CN110361302A - 一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法 - Google Patents

一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法 Download PDF

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程文东
房建宏
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Abstract

本发明公开了一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法。方法包括：(1)制备试件；(2)养护试件：将试件完全浸泡在含有氯离子的现场卤水下或埋置在盐渍土中；(3)钻孔取样：取出试件拭干表面水份或清除盐渍土，在试件两个相对侧面的对角线的固定位置取样，从试件两个相对侧面采集不同深度的混凝土样品；(4)化学分析：测定样品中不同氯离子扩散深度总氯离子浓度和自由氯离子浓度；(5)氯离子扩散参数数据处理：根据各平均深度自由氯离子浓度、混凝土表面自由氯离子浓度及混凝土内部的初始氯离子浓度制作扩散深度－浓度曲线，根据氯离子三维扩散模型和三维SAS进行回归分析，计算混凝土在不同腐蚀条件下表观氯离子扩散系数。

Description

一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，尤其涉及一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法。
背景技术
察尔汗盐湖地区因长期风吹日晒，湖内便形成了高浓度的卤水，逐渐结晶成了盐粒，湖面板结成了厚厚的盐盖，异常坚硬。湖中储藏500亿吨以上的氯化钠，可供全世界的60亿人口食用1000年。察尔汗盐湖地区盐渍土主要以氯盐渍土和硫酸盐渍土为主，其中氯盐渍土占主要部分，含盐量最高可达90％以上(如表1所示)。
察尔汗盐湖地区混凝土构造物经过一段时间的腐蚀，在地表吸附区内，盐渍土中的硫酸盐及氯盐会对水泥水化产物的稳定性破坏，导致混凝土剥落甚至溃散。盐湖地区恶劣的气候条件加剧混凝土材料的腐蚀作用，大大缩减混凝土构造物的使用寿命(如图1所示)。
混凝土结构并非完全密封体,通常其体内含有水泥化合物水解时产生的Ca(OH)2介质和部分可溶的碱性金属,使得混凝土整体显示为碱性,PH值一般约12左右。钢筋在腐蚀环境下,生成难以穿透的“钝化膜”(主要成分为Fe2O3和Fe3O4)阻止钢筋发生锈蚀，与其他离子相比，氯离子穿透能力较强，会改变钢筋所处环境的PH值，钢筋在较低的PH值环境下极易与空气中的二氧化碳、水气结合生成疏松多孔的铁锈，同时体积膨胀多倍，胀裂混凝土，二氧化碳、水气得以源源不断浸蚀最终导致混凝土构件破坏。
表1.察尔汗盐湖至格尔木高速公路易溶盐分析
正确测定混凝土的氯离子扩散系数，是进行察尔汗盐湖地区结构耐久性设计和寿命预测的前提。尽管基于电迁移的RCM法(非稳态快速迁移法)和NEL法(饱盐混凝土电导率法)能实现快速测试，但是理论基础并非Fick定律，测试结果仅与工程实际相关，而不能相符。自然扩散法是最早提出的，理论基础明确，结果比较接近工程实际，可信度高，是一种最常用、最准确的测定方法。自然扩散法分盐溶液浸泡法(美国AASHTO T259-80和ASTMC1543-02)和高浓度盐溶液浸泡法(北欧标准NordTest NTBuild443-94和美国ASTMC1556-04)，均采用密封试件，前者留有上下2个暴露面，后者仅留1个暴露面(如图2所示)。
本发明人发现上述两种自然扩散法存在严重的理论缺陷——利用密封试件只能近似模拟一维半混凝土实体，试验条件不完全符合模型的理论要求，也与实际工程中混凝土结构的暴露条件差异很大，因而所得结果实用性不强。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，主要目的是提高准确性和实用性。
为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)制备混凝土试件；
(2)养护混凝土试件：将所述试件完全浸泡在含有氯离子的现场卤水下或者埋置在现场盐渍土中；
(3)钻孔取样：养护时间到期后取出混凝土试件，拭干表面水份或清除表面盐渍土，在所述混凝土试件两个相对的侧面的对角线的固定位置取样，采用钻孔法从所述混凝土试件的两个相对侧面采集不同深度的混凝土样品；
(4)化学分析：测定所述混凝土样品中不同氯离子扩散深度的总氯离子浓度和自由氯离子浓度；
