盐雾氯离子在混凝土中的沉积特性

盐雾氯离子在混凝土中的沉积特性摘要：通过测试不同条件下混凝土内部不同位置氯离子含量,研究外部氯离子在混凝土中的沉积特性.试验结果表明:混凝土内部不同位置处水溶性氯离子的沉积量与离表面的距离之间存在自然对数的衰减关系,且混凝土的水胶比、水灰比和矿渣等因素对其衰减速率存在较大的影响.氯离子在混凝土中的沉积规律受溶液中氯离子浓度、浸泡方式等外部环境条件的影响较为显著.喷淋干湿循环处理条件下,氯离子大量沉积于混凝土表层10ｍｍ以内的区域,随距混凝土表面距离的增加,离子沉积量迅速下降.关键词：混凝土;氯离子;沉积;环境参数随着我国现代化的进程，兴建了大量的钢筋混凝土结构，包括：房屋、桥梁、码头和机场等，一般情况下，钢筋混凝土结构有较好的耐久性，维护成本低，使用方便。

然而，由于混凝土是一种多孔介质，环境中的有害离子会渗透到结构内部，如在氯盐环境下服役的钢筋混凝土结构，由于氯离子的穿透力非常强，氯离子会沉积在混凝土的表层，并向混凝土的内部扩散沉积在钢筋周围，当沉积氯离子的含量超过临界浓度时，会引起钢筋的锈蚀膨胀，引起结构的耐久性问题"。

氯离子渗透导致的钢筋锈蚀是结构失效最重要的原因之一。

因此,研究服役环境中侵入到混凝土中的氯离子沉积特性具有重要的科学价值。

本文主要综述不同条件下混凝土内部氯离子在混凝土中的沉积特性。

1、水胶比1.1粉煤灰试验通过把不同粉煤灰掺量的混凝土浸泡在Nacl溶液中，研究氯离子在粉煤灰混凝土表层的沉积规律。

普通混凝土采用三种配合比，试验中考虑矿物掺合料的作用，粉煤灰的质量取代量分别为 15%、30%，配合比见表1。

混凝土试件在标准养护28d后，放在氯离子溶液中浸泡，Nacl溶液的质量浓度是5%，浸泡参照美国的氯离子扩散试验标准方法选取混凝土试块六个面中的一个光滑面作为渗透面，其他面用石蜡密封，浸泡龄期为30、60、90、120、150d。

氯离子在混凝土内的传输过程与混凝土的微观结构密切相关，矿物掺合料粉煤灰的掺入会改变混凝土的微观结构，从而对混凝土表层氯离子的沉积造成影响。

根据表2的数据，对CF0、CF15、CF30三种混凝土试件各龄期表层的氯离子沉积量作图，如图1,一般将粉煤灰效应归结为三种效应的综合：火山灰反应效应、微集料效应和颗粒形态效应，其中火山灰反应是化学反应，其余两种效应是物理作用。

粉煤灰的火山灰活性是一种潜在的化学活性，必须在激发剂的作用下才能显现硅酸盐水泥水化生成的Ca(OH)2是最常用的激发剂。

硅酸盐水泥水化浆体中会生成Ca(OH)2激发剂，由于不需要任何额外的处理过程或外加剂，这是一种有效的激发途径，但Ca(OH)2的溶解度较低，Ca2-的碱性弱于碱金属离子，因此Ca(OH)2的激发作用有限，不能使粉煤灰的火山灰反应达到较高程度，特别是在水化初期，单纯由Ca(OH)2激发的粉煤灰的火山灰反应程度很低，这导致粉煤灰混凝土的水化较慢。

图1可以看出，混凝土在浸泡30d后，掺入粉煤灰样品的表层氯离子沉积增大，CF0和CF15是CF30混凝土试件的1.3倍，这主要是因为水泥浆体水化初期，粉煤灰减少了浆体中的活性材料，延缓了水泥浆体水化的进程。

从图1也可以看出，CF15和CF30试件的表层氯离子沉积量基本相同，粉煤灰掺量的多少对表层氯离子沉积量的改变不大，随着浸泡龄期的增长 15%和30%两种粉煤灰掺量混凝土的表层氯离子沉积量非常接近。

