777.820-5179.71完全碳化4—7.871-5179.432-5179.03参考文献:[1]　Gerwick Ben C.Construction of marine and off shore struct ures[M].3rd ed.Boca Raton:CRC Press,2007.[2]　仲伟秋,贡金鑫.氯离子侵蚀环境下混凝土结构的耐久性评估[J].混凝土,2002,11:3.ZHON G Weiqiu,GON G Jinxin.Durability evaluation ofconcrete structures under 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