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配合比对海工混凝土耐久性影响的试验研究

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烟台大学 硕士学位论文 配合比对海工混凝土耐久性影响的试验研究 姓名:崔涛 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:周新刚 20100401

摘要
海工环境下钢筋混凝土结构的耐久性问题由来已久,已经引起了工程界的 广泛关注。由于氯离子的侵蚀,使得钢筋锈蚀十分普遍,这严重降低了混凝土 结构的耐久性能。 影响混凝土结构耐久性的因素总结起来有四大方面: 配合比、 原材料性质、施工因素和外界环境,而配合比设计是提高混凝土耐久性的关键 因素。传统的混凝土配合比设计方法过分强调强度指标,这种配合比方法目前 看来存在很大的缺陷,对于提高混凝土的耐久性也是远远不够的;基于耐久性 能的设计方法依然不成熟,仍然需要进一步研究。 目前的配合比设计研究主要集中在矿物掺加料上。对于矿物掺加料的研究 已经取得了大量的成果,但是大都局限在标准养护条件下,忽略了使用环境的 影响,那么在标准养护条件下取得的成果能否对具体环境同样适用也就不得而 知。因此,本文设计了海工环境下的暴露试验,分别在浪溅区、大气区、水下 区和养护室放置不同配合比的试件,对以下内容进行了研究: 分别测试不同时间的试件的强度, 看掺加粉煤灰和矿渣对强度的影响规律, 并探讨掺加粉煤灰和矿渣混凝土的强度的验收期限问题;用 NEL-PDR 法测试 试件的氯离子扩散系数,研究混凝土的强度和氯离子扩散系数的相关性;研究 暴露在不同养护环境下试件的氯离子扩散系数随粉煤灰和矿渣掺量的变化规 律,探讨粉煤灰和矿渣的最优掺量问题;对于影响氯离子扩散系数的因素进行 方差分析,探讨影响因素的显著性水*;建立了标准养护条件和海工暴露环境 下试件的扩散系数的模型,通过建立的关系,可以由室内快速试验测试的结果 对海工环境下的混凝土结构进行寿命预测; 本文探讨了 Fick 第二定律中几个关 键参数的取值,运用 Life 365 软件和建立的模型,对不同的配合比试件进行了 寿命预测,对混凝土的配合比设计提供了一些建议。 关键词:混凝土结构、耐久性、矿物掺加料、暴露试验、寿命预测

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Abstract
At present, durability of concrete structures under chloride environment has become one of the problems widely concerned by the academic and engineer circles in civil engineering. Due to the ingress of chloride,the reinforcement in concrete is corroded which degrade the durability of concrete greatly. To sum up, there are four reasons influencing the durability of concrete: mixture design, material properties, construction elements and the external environment. Mixture design is the key reason. The traditional design method put too much emphasis on concrete strength and has too much flaw to enhance the durability of concrete. The durability-based design method is still immature and still needs to be further studied. Currently, the mixture design research focus on the mineral admixture. At present, the research on mineral admixture has made lots of result, however, most of the researches are confined to the standard curing conditions and the environmental impact is ignored. So whether the research results are applicable to the environment are still unknown. Therefore, this paper designs test exposed to the marine environment. Specimens of different mixture were placed in the splash zone, air zone, submerged zone and maintenance room. The following studies are done: Test the strength of specimen at different times to study the influence of fly ash and slag and explore the strength acceptance period of concrete; use NEL-PDR to test the chloride ion diffusion coefficient of specimens and study the correlation of the concrete strength and chloride ion diffusion coefficient; study the law between the chloride ion diffusion coefficient and the content of fly ash and slag and the optimal content of fly ash and slag; the variance analysis of the influence factors of the chloride ion diffusion coefficient is done to explore the significance level of factors; the chloride ion diffusion coefficient model between the standard curing and marine environment is established; last but not the least, some critical parameters in Fick’s second law were studied and the life of concrete structure of different mix in marine environment is predicted by Life 365 software and the model establish in this paper, which provide some advice to the concrete mix design. Key words: concrete structure, durability, mineral admixture, exposure test, service life prediction.

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1 绪论
1.1 海工混凝土耐久性问题的提出
混凝土是人类社会建设工程中不可缺少的材料,与其它常用建筑材料相比,生产能 耗低,来源广泛,生产简便,成本低廉。随着建设工程的发展,技术水*的提高,以及 生态环境的需要,混凝土材料和技术也在不断进化。总的来说,混凝土材料和技术应具 有以下几个方面的性能和功能: (1)首先保证混凝土和混凝土结构在所处环境中具有足够的耐久性, 也即保证混凝土 结构在服役期具有所要求的个性性能;(2)保证结构设计对混凝土要求的强度和强度储 备;(3)混凝土和混凝土结构必须与生态环境相协调,和人类的生活、文化相协调。这就 需要不断发展混凝土的新技术和新材料,而混凝土的强度和耐久性能始终是混凝土结构 发展的基础和主导。 然而,相当数量的混凝土结构因为不同的原因而达不到预定服役年限,更不用谈与 环境相适应相协调。这其中有些是因为结构设计的抗力不足或者使用功能的变化而导致 的,而大多数是因为混凝土结构的耐久性不足引起的:尤其是在海工环境下,由于存在 大量的氯离子,使得钢筋的锈蚀十分严重,进而使混凝土结构发生早期破坏。这样的问 题在当今世界屡见不鲜,混凝土的耐久性问题已经引起了工程界的广泛关注。 据国内外资料表明, 由于钢筋混凝土结构耐久性的不足而引起的经济损失是巨大的, 具体统计见表 1.1。 表 1.1 耐久性不足导致的经济损失统计[1~3] 序号 统计机构 年限 原因 混凝土结构腐蚀, 1 美国标准局(NBS) 1975 年 其中钢筋锈蚀占 40% 2 美国材料咨询委员 1987 年 混凝土结构腐蚀 253000 座混凝土桥处 700 亿美元 经济损失情况

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会(NMAB) 于不同程度的损伤状 态,且以每年 35000 座的速度增加 修复因耐久性不 美国材料咨询委员 3 会(NMAB) 梁 1974~1989 修复钢筋混凝土 200 亿英镑, 为初始造 4 英国 年 结构 引以为豪的新干 5 日本 1985 年 线出现混凝土结 构开裂、 剥蚀现象 约有 3000 座桥梁每年 6 瑞士联邦公路局 1976 年 钢筋混凝土锈蚀 需要维护的费用高达 8000 完瑞士法郎 我国的海岸线很长, 大规模的基本建设多集中在沿海地区, 尤其是海洋工程如码头、 护坡和防护堤等由于氯离子引起的钢筋锈蚀破坏是十分突出的,见表格 1.2。在 T00 版 的经济日报中,有一篇文章曾经以“大桥为何只能用十年”为题来说明我国混凝土安全 设计标准已经到了刻不容缓的地步。 表 1.2 我国部分水工、港工工程腐蚀与耐久性调查结果[4,5] 序号 1 2 名称 华东、华南 27 座 海港、引桥 华南 18 座码头、 年限 20 世纪 60 年代 使用 7~25 年 腐蚀情况 其中腐蚀破坏 74% 其中腐蚀破坏 89% 经济损失 不详 不详 备注 吴绍章 等调查 洪定海 不详 价的 1.6 倍 1991 年 足导致腐蚀的桥 元 修复费用达 910 亿美

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引桥 3 22 座混凝土水闸 使用 7~15 年 其中腐蚀破坏 56% 不详 等调查 童保全 等调查 许冠绍 等调查 单国良 等调查

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61 座混凝土水闸 连云港码头第一 码头、引桥

使用 23 年

其中腐蚀破坏 87%

不详

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使用 4~20 年

其中腐蚀破坏 84% 1963 年明显腐蚀破

不详

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湛江码头

1956 年建

坏并开始修复, 1988 年拆除

不详

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北仓港码头引桥

1981 年建,1987 年开始修复

仅宝钢就 钢筋锈蚀 69% 提供数百 万元

*年来,我国陆续修建了大量的悬索桥和斜拉桥,由于拉索或吊杆的耐久性不足而 被迫更换,见表 1.3。 表 1.3 部分缆索承重桥梁拉索(或吊杆)的更换记录[6] 工程名称 换索(和重修)的原因及处理情况 1988 年通车,95 年 5 月因索锈蚀严重发生了 9 号索 广州海印大桥(砼斜拉桥) 断裂事故,后来发现 15 号索也有松断现象,被迫进 行全桥换索工程,耗资 2000 万元,工期半年 济南黄河公路大桥(砼斜拉桥) 1982 年建成,13 年后检查时发现索有锈蚀即换索。 上世纪 70 年代建成, 使用 20 年后因锈蚀严重全部换 四川红水河铁路桥(砼斜拉桥) 索。 重庆彩虹桥(钢管砼提篮拱桥) 因施工质量和吊杆锈蚀,使用 20 年后全部换索。

四川宜宾金沙江南门桥(钢筋砼 1990 年建成,10 年后因吊杆锈蚀损坏发生局部桥面

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吊杆拱桥,主跨 240 米) 坍塌事故,2002 年 6 月完成对全部吊杆的更换。 1988 年 6 月正式建成通车,1999 年底因拉索锈蚀换 广东九江大桥(砼斜拉桥) 索。 重庆石门大桥(独塔砼斜拉桥) 1988 年建成通车,2005 年因拉索锈蚀全部换索。

作者曾对烟威沿海地区的建筑物进行实地调查,结果表明沿海地区钢筋混凝土结构 在海工环境下受到氯离子的侵蚀而造成的耐久性破坏现象十分严重。滨海附*的酒店、 房屋的梁和柱因长时间受氯离子的侵蚀,钢筋严重锈蚀,导致保护层顺筋开裂、剥落, 极大降低了其耐久性能,如图 1.1、图 1.2 所示;码头的钢筋混凝土栈桥、排架梁和柱出 现了严重的钢筋锈蚀现象,导致保护层胀裂、剥落,如图 1.3、图 1.4 所示。

图 1.1 威海某海滨住宅

图 1.2 烟台某海滨酒店

图 1.3 威海某码头排架

图 1.4 烟台某海滨桥梁

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1.2 海工混凝土耐久性的研究现状 1.2.1 国外研究现状
早在 1957 年美国混凝土学会(ACI)成立了“ACI-201 委员会” ,负责指导和协调 混凝土耐久性方面的研究。国际材料与结构试验研究联合会(RILEM)于 60 年代专门 成立了“混凝土钢筋锈蚀”技术委员会(CRC) ,该委员会总结了世界各国在钢筋锈蚀 方面的研究成果,并对以后的研究方向提出了建议。 1982 年 RILEM 和 CIB 成立了共同工作委员会 RILEM-71 PSL/CIB W80,就混凝土 结构的寿命预测问题进行共同研究;1987 年欧洲混凝土学会(CEB)制订了“耐久混凝 土结构设计指南” ; 同年, 国际桥梁协会提出了维修费的宏观造价概念, 使混凝土耐久性 的研究又上了一个新的台阶;1990 年欧洲 CEB 的模式规范(Model Code)将耐久性增 列为完整的一章。 1991 年第二届国际混凝土耐久性会议在法国召开,Metha 教授提出钢筋锈蚀是当今 混凝土破坏的主要原因。 1995 年 RILEM TC 130-CSL 委员会在 “混凝土结构服役寿命计 算方法”的报告中提出了新型的耐久性设计概念—基于概率设计理论的混凝土结构耐久 性设计概念。1996 年,欧盟下属瑞典、挪威、德国、英国等 12 国联合成立了 DuraCrete 项目, 进行基于概率理论的混凝土耐久性设计方法的研究;美国白宫科技办公室于 1997 年提出未来两年内研究与开发的重点有 10 个领域, 其中 “提高房屋安全性与耐久性” 就 是建筑领域中一个“重中之重”课题。2001 年亚洲混凝土模式规范委员会公布了《亚洲 混凝土模式规范》 (ACMC2001) ,基于性能的设计方法被提出。

1.2.2 国内研究现状
长期以来, 混凝土的质量通常以 28 天的强度为主要衡量指标, 以为加大水泥用量和 采用早强水泥能有利于质量,不提倡使用粉煤灰等矿物掺加料,这些都对混凝土的耐久 性带来极为不利的影响。我国过去对混凝土结构的耐久性和结构长期安全性问题的认识 不足,但是对混凝土材料耐久性的研究,还是在不断地探索中。早在 20 世纪 50 年代开 始建设大型水利工程时,吴中伟院士就曾提出预防混凝土碱骨料反应破坏问题[7],从而