这是因为，粉煤灰的火山灰效应逐步显现，混凝土内部结构变得密实，氯离子在CF15和CF30表层沉积变得困难，从图1可以看出，随着龄期的增长，粉煤灰混凝土和普通混凝土表层氯离子沉积量越来越接近，浸泡到120d后，三者表层氯离子沉积量几乎相等。

1.2矿渣试验设计了不同水灰(胶)比及掺矿渣等4个混凝土系列,并保持各混凝土试样中浆体体积含量基本一致。

喷淋处理干湿循环条件下,不同混凝土中水溶性Cl-沉积量剖面图试验测试结果,如图3.从图3可见,不同组成的混凝土试样,其各自表层位置处(本文指离端部外表面0～5ｍｍ区域范围,即图中横坐标上以距外端面2.5ｍｍ表示)沉积的Ｃｌ-量存在较大差异.水灰(胶)比降低,不同混凝土中各相应位置处沉积的Ｃｌ-量减少.这主要是由于水灰比的变化导致混凝土内部孔结构发生变化,使得离子在混凝土中的迁移过程发生变化,从而影响了迁移到混凝土内部的离子数量.然而,当水胶比小于0.42后再降低水灰比,混凝土中沉积的Ｃｌ-量减少不明显,即使是水胶比为0.3时,沉积于混凝土中的离子含量也较多.这一方面表明,不仅混凝土中较大的空隙如毛细孔影响Ｃｌ-在其中迁移过程,而且毛细孔数量级以下的小孔也是混凝土中Ｃｌ-沉积量的控制因素;另一方面,在喷淋干湿循环的恶劣环境条件下,水胶比很小的混凝土也发生明显的劣化,从而使外部环境中的Ｃｌ-等介质在其中的迁移速度增加.同时,还可看到相同水灰比条件下,掺矿渣的混凝土比纯水泥混凝土中的离子沉积量要小,但差别不明显.这是多方面原因综合作用的结果,一方面是矿渣微粉掺入后发挥物理、化学密实填充效应,改善了混凝土内部微观结构,从而减小了外部Ｃｌ-在混凝土中的迁移速率;另一方面是本研究使用的水泥中已掺入了较多的矿渣作为混合材,因而在制作混凝土时再掺入矿渣后体现的作用效应不显著.采用数学方法对相应的测试结果进行简单分析表明,不同混凝土中不同位置Ｃｌ-沉积量ｙ与距表面的距离参数ｘ之间都存在自然对数的衰减关系,但各混凝土对应的关系方中距离参数ｘ前的系数差别较大,特别是水灰比从0.6降至0.42时差别显著.方程中距离参数ｘ前的系数表明Ｃｌ-沉积量随距表面距离的衰减速度,系数越小表明衰减越小。

混凝土的水胶比参数以及矿渣等矿物掺合料对此系数影响较大。

2、水灰比采用不同配合比的混凝土试样,研究了盐雾氯离子在混凝土中的沉积特性,研究表明水灰比对氯离子在混凝土表面的沉积有很大的影响,随着水灰比的增大,氯离子的表面沉积量也增大。

按照《水运工程混凝土试验规程(JTJ270—98)》测试水溶性氯离子含量的试验方法,测试了混凝土试件在腐蚀180 d后的氯离子沉积量,从混凝土暴露面至约2 mm深的位置取样,磨制成粉末测试氯离子含量,作为氯离子在混凝土表面的沉积量。

混凝土表面氯离子的沉积是一个干湿循环的过程,盐雾区含氯离子的溶液落在混凝土的表面,氯离子随着水分渗透到混凝土的内部,水分蒸发后,氯离子留在混凝土内部。

渗透性通常用渗透系数表示,渗透系数越小,表明材料的抗渗性越好。

通常认为孔隙率和毛细孔半径越小,抵抗渗入的阻力越大,渗透系数也就越小,氯离子渗透的速度和累计沉积量就越小。

图3是3批混凝土试样在标准养护28 d后的微观孔结构,可以看出:PO1试样的孔隙率是PO2的2.4倍,是PO3的3.1倍。

图2表明水灰比和氯离子在混凝土表面的沉积量之间存在一定的线性关系,随着水灰比的增大,氯离子在混凝土表面的沉积量也增大,氯离子在PO1试样表面的沉积量是PO2的1.12倍,是PO3的1.34倍,这主要是因为水灰比的改变,改变了混凝土的微观孔结构,也可以看出,随着水灰比降低的趋势,对氯离子的沉积量的影响在减少,这是因为PO1的孔隙率比PO2和PO3高出的部分,主要是较大孔的贡献,而在氯离子的沉积过程中,不仅混凝土中较大的空隙如毛细孔影响氯离子在其中的迁移过程,而且毛细孔数量级以下的小孔也是混凝土中氯离子沉积量的控制因素。

