沿海盾构隧道混凝土中氯离子渗透的加速试验方法探讨研究_张伟.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.027作者简介：张伟（1989-），男，硕士研究生，工程师，主要从事隧道及地下建筑工程勘察设计工作。E-mail：0引言钢筋混凝土耐久性的主要影响因素之一是“氯盐腐蚀”1。氯盐腐蚀是指混凝土中存在氯离子，破坏钢筋的钝化膜，使钢筋处于易腐蚀（锈蚀）状态的现象。另外，钢筋的腐蚀会成造成截面缺损、导致保护层混凝土剥落，降低混凝土结构物的耐久性能。而在施工现场，混凝土中氯离子来源，可分为混凝土材料自身存在的或者在运行阶段中外界环境带来的氯离子2-3。特别是在沿海环境的建筑物，氯盐环境引起的盐害灾害在海岸地区更为严重4-6。为了使沿海建筑物可以长周期安全运行，必须关注氯盐对混凝土钢筋侵蚀的问题。目前国内外对混凝土中氯离子渗透加速实验研究过程中，还没有形成一个标准化的试验方法，实验条件各不相同。因此，有必要就不同的加速实验的方法对氯离子渗透的影响进行对比研究，为科学有效的措施选择混凝土的耐久性研究提供参考基础。1氯离子干湿交替循环试验1.1干湿交替循环条件试件首先在水中和空气中分别养护 4 周（均为20）后进行氯离子干湿交替循环实验。干湿交替循环实验的实验环境为将试件分别浸泡在 3%浓度的NaCl 溶液中（湿润）和将试件放置于室温条件中（干燥）。以7 d为一个周期重复往返地进行干湿循环试验。不同的干湿交替循环条件如表1所示，可以看出条件A和条件D的湿润时间相同并且长于条件B和条件C。虽然条件A的湿润时长与条件D的湿润时长一致，然而在一次循环周期内（7 d）条件A和条件D的循环次数不同。本文研究了10个干湿交替循环作用下的氯离子的变化结果。沿海盾构隧道混凝土中氯离子渗透的加速试验方法探讨研究张伟1，2（1、中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063；2、水下隧道技术国家地方联合工程研究中心武汉430063）摘要：某沿海盾构隧道工程所处环境属于典型的亚热带海洋性季风气候，年平均气温约为22.5，年平均相对湿度约为82，具有气温高、湿度大、盐度高的特点，混凝土结构的腐蚀环境严酷，耐久性问题突出。通过对混凝土中氯离子渗透的加速试验方法进行对比研究，分析其氯离子在混凝土加速实验中的影响因素，结果表明在渗透深度为5 mm时，干燥2 d时，渗透面的氯离子含量呈现W/C60%W/C50%，但在干燥34 d时渗透面的氯离子含量呈现出W/C50%W/C60%。而在渗透深度在15 mm以上时的氯离子含量与加速条件无关，W/C50%W/C60%。关键词：混凝土；氯离子；耐久性；加速实验中图分类号：TU375.2文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-116-03Accelerated Test Method for Chloride Ion Penetration in ConcreteAccelerated Test Method for Chloride Ion Penetration in Concrete of Coastal Shield Tunnelsof Coastal Shield TunnelsZHANG Wei1，2（1、China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.Wuhan 430010，China；2、National-Local Joint Engineering ResearchCenter of Underwater Tunnelling TechnologyWuhan 430063，China）AbstractAbstract：The environment of a coastal river-crossing project belongs to a typical subtropical maritime monsoon climate，with an averageannual temperature of about 22.5 and an annual average relative humidity of about 82%，which has the characteristics of high temperature，high humidity and high salinity，and the corrosion environment of concrete structures is harsh and the durability problem is prominent.The results show that when the penetration depth is 5 mm，the chloride ion content changes appear，and the W/C is 60%50%whendrying for 2 days，but 50%60%when drying for 34 days.The chloride ion content at a penetration depth of more than 15 mm is independent of the acceleration conditions，and the W/C is 50%60%.Key wordsKey words：concrete；chloride ions；durability；accelerated experiments表1混凝土干湿循环条件Tab.1Concrete Dry-wet Cycle Situation条件ABCD1湿湿湿湿234干干5干湿6干7干116张伟：沿海盾构隧道混凝土中氯离子渗透的加速试验方法探讨研究MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期1.2试件制作及试验水泥采用广东梅州产的 P.O 42.5 水泥（密度：3.16 g/cm3，比表面积：3 316 cm2/g，氯离子量：0.021%）；细骨料为天然河沙，细度模数为2.5；粗骨料采用连续级配碎石，最大粒径为 20 mm。