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在水工结构中采取了相应措施, 对保证当时建设的水工混凝土结构耐久性起了重要作用。 我国对钢筋混凝土结构耐久性的问题,从 20 世纪 80 年代日益引起重视。在 80~90 年代的 20 年间,我国混凝土耐久性的研究取得了丰硕的成果,具体成果见表 1.4 所示。 表 1.4 80~90 年代我国混凝土耐久性研究的进展[8~10] 时间 研究进展 颁布了《钢铁工业建(构)筑 规定了钢筋混凝土结构使用寿命预测 1989 年 物 可 靠 性 鉴 定 规 程 》 办法 (YBJ219-89) 全国钢筋混凝土标准技术委员 1991 年 会下成立“混凝土结构耐久性 促使我国混凝土耐久性研究更快发展 学组” 中国土木工程学会混凝土及预 1992 年 应力混凝土分科学会下成立 “混凝土耐久性专业委员会” “八五”期间攻关课题“预应力混凝 土结构及混凝土耐久技术” 、 “工业厂 “八五” 建设部、冶金部设立了专门的 和“九 混凝土结构耐久性课题 五” 期间 研究”国家重点科技攻关项目,针对 影响混凝土耐久性的主要因素设立了 三大课题,取得了大量成果 21 世纪以来,我国的混凝土耐久性研究有了新的进展。2000~2002 年期间,多次以 期间设立“重点工程混凝土安全性的 房混凝土结构耐久性研究” 。 “九五” 已召开过 5 次学术交流会 取得的成果

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结构耐久性为主题的论坛和会议在杭州、大连和北京等地召开,并出版了大量有价值的 论文集; 2002 年 10 月召开的主题为“三峡工程与混凝土耐久性”引起了世界的广泛关 注;于 2008 年竣工的杭州湾跨海大桥,是我国自行设计、自行管理、自行投资、自行建 造的,工程创 6 项世界或国内之最。杭州湾跨海大桥地处强腐蚀海洋环境,为确保大桥 寿命,我国第一次明确提出了设计使用寿命大于等于 100 年的耐久性要求。被誉为“中 国第一桥”的港珠澳大桥,多方面的标准在中国乃至世界都是首屈一指,首次提出了设 计使用年限为 120 年,在国际上尚属首例,标志着我国混凝土耐久性研究已经拉*了与 国际上的差距。这一切都说明我国混凝土的耐久性研究已经上了一个新的台阶,正从以 前的基础研究向实际应用转变。

1.3 影响混凝土耐久性的因素及研究现状 1.3.1 影响混凝土耐久性的因素
影响混凝土耐久性的因素很多,归结起来,有四大方面:混凝土的配合比、原材料 性质、施工质量和外界环境条件。这四个方面都能影响混凝土中孔结构的分布及孔径大 小,从而影响环境中的有害物质在混凝土中的迁移,造成混凝土物理和化学方面的劣化 以及钢筋锈蚀。 在材料性质上,水泥用量和种类、骨料等因素都能对耐久性产生极大的影响。我国 水泥标准中对于水泥的最高用量并没有做出最高值的限定,这就使一些厂家片面追求早 期强度而加大水泥用量或使用早强水泥,从而引起混凝土收缩大。骨料方面,吸水率大 的骨料会使混凝土有较大的长期收缩; 对于骨料的级配和粒型的要求, 我国也不够重视, 很少骨料能够真正符合规范要求,这也是导致我国混凝土质量不如欧美等发达国家的重 要原因之一。 在施工因素上,我国的混凝土设计与施工规范也是过于强调强度指标。例如,现行 混凝土结构施工规范中的钢筋位置允许误差为 5mm,这对结构的承载力没有什么影响, 但对耐久性来讲,由于碳化或氯盐的侵蚀所需要的时间与保护层厚度的*方呈正比,就 会对结构的使用期限产生极大的影响。施工养护不良也不至于影响混凝土内部的强度, 但会成倍降低表层混凝土的抗侵蚀性,这与钢筋的锈蚀大体呈正比,从而成倍缩短其使

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用寿命。 本文认为只要对材料性质和施工质量两大因素精心控制,严格把关,就可以将两者 的影响降到最低; 而满足具体环境要求的配合比设计才是提高混凝土耐久性的关键因素。 因此,本文不再对材料性质和施工质量进行讨论,仅就配合比设计和环境影响两大因素 进行探讨。

1.3.2 混凝土配合比研究现状
文献[11]中提出当代混凝土在配合比设计时必须同时考虑工作性、耐久性、强度和经 济性四方面的要求,四者关系如图 1.5 所示。但要想真正满足四方面的要求,在目前看 来仍有不小的难度。要想真正实现四方面的要求,矿物掺加料的影响不可忽略。矿物掺 加料的应用越来越广泛,被称为混凝土的“第四组分” , 而目前的配合比设计也主要集 中在矿物掺加料上。常用的矿物掺加料如粉煤灰、矿渣、硅灰等,其内部活性物质可与
Ca (OH ) 2 反应生成 C-S-H 凝胶,降低水化物的结晶程度,使水化物颗粒减小,从而改

善混凝土界面结构和水泥石孔结构,提高了混凝土的流动性和可施工性,同时降低了用 水量,使得混凝土的抗渗性和耐久性进一步提高。矿物掺加料虽然使混凝土的早期强度 有所降低, 但是混凝土的后期强度发展快, 甚至能够超过普通硅酸盐水泥混凝土的强度。 有文献[12,13]表明掺加矿渣后可以减少混凝土的水化热,有助于防止混凝土早期裂缝 的开展。高怀英,马树军等人[14]总结了国内外矿渣的应用情况,并由实际工程试验数据 得出大掺量矿渣能明显提高混凝土的可泵性,降低混凝土的沁水率,大大提高混凝土的 密实度,有效提高了混凝土的抗氯离子侵蚀效果。文献[15]通过试验研究发现粉煤灰掺量 为 20%以内时能够显著降低低水胶比混凝土早期的自收缩;Berry 和 Malhotra[16]认为粉 煤灰会使混凝土的空气和水渗透性增大,但会使氯离子扩散性能降低;在 Roy[17~21]等人 的试验中,W/C 为 0.3 和 0.35 的硅酸盐水泥浆, Cl ? 的扩散系数是15.6 × 10 ?12 m 2 / s 和

8.7 × 10 ?12 m 2 / s ;而以粉煤灰代替 30%的水泥后,扩散系数是1.35 × 10 ?12 m 2 / s 和 1.34 × 10 ?12 m 2 / s 。

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图 1.5 混凝土主要性能之间的关系[11] 在本文看来,配合比设计仍存在较大的不足。主要体现在以下几个方面: (1) 传统的通过控制强度、 水胶比等因素控制混凝土质量的方法, 在目前看来存在 很大缺陷,对提高混凝土的耐久性是远远不够的。混凝土结构基于耐久性设计,虽然已 经引起工程界的广泛关注,但是要真正的实现还有较大的困难。究其原因是因为配合比 设计变量多,光凭经验无法解决,需要大量的实验数据作支撑。 (2) 在海工环境下,提高混凝土的抗渗性,尤其是提高抗氯离子扩散性能, 将能大 大提高混凝土的耐久性,也是解决海工混凝土结构耐久性问题的根本措施。在提高混凝 土抗渗性的措施上,关键技术是掺加矿物超细粉,如硅粉、超细矿渣和超细粉煤灰。但 是对于矿物超细粉的研究大都局限在标准养护条件下,很少考虑环境变量因素的影响。 (3) 目前, 对于海工环境下混凝土结构的寿命预测大多数是基于室内快速试验测试 出的氯离子扩散系数进行的,环境因素也只是按照我国混凝土结构耐久性设计与施工指 南中规定的系数(包括环境系数、养护系数、龄期系数等)考虑的。但是,考虑到我国 海岸线漫长,无论是气候环境还是地域环境都有很大的区别,仅仅按照规范规定的系数 来考虑,不能够体现出这种差别。

1.4 本文的研究内容
从材料角度看,混凝土的性能主要有强度和耐久性。但是,不论是从我国的混凝土 配合比设计规程还是从大多数工程使用的商品混凝土来看,我国目前的配合比设计基本

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是配方设计,而这种配方设计的调整也是以强度为主要目标,很少涉及到耐久性指标。 在配合比设计中,对于有抗渗要求的混凝土也只是在材料上做了一些更高的要求,虽然 提出了抗渗指标等概念和要求,但这些指标与具体环境下的混凝土性能之间的关系如何 不得而知。另外,新的掺加材料越来越多,应用越来越广泛,配方设计方法无法及时反 映。 在海工环境下,引起钢筋锈蚀的“罪魁祸首”就是氯离子。现有的渗透、扩散等理 论及参数都是基于标准养护条件下硬化的混凝土的特性,并且大部分配合比对于混凝土 耐久性能的研究也是在标准养护条件下进行的,很少具体到海工环境。因此,本文拟对 以下内容进行研究: (1) 依据相关文献及耐久性规程, 设计不同配合比的暴露试验, 研究粉煤灰、矿渣 掺加料对混凝土强度的影响规律; (2) 研究混凝土强度与氯离子扩散系数之间的相关性以及海工环境养护下不同配合 比对氯离子扩散系数的影响规律,并对氯离子扩散系数的影响因素进行显著性分析; (3)探求 Fick 第二定律中关键参数的取值,建立不同暴露环境下与标准养护条件 下氯离子扩散系数的模型,按照建立的模型,用 Life 365 软件对不同配合比的试件进行 寿命预测,从而为混凝土的配合比设计提供建议。

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参考文献
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2 海工环境氯盐对混凝土结构的劣化破坏
氯盐对混凝土结构的劣化破坏,是指在混凝土中钢筋的表面, Cl ? 含量达到某一个极 限值之后, 使钢筋表面的钝化膜破坏,产生孔蚀;在空气和水分的作用下, 形成宏观电池, 使金属铁变成铁锈,体积膨胀,混凝土保护层发生开裂破坏,使结构承载能力降低,并逐 步劣化破坏。 沿海混凝土结构及海洋工程混凝土结构的氯盐腐蚀破坏,是严重的混凝土结构的耐久 性的问题。鉴于此种情况,有必要对海工环境下氯离子侵蚀混凝土结构的原因进行研究, 找出主要矛盾,有的放矢的解决问题。为了将氯离子的破坏降到最低限度,国际标准对混 凝土结构中的最大氯盐含量做了规定,见表 2.1。 表 2.1 国际标准规定的钢筋混凝土构件中允许的最大氯盐含量[1] 允许的最大氯盐含量 项目 标 准 国家

Cl ? (全量) M% Cl ? /水泥 kg/m3 Cl ? /混凝土 --------0.8 0.3~0.6

Cl ? (游离) M% Cl ? /水泥 --------0.15~0.3 -----

英国 挪威

BS 8110(1995) NS 3420(1986) TC 124-SRC(1994) ACICom222(1985) ACICom318(1989) AS 3600(1988) JISA 5308(2003)

0.4 0.4 0.3~0.5 0.2 0.3 -----

RILEM
美国 澳大利亚 日本

在海工环境下,Cl ? 的主要来源是海水。 我国 《水运工程混凝土施工规范》 JTJ268-96 将海水对混凝土结构的作用分成 4 部分,见表格 2.2。冯乃谦教授曾提出 [1],海水中不同 区域的 Cl ? 负荷不同, Cl ? 对混凝土结构的作用也不同,大气区为 0.9,潮汐区为 1.8,而 浪溅区则达到了 4.4,这种作用由表及里逐渐降低。Cl ? 对混凝土结构的作用越大,那么向 混凝土结构渗透扩散的能力就越强,混凝土结构中的钢筋腐蚀危险性就越高,腐蚀速度也 就越快。可见,浪溅区是研究的重中之重。现实中钢筋的破坏情况也证实了这一点。某工
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程设计院做了长达 20 年的暴露试验, 从整理的暴露试验数据看, 大气区和水下区的钢筋锈 蚀现象几乎没有发现锈蚀现象,而浪溅区的钢筋锈蚀十分严重,具体统计见表格 2.3 表 2.2 海水环境混凝土部位划分 掩护条件 划分类别 大气区 浪溅区 水位变动区 水下区

大气区下界 浪溅区下界 有掩护条件 按港工设计 设计高水位 至设计高水 至设计低水 水位变动区 水位 加 1.5m 以上 位减 1.0m 之 位减 1.0m 之 以下 间 间

表 2.3 浪溅区钢筋锈蚀量统计 暴露时间 石子最大粒径

5年 5%-7% 5.5%-7% 6%-8.5%

10 年 8%-13% 13%-20% 10%-40%

20mm 30mm 40mm

2.1 氯盐扩散渗透混凝土的机理及模型 2.1.1 氯盐的扩散渗透机理
最常见的离子迁移机制为扩散、毛细管吸附和渗透。扩散是混凝土体系内离子浓度梯 度的结果。毛细管吸附是离子随着水一起迁*肟谔逑怠I甘抢胱雍退匮沽ψ饔 下,一起迁*牖炷聊诓俊H智ㄒ苹瓶赡芡狈⑸渲兴俣茸羁斓牡笔裘腹 吸附作用,与其相比,渗透产生的迁移可以忽略。 吸附在混凝土结构表面的 Cl ? ,通过毛细管吸附和扩散, Cl ? 随着水一起迁*牖 凝土的过程中,Cl ? 会与水泥水化物发生反应,生成 Friedel 盐(3CaO ? Al2O3 ? CaCl2)及其 它水化物。而毛细管孔壁也对 Cl ? 产生吸附,而且在整个过程中都会产生这种现象。

Cl ? 在毛细管中的存在状态如图 2.1 所示。 由图可以看出, 混凝土中的 Cl ? 分成两部分:
包括与水泥水化物结合的 Cl ? , 以及被毛细管管壁吸附的 Cl ? ; 另 一部分是被固化的 Cl ? ,
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外一部分是自由的 Cl ? 。自由 Cl ? 通过浓度梯度,进一步扩散到混凝土内部,在扩散过程 中又不断被固化、被吸附。

Cl ? 与水泥浆的水化物相结合,形成新的水化物。这部分 Cl ? 不再溶解时是无害的。
但是,由于碳化或硫酸盐腐蚀,含氯盐的水化物,如 Friedel 盐,要分解,Cl ? 再次游离出 来,提高了游离 Cl ? 的浓度,加速了 Cl ? 向混凝土内部的扩散。

图 2.1 混凝土毛细孔壁中 Cl ? 存在的状态

2.1.2 氯盐在混凝土中的扩散渗透模型
氯离子在混凝土中的扩散规律服从 Fick 第二定律: ?C ? 2C =D 2 ?t ?x 式中,
C -混凝土中的氯离子浓度;

(2.1)

t -氯离子在混凝土中的扩散时间;
x -离混凝土表面的厚度;

D -氯离子扩散系数。
假定混凝土表面的氯离子浓度为定值( C ( x, t ) x =0 = C0 ) ,氯离子扩散系数为定值,微 分方程(2.1)的解析解为:
? C ( x, t ) = C0 + (Csa ? C0 ) ?1 ? erf ? ? ? x ?? ? ?? ? 2 D t ?? a ?? ?