图3也可以看出,混凝土中小孔随水灰比的变化不如大孔的那么明显。

综上，模拟盐雾环境下,氯离子在混凝土表面沉积量随着水灰比的增大而增大,变化区间(质量分数)为0.581%至0.779%。

3、不同环境对混凝土中水溶性氯离子沉积影响试验设计了不同水灰(胶)比及掺矿渣等4个混凝土系列,并保持各混凝土试样中浆体体积含量基本一致,各混凝土配合比见表 2.试验采用喷淋和浸泡两种处理方式,考察不同条件下外部环境中氯离子在混凝土中沉积性能。

图2给出了经过氯化钠溶液浸泡和干湿循环处理60ｄ后,系列2混凝土内部不同位置处水溶性氯离子的含量试验结果。

从图2可见,在质量浓度为3.5%的ＮａＣｌ溶液喷淋处理的干湿循环条件下,试件表面附近的Ｃｌ-含量很高,随着离表面距离的增加,Ｃｌ-含量迅速降低,当距表面距离大于10ｍｍ以后,混凝土中的Ｃｌ-含量随距离的增加基本保持不变;在浸泡条件下,试件内部不同位置的Ｃｌ-含量随离表面距离的增加而降低,变化规律与喷淋条件下相似.且两种条件下,混凝土内部不同位置的Ｃｌ-含量与离表面的距离之间存在自然对数的衰减关系.这与受氯盐侵蚀的现场实际桥梁构件混凝土中的氯离子沉积规律一致。

然而,两种条件也存在明显的不同之处,与浸泡条件相比,喷淋干湿循环条件下试件表面层附近的Ｃｌ-含量更大,且不同位置Ｃｌ-含量随距表面距离的增加而降低的速率大得多,当距表面的距离大于10ｍｍ以后,喷淋处理的试件内Ｃｌ-含量小得多.这表明,环境条件明显影响外渗Ｃｌ-在混凝土内部的沉积量.因为相同条件下,混凝土内离子的沉积主要与迁移至混凝土内部的离子数量相关.与浸泡条件相比,喷淋干湿循环条件下,溶液中的Ｃｌ-不仅由于含量差等作用向混凝土内部迁移,且在干燥过程中,由于表面的蒸发作用,迁移至混凝土内部的离子溶液会产生向表面方向的析晶作用过程,因而干湿循环条件下Ｃｌ-不断向表面累积,试验过程中,也观察到试件表面的严重析晶现象;而浸泡条件下试件一直浸泡于溶液中,离子在浓度差等作用下不断向混凝土内部迁移,因而此条件下混凝土内部Ｃｌ-含量可达到较高水平。

4、结语综上所述，其结论可以归纳如下：1）模拟盐雾环境下,氯离子在混凝土表面沉积量随着水灰比的增大而增大,变化区间(质量分数)为0.581%至0.779%;2）浸泡初期，粉煤灰对表层氯离子沉积有较大的影响，浸泡30d后，CF15和CF30是CF0混凝土试件的1.3倍，粉煤灰掺量的多少对表层氯离子沉积量的改变不大；随着浸泡龄期的增长，CF15和CF30与CF0混凝土的表层氯离子沉积量的逐步接近。

3）喷淋处理的干湿循环条件和浸泡条件下,混凝土内部不同位置处水溶性Ｃｌ-的沉积量与离表面的距离之间均存在自然对数的衰减关系,混凝土的水胶比和矿渣等矿物掺合料对其衰减速率存在较大的影响。

4）喷淋干湿循环处理条件下,Ｃｌ-大量沉积于混凝土表层10ｍｍ以内的区域,以后随距混凝土表面距离的增加,离子沉积量迅速下降.与干湿循环条件下相比,浸泡条件下的混凝土表层以内的离子沉积量更大。

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