(5)氯离子扩散参数的数据处理：在计算混凝土的表观氯离子扩散系数时，根据得到的各平均深度的自由氯离子浓度数据、混凝土表面自由氯离子浓度值及混凝土内部的初始氯离子浓度值，制作扩散深度－浓度曲线，并根据氯离子三维扩散模型示意，利用三维SAS程序进行回归分析，即可计算出混凝土在不同腐蚀条件下的表观氯离子扩散系数。
作为优选，所述步骤(1)中所述混凝土试件长、宽、高分别为10cm、10cm、10cm立方体，每组3块，4组12块。
作为优选，所述步骤(2)中养护过程具体为：将混凝土立方体试件完全浸泡在含有氯离子的现场卤水下或者埋置在现场盐渍土中，水位高度或者盐渍土高度应始终保持高出试件顶面20mm，相邻试件之间的间距不小于20mm，养护时间为28d。
作为优选，所述步骤(3)中取样过程包括：每组3个试件，每个试件依据坐标定位每个侧面需钻4个孔，采样深度依次为0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm、25～30mm、30～35mm、35～40mm、40～45mm、45～50mm，保证从每层混凝土试件中收集5g样品，并用孔径0.16mm的筛子过筛，以除去粗颗粒。
作为优选，所述步骤(4)中混凝土试件的不同氯离子扩散深度的总氯离子浓度采用稀硝酸溶解的萃取法测定；所述混凝土试件的自由氯离子浓度采用蒸馏水溶解的萃取法测定。
作为优选，所述步骤(5)中的所述各平均深度包括2.5mm、7.5mm、12.5mm及17.5mm。
作为优选，所述氯离子三维扩散模型具体为：将所述混凝土试件沿x方向的厚度设为L1，沿y方向的厚度设为L2，沿z方向的厚度设为L3，混凝土的初始自由氯离子浓度设为c0，经过扩散时间t后位置O处(x、y、z)的自由氯离子浓度cf，混凝土的表观氯离子扩散系数设置设为D，暴露在混凝土表面的氯离子浓度设为cs。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计的混凝土自由氯离子扩散系数三维自然扩散试验方法可避免传统混凝土自由氯离子扩散系数一维半混凝土实体试验，实现三维立体、6个受腐蚀面模拟实际工程中混凝土受腐蚀条件下自由氯离子扩散系数测试，与实际工程中混凝土腐蚀机理吻合，可有效克服混凝土自由氯离子扩散系数试验理论缺陷，该试验方法测试数据能直接将混凝土自由氯离子扩散参数用于混凝土结构的寿命设计与耐久性评估。
附图说明
图1是本发明实施例提供的氯盐腐蚀破坏的混凝土构造物实物图；
图2是本发明实施例提供的传统自然扩散法的示意图；
图3是本发明实施例提供的混凝土立方体试件的三维氯离子扩散模型示意图；
图4是本发明实施例提供的混凝土试件的三维氯离子扩散深度与自由氯离子浓度曲线图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
1、试件规格与数量
混凝土试件采用10cm×10cm×10cm立方体，每组3块，4组12块。
2、养护条件
将混凝土立方体试件完全浸泡在含有氯离子的现场卤水下或者埋置在现场盐渍土中，水位高度或者盐渍土高度应始终保持高出试件顶面20mm左右，相邻试件之间的间距不小于20mm，养护时间为28d。
3、三维自然扩散试验方法
(1)钻孔取样
养护时间到期后，取出混凝土试件，拭干表面水份，或者清除表面盐渍土，在混凝土立方体试件两个相对的侧面的对角线的固定位置(坐标x、y)取样，用钻孔法从试件的两个相对侧面采集不同深度的混凝土粉末样品。每组3个试件，每个试件依据坐标定位每个侧面需钻4个孔，采样深度依次为0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm、25～30mm、30～35mm、35～40mm、40～45mm、45～50mm等，保证从每层混凝土试件中收集约5g样品，并用孔径0.16mm的筛子过筛，以除去粗颗粒。
(2)化学分析方法
混凝土不同氯离子扩散深度的总氯离子浓度采用稀硝酸溶解的萃取法测定，自由氯离子浓度采用蒸馏水溶解的萃取法测定。其详细的操作与分析步骤参照国家交通部标准JTJ270-98《水运工程混凝土试验规程》的“混凝土中砂浆的水溶性氯离子含量测定”和“混凝土中砂浆的氯离子总含量测定进行。
(3)氯离子扩散参数的数据处理
自由氯离子扩散系数Df＝(1+R)D，因此要得到自由氯离子扩散系数就必须计算混凝土的结合能力R和表观氯离子扩散系数D。在计算混凝土的表观氯离子扩散系数时，根据实验得到的平均深度2.5mm、7.5mm、12.5mm及17.5mm等处的自由氯离子浓度cf数据、混凝土表面自由氯离子浓度cs值、混凝土内部的初始氯离子浓度c0值等参数，得到扩散深度与浓度曲线之间的关系图(图4)，并根据氯离子扩散模型示意，利用三维SAS程序进行回归方程分析，即可计算出混凝土试件在不同侵蚀条件下的表面氯离子表观扩散系数D的计算。