(2.2)

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式中,
C ( x, t ) -经过时间 t,氯离子侵入到离表面 x 距离的氯离子浓度;

Da -氯离子名义扩散系数; Csa -混凝土表面氯离子浓度。
在该模型中,关于 Da 值的研究有不同的结论[2~6],目前主要有三种:第一种认为 Da 恒 定不变;第二种认为 Da 随时间而变化,但是不随 x 而变化;第三种认为 Da 随时间和 x 都 变化。目前第二种结论得到了广泛的认可,关于第三种结论,目前的研究很少,有待进一 步认证。 当考虑 D 值随时间变化时,公式 2.1 的解析解为
? ? = C0 + (Cs ? C0 ) ?1 ? erf ? ? ? ? ? x ? ? D t α 1?α ?2 0 0 t 1?α ? ?? ?? ?? ?? ?? ??

C( x ,t )

(2.3)

有文献[5]指出 D 值在十年之后将保持定值不变,那么此时公式 2.1 的解析解为
? ? ? ?? ? ? ? ?? x ?C + (C ? C ) ?1 ? erf ? ? ? t ≤ 10 s 0 ? 0 ? ? D0t0α 1?α ? ? ? t ?? ? ?2 1?α ? ?? ? ? ? =? ? ? ?? ? ? ? ?? ? x ? ? ?? ?C( x ,t ) = C0 + (Cs ? C0 ) ?1 ? erf ? ? ? t ≥ 10 α ? ? ? 2 ? t0 ? ? 10 + (t ? 10) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? 10 ? ?1 ? α ? ? ?

C( x ,t )

(2.4) Molloy 和 Mangat[7]根据实验结果,于 94 年提出了扩散系数随时间而降低:
?t ? Dt = D0 ? 0 ? ?t ?
α

(2.5)

式中α是与水胶比有关的系数,α = 3(0.55 ? w / c) 在我国混凝土结构耐久性设计与施工指南中,扩散系数随时间的变化规律为:

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?t ? Dt = D0 ? 0 ? ?t ?
n

(2.6)

公式(2.6)与指南中的公式有些相似,只不过公式(2.7)中的 n 值与胶凝材料有关,与水胶比 无关。 对于 n 值,国外学者也做了大量的研究,M D A Thomas[8]利用非线性回归得出了氯离 子随时间的衰减系数,建议对于普通硅酸盐水泥该值取 0.1;Kyle Stanish[9]等人用双池实验 法测定了氯离子扩散系数的衰减规律,建议普通硅酸盐的 n 值取 0.32,等等。

2.2 氯离子作用下的钢筋锈蚀 2.2.1 破坏钝化膜
混凝土间隙中充满了碱性很高的饱和 Ca (OH ) 2 溶液, 在这样高的碱环境中, 钢筋表面 被氧化,形成一层厚度很薄的水化氧化膜γ ? Fe2O3 ? nH 2O 。由于这层致密的氧化膜,使 得钢筋处在钝化状态,即使在氧气和水供应充足的情况下,钢筋也处在“安全”状态,不 会被锈蚀。可是,在实际使用过程中,有两个因素能够破坏这层致密的氧化膜:混凝土的 中性化(主要是碳化)和足够浓度的氯离子聚集在钢筋表面。 碳化可以降低混凝土的碱性,使得 PH 值下降。当 PH 值下降到 9-10 之间时,钢筋表 面这层钝化膜被完全破坏,钢筋处在脱钝化状态,那么钢筋就暴露在锈蚀的危险中。足够 浓度的氯离子可以使钢筋处在钝化状态下即被锈蚀。

2.2.2 形成电化学腐蚀电池
在脱钝后钢筋的锈蚀过程是一个电化学过程。由于钢筋钝化膜的保护,混凝土中的钢 筋锈蚀必需具备三个条件[1]:钢筋表面要有电位差;钢筋表面的钝化膜遭到破坏,钢筋处 在活化状态;钢筋表面有电化学反应所必需的氧气和水供应。电化学腐蚀过程如图 2.2 所 示。

16

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图 2.2 电化学原理示意图 从图 2.2 可以看出,电化学腐蚀的工作历程包括以下几个基本过程: (1) 阳极反应过程: 阳极区铁原子离开晶格转变成为表面吸附原子, 然后越过双电层 放电转变为阳离子(Fe2+) ,并释放电子,其方程式为:

Fe → Fe 2 + + 2e ?
(2)电子传输过程,即阳极区生成的电子通过钢筋向阴极区传送。 (3) 阴极反应过程: 阴极区有周围环境通过混凝土孔溶液吸附、 渗透、 扩散作用进来 并溶解于水中的氧气吸收阳极区传来的电子,发生还原反应:

O2 + 2 H 2O + 4e ? → 4OH ?
(4)腐蚀产物生成过程:阴极区生成的 OH ? 通过混凝土孔隙和钢筋与混凝土界面的 空隙中的电解质扩散到阳极区, 与阳极区附*的 Fe2+反应生成 Fe(OH ) 2 , Fe(OH ) 2 被进一 步氧化成 Fe(OH )3 , Fe(OH )3 脱水后变成疏松、多孔、非共格的红锈 Fe2O3 。

Fe 2+ + 2OH ? → Fe(OH ) 2 4 Fe(OH ) 2 + O2 + 2 H 2O → 4 Fe(OH )3 2 Fe(OH )3 → Fe2O3 + 3H 2O 6 Fe(OH ) 2 + O2 → 2 Fe3O4 + 6 H 2O

2.2.3 氯离子的催化作用
钢筋位置溶液中游离 Cl ? 的浓度越大,则其对钝化膜的破坏作用也就越大,钢筋的锈 蚀过程也就越快。由于钢筋的活性还受到 PH 值的影响(OH ? 浓度) ,OH ? 浓度高时,钢
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筋钝化膜的稳定性好, 所需要的氯离子浓度也就越高; 当OH ? 浓度低时, 钢筋钝化膜的稳 定性降低,所需要的氯离子浓度也就低。所以,在形成腐蚀电池的过程中,有两个进程同 时发生:OH ? 保护和修复已经破坏的钝化膜和 Cl ? 继续破坏钝化膜。因此,根据混凝土孔 溶液中碱度的不同,用 Cl ? / OH ? 的比值来表征钢筋的活性更为合理。Cl ? / OH ? 有一个临 界值,当Cl ? / OH ? 小于这个值时,钢筋不会发生锈蚀。Hausman 曾提出该临界值为 0.6[10], 这个数值被很多学者所接受。Lambert 等发现对 Cl ? 外渗型混凝土, Cl ? / OH ? 的临界值为

3,而对于内渗型混凝土该临界值介于 0.3~0.6 之间[11],与 Hausman 的实验结果接*。 Cl ? 的在钢筋锈蚀中的作用如图 2.3 所示。

图 2.3 氯离子作用下的钢筋锈蚀 从图可以看出, Cl ? 在钢筋锈蚀过程中周而复始的起到了催化作用,用方程式可以表 示为:

Fe → Fe 2 + + 2e? Fe 2 + + 2Cl ? → FeCl2
FeCl2 + 2 H 2O → 2Cl ? + Fe(OH ) 2 + 2 H +

2.3 钢筋锈蚀带来的危害
Mehta 教授曾在《混凝土耐久性—五十年进展》主旨报告中指出 ,钢 筋锈蚀是引起混凝土耐久性能降低的首要原因,对混凝土结构的抗力和使用 寿命等有很大的影响。 钢筋一旦锈蚀, 生成的锈蚀产物的体积要比未锈蚀之前大得多, 如图 2.4
18
[12]

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 所示。锈蚀产物的体积膨胀将使钢筋周围的混凝土产生拉应力,当该拉应力 达到混凝土的抗拉强度时,在钢筋与混凝土的界面处就会出现内部径向裂 缝,随着钢筋锈蚀的进一步发展,该裂缝会向混凝土的表面发展,直到混凝 土的保护层开裂产生顺筋裂缝,导致保护层脱落,这样严重影响了混凝土结 构的安全性和正常使用性[13,14,15]。 钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的相互作用,通过它来传递二者之间的 应力、协调变形,因此钢筋与混凝土间粘接锚固性能是保证钢筋与混凝土两 种不同材料共同工作的基本前提。钢筋与混凝土之间锈蚀层的润滑作用、钢 筋表面横肋的绣损、混凝土保护层的开裂或脱落都会导致钢筋混凝土粘结性 锚固性能的降低甚至完全丧失,最终影响钢筋混凝土结构的安全性和适用 性。 钢筋锈蚀对结构性能的影响见图 2.5。从图中可以看出,钢筋锈蚀将使 混凝土结构的耐久性能严重降低。

图 2.4 钢筋锈蚀产物体积比[16]

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疏 松 铁 锈

钢筋有效 面 积 减 小

钢筋 应力 集中

疏松铁锈层对钢筋与 混凝土界面的润滑作 用

钢筋 横肋 锈蚀

锈蚀产 物体积 膨胀

钢筋与混凝土 粘接性能退化

保护层开 裂、剥落

承载力下降 安全性降低

适用性降低

混凝土结构的耐久性能降低

图 2.5 钢筋锈蚀对结构性能的影响

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参考文献
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3 配合比对海工混凝土抗氯离子扩散性能的研究
3.1 研究意义
混凝土耐久性的研究和设计应当建立在对混凝土渗透性正确评价的基础之上。渗透性 是混凝土质量的重要指标,混凝土渗透性和耐久性之间有着密切的联系。在海工环境下, 由于有大量的氯离子存在,由此引起的钢筋锈蚀现象以及带来的经济损失已经得到全世界 的广泛关注,因此,对于混凝土的抗氯离子扩散性能进行进一步研究显得尤为重要。

1994 年,Metha[1]从影响混凝土耐久性的基本性因素出发,提出了混凝土受外界环境
影响而劣化的整体模型。与以往通过简化方式建立的模型不同,在该模型中强调了环境与 荷载在混凝土结构劣化中的作用。但是,该模型的建立只是根据实验室数据与现场施工的 经验,并没有暴露实验数据的支撑。 关于配合比对于混凝土扩散系数的影响, 国内做了大量的研究, 并取得了大量的成果。 曹文涛,余红发等人[2]用自然扩散法实验研究了在高浓度的氯盐介质中浸泡 180 天后的试 件,发现氯离子的扩散系数与粉煤灰、矿渣的掺量呈现一元二次关系。杨文武,钱觉时等 人[3]通过实验发现矿渣能提高混凝土的抗氯离子扩散性能但不能提高混凝土的抗冻性,而 且混凝土的抗氯离子扩散性能和抗冻性随水胶比的减小而提高。陈迅捷,王昌义[4]通过对 实际工程的检测,发现矿渣可以明显提高混凝土的抗氯离子侵蚀性能,可延长结构使用寿 命 3~4 倍以上。冯乃谦教授和邢锋[5]通过实验证实在同样水胶比情况下掺矿物掺加料的混 凝土密实性高于普通混凝土, 并提出控制水胶比在 0.38 以下可以显著提高混凝土的耐久性, 等等。 目前,国内大部分配合比对于混凝土扩散系数的研究都是在标准养护条件下取得的, 很少涉及到具体施工环境。那么在标准条件下的研究成果能否在具体环境中同样适用不得 而知。海工环境下由于氯离子的侵蚀引起的钢筋锈蚀现象屡屡发生,探求在海工环境下不 同配合比的氯离子的扩散系数,积累一些实验数据,为以后海工混凝土的设计提供一些依 据显得十分有必要。 因此,作者在烟台附*的海域进行了一些暴露试验,旨在研究水胶比和不同矿物掺加 料对混凝土扩散系数的影响,分别测定了 28 和 60 天的氯离子扩散系数。烟台市地处山东 半岛中部, 北纬 36°16′~38°23′, 从纬度上讲位于整个华北地区的中部, 烟台的气象条件见
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表 3.1,能够较好的代表华北沿海地区的气候条件。 表 3.1 烟台的气象资料(1961-1990) 月份 *均 温度 降雨量 (mm) *均日 照(h)

