高性能混凝土氯離子快速擴散試驗與濃度分布分析

1、2013年第6期(總第284期)Number6in2013(TotalNo284)混凝土Concrete理論研究THEOITICALRESEARCHdoi：103969／jissn1002—3550201306005高性能混凝土氯離子快速擴散試驗與濃度分布分析陳正’。楊綠峰1I2，蔣瓊明(1廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣西南寧530004；2廣西壯族自治區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，廣西南寧530028)摘要：根據(jù)

2、美國建筑協(xié)會ASTMC1202標(biāo)準(zhǔn)對制備得到的復(fù)合外摻料高性能混凝土開展了6h快速氯離子擴散試驗，研究表明不摻加礦物摻合料的普通混凝土抗氯離子滲透性能低于各組摻礦物摻合料的高性能混凝土，其中三摻粉煤灰、硅灰和礦渣的高性能混凝土的抗氯離子滲透性能最佳。采用基于Fick第二定律的解析解對試驗后各組混凝土中氯離子的濃度分布進(jìn)行擬合，其擬合結(jié)果與試驗值吻合情況較好，說明加速試驗后混凝土中氯離子的分布仍然符合Fick第二定律，擬合結(jié)果同時表明，快

3、速氯離子擴散試驗對于普通混凝土和不同配合比的高性能混凝土中氯離子擴散的加速程度存在差異；復(fù)合摻加礦物摻合料的高性能混凝土中氯離子含量較低是由其較小的擴散系數(shù)和較低的表面氯離子濃度共同決定的。關(guān)鍵詞：高性能混凝土；氯離子擴散；Fick第二定律；礦物摻合料中圖分類號：TU52801文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1002—3550(2013)06—0015—04Rapidchloridepermeabilitytestandconcentratio

4、ndistributionofhighperformanceconcreteCHENZheng，YANGLufeng12JIANGQiongming(1KeyLaboratoryofDisasterPreventionandStructuralSafetyofChinaMinistryofEducation，SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，GuangxiUniversity，Nanning

5、530004，China；2DepartmentofHousingandUrban—RuralDevelopment，GuangxiZhuangAutonomousRegion，Nanning530028，China)Abstract：Investigatedtheinfluenceofcompoundadmixtureonchloridediffusioninhigh—performanceconcrete(HPC)TheCoulom

6、belectricchargeofhi曲performanceconcretespecimenswithcompoundadmixturewasdeterminedby6hAsTMC1202experimentationbasedontheAmericanInstituteofArchitectsTheexperimentalresultsshowedthatthechloridedifusionpermeabilityofalloft

7、hehighperformanceconcretecont~nedwithadmixturewerebeRerthanthoseoftllecommonconcrete，andtheonewithflyash，blastfurnaceslagandsilicafumewasthebestThecloseformsolutionbasedonFick’Ssecondlawwasappliedtoanalysisthechloridecon

8、centrationinconcreteTheresultsofthecloseformsolutionWaswellinagreementwiththeexperimentandindicatedthattherewerediferencesforthedegreeofaccelerationofchlorideindiferentmixingratioconcreteintherapidchloridepermeabilitytes

9、tLowchlorideconcentrationinthehigh—performanceconcretecontainedwithcompoundadmixturewasattributedtothesmalldiflusioncoe伍cientandlOWsurfacechlorideconcentrationtogetherKeywords：highperflnarlceconcrete；chloridedifusion；Fic

10、k’Ssecondlaw；mineraladmixture0引言海洋混凝土結(jié)構(gòu)由于長期暴露于富含氯離子的海洋環(huán)境下，其內(nèi)部的鋼筋常常由于氯離子的侵入造成鋼筋銹蝕而膨脹，從而導(dǎo)致外部混凝土的開裂和剝落，并最終造成海洋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。由于高性能混凝土具有較低的氯離子滲透性，許多海洋混凝土結(jié)構(gòu)紛紛采用摻礦物外摻料的高性能混凝土作為其主要建筑材料，Aitcint】研究發(fā)現(xiàn)與普通混凝土相比，高性能混凝土在氯鹽環(huán)境下具有更好的耐久性。Soleym

11、ani[2]，Kayali[3]和Gowripalan[4]等研究表明高性能混凝土具有更好的抗氯離子擴散性能。Maliktz，Montes[~等對在海洋環(huán)境下或人工模擬海水環(huán)境下的高性能混凝土的腐蝕規(guī)律進(jìn)行了研究和討論，并找了一些到在腐蝕過程中的一般性規(guī)律。Bai[~研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合摻加粉煤灰和偏高嶺土的高性能混凝土在強度損失和氯離子滲透性等方面都低于普通混凝土和單一摻加粉煤灰的混凝土，具有更好的耐久性，究其原因在于火山灰反應(yīng)生成物對固化混