搅拌水使用自来水（氯离子量：4.9 mg/L），化学外加剂使用木质素磺酸类AE减水剂。氯离子干湿交替循环试验所采用的试件尺寸为100 mm100 mm400 mm，使用钢模板浇筑、成型后第二天脱模。脱模后的试件进行水中养护，材料龄期4周取出，在上述室内20 气中养护至8周。试件的2个100 mm100 mm 的平面作为氯离子渗透面，其余采用环氧树脂进行涂抹防止水分进入。在进行10次干湿交替循环后，对试件进行切割测试氯离子含量。混凝土试件取样测试方法如图1所示。使用混凝土切割机将试件均匀切成10 mm薄片，除去环氧树脂所附着的部分，将混凝土薄片进行粉碎并通过150 m的筛子，之后对筛余的粉末进行氯离子含量测定。氯离子量的测量依据 混凝土中氯离子含量检测技术规程：JGJ/T 3222013 中的相关规定，通过氯离子专用电位差滴定仪测量了混凝土中氯离子含量7。本实验所采用的电位滴定仪如图2所示。2氯离子量变化趋势不同条件下的氯离子含量变化趋势如图3所示，由图3可知，条件A和条件D的氯离子变化趋势类似，而条件B和条件C的氯离子变化趋势类似。还可以看出，对于条件 A 和条件 D 的试件，在 5 mm 处 W/C 为50%的氯离子含量要高于W/C为60%的氯离子含量，这是由于实验环境和混凝土氯离子浓度同时作用引起的，虽然W/C为50%较密实但混凝土表面氯离子浓度更大。在条件A和D作用下，混凝土W/C为50%和60%在15 mm位置处的氯离子含量相似，当位置大于15 mm时，W/C为60%的氯离子含量高于W/C为z%的氯离子含量，这是由于在混凝土深度位置处混凝土自身的孔隙率对氯离子含量起决定作用。然而对于条件B和条件C的试件，在535 mm阶段，W/C为60%的氯离子含量均大于 W/C 为 50%的氯离子含量。在45 mm以后两边的氯离子含量几乎一致。并且条件B下的氯离子浓度要高于条件C的氯离子浓度。因此，浸泡时间越长，试件氯离子浓度越大。氯离子含量的累计值如图 4 所示，由图 4 可知，5 mm处不同干湿交替条件下的氯离子含量变化形式多样，然而1565 mm位置处的氯离子，W/C为60%的氯离子累计值要明显高于W/C为50%的累计值。3干湿交替循环下氯离子扩散系数分析扩散系数采用菲克第二定律结合混凝土表面的边界条件8-10，使用式算出得到。图1混凝土试件的切割方法Fig.1Concrete Specimens Cutting Method70mm10C10mm20C图2氯离子滴定仪器Fig.2Chloride Titration Apparatus图3不同渗透距离位置处的氯离子浓度Fig.3Chloride Concentration at DifferentPenetration Distances条件A条件D条件C渗透距离/mm氯化物含量/kgm-350-101060-12124146161020030840506070渗透距离/mm氯化物含量/kgm-350-201060-22124146161020030840506070渗透距离/mm氯化物含量/kgm-350-301060-32124146161020030840506070渗透距离/mm氯化物含量/kgm-350-401060-42124146161020030840506070条件B图4不同深度处累积的氯离子含量Fig.4Chloride Concentration at DifferentPenetration Distances1565mm（W/C）/%氯离子累计含量/kgm-31015200255060530条件A5060条件B5060条件C5060条件D5mm117广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期C（x，t）=C0|1-erf()x2Dt其中，C（x，t）为干湿交替时间t（s），距渗透面的距离为x（m）处的氯离子浓度（kg/m3）；C0为渗透面的表面氯离子浓度（kg/m3）；D为氯离子的扩散系数；erf为误差函数。渗透面位置处的氯离子浓度C0如图5所示，计算得到的氯离子扩散系数如图6所示。由图5可知，渗透面处的氯离子浓度与5 mm测得的数值类似，在条件A和条件D的情况下，W/C50%W/C60%，在条件B和条件C的情况下，W/C50%W/C60%。由图6可知，W/C60%的氯离子扩散系数均大于W/C50%的氯离子扩散系数，水灰比对混凝土氯离子扩散系数的影响较大。在渗透面处，与混凝土水灰比相比，不同的干湿循环条件对该位置处的氯离子含量造成的影响要大于水灰比的影响。4结语混凝土中的氯离子渗透促进试验方法中的条件总结如下：加速期间经过的质量变化率，在1个循环7 d中，干燥3 d以上时呈减少趋势；氯离子含量在最浅部5 mm时，实验1个循环中，干燥2 d 时，表现为W/C60%W/C50%，但在干燥34 d 时，则表现为 W/C50%W/C60%；深度15 mm以上时的氯离子量与促进条件无关，W/C50%W/C60%。参考文献1 LI K，WANG P，LI Q，et al.Durability assessmentof concrete structures in HZM sea link project for service life of 120yearsJ.Materials andStructures，2016，49（9）：3785-3800.2 刘应龙.考虑荷载与碳化和氯离子侵蚀的混凝土箱梁多维劣化机理及耐久性设计方法 D.兰州：兰州交通大学，2020.3 朱秋硕.盐雾区混凝土桥梁氯离子附着量的数值模拟及侵蚀分析 D.天津：天津大学