1 -0.9

2 0.2

3 4.8

4 10.4

5 15.8

6 19.9

7 23.8

8 25.3

9 21.5

10 16.1

11 9.0

12 2.0

10.5

12.4

21.0

36.4

50.2

82.7 177.1 156.2 90.2

46.5

26.6

9.7

6.0

6.4

7.1

7.4

7.9

7.3

5.9

7.2

7.3

7.1

6.3

5.9

注:以上气象资料从网上下载

3.2 试验 3.2.1 试验原材料
3.2.1.1 水泥 试验所用的水泥为烟台三菱水泥有限公司生产的 42.5R 级普通硅酸盐水泥。水泥的具 体物理化学性能指标和强度指标分别见表 3.2、3.3。 表 3.2 水泥的物理化学指标

指标

MgO SO3( 烧失量 (%) %) (%)

碱含量 (%)

0.08mm
筛余(%)

比表面积 (m2/kg)

初凝时间 终凝时间 安定性 (min) (min)

(试饼)

检测

3.21
结果 国家 ≤5.0 标准

1.88

0.68

0.46

0.2

357

141

205

合格



≤5.0

_____

≤10.0

_____

≥45

≤600

合格

3.5

23

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
表 3.3 水泥的强度指标 检验项目 国家标准 ≥4.0 ≥21.0 ≥6.5 ≥42.5 检验值 *均值

3 天强度
(MPa)

抗折 抗压 抗折 抗压

5.4 28.0 9.2 59.2

5.8 26.8 9.5 59.4

5.6 27.9 8.9 58.6

5.6 27.6 9.2 59.1

28 天强度
(MPa) 3.2.1.2 砂子

河砂, 表观密度为 2200 Kg/m3。 砂的细度模数为 3.09, 属于中粗砂, 砂的颗粒级配符合 JGJ 53-92 的要求。 3.2.1.3 石子 采用 5-20mm 的连续级配。堆积密度为 1667Kg/m3,比重为 2.61。实验前将石子冲洗干净,晾 干。 3.2.1.4 水 采用自来水。 3.2.1.5 减水剂 YJ2-1 型早强减水剂,灰色固体粉末状,减水率达 12%以上。 3.2.1.6 矿物掺加料

试验使用的粉煤灰(Ⅲ级)为威海热电厂生产;矿渣为 S95 级,济南钢厂生产。粉煤 灰和矿渣的具体性能指标见表 3.4 和表 3.5 所示。 表 3.4 粉煤灰性能指标(Ⅲ级) 细度 (0.045mm 指标 方孔筛筛余) , 需水量比, % 烧失量,% 含水率,% 数,% 强度活性指

%
检测结果 国家标准(Ⅲ级)

42.0
≤45.0

109
≤115

1.0
≤15.0

0.5
≤1.0

65.7
≥70.0

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烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
表 3.5 矿渣性能指标(S95 级) 密度 指标 (g/cm3) (m3/kg) 检测结果 国家标准 ≥2.8 (S95 级) ≥350 比表面积 活性指数% 流动度比 含水量% 烧失量%

7d 85

28d 110

% 106 0.2 0.4

3.0

460

75

95

90

≤1.0

3.0

3.2.2 试验方案
3.2.2.1 试件的配合比 在混凝土中掺加粉煤灰和矿渣能提高混凝土的抗氯离子扩散性能,那是不是粉煤灰和 矿渣的掺量越多,混凝土的抗氯离子扩散性能就越好呢?如果不是,粉煤灰和矿渣的掺量 是不是存在最优值呢?我国粉煤灰混凝土应用技术规程中规定:对于硅酸盐水泥拌制的混 凝土来说,粉煤灰取代水泥的最大限量不得超过 20%;对于普通硅酸盐水泥拌制的混凝土 来说,粉煤灰取代水泥的最大限量不得超过 25%。但是目前很多工程实践表明,粉煤灰最 佳替代量一般应在 20%以上,最大掺量以不超过凝胶材料总量的 60%为宜。矿渣的抗氯离 子扩散性能与粉煤灰差不多。我国海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范中规定对于不受冻 地区的浪溅区,最好使用掺加矿渣的硅酸盐水泥;当采用矿渣作为矿物掺加料时,用硅酸 盐水泥拌制的混凝土,矿渣掺量不小于 50%;当用普通硅酸盐水泥拌制混凝土时,矿渣掺 量不小于 40%。 我国混凝土结构耐久性设计与施工指南中提到,粉煤灰和矿渣对混凝土耐久性能和强 度的贡献受水胶比的影响较大,尤其是粉煤灰更为敏感。只有在低水胶比下(小于 0.4 或

0.42) ,粉煤灰和矿渣的作用才能得以充分发挥而不是相反。
为了研究粉煤灰和矿渣的掺量对氯离子扩散系数的影响以及是否存在最优掺量的问 题,在参阅相关文献[6,7]后,决定拟研究试验的水胶比分别为 0.35 和 0.4,实验中固定砂率

38%,凝胶材料用量固定为 460kg/m3,粉煤灰掺量分别为 25%、30%和 35%,矿渣掺量为 50%、60%和 70%。混凝土中掺用粉煤灰和矿渣都采用等量取代法。具体实验配合比见表 3.6。
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烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
表 3.6 试验配合比方案 水胶 编号 比 水泥 水 砂 碎石

/kg/m3 460 345 322 299 230 184 138 184 460 345 322 299 230 184 138 184

/kg/m3 143 143 143 143 143 143 143 143 166 166 166 166 166 166 166 166

FA/% 0 25 30 35 0 0 0 20 0 25 30 35 0 0 0 25

GBFS/% 0 0 0 0 50 60 70 40 0 0 0 0 50 60 70 35

减水剂

/kg/m3 675 675 675 675 675 675 675 675 675 675 675 675 675 675 675 675

/kg/m3 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 2% 1% 1% 1% 1%

OPC100 FA125 FA130 FA135 SG150 SG160 SG170 FS160 OPC200 FA225 FA230 FA235 SG250 SG260 SG270 FS260

0.35

0.4

3.2.2.2 试件暴露方案 为了研究海工环境对于混凝土氯离子扩散性能的影响, 对于每种配合比分别制作了 16 组试件, 试件的尺寸为φ100x200。 我国混凝土结构耐久性设计与施工指南对掺有不同胶凝 材料的混凝土结构的养护时间做出了规定,具体规定见表 3.7。根据表 3.7 中的规定,拟在 养护室标准养护 7 天后统一暴露。具体的暴露方案见图 3.1 和 3.2。 另外为了研究矿物掺加料对混凝土强度的影响,对于每种配合比方案,分别制作了六 组 150x150x150 的立方体试块,在标准条件下养护,测其在第 7 天、28 天和 60 天的强度 (每次两组,取其*均值) 。 对于试件的具体暴露环境,试验中采取以下模拟办法:水下区的试件,放置在盛有海 水的水箱内,每隔 15 天换一次海水,保证试件完全浸没于海水中,水箱置于室外;浪溅区 的试件,放置在某栈桥的涵洞内。当海水涨潮时,试件能完全浸没于海水中;落潮时,试 件处于大气环境或者半淹没状态。严格的说,试件位于水位变动区。我国混凝土结构耐久

性评定标准中将水位变动区和浪溅区的环境状况统一归于浪溅区,所以试验 中将这部分试件的暴露区域称为浪溅区是符合规范要求的。大气区的构件,
26

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 放置在距离海岸大约 0.5km 以内(土木工程学院南门附*) ,符合规范要求。
表 3.7 不同混凝土湿养护的最低期限 大气湿度 (50%<RH<70%) 混凝土类型 水胶比 无风,无阳光直射 日*均气温 湿养护期限 大气湿度干燥 (RH<50%) 有风或阳光直射 日*均气温 湿养护期限

5℃
胶凝材料中 掺有粉煤灰 或矿渣 ≤0.45 ≥0.45

14 天 10 天 7天 10 天 7天 5天 10 天 7天 5天 7天 5天 3天

5℃ 10℃
≥20℃

21 天 14 天 7天 14 天 10 天 7天 14 天 10 天 7天 10 天 7天 5天

10℃
≥20℃

5℃ 10℃
≥20℃

5℃ 10℃
≥20℃

5℃
硅酸盐或普 通硅酸盐水 泥 ≤0.45 ≥0.45

5℃ 10℃
≥20℃

10℃
≥20℃

5℃ 10℃
≥20℃

5℃ 10℃
≥20℃

27

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
水胶比0.35
25% 粉煤 25 灰 % 粉 煤 灰 30% 粉煤 灰

水 泥

30 % 粉 煤 灰

35 % 粉 煤 灰

50 % 矿 渣

60% 掺加 料
25% 粉煤 灰, 35% 矿渣

100 %矿 渣

70 % 矿 渣

养护室养护7天后脱模,然后进 行暴露试验

浪 溅 区

水 下 区

大 气 区

养 护 室

每种环境做四组试件,分别测其 28d, 60d,1年和2年的扩散系数

图 3.1 0.35 水胶比试件的暴露方案

水胶比0.4
25% 粉煤 灰

水 泥

25 % 粉 煤 灰

30% 粉煤 灰

30 % 粉 煤 灰

35 % 粉 煤 灰

50 % 矿 渣

60% 掺加 料
25% 粉煤 灰, 35% 矿渣

100 %矿 渣

70 % 矿 渣

养护室养护7天后脱模,然后进 行暴露试验

浪 溅 区

水 下 区

大 气 区

养 护 室

每种环境做四组试件,分别测其 28d, 60d,1年和2年的扩散系数

图 3.2 0.4 水胶比试件的暴露方案 3.2.2.3 试件的制作 采用强制式搅拌机进行搅拌,搅拌时间为 180s,掺加粉煤灰和矿渣的试件搅拌时间延 长 30s。对于抗压强度的试块,用振动棒振捣密实,试件成型后一天拆模,然后放入养护
28

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室进行养护。对于氯离子扩散实验的试件,采用图 3.3 所示的模具制作,其中圆柱体模具 为 PVC 管制作而成。

表面涂环氧 图 3.3 试件制作模具 图 3.4 试件表面涂环氧树脂

试件在制作过程中,每种配合比的试件在振动台上的振动时间为 90s。为了防止在振 动过程中试件底部漏浆,用塑料袋封闭模具的底部。试验拟研究氯离子在一维状态下的扩 散规律,因此将圆柱体试件的侧面用环氧树脂胶封闭,仅留出上下两个面。在进行氯离子 扩散实验之前,将φ100x200 试件加工成φ100x50 试件 3 块,为了除去浮浆层的影响,将 上下两个端面各 20mm 的部分去掉,制好的试件如图 3.4 所示。对于试件的养护,特别是 掺加矿物掺加料的试件,严格按照规范[9]的规定操作。

3.2.3 氯离子扩散试验
目前,常用的氯离子扩散性评价方法有以下几种:传统渗水压法、电量法、氯离子扩 散系数法、饱水电导率法和极限电压法。以上几种方法的使用范围及特点见表 3.8 所示。 表 3.8 各种测试方法特点[10] 适用范围 序号 测试方法 (混凝土强度) 测量周期 适用场合和目的

1

传统渗水压法

<C30

7~14d

防水要求大于 P8 配合比筛选、 质量波动控

电量法

2
(包括改进法)

C30~ C50

饱水后 6hrs 制及验收 (按设计指标要 求)

29

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配合比筛选、 质量波动监 氯离子扩散系数

3
法(唐路*法)

C50~ C70

饱水

控及验收 (按设计指标要 求) 、简单寿命预测 配合比筛选、 质量波动监

6~96hrs

氯离子扩散系数

4
法(NEL 法)

C20~ C100

饱盐

控及验收 (按设计指标要 求) 、简单寿命预测 配合比筛选、 质量波动监

5~8min

饱水电导率法

5
(NEL 法)

C20~ C100

饱水 8min

控及验收 (按设计指标要 求)

极限电压法

配合比筛选、 质量波动监

6
(清华大学)

C20~ C100

烘干 8min 控(按设计指标要求)

基于上述各种实验方法的适用特点,本文选用氯离子扩散系数快速测定的 NEL-PDR 法进行测量。NEL 法是由清华大学路新瀛教授提出的,其基本的原理是:首先把混凝土看 成固体电解质,那么带电粒子 i 在混凝土中的扩散系数与其偏电导σ i 有关,此关系即著名 的 Nernst-Einstein 方程,见等式 3.1。由此原理发明的 NEL 型混凝土快速真空饱水饱盐设 备装置以及扩散性渗透仪,可以测定混凝土中的氯离子扩散系数。
Di = RT σ i Z i2 F 2Ci

(3.1)

式中,

Di是粒子i的扩散系数 ;

σ i是粒子i的偏导数 ;
Ci是粒子i的浓度 ; Z i为电荷数或者价数 ; R为气体常数 ; F为法拉第常数 ; T为绝对温度 。
30

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
σ i = tiσ
其中, (3.2)

σ i是混凝土的电导率 ;
ti为粒子i的迁移数 。

把式(3.2)带入式(3.1)中可得到
Di = RTtiσ Z i2 F 2Ci

(3.3)