12、凝土中游離的氯離子有更好的效果。美國ASTMC1202標(biāo)準(zhǔn)is]利用外加電場的方式對氯離子在混凝土中的擴散進(jìn)行加速，并基于混凝土6h電通量對混凝土氯離子滲透性能進(jìn)行評價，由于該方法的試驗周期短，操作簡便，已經(jīng)成為目前國內(nèi)外最常用的氯離子擴散加速試驗方法和評價混凝土氯離子滲透性能的方法。然而，電場加速試驗后高性能混凝土中氯離子的分布是否與收稿日期：2012一l2_04基金項目：國家自然科學(xué)基金(51168003，51208120)；教育部

13、博士點基金項目(20124501120005)；廣西自然科學(xué)基金項目(2011GXNSFB0180132010GXNSFD169008)；重大項目(2012GXNSFEA053002)；廣西高等學(xué)校資助項目(201203YB002)15學(xué)兔兔www.xuetutu.com摻量為一明顯拐點，當(dāng)摻量少于50％時，混凝土的抗氯離子滲透性能隨摻量增加而增加，而當(dāng)摻量大于50％后，混凝土的抗氯離子滲透性能隨摻量增加而降低，其原因在于單摻過多的粉煤

14、灰造成水泥用量較少，從而減緩水化過程，同時，水化過程生成Ca(OH)的量降低也會影響粉煤灰的二次水化過程，最終影響混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性和孑L結(jié)構(gòu)。比較各組混凝土的氯離子擴散系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，混凝土的抗氯離子滲透性能從高到低分別為三摻粉煤灰、硅灰和礦渣的高性能混凝土雙摻粉煤灰和硅灰高性能混凝土單摻粉煤灰高性能混凝土無礦物摻合料的普通混凝土，其原因是礦渣中玻璃體潛在活性、硅灰火山灰性和粉煤灰滾珠效應(yīng)的共同作用使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為均勻、密實，提

15、高混凝土抗氯離子的滲透性能。22基于Fick第二定律的混凝土中氯離子擴散模型研究表明，在自然條件下，氯離子在混凝土中的擴散可以通過Fick第二定律來進(jìn)行描述【3]：罟aa式中：G——氯離子的濃度(氯離子與混凝土的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)；——結(jié)構(gòu)暴露于氯離子環(huán)境中的時間，年；——距離混凝土表面的深度，m；D——氯離子的擴散系數(shù)，m2／s。設(shè)邊界條件為C(0，t)=，C(OO，t)=Co，初始條件為c(x，O)=Co，可以通過解偏微分方程得到混

16、凝土中氯離子擴散方程的解析解為【l3】：『／＼]c(o)Co(qCo)[1eJ_)式中：C(x，0)——時刻距混凝土表面處的氯離子濃度；cn——混凝土本體中氯離子初始濃度，經(jīng)測定本試驗中制備混凝土?xí)r未混入氯離子，在利用該模型擬合本試驗值時，取0；——混凝土表面氯離子濃度；e)——誤差函數(shù)。在快速氯離子擴散試驗后，對各組混凝土進(jìn)行分層粉磨取樣并測定樣品中總氯離子含量，可以得到各組混凝土中氯離子的分布情況。通過式(3)所示的基于Fick第二

17、定律的解析解對試驗后各組混凝土中氯離子的濃度分布進(jìn)行擬合，取擴散時間為快速氯離子擴散試驗時間6h(21600s)，擬合得到的表面氯離子濃度和混凝土氯離子擴散系數(shù)及其擬合優(yōu)度(用可決系數(shù)r2表示)如表6所示。表6擬合得到的模型參數(shù)和擬合優(yōu)度A0組普通混凝土中氯離子解析模型計算值與實測值的對比情況如圖1所示。圖中黑色實線表示解析模型計算結(jié)果，數(shù)據(jù)點為實測值。同理可分析其他6組高性能混凝土中氯離子解析模型計算值與實測值的對比情況如圖2、3所示

18、。擴散深度／mm圖1解析模型計算結(jié)果與試驗值的比較(A0組)020芝Ol5越o10褪驏005O2468l012l4l6l82022擴散深度／mm圖2解析模型計算結(jié)果與試驗值的比較(B1／C1／D1組)‘一‘毒C2組實測值C3組實測值▲D3組實測值——C2組解析解C3組解析解D3組解析解U246IUI2l4lOl2022擴散深度／mm圖3解析模型計算結(jié)果與試驗值的比較(C2／C3／D3組)綜合7組混凝土中氯離子分布的解析分析情況看，利用式

19、(3)所示的基于Fick第二定律的解析解擬合得到的試驗后各組混凝土中氯離子濃度分布與試驗結(jié)果吻合情況較好，其可決系數(shù)r2均大于075，說明加速試驗后混凝土中氯離子的分布仍然符合Fick第二定律。計算表6中擬合得到的加速條件下混凝土的氯離子擴散系數(shù)與表5中利用電通量計算得到的自然條件下混凝土的氯離子擴散系數(shù)的比值，如圖4所示。可見在快速擴散試驗中，各組別普通混凝土和高性能混凝土的氯離子擴散系數(shù)明顯增大，說明氯離子在電場作用下會加速向混凝土