混凝土中的碳化和Cl-腐蚀是导致混凝土构造物破坏的两个主要原因，这些因素严重影响了混凝土构造物的耐久性，降低其使用寿命，对已经遭到破损的再次修复与维护往往需要巨大的经济支撑并会带来巨大的生态环境问题。相对于混凝土碳化，Cl-侵蚀整体过程相对比较复杂，很难用一般较为简单的数学模型进行预测，混凝土结构物表层一旦有氯盐环境相互接触,Cl-首先通过毛细管吸收和相互流动作用侵入至构造物内部，且很快就会升入30mm左右的深度，对混凝土构件产生腐蚀。由于碳化和温度、湿度变化等外界环境作用，Cl-扩散过程十分复杂，仅仅根据Cl-扩散系数来评价混凝土结构耐久性是不够的，但是，作为评价混凝土结构耐久性的基本参数之一，测定混凝土的Cl-扩散系数具有重要意义。因此，本发明采用全暴露试件、并重新建模，使氯离子按照三维、从6个暴露面向内扩散；例如，混凝土试件沿x方向的厚度为L1，沿y方向的厚度为L2，沿z方向的厚度为L3，这样即可按照化学分析的方法，分别从三维、6个暴露面根据不同的深度逐层测定不同扩散深度的混凝土中氯离子扩散的各种参数；本发明采用上述方法既能克服理论缺陷，又能直接将所得扩散参数应用于工程结构的寿命设计与耐久性评估。
本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。
以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备混凝土试件；
(2)养护混凝土试件：将所述试件完全浸泡在含有氯离子的现场卤水下或者埋置在现场盐渍土中；
(3)钻孔取样：养护时间到期后取出混凝土试件，拭干表面水份或清除表面盐渍土，在所述混凝土试件两个相对的侧面的对角线的固定位置取样，采用钻孔法从所述混凝土试件的两个相对侧面采集不同深度的混凝土样品；
(4)化学分析：测定所述混凝土样品中不同氯离子扩散深度的总氯离子浓度和自由氯离子浓度；
(5)氯离子扩散参数的数据处理：在计算混凝土的表观氯离子扩散系数时，根据得到的各平均深度的自由氯离子浓度数据、混凝土表面自由氯离子浓度值及混凝土内部的初始氯离子浓度值，制作扩散深度－浓度曲线，并根据氯离子三维扩散模型示意，利用三维SAS程序进行回归分析，即可计算出混凝土在不同腐蚀条件下的表观氯离子扩散系数。
2.如权利要求1所述的一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述混凝土试件的长、宽、高分别为10cm、10cm、10cm，每组3块，4组12块。
3.如权利要求1所述的一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，其特征在于，所述步骤(2)中养护过程具体为：将混凝土立方体试件完全浸泡在含有氯离子的现场卤水下或者埋置在现场盐渍土中，水位高度或者盐渍土高度应始终保持高出试件顶面20mm，相邻试件之间的间距不小于20mm，养护时间为28d。
4.如权利要求1所述的一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，其特征在于，所述步骤(3)中取样过程包括：每组3个试件，每个试件依据坐标定位每个侧面需钻4个孔，采样深度依次为0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm、25～30mm、30～35mm、35～40mm、40～45mm、45～50mm，保证从每层混凝土试件中收集5g样品，并用孔径0.16mm的筛子过筛，以除去粗颗粒。
5.如权利要求1所述的一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，其特征在于，所述步骤(4)中混凝土试件的不同氯离子扩散深度的总氯离子浓度采用稀硝酸溶解的萃取法测定；所述混凝土试件的自由氯离子浓度采用蒸馏水溶解的萃取法测定。
6.如权利要求1所述的一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，其特征在于，所述步骤(5)中的所述各平均深度包括2.5mm、7.5mm、12.5mm及17.5mm。
7.如权利要求1所述的一种测定混凝土氯离子扩散系数的方法，其特征在于，所述氯离子三维扩散模型具体为：将所述混凝土试件沿x方向的厚度设为L1，沿y方向的厚度设为L2，沿z方向的厚度设为L3，混凝土的初始自由氯离子浓度设为c0，经过扩散时间t后位置O处(x、y、z)的自由氯离子浓度cf，混凝土的表观氯离子扩散系数设置设为D，暴露在混凝土表面的氯离子浓度设为cs。
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