3.3 试验结果与分析 3.3.1 混凝土强度与氯离子扩散系数的关系
采用 NEL-VJ 型混凝土真空饱水饱盐设备对试件进行 24 小时的饱盐,实验设备如图
3.5 所示。 饱完盐之后用 NEL-PDR 法测其氯离子扩散系数, 实验装置示意图如图 3.6 所示。

图 3.5 NEL-VJ 型混凝土真空饱水饱盐设备

31

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文

图 3.6 NEL-PDR 装置示意图 将试验试件所测的强度与设计强度做比值分析, 结果如图 3.7 和 3.8 所示。 从图中可以 看出以下规律: (1)对于 0.35 水胶比的试件,在第 7 天时,除去纯水泥混凝土的强度能达到设计强 度的 83%,掺加粉煤灰和矿渣的试件强度基本都在 70%左右,相差不大;第 28 天,掺加 粉煤灰和矿渣的试件的强度略低于纯水泥的试件,但这种差别相比 7 天时要小,强度值能 达到设计强度的 90%左右;到 60 天时,掺加粉煤灰和矿渣的试件的强度增长幅度明显比 纯水泥试件的大,纯水泥的试件增长幅度为 12%,而掺加粉煤灰和矿渣的试件的增幅*均 值分别为 18.3%和 21%(相比 28 天强度) 。而且,在第 28 天和 60 天,对于掺加粉煤灰和 矿渣的试件,强度值随着粉煤灰和矿渣掺量的增加而降低。

32

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
120 110 100

7天强度 28天强度 60天强度

与设计强度的比值/%

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 OPC100 FA25 FA30 FA35 SG50 SG60 SG70 FS60

不同配比的试件

图 3.7 0.35 水胶比试件强度柱状图
7天强度 28天强度 60天强度

120

100

与设计强度的比值/%

80

60

40

20

0 OPC100 FA25 FA30 FA35 SG50 SG60 SG70 FS60

不同配比的试件

图 3.8 0.4 水胶比试件强度柱状图 (2)对于 0.4 水胶比的试件,在第 7 天时,强度关系为:纯水泥混凝土>掺加粉煤灰 的混凝土>掺加矿渣的混凝土>复掺粉煤灰和矿渣的混凝土。在第 28 天时,强度关系为: 纯水泥混凝土>掺加矿渣的混凝土>掺加粉煤灰的混凝土。 纯水泥混凝土和掺加粉煤灰的混 凝土的强度增长幅度明显低于掺加矿渣和复掺粉煤灰和矿渣的混凝土,并且对于掺加粉煤 灰或矿渣的试件, 强度依然随着粉煤灰和矿渣掺量的增加而降低。 到第 60 天时, 掺加粉煤 灰和矿渣的试件强度增幅明显大于纯水泥混凝土, 并且强度值与纯水泥混凝土的基本持*。 (3)综合两图不难看出,在第 28 天时,纯水泥混凝土试件的强度值均能达到设计值
33

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
的 95%左右,后期的增幅不大,基本可以认为 28 天就能达到其设计强度。而掺加粉煤灰 和矿渣的试件,28 天的强度值明显低于设计强度, 最低的仅达到 82%左右,最高的也只有
92%。而从 28 天到 60 天的时间内, 掺加粉煤灰和矿渣的试件的强度增幅很大, 在第 60 天

时均能达到设计强度,有的甚至超出设计强度 10%。原因是掺加粉煤灰和矿渣的混凝土水 化速度较慢,对于早期的混凝土强度贡献不大,而后期随着胶凝材料的不断水化,强度值 增长较快。 通过实验结果可以发现, 28 天混凝土强度的验收期限不足以表征粉煤灰和矿渣对混凝 土强度的影响, 应延长为 60 天或更长, 这一结果与矿物掺加料在混凝土和砂浆中应用技术 规程中的规定一致。 表 3.9 列出了试验所测的强度和不同暴露环境下的氯离子扩散系数结果。 表 3.9 实验测试结果 水 试件 胶 编号 比
OPC100 FA25 FA30 FA35 SG50 SG60 SG70 FS60 OPC100 FA25 FA30 FA35 SG50 SG60 SG70 FS60 7d 54.6 47.1 48.4 47.1 46.4 45.8 43.6 43.1 50.2 47.8 44.4 44.4 38.7 36.7 36.4 31.3 28d 62.1 58.5 57.6 55.6 60.3 58.7 56.1 57.6 53.2 50.2 47.4 46.5 50.7 47.5 45.2 48.2 60d 71.6 73.3 68.9 66.7 74.1 73.8 67.1 71.1 63.3 64.2 63.6 63.1 62.2 63.1 58.8 64.0

强度测试结果
D(10-8cm2/s)

(MPa) 养护室
28d 1.53 1.27 1.21 1.2 1.12 0.98 0.95 1.13 2.05 1.65 1.3 1.26 1.34 1.2 1.15 1.42 60d 1.52 1.23 1.19 1.18 1.12 0.88 0.84 1.03 2.03 1.58 1.24 1.2 1.24 1.03 0.89 1.4

大气区
28d 1.63 1.41 1.31 1.23 1.24 0.84 0.68 1.32 1.93 1.82 1.64 1.61 1.4 1.38 1.37 1.90 60d 1.53 1.24 1.21 1.2 0.86 0.79 0.75 0.78 2 1.75 1.58 1.51 1.4 1.37 1.28 1.44

水下区
28d 1.69 1.65 1.36 1.3 0.98 0.97 0.96 1.42 1.95 1.77 1.71 1.67 1.54 1.38 1.27 2.16 60d 1.63 1.6 1.28 1.19 0.95 0.92 0.91 1.12 1.83 1.7 1.61 1.51 1.37 1.2 1.14 1.25

浪溅区
28d 1.75 1.54 1.42 1.33 1.2 1.03 0.97 1.5 2.39 2.08 2.04 2.01 2.21 1.74 1.57 1.91 60d 1.68 1.59 1.35 1.24 1.18 0.98 0.89 1.28 2.23 1.96 1.86 1.81 2.05 1.58 1.5 1.77

0.35

0.4

在养护室养护条件下,混凝土试件的氯离子扩散系数与强度的相关性如图 3.9~3.11 所 示。

34

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
1.30E-008

实验数据点 拟合曲线
R=-0.57

1.28E-008

1.26E-008

D (cm /s)

2

1.24E-008

1.22E-008

1.20E-008

1.18E-008 50 55 60 65 70 75

fcu/MPa

图 3.9 掺加粉煤灰的强度和扩散系数的关系
1.40E-008

1.30E-008

实验数据点 拟合直线
R=-0.481

1.20E-008

D (cm /s)

2

1.10E-008

1.00E-008

9.00E-009

8.00E-009 50 55 60 65 70 75

fcu/MPa

图 3.10 掺加矿渣的强度和扩散系数的关系
1.80E-008

实验数据点 拟合直线
1.60E-008

R=-0.247
1.40E-008

D (cm /s)

2

1.20E-008

1.00E-008

8.00E-009

45

50

55

60

65

70

75

fcu/MPa

图 3.11 所有试件的强度和扩散系数的关系
35

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
从图 3.9~3.11 可以看出,无论是掺加粉煤灰还是掺加矿渣,试件的强度和扩散系数之 间的相关性很差。在综合所有数据之后,得到的相关性更差。因此可以得出结论:混凝土 的强度和扩散性能之间没有必要的联系,强度并不能反映其渗透性。该结论与文献[11~14]结 论相一致。

3.3.2 矿物掺加料和暴露时间对扩散系数的影响
矿物掺加料中的活性物质能与 Ca (OH ) 2 反应生成 C-S-H 凝胶,改善了骨料和凝胶材 料之间的界面结构和孔结构。文章通过对海工环境下不同区域的暴露试验,研究了粉煤灰 和矿渣不同掺量对氯离子扩散系数的影响,见图 3.12 和 3.13。
100 90

与纯水泥扩散系数比值/%

养护室 浪溅区 大气区 水下区

80 70 60 50 40 30 OPC100 FA125 FA130 FA135 SG150 SG160 SG170 FS100

试件配合比

图 3.12

0.35 水胶比不同养护条件下扩散系数随配合比的变化规律

36

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
100

与纯水泥扩散系数比值/%

90

养护室 浪溅区 大气区 水下区

80

70

60

50 OPC200 FA225 FA230 FA235 SG250 SG260 SG270 FS200

试件配比

图 3.13 0.4 水胶比不同养护条件下扩散系数随配合比的变化规律 从图 3.12 和 3.13 可以看出以下规律: (1) 无论哪种水胶比, 哪种养护环境, 掺加粉煤灰和矿渣都能有效的降低氯离子扩散 系数。 (2)对于掺加粉煤灰的试件,当水胶比为 0.35 时,降低幅度能达到 20%-50%;对于
0.4 水胶比的情况,降低幅度达 10%-40%。而且总体而言,处于养护室的试件的氯离子扩

散系数降低幅度要大于处在暴露环境中的试件。 (3)对于掺加矿渣的试件,当水胶比为 0.35 时,氯离子扩散系数的降低幅度高达
40%-70%;对于 0.4 水胶比的情况,降低幅度达 5%-40%。

(4)对于复掺粉煤灰和矿渣的试件,当水胶比为 0.35 时,氯离子扩散系数降低幅度 达到 20%-45%;当水胶比为 0.4 时,降低幅度为 8%-30%。但是,相比单掺粉煤灰的试件, 复掺粉煤灰和矿渣的效果并不好。当水胶比为 0.35 时,处在不同暴露区域的复掺试件的扩 散系数大约仅相当于单掺 30%粉煤灰时的水*;而水胶比为 0.4 时,除去浪溅区和水下区 复掺效果比单掺要好一些, 大气区和养护室的复掺效果仅达到单掺粉煤灰 25%左右的水*。 (5) 对于同一种配合比同一种养护条件下的试件, 掺加矿渣比掺加粉煤灰在降低氯离 子扩散系数的方面的效果要好一些。 为了进一步研究矿物掺加料、水胶比和暴露环境对于氯离子扩散系数的影响,根据我 国混凝土结构耐久性设计与施工指南中的规定,对氯离子的扩散系数进行评级,具体规定 见表 3.10;28 天所测得的氯离子扩散系数见图 3.13-3.14。对比规范取值和所测实验数据,
37

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
可以得出以下结论: (1) 水胶比对于氯离子扩散系数有着十分重要的影响, 低水胶比能够显著提高混凝土 的密实性。0.35 水胶比的试件的扩散系数明显低于 0.4 水胶比同配合比的试件。 (2)0.35 水胶比情况下,当矿渣掺量达到 60%以上时,不论处于哪种暴露环境,混 凝土的渗透等级为低, 而掺加粉煤灰和复掺的试件的渗透等级为中; 0.4 水胶比时, 混凝土 的渗透级别都为中。 (3)当水胶比为 0.35 时,不同养护环境下的同配合比试件的氯离子扩散系数差别不 大,而水胶比为 0.4 时,不同暴露环境之间的差别变大。相比暴露环境,在同样配合比的 情况下,浪溅区试件的扩散系数要明显高于其它环境下的扩散系数,处于浪溅区的钢筋要 先于其它区域的钢筋锈蚀,这也正好说明浪溅区是整个海工环境研究的重中之重。
1.8 1.7 1.6 1.5 1.4

养护室 浪溅区 大气区 水下区

D(10 cm /s)

2 -8

1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 OPC100 FA125 FA130 FA135 SG150 SG160 SG170 FS100

不同配比

图 3.14 0.35 水胶比 28 天氯离子扩散系数
2.4 2.2 2.0

养护室 浪溅区 大气区 水下区

D(10 cm /s)

2 -8

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 OPC100 FA125 FA130 FA135 SG150 SG160 SG170 FS100

不同配比

图 3.15 0.4 水胶比 28 天氯离子扩散系数
38

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
表 3.10 混凝土渗透性评价标准 氯离子扩散系数 DNEL(10-14m2/s)
>1000 500~1000 100~500 50~100 10~50 <10

混凝土渗透性等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ

混凝土渗透性评价 很高 高 中 低 很低 极低

为了分析海工的不同暴露环境与矿物掺加料对氯离子扩散系数指标影响的显著程度, 有必要做方差分析,具体分析结果见表 3.11-3.12。 表 3.11 粉煤灰掺量与暴露环境对于 D 的方差分析表 方差来源
FA%

*方和
0.3544 0.1144 0.0251 0.4939

自由度
3 3 9 15

均方
0.1181 0.0381 0.00279

F值 22.33 13.66

显著性分析
* **

暴露环境 误差 总和

表 3.12 矿渣掺量与暴露环境对于 D 的方差分析表 方差来源
SG%

*方和
0.0409 1.4276 0.1035 1.572

自由度
3 3 9 15

均方
0.0136 0.4759 0.0115

F值 1.1859 41.3627

显著性分析
** **

暴露环境 误差 总和

注:**表示 F0.01(3,9)>F>F0.05(3,9),为显著影响;*表示 F0.05(3,9)>F>F0.1(3,9),为有一定影响;
FA%,SG%分别表示不同的粉煤灰、矿渣掺量。

可以看出, 在不同的暴露环境下, 粉煤灰不同掺量对于氯离子扩散系数有一定的影响, 而矿渣掺量则有显著影响;不同的暴露环境对于氯离子扩散系数,无论什么掺加料,都对
39

