非连续干湿循环对混凝土表层氯离子迁移的影响规律_周宗隆.pdf

第 26 卷第 2 期2023 年 2 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.2Feb.，2023非连续干湿循环对混凝土表层氯离子迁移的影响规律周宗隆1，2，钟志恒1，马聪1，刘健3，周海俊1，4，*（1.深圳大学 土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；2.深圳地铁建设集团有限公司，广东 深圳 518060；3.深中通道管理中心，广东 中山 528400；4.深圳大学 滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东 深圳 518060）摘要：为探究滨海环境中干湿循环的不规律性对混凝土表层氯离子传输的影响，设计了连续、非连续干湿循环对比试验，研究了不同干湿循环下水灰比和干湿循环制度对混凝土表层氯离子含量分布规律及对流区氯离子含量变化规律的影响.结果表明：当自然风干时间/湿润时间（td/tw）较大时，由于双向对流与扩散的传输现象，使得氯离子含量在对流区存在 1个拐点；对流区深度基本随水灰比减小而减小；连续干湿循环下氯离子峰值含量随着 td/tw的减小而增大；相较于连续干湿循环而言，非连续干湿循环对表层氯离子含量随深度的变化规律和氯离子峰值含量的影响较大.关键词：混凝土结构；非连续干湿循环；混凝土表层氯离子含量；对流区中图分类号：TU528.01文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.02.004Effects of Discontinuous Dry-Wet Cycles on Migration of Chloride in Concrete CoverZHOU Zonglong1，2，ZHONG Zhiheng1，MA Cong1，LIU Jian3，ZHOU Haijun1，4，*（1.College of Civil and Transportation Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China；2.Shenzhen Metro Construction Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518060，China；3.Shenzhen-Zhongshan Bridge Management Center，Zhongshan 528400，China；4.Key Laboratory for Resilient Infrastructures of Coastal Cities，Ministry of Education，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）Abstract:In order to study the effect of the irregularity of dry-wet cycles on chloride transmission in concrete cover under marine environment，comparative tests under continuous and discontinuous dry-wet cycles were carried out.The effect of water-cement ratio and dry-wet cycles regime under different dry-wet cycles on the distribution of chloride content in concrete cover and the change of choloride content in convection zone was studied.The results show that the chloride content has an inflection point in the convection zone due to the transmission phenomenon of bidirectional convection and diffusion when the time of dry-wet ratio（td/tw）is relatively high.The depth of convection zone decreases as the mass of water-cement ratio decreases，while the peak chloride content increases with the reduction of td/tw.Compared with continuous dry-wet cycles，the discontinuous dry-wet cycles have a significant effect on the variation of chloride content with the depth and the peak chloride content in the concrete cover.