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
氯离子扩散系数有显著影响。因此,进行暴露试验,研究海工环境对于氯离子扩散系数的 影响,对于海工混凝土结构的配合比设计和寿命预测都有很好的指导作用。

3.3.3 矿物掺加料对氯离子扩散系数影响的拟合分析
为了研究粉煤灰和矿渣掺量对于氯离子扩散系数到底有怎样的影响规律,对实验数据 进行拟合分析,粉煤灰分析结果见图 3.13-3.14,矿渣的分析结果见图 3.15-3.16。
1.28 1.27 1.26 1.25

1.70

实验数据点 拟合曲线

1.65 1.60 1.55

数据点 拟合曲线

D/10 cm /s

-8

1.23 1.22 1.21 1.20 1.19 24 26 28

Y = 2.32- 0.067X + 0.001X r<0.001

-8

2

2

1.24

D/10 cm /s

2

1.50 1.45 1.40 1.35 1.30 1.25
2

Y = 6.4- 0.3X + 0.0044X r<0.001

30

32

34

36

24

26

28

30

32

34

36

FA/%

FA/%

(a) 28 天养护室
1.60
1.42 1.40 1.38 1.36

(b)28 天水下区
数据点 拟合曲线

1.55

数据点 拟合曲线

1.50

D/10 cm /s

1.32 1.30 1.28 1.26 1.24 1.22

Y = 2.91- 0.09X + 0.0012X r<0.001

2

D/10 cm /s

1.34

2

2

1.45

Y = 3.29- 0.105X + 0.0014X r<0.001

-8

2

-8

1.40

1.35

1.30
24 26 28 30 32 34 36

24

26

28

30

32

34

36

FA/%

FA/%

(c)28 天大气区

(d)28 天浪溅区

40

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
1.24 1.23

数据点 拟合曲线

1.6

数据点 拟合曲线

1.22

1.5

D/10 cm /s

2

1.21

D/10 cm /s

2
2

1.4

-8

-8

1.20

Y = 1.88- 0.041X + 0.0006X r<0.001

1.3

Y = 6.65- 0.317X + 0.0046X r<0.001

2

1.19

1.18 24 26 28 30 32 34 36

1.2

24

26

28

30

32

34

36

FA/%

FA/%

(e)60 天养护室
1.60 1.55 1.50

(f) 60 天水下区
数据点 拟合曲线
1.25

数据点 拟合曲线
1.24

D/10 cm /s

1.23

-8

-8

1.40 1.35 1.30 1.25 1.20 24 26 28

Y = 4.74- 0.191X + 0.0026X r<0.001

2

D/10 cm /s

2

1.45

2

1.22

Y = 1.69- 0.028X + 0.0004X r<0.001

2

1.21

1.20

30

32

34

36

24

26

28

30

32

34

36

FA/%

FA/%

(g)60 天浪溅区

(h)60 天大气区

图 3.13 0.35 水胶比粉煤灰掺量与扩散系数的拟合曲线
1.7

1.78

数据点 拟合曲线
1.6

数据点 拟合曲线

1.76

1.74

D/10 cm /s

D/10 cm /s

1.5

2

2

1.72

1.4

Y = 8.05- 0.411X + 0.0062X r<0.001

2

Y = 3.07- 0.082X + 0.0012X r<0.001
1.70

-8

1.3

-8

2

1.68

1.2 24 26 28 30 32 34 36

1.66 24 26 28 30 32 34 36

FA/%

FA/%

(a)28 天养护室

(b)28 天水下区

41

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
1.85

2.09

1.80

数据点 拟合曲线

2.08 2.07 2.06

数据点 拟合曲线

1.75

D/10 cm /s

D/10 cm /s

1.70

-8

Y = 3.92- 0.129X + 0.0018X r<0.001

2

2

2

2.05 2.04 2.03 2.02

Y = 2.43- 0.019X + 0.0002X r<0.001

2

1.65

-8

1.60

2.01 2.00
24 26 28 30 32 34 36

24

26

28

30

32

34

36

FA/%

FA/%

(c)28 天大气区
1.60 1.55 1.50 1.45

(d)28 天浪溅区
数据点 拟合曲线
1.70

数据点 拟合曲线

1.65

D/10 cm /s

1.40 1.35 1.30 1.25 1.20 1.15 24 26 28 30 32 34 36

D/10 cm /s

2

2
2

1.60

Y = 7.78- 0.398X + 0.006X r<0.001

-8

Y = 4.1- 0.151X + 0.0022X r<0.001
1.55

2

-8

1.50

24

26

28

30

32

34

36

FA/%

FA/%

(e)60 天养护室
1.75

(f)60 天水下区
数据点 拟合曲线
1.98 1.96

数据点 拟合曲线

1.70

1.94 1.92

D/10 cm /s

1.65

1.60

-8

Y = 4.1- 0.144X + 0.002X r<0.001

2

D/10 cm /s

1.90 1.88 1.86 1.84 1.82

2

2

-8

Y = 3.21- 0.075X + 0.001X r<0.001

2

1.55

1.50
1.80

24

26

28

30

32

34

36

24

26

28

30

32

34

36

FA/%

FA/%

(g)60 天大气区

(h)60 天浪溅区

图 3.14 0.4 水胶比粉煤灰掺量与扩散系数的拟合曲线 从上图可以得出以下结论: (1) 无论是在养护室还是海工环境下, 粉煤灰掺量对于混凝土氯离子扩散系数的影响 均符合一元二次关系;
42

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
(2)从图 3.13 和图 3.14 中的(a) (b) (e) (f)图可以看出,在养护室和水下区,粉 煤灰对于混凝土氯离子扩散系数的影响并非随着粉煤灰掺量的增加而增加,而是有一定的 限值。从图中可以大致看出,该限值大约在 34%左右。而在浪溅区和大气区,试验设计的 配合比可能没有做到最优点,即可能需要更多的粉煤灰
1.14 1.12 1.10 1.08
0.985

数据点 拟合曲线

数据点 拟合曲线
0.980

D/10 cm /s

1.04 1.02 1.00 0.98 0.96 0.94

Y = 3.44- 0.0734X + 0.0054X r<0.001

2

D/10 cm /s

1.06

0.975

2

-8

-8

2

0.970

Y = 1.256- 0.0088X + 0.00065X r<0.001

2

0.965

0.960

50

55

60

65

70

50

55

60

65

70

SG/%

SG/%

(a) 28 天养护室
1.3

(b)28 天水下区
数据点 拟合曲线
1.20

数据点 拟合曲线

1.2

1.15
1.1

D/10 cm /s

-8

-8

0.9

Y = 7.03- 0.179X + 0.0013X r<0.001

2

2

1.0

D/10 cm /s

1.10

2

Y = 3.655- 0.0758X + 0.0054X r<0.001
1.05

2

0.8

1.00

0.7

0.95
0.6 50 55 60 65 70

50

55

60

65

70

SG/%

SG/%

(c)28 天大气区
1.15 1.10

(d)28 天浪溅区
数据点 拟合曲线
0.950 0.945 0.940

数据点 拟合曲线

1.05
0.935

D/10 cm /s

D/10 cm /s

1.00
2

2

0.930 0.925 0.920 0.915

-8

2

0.95

Y = 5.525- 0.1411X + 0.0011X r<0.001

Y = 1.33- 0.012X + 0.00009X r<0.001

-8

2

0.90

0.85
0.910

0.80 50 55 60 65 70

50

55

60

65

70

SG/%

SG/%

(e)60 天养护室
43

(f) 60 天水下区

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
1.20 1.15 1.10

数据点 拟合曲线

0.86

数据点 拟合曲线

0.84

0.82

D/10 cm /s

2

1.05 1.00 0.95 0.90 0.85 50 55

D/10 cm /s

-8

Y = 3.77- 0.0783X + 0.0005X r<0.001

2

-8

0.80

Y = 1.79- 0.0285X + 0.0019X r<0.001

2

2

0.78

0.76

0.74
60 65 70

50

55

60

65

70

SG/%

SG/%

(g)60 天浪溅区

(h)60 天大气区

图 3.15 0.35 水胶比矿渣掺量与扩散系数的拟合曲线
1.60
1.35

数据点 拟合曲线

1.55 1.50

数据点 拟合曲线

1.30

1.25

Y = 3.74- 0.0755X + 0.00055X r<0.001

2

D/10 cm /s

1.45 1.40 1.35 1.30

D/10 cm /s

2

2

Y = 4.84- 0.1035X + 0.00075X r<0.001

2

-8

1.20

1.15

-8

1.25
50 55 60 65 70

50

55

60

65

70

SG/%

SG/%

(a)28 天养护室
1.85
2.3

(b)28 天水下区
数据点 拟合曲线
2.2 2.1

数据点 拟合曲线

1.80

1.75

2.0

D/10 cm /s

1.70

-8

Y = 3.92- 0.129X + 0.0018X r<0.001

2

2

D/10 cm /s

1.9 1.8 1.7 1.6

Y = 9.06- 0.212X + 0.0015X r<0.001

2

1.65

1.60
1.5 50 55 60 65 70

24

26

28

30

32

34

36

FA/%

-8

2

SG/%

(c)28 天大气区

(d)28 天浪溅区

44

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
1.40
1.25 1.20 1.15

数据点 拟合曲线

数据点 拟合曲线

1.35

1.30

D/10 cm /s

D/10 cm /s

2

2

1.10 1.05 1.00 0.95

1.25

Y = 4.22- 0.0895X + 0.0065X r<0.001

2

Y = 5.73- 0.1413X + 0.001X r<0.001

-8

2

-8

1.20

1.15
0.90 0.85 50 55 60 65 70

1.10 50 55 60 65 70

SG/%

SG/%

(e)60 天养护室
1.40

(f)60 天水下区
数据点 拟合曲线
2.1 2.0

数据点 拟合曲线

1.38
1.9

1.36

D/10-8cm2/s

D/10 cm /s

1.34

-8

Y = 2.75- 0.042X + 0.0003X r<0.001

2

2

1.8

Y = 7.8- 0.1775X + 0.00125X r<0.001

2

1.32

1.7

1.30

1.6

1.28 50 55 60 65 70

1.5 50 55 60 65 70

SG/%

SG/%

(g)60 天大气区

(h)60 天浪溅区

图 3.16 0.4 水胶比矿渣掺量与扩散系数的拟合曲线 从图 3.15 和 3.16 可以得出以下结论,该结论类似于粉煤灰: (1) 无论是在养护室还是海工环境下, 矿渣掺量对于混凝土氯离子扩散系数的影响均 符合一元二次关系; (2)从图 3.15 和图 3.16 中的(a) (b) (e) (f)图可以看出,在养护室和水下区,矿 渣对于混凝土氯离子扩散系数的影响并非随着矿渣掺量的增加而增加, 而是有一定的限值。 从图中可以大致看出,该限值大约在 67%左右。而在浪溅区和大气区,试验配合比有可能 没有做到最优设计,还需要进一步的研究。

45

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3.4 本章小结
通过试验,对试验数据进行处理,主要进行了以下几个方面的研究: (1)通过测试 7 天、28 天和 60 天试件的强度,发现混凝土的强度随着粉煤灰和矿渣 掺量的增加大体呈下降趋势。 在第 28 天时, 除去纯水泥混凝土试件的强度值能基本达到设 计强度, 掺加粉煤灰和矿渣的试件都不能达到设计强度; 而在 60 天时, 掺加粉煤灰和矿渣 的试件的强度与纯水泥混凝土的强度基本能持*,都能达到设计强度,甚至有些已经大于 设计强度,说明掺加粉煤灰和矿渣对混凝土后期强度有很大的影响。对于掺加粉煤灰和矿 渣的混凝土,其强度验收期限应该延长为 60 天。 (2) 通过对试件强度和氯离子扩散系数的拟合, 发现混凝土的强度与氯离子扩散系数 之间并不存在关联。这一结果正说明传统只通过混凝土强度来控制混凝土质量和提高耐久 性的方法存在很大的缺陷, 而基于耐久性能设计出来的混凝土才是真正满足未来需求的 “绿 色混凝土” 。 (3) 在本文的试验中, 复掺矿渣和粉煤灰对混凝土氯离子扩散系数的影响并没有发挥 其 “叠加效应” 。 文章仅涉及了一组复掺试件, 通过实验结果看, 复掺的效果仅相当于单掺 粉煤灰 25%~30%时的效果。关于复掺粉煤灰和矿渣对氯离子扩散系数的影响,还要做进 一步的研究。 (4) 通过对不同配合比不同暴露环境下氯离子扩散系数的回归拟合分析, 发现氯离子 扩散系数与粉煤灰和矿渣的掺量之间符合一元二次关系,而且在养护室和水下区养护条件 下粉煤灰和矿渣对于氯离子扩散系数的降低并非随着其掺量的增加而无限降低,而是存在 一个限值;在浪溅区和大气区,可能由于试验的配合比设计没有达到最优点,所以并没有 发现该最优值; (5) 通过对氯离子扩散系数影响因素的显著性分析, 发现不同的暴露环境对于氯离子 扩散系数有显著的影响,而矿渣要比粉煤灰的影响更显著。矿渣在跨海大桥以及海闸等混 凝土结构中的应用很广泛,比如荷兰东谢尔德海闸设计寿命为 250 年,其中的关键技术就 是掺加了 65%的磨细矿渣;沙特的巴林高速公路跨海大桥为保证耐久性,掺加 65%磨细矿 渣;香港的青马大桥为了保证使用年限,掺加 65%的磨细矿渣,等等。

46

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参考文献
[1] P.K.Metha. Concrete technology at the crossroads-problems and opportunities. Concrete Technology, Past, Present, and Future. Mohan Malhotra Symp.,ed.P.K. Metha. ACI Special Publ. SP-144,1994:1~30.
[2] 曹文涛, 余红发, 胡蝶, 翁智财. 粉煤灰和矿渣对表观氯离子扩散系数的影响[J]. 武汉理工大学学报, 2008,30(1) :48~52. [3] 杨文武,钱觉时,范英儒. 磨细高炉矿渣对海工混凝土抗冻性和氯离子扩散性能的影响[J]. 硅酸盐学 报,2009,37(1) :29~34. [4] 陈迅捷,王昌义. 磨细矿渣高性能混凝土在海工建筑中成功应用[J]. 混凝土,2000, (9) :59~61. [5] 冯乃谦,邢锋. 高性能混凝土的氯离子渗透性和导电量[J]. 混凝土,2001, (11) :3~7. [6] 吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京:中国铁道出版社,1999. [7] 冯乃谦.高性能混凝土[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1996. [8] Luciano J, Miltenberger M. Predicting Chloride Diffusion Coefficients from Concrete Mixture Proportion. ACI Materials Journal,1999,96(3). [9] 中华人民共和国水利部. 矿物掺加料混凝土应用技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1990. [10] 路新瀛.几种混凝土渗透性快速检测方法的适用条件[J]. 混凝土结构耐久性设计与施工论文集, 2004. [11] 赵铁军, 朱金铨, 冯乃谦. 高性能混凝土的强度与渗透性的关系[J]. 工业建筑, 1997, 27(5) : 14-17. [12] 丁建彤,阎培渝,朱金铨. 含粉煤灰或矿渣与硅灰的不同组合的混凝土[J]. 山东建材学院学报. 1998,12 (S1):110-118. [13] 艾红梅,王立久. 大掺量粉煤灰混凝土配合比设计与性能研究[D]. 大连理工大学,2005. [14] 田俊峰,王胜年,黄君哲,潘德强. 海港工程混凝土耐久性设计与寿命预测[J]. 中国港湾建设,2004 (6) :1~5.

47

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文

4 海工环境下不同配合比混凝土的寿命预测
4.1 研究意义
在海工环境下,影响混凝土结构耐久性的因素很多,而提高混凝土自身的密实性和抗 渗性才能从根本上提高混凝土结构的耐久性。 文献[1~4]指出混凝土的配合比设计是提高混凝 土耐久性的关键因素。根据 P.K Metha 教授所说,引起耐久性破坏的首要问题是钢筋锈蚀。 本章将结合具体的海工环境和实验数据,建立不同暴露环境与养护室养护条件下氯离子扩 散系数的关系,对混凝土结构的使用年限进行预测,在此基础上对混凝土配合比的设计提 出一些建议。

4.2 海工混凝土的寿命预测方法 4.2.1 锈蚀破坏模型及原理
海工混凝土的寿命预测类型有多种类型[5-9],但这些类型都是基于 Tuutti 于 1982 年提 出的模型,见图 4.1 所示。在该模型中,分为两个阶段:初始阶段和腐蚀发展阶段。在初 始阶段,认为混凝土结构处于完好状态。当钢筋周围溶液中的氯离子达到一定限值,初始 阶段结束,进入腐蚀发展阶段,钢筋开始锈蚀。在钢筋开始锈蚀后,认为钢筋的锈蚀速度 与时间呈线性关系,该阶段的持续时间认为大于 6 年。对于预应力结构,腐蚀发展阶段开 始的时候即为其服役的寿命结束。本文研究正是基于此模型,研究从试件开始暴露到钢筋 周围氯离子浓度达到某一限值时所经历的时间。 寿命预测采用 Fick 第二定律。 下面将探讨
Fick 第二定律中各个参数的取值。

48

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图 4.1 Tuutti 模型

4.2.2 寿命预测参数
4.2.2.1 表面氯离子浓度值 Cs 混凝土表面氯离子浓度与环境条件、水胶比和凝胶材料的关系可表示为(CCES01-2004) :

Csa = A × ( w / b )

(4.1)式中,

Csa -表面氯离子浓度;
w / b -水胶比;

A -回归系数。
,这个数值与 Duracrete 的规定一致。 表 4.1 给出了回归系数 A 的值(CCES01-2004) 表 4.1 表面浓度回归系数 A (与胶凝材料质量的比值,%)

凝胶材料 海洋混凝土 水下区 浪溅与水位变动区 大气区 硅酸盐水泥
10.3(10.67) 7.76(11.18) 2.57

A值

粉煤灰
10.8 7.45(15.7) 4.42

磨细矿渣
5.05 6.7(11.58) 3.05

硅灰
12.5 8.96 3.23

注:表中括号中的数字为某海港暴露实验数据的拟合值。
49

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Concreteworks 中规定的混凝土结构表面氯离子浓度与暴露持续时间有关, 持续时间越

长,其表面氯离子越高,在第 20 年时基本趋于最大值。表面氯离子随时间的变化规律为:
Cs ( t ) = Cs ,max × bt 1 + bt (4.2)

式中,
Cs ( t ) -暴露时间 t (年)时的表面氯离子浓度;

Cs ,max -最大氯离子浓度;
b -系数;

t -暴露时间。 Life365 规定的表面最大氯离子浓度及系数见表 4.2。

表 4.2 海洋环境的最大表面氯离子浓度和系数 暴露条件 浪溅区 盐雾区 离海岸 500m 离海岸 1000m 最大表面氯离子浓度(混凝土%)
0.8 1.0 0.6 0.6

系数 b 瞬时变值
0.15 0.06 0.03

从公式 4.2 可以看出,表面氯离子浓度并非一开始就能达到最大值,而是随着时间的 变化而增加,这与实际情况也是相吻合的。我国规范将表面氯离子浓度定位为最大值,从 计算结果看是偏于保守的。 混凝土的表面氯离子浓度,国外许多学者也曾经做过研究。S.Amey 等在预测海工混 凝土的寿命时,将水下区的混凝土表面氯离子浓度取为海水中的氯盐浓度,约为混凝土中 胶凝材料质量的 5%或混凝土质量的 0.8%。Bamforth 通过对处于英国浪溅区的混凝土结构 的调查,发现表面氯离子浓度值通常为混凝土质量的 0.3%~0.7%,并由少部分结构高达
0.8%。他还发现,处在浪溅区和大气区的表面氯离子浓度与风向有关,并对用于设计的表

面氯离子浓度值做出了建议,取值见表 4.3。

50

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
表 4.3 用于设计的表面氯离子浓度 Cs 环境 混凝土 硅酸盐水泥混凝土 海洋混凝土
0.75%

海洋浪雾区
0.5%

海洋大气区
0.25%

(4.5%)
0.9%

(3%)
0.6%

(1.5%)
0.3%

加有掺合料的水泥混凝土

(5.4%)

(3.6%)

(1.8%)

目前, 某大型暴露站并进行了 20 年的暴露试验, 取得了大量的关于表面氯离子浓度实 验数据,将这些实验数据取有 95%保证率的右百分位数,统*峁 4.2~4.5。
分布图
正态, 均值=0.771, 标准差=0.0809 5

4

3 密度 2 1 0.05 0 0.771 0.904 氯离子浓度 ( 混凝土质量百分含量 )

图 4.2 粉煤灰浪溅区 10 年 0.3 水胶比
分布图
正态, 均值=0.801, 标准差=0.0744 6 5 4 密度 3 2 1 0.05 0 0.801 0.923 表面了氯离子浓度 ( 混凝土质量比 )

图 4.3 普通硅酸盐水泥浪溅区 20 年,水胶比 0.55
51

烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文
分布图
正态, 均值=0.73, 标准差=0.1092 4

3

密度

2

1 0.05 0 0.73 0.910 表面氯离子浓度 ( 混凝土质量比 )

图 4.4 普通硅酸盐水泥水下区 10 年,0.55 水胶比
分布图
正态, 均值=0.7967, 标准差=0.1012 4

3

密度

2

1 0.05 0 0.797 氯离子浓度 ( 混凝土质量比 ) 0.963

图 4.5 矿渣浪溅区 5 年 0.5 水胶比 图中所标的氯离子浓度为占混凝土质量的百分比,如果将其换算成占胶凝材料的百分 比(混凝土容重按 2400kg/m3 考虑) ,然后按公式 4.1 计算拟合系数 Ac,其计算结果分别为
15.7,11.18,10.67,11.58。将计算结果与表 4.1 相比较可以得出(已经标于表 4.1 内)仅

有水下区普通硅酸盐水泥的拟合系数与之相接*,而浪溅区的差别很大。从统计数据看, 除了图 4.5 是 5 年外,其余的统计数据均是在 10 年或 20 年取得的,表面氯离子浓度基本 趋于稳定,具有很好的参考价值。 综合各种因素,对于处在浪溅区的试件的表面氯离子浓度取为 1.0%(占混凝土质量)
4.2.2.2 临界氯离子浓度值 Cc
52

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临界氯离子浓度的影响因素很多,主要与混凝土的质量(保护层厚度、水泥用量、水 泥品种、 水胶比、 养护等的综合指标) 、 相对湿度以及碳化因素有关。 对于此值不同规范有 不同的规定。 表 4.4 为 CCES01-2004 规定的临界浓度值。 Duracrete 规定的临界浓度标准值见表 4.3。 表 4.3 Duracrete 规定的临界氯离子浓度值 水胶比 海工环境 浪溅区 临界氯离子浓度(胶凝材料质量的比值% (w/b)eqv)
0.3 0.9 0.4 0.8 0.5 0.5

表 4.4 CCES01-2004 规定的临界氯离子浓度值 水胶比 海工环境 浪溅区 水下区 临界氯离子浓度(胶凝材料质量的比值% (w/b)eqv)
0.3 0.9 2.3 0.4 0.8 2.1 0.5 0.5 1.6

从表中规定的数据可以看出,我国 CCES01-2004 的规定与 Duracrete 相似,所不同的 是表 4.3 中的数据为*均值, 表 4.4 中的数据为标准值。 从耐久性设计的角度分析, 临界氯 离子浓度的数值规定的越低,其安全裕度越大。因此,临界氯离子浓度的标准值应取左百 分位,CCES01-2004 规定的数值实际上比 Duracrete 小。考虑到我国材料和施工水*与国 外存在一定的差距,因此取小值符合我国的现实情况。 在 concreteworks 中根据所涂阻绣剂的量来确定氯离子临界浓度,具体的规定值见表
4.5。

53

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表 4.5 临界氯离子浓度值 防腐剂/剂量 亚酸钙10 L / m3 亚酸钙15 L / m3 亚酸钙 20 L / m3 亚酸钙 25L / m3 亚酸钙 30 L / m3 亚酸钙和脂 5L / m3 氯化物临界浓度值(所占混凝土百分比) 0.15 0.24 0.32 0.37 0.40 0.12

某海港积累了多年的暴露试验数据,将这些数据进行统计分析,所得的结果见图 4.6。 从统计图来看, 对于浪溅区, 我国规范中的取值范围 0.5~0.9 是偏于安全的。 考虑一定的安 全储备,在本文的计算过程中对于浪溅区的试件取 0.5(占胶凝材料) ,换算成占混凝土质 量百分比,约为 0.08。
浪溅区临界浓度
2.5
C1:87 年暴露试件(水胶比0.55 ) C2:90 年暴露试件(硅酸盐水泥、水胶比0.6 ) C3:90 年暴露试件(普通硅酸盐水泥、水胶比0.6 ) C4:90 年暴露试件(烧结岩、水胶比0.6 ) C5:90 年暴露试件(矿渣30 、水胶比0.6 ) C6:90 年暴露试件(矿渣50 、水胶比0.6 ) C7:90 年暴露试件(粉煤灰30 、水胶比0.6 )

2.0

1.5 浓度值 1.0

0.9

0.5

0.5

0.0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7

图 4.6 临界氯离子实测统计图
4.2.2.3 龄期系数
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我国混凝土耐久性指南中,对于处在海工环境下的氯离子扩散系数的计算公式为:
? t0 ? c c c DCl ( t ) = DCl ,0 ke ,Cl kc ,Cl ? ?t ? ? ? exp ?
c nCl

(4.3)

式中,
Dcl ,0 为混凝土龄期为 t0 测量得到的氯离子扩散系数; K e,cl 为环境系数; K c ,cl 为养护系数; t0 为氯离子扩散系数测定时的龄期; ncl 为龄期系数;

龄期系数的大小对于混凝土抗氯离子侵入能力有着巨大的影响。我国混凝土结构耐久 性设计与施工指南中对于龄期系数的规定取值见表 4.6 所示,与 Duracrete 中的规定一致。 表 4.6 氯离子扩散系数衰减指数 n 胶凝材料 硅酸盐水泥 海洋环境 水下区 浪溅及水变区 大气区
0.30 0.37 0.65 0.69 0.93 0.66 0.71 0.60 0.85 0.62 0.39 0.79