文章编号：1007-9629（2023）02-0137-06收稿日期：2021-12-16；修订日期：2022-01-10基金项目：滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室项目（ZDSYS20201020162400001）；国家自然科学基金资助项目（52178233）；广东省住房城乡建设科技协同创新中心专项课题二（2018B020207015）；广东省科技厅重点研发项目子课题（2019B111106002）；深圳市科技创新委员会孔雀团 队 项 目（KQTD20180412181337494）；广 东 省 珠 江 学 者 岗 位 资 助 计 划 项 目（GDHVPS2021）；深 圳 市 科 技 支 撑 计 划 项 目（GJHZ20210705141802009，JCYJ20220531101605012）第一作者：周宗隆（1997），男，江西南昌人，深圳大学硕士生.E-mail：通讯作者：周海俊（1977），男，浙江永嘉人，深圳大学教授，博士生导师，博士.E-mail：建筑材料学报第 26卷Key words:concrete structure；discontinuous dry-wet cycle；chloride content in concrete cover；convection zone在滨海环境中，特别是浪溅区，氯离子侵蚀会引起混凝土中钢筋锈蚀、保护层脱落、承载力降低，甚至导致结构垮塌失效1-3.已有学者针对上述问题进行了探索性研究.张奕等4-5依据滨海混凝土结构中不同高程和深度的氯离子含量分布，提出干湿循环区域钢筋混凝土结构中氯离子的传输方式除扩散外还包括毛细作用等，导致氯离子侵入速率较大，同时混凝土内部处于饱和、半饱和及干燥状态，因此这些区域混凝土中钢筋的腐蚀最为严重.王传坤等6提出对流区深度及其对应的氯离子含量与结构使用年限、干湿循环时间比、混凝土孔隙率、孔隙结构及胶凝材料等密切相关，其取值对既有混凝土结构耐久性寿命预测有着极其重要的意义.Li等7-10通过对比不同干湿循环时间比和循环周期的试验，发现表层氯离子含量随着干湿循环时间比的增加有所增加，内部氯离子含量随着距表面距离的增加而逐渐减小.徐港等11根据连续干湿循环试验，发现随着干湿循环周期的增加对流区深度先增大后减小，而表层氯离子含量和氯离子峰值含量随之增大.彭立港等12进行了抗氯离子渗透性能测试，研究表明水灰比越大，混凝土抗氯离子渗透性能越弱，混凝土中氯离子含量越高.同时，盐分结晶物在生成过程中会给材料孔隙内部带来较大的结晶应力13.因此，明确干湿循环下氯离子在混凝土中的传输特性是混凝土耐久性的核心问题之一.上述研究往往采用连续干湿循环，而实际工程中由于有效波高呈季节性变化，浪溅区混凝土所处环境存在不连续干湿循环的特征，即间断性暴露于干湿循环条件下，间断时间最长可能达到1 a14.因此，本文设计了连续、非连续（间断时间为150 d）干湿循环试验，对比研究了氯离子在不同水灰比、不同干湿循环制度下的分布规律，为更好地理解滨海环境中钢筋混凝土结构氯离子侵蚀问题提供重要的基础数据.1试验1.1混凝土试件的制作水泥采用普通硅酸盐水泥 P O 42.5R，密度为3.10 g/cm3；细骨料为区级配河砂，细度模数为2.3，表观密度为 2.58 g/cm3；粗骨料为 516 mm 连续级配碎石，表观密度为 2.68 g/cm3.混凝土的水灰比 mW/mC（质量比，文中涉及的含量、水灰比等除特殊说明外均为质量分数或质量比）及配合比见表1.试件为100100 mm的圆柱体，脱模后所有试件在（202）、相对湿度 RH95%的标准养护室中养护28 d，试件侧面用石蜡进行防水处理.1.2试验方案通过人工控制干湿循环的湿润时间 tw及自然风干时间 td，对试件进行干湿循环试验，步骤如下：将养护28 d后的试件放入质量分数为5%的NaCl溶液中，在达到湿润时间后取出；擦干表面水分并自然风干，直至本周期结束.干湿循环试验环境温度为 2026，RH为50%65%，1个周期的时长为7 d.设置 3种干湿循环制度，其 td/tw分别为 164 4、160 8、144 24，对应的自然风干时间占比 td/（td+tw）分别为 0.98、0.95、0.86.本文自然风干时间明显长于湿润时间，这是为了模拟暴露于浪溅区的海洋工程结构所处的恶劣环境.干湿循环试验分为连续干湿作用（A）组、非连续干湿作用（B）组，其中：A组的干湿循环次数 n=16，总时长为 112 d；B 组的总干湿循环次数 n=32，操作过程为先进行 16次干湿循环后，自然风干 22个周期，再进行 16次干湿循环，总时长为 378 d.A、B组试验均包含 3个水灰比的混凝土，每个水灰比混凝土均采用3种干湿循环制度，每个工况设有3个试件，因此共有 54个试件.数据选取原则为：当相同工况 3个试件数据中极值与中间值相差不超过15%时，取三者的算术平均值；当3个试件数据中极值之一与中间值相差超过15%时，取中间值；否则，数据无效.本文试件的编号制度为：A-R35-4表示采用A组干湿循环试验，水灰比为0.35，干湿循环制度中tw=4 h的试件，其他类推.1.3试验方法使用分层磨粉机将混凝土圆柱体试件从侵蚀表面开始逐层磨粉，分层磨取深度为 01、12、23、34、45、57、79、911、1115、1519、1923、2327、2731、3135 mm 的粉末，共 14 层.将磨取后的粉末过 0.3 mm 筛，未能通过的粉末先用研钵手动磨细，再次过筛；接着用磁铁吸取粉末中残留的铁屑，铁屑来源于磨粉钻头的磨损；最后将粉末装进 自 封 袋，置 于 40 烘 干 箱 中 烘 干 48 h.根 据AASHTO T260-97（2009）Standard method of test 表 1混凝土的水灰比及配合比Table 1mW/mC and mix proportions of concretesmW/mC0.350.450.55Mix proportion/(kg m-3)Water250.00232.58221.15Cement714.29516.85402.10Sand535.71620.22671.50Stone800.00930.341 005.24138第 2期周宗隆，等：非连续干湿循环对混凝土表层氯离子迁移的影响规律for sampling and testing for cloride ion in concrete and concrete raw materials 测试混凝土粉末中氯离子含量w（以混凝土质量计）.2结果与分析2.1表层氯离子含量的分布规律氯离子在混凝土中的传输存在对流区和扩散区，扩散区的起始深度，即对流区深度记为X，对应的氯离子峰值含量记为wmax16.干湿循环下混凝土氯离子含量随深度的分布图见图 1.由