粉煤灰

矿渣

硅粉

Concreteworks 认为氯离子扩散系数会随着水泥水化程度和孔隙率的发展而降低, 并且

趋向于一个定值。龄期系数与粉煤灰和矿渣的掺量有关,表达式见式 4.4。
? FA SG ? m = 0.26 + 0.4 ? + ? ? 50 70 ? Fib 认为龄期系数只与混凝土中所用的凝胶材料有关,具体规定见表 4.7。 (4.4)

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表 4.7 氯离子扩散系数的龄期系数 混凝土用胶凝材料 硅酸盐 ( 0.4 ≤ w / c ≤ 0.6 ) 粉煤灰 ( 0.42 ≤ ( w / c)eqv ≤ 0.62 ) 矿渣 ( 0.4 ≤ w / c ≤ 0.6 )
0.45 0.20 0~1.0 0.60 0.15 0~1.0 0.30 0.12 0~1.0

龄期系数均值

龄期系数标准差

龄期系数变化范围

在 Life 365 软件中,对于龄期系数的规定与 Concreteworks 差不多,具体表达式见式
4.5。 n = 0.2 + 0.4(% FA / 50 + % SG / 70) (4.5)

对某海港不同暴露时间所测得的氯离子扩散系数进行统计计算,计算得到的龄期系数 见表 4.8。 表 4.8 暴露试验龄期系数的计算值 混凝土胶凝材料 硅酸盐水泥 掺加粉煤灰 掺加矿渣 掺加硅灰 龄期系数均值
0.29 0.6 0.665 0.303

龄期系数标准差
0.073 0.111 0.1 0.056

龄期系数变化范围
0~1.0 0~1.0 0~1.0 0~1.0

注:表中为浪溅区暴露数据的计算结果

4.3 不同暴露环境下氯离子扩散系数的关系
在室内快速试验的基础上,通过快速实验的耐久性指标来预测海工结构的使用寿命。 该方法能够真实反映海工环境的影响,文献[2,9]也提出了同样的建议。室内的耐久性指标就
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是指氯离子扩散系数,因此,建立标准条件和海工环境下混凝土氯离子扩散系数的关系, 运用 Fick 第二定律,就能对海工混凝土结构的寿命进行预测。 目前, 中交集团第四航运工程设计研究院在湛江沿海地区积累了长达 10 年的暴露试验 数据, 并初步建立了 90 天暴露试验的氯离子扩散系数和室内快速实验所测扩散系数之间的 关系,见表格 4.10。

表 4.10 暴露试验扩散系数 De 和室内试验扩散系数 Dh 的关系式[10] 混凝土回归分析类别
90d 快速实验 Dh 与浪溅区 De 90d 快速实验 Dh 与水位变动区 De 90d 快速实验 Dh 与水下区 De

关系式
e D90 = 0.3796e0.305×10 e D90 = 0.4869e0.309×10 e D90 = 0.5369e0.296×10
8 h D90

r × 10?8 (cm 2 / s ) ×10?8 (cm 2 / s ) ×10?8 (cm 2 / s ) 0.907 0.893 0.938

8

h D90

8

h D90

从表 4.1 看出,实验室快速实验值和海工环境下测得的氯离子扩散系数关系较为复杂。假设在
90 天通过实验室快速实验测出的 D 值为 4.0 ×10?8 cm 2 / s ,那么按照我国指南中规定和表 4.10 关 系式分别计算海工环境不同区域的 D 值,计算结果如表 4.11 所示。

表 4.11 计算结果比较 混凝土所处环境 浪溅区 水位变动区 水下区 规范计算结果
1.08 × 10?8 cm 2 / s 3.68 ×10?8 cm 2 / s 5.28 ×10?8 cm 2 / s

按表 4.1 计算结果
1.28 × 10?8 cm 2 / s 1.67 × 10?8 cm 2 / s 1.763 ×10?8 cm 2 / s

差值(%)
18.5 54.6 66.6

注:规范计算取值按硅酸盐水泥的规定取值
从两者的对比来看,除去浪溅区与规范计算结果相差不大之外,水位变动区和水下区的

计算结果与规范相比差别还是很大的。考虑到我国海岸线漫长,北方和南方无论是在地理因素
还是在气候因素都存在较大的差异,在湛江亚热带地区进行的暴露试验数据能否在华北地区一

带的沿海适用也是未知数。因此,建立不同地区的模型,进而对不同区域的海工结构寿命 做出准确的预测,显得尤为重要。 在前面实验数据分析的基础上,对不同暴露区域的数据进行拟合分析,建立了不
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同暴露环境与标准养护条件下的试件的氯离子扩散系数之间的关系,具体的拟合结果见图
4.7~图 4.15, 图 4.12~4.15 是 28 天标准养护与 60 天暴露试验试件氯离子扩散系数之间的

关系。
2.6
2.0

2.4
1.8

2.2

浪溅区De(10-8cm2/s)

2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

大气区De(10-8cm2/s)

1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

实验数据 拟合曲线

实验数据 拟合曲线

标养Da(10-8cm2/s)

标养Da(10-8cm2/s)

图 4.7 28 天浪溅区拟合曲线
2.4
2.0

图 4.8 28 天大气区拟合曲线
2.2

水下区De(10-8cm2/s)

浪溅区(De10-8cm2/s)

1.8

2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8

1.6

1.4

实验数据 拟合曲线

实验数据 拟合曲线

1.2

1.0

0.8 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

标养Da(10-8cm2/s)

标养Da(10-8cm2/s)

图 4.9 28 天水下区拟合曲线
2.0
2.0

图 4.10 60 天浪溅区拟合曲线
1.8

1.8

水下区De(10-8cm2/s)

大气区De(10-8cm2/s)

1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

1.6

实验数据 拟合曲线

1.4

实验数据 拟合曲线

1.2

1.0

0.8 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

标养Da(10-8cm2/s)

标养Da(10-8cm2/s)

图 4.11 60 天大气区拟合曲线

图 4.12 60 天水下区拟合曲线

58

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2.0
2.0 1.8

1.8

大气区De(10-8cm2/s)

1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

水下区De(10-8cm2/s)

1.6

实验数据 拟合曲线

1.4

实验数据 拟合曲线

1.2

1.0

0.8 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

标养Da(10-8cm2/s)

标养Da(10-8cm2/s)

图 4.13 28 标养与 60 天浪溅区拟合曲线
2.0

图 4.14 28 标养与 60 天大气区拟合曲线

1.8

水下区De(10-8cm2/s)

1.6

1.4

实验数据 拟合曲线

1.2

1.0

0.8 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

标养Da(10-8cm2/s)

图 4.15 28 天与 60 天水下区拟合曲线 暴露环境下的扩散系数 De 与标养条件下氯离子扩散系数 Da 之间的关系见表格 4.12。 表 4.12 标养与暴露环境下氯离子扩散系数之间的关系 回归分析类型
28 天标养与浪溅区 28 天标养与大气区 28 天标养与水下区 60 天标养与浪溅区 60 天标养与大气区 60 天标养与水下区 28 天标养与 60 天浪溅区 28 天标养与 60 天大气区 28 天标养与 60 天水下区

关系式
De = 2.4167 + 15.08e ?2.435 Da De = 1.9566 + 23.6e ?3.0989 Da De = 2.0398 + 13.16e ?2.5514 Da De = 2.52 + 4.1575e ?1.2437 Da De = 3.1136 + 3.7242e ?0.5954 Da De = 2.3281 + 2.987e ?0.9086 Da De = 2.2742 + 14.06e ?2.4148 Da De = 2.2456 + 7.175e ?1.6133 Da De = 2 + 6.444e ?1.8092 Da
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r 0.874 0.947 0.907 0.821 0.833 0.846 0.905 0.918 0.887

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从建立的模型可以看出,暴露环境下的氯离子扩散系数与标养条件下的氯离子扩散系 数呈现指数关系,该结论与表 4.11 中的结论相吻合。通过建立的关系式,就可以由室内试 验所测得的氯离子扩散系数,得到暴露在具体海工环境下的扩散系数,进而对海工混凝土 的使用寿命进行预测。这种方法比单纯依靠室内试验结果进行预测更科学、可靠、准确, 也为以后的海工混凝土设计提供参考依据。目前这些关系式都是短期实验数据拟合分析的 结果,随着后期实验数据的取得,将不断地对关系式进行修正和完善。

4.4 算例
前边已经讨论过寿命预测模型中参数的取值,现在用 Life-365 软件对不同配合比的混 凝土进行寿命预测。 方法是先假定在标养条件下养护 28 天的氯离子扩散系数, 用本文建立 的模型,算出具体海工环境下的氯离子扩散系数 Da,然后计算出海工混凝土结构的寿命, 并将计算结果进行比较。

4.4.1 Life-365 软件介绍
Life-365 软件是预测暴露于氯离子环境的混凝土的服役寿命和生命周期成本的软件。

其软件操作界面见图 4.16。该软件默认最大表面氯离子浓度值为 0.5%(混凝土质量比) , 刚开始暴露的时候氯离子浓度为 0, 大约 15 年时达到最大值。 临界氯离子浓度与钢筋是否 涂保护膜或者阻绣剂有关。在软件中,用户可以对最大表面氯离子浓度、临界氯离子浓度 和龄期系数的取值进行自定义。计算程序中认为 Da 随时间而变化,但是以 30 年为限,当
t>30 年时,该值将不再变化。

图 4.16 Life-365 软件操作界面
60

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4.4.2 几个算例
假定初始的氯离子扩散系数 D0 = 4.0 × 10?8 cm 2 / s 。综合我国及国外规范,计算过程 中预测模型各个参数的取值见表 4.13。算例着重研究不同掺量粉煤灰和矿渣(与本文实验 研究的掺量一致)情况下,处于浪溅区混凝土结构中氯离子含量随时间变化的分布情况。 掺加粉煤灰和矿渣时的氯离子浓度分布曲线见图 4.17~4.18。 表 4.13 计算模型各个参数的取值 表面氯离子浓度(占 临界氯离子浓度(占 初始氯离子 参数 混凝土质量,%) 混凝土质量,%) 扩散系数 Da 按本文拟合 按 Life 365 取值
1.0 0.08

龄期系数

曲线计算

规定计算

(a)50 年时氯离子浓度分布曲线

(b)80 年时氯离子浓度分布曲线

图 4.17 掺加粉煤灰时的氯离子浓度分布曲线图

(a)50 年时氯离子浓度分布曲线

(b)80 年时氯离子浓度分布曲线

图 4.18 掺加矿渣时的氯离子浓度分布曲线图
61

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从以上两图可以看出: (1)在图 4.17 中,掺加粉煤灰后,同一保护层厚度的氯离子浓度远远小于普通硅酸 盐水泥的浓度。 当设计使用年限为 50 年时, 那么对于掺加粉煤灰 25%、 30%、 35%的试件, 所需要的保护层厚度约为 50mm,47mm 和 40mm,而不掺加任何掺加料时则需要 88mm 左右。而如果设计使用年限为 80 年,那么普通硅酸盐水泥需要 110mm 的保护层厚度才能 达到设计要求,而掺加粉煤灰后仅需要 60mm 左右的保护层厚度。 (2)在图 4.18 中,掺加矿渣后,同一深度的氯离子浓度也远远小于普通硅酸盐水泥 的浓度。当设计使用年限为 50 年时,那么对于掺加矿渣 50%、60%、70%的试件,所需要 的保护层厚度仅需要约 40mm,35mm 和 30mm。而如果设计使用年限为 80 年,那么普通 硅酸盐水泥需要 110mm 的保护层厚度才能达到设计要求, 而掺加矿渣后需要 45mm、 40mm 和 35mm 的保护层厚度。 (3)如果假定保护层厚度为 50mm,那么对普通硅酸盐水泥、掺加粉煤灰和矿渣的试 件进行寿命预测,预测结果如图 4.19 所示。可以看出,掺加粉煤灰和矿渣之后,能够大大 延长混凝土结构的使用寿命。

图 4.19 不同配合比的试件的使用寿命

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4.5 结论与建议
本章通过不同暴露环境下的实验数据,建立了浪溅区、水下区和大气区与室内养护环 境的氯离子扩散模型, 通过建立的模型, 对暴露在海工环境下的混凝土结构进行寿命预测, 比单纯采用室内快速试验测得的氯离子扩散系数进行寿命预测要准确可靠。 通过前面的叙述,可以得知浪溅区是整个海工环境中最容易引起钢筋锈蚀的区域,因 此文章仅对浪溅区环境进行了预测。在预测寿命过程中,讨论了表面氯离子浓度、临界氯 离子浓度、龄期系数等关键参数的取值,并采用了目前较为成熟的 Life365 软件就本文中 所涉及到的配合比进行了寿命预测。通过计算结果,可以清楚的知道不同时期混凝土内部 氯离子浓度的分布,这就为混凝土保护层的设计提供了依据。掺加粉煤灰和矿渣能大大提 高混凝土结构的使用寿命,相比而言,矿渣在抑制氯离子扩散方面的效果要优于粉煤灰。

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参考文献
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5 结论与展望
5.1 结论
海工环境下由于混凝土的耐久性能不足带来的经济损失已经引起了全世界的瞩目,从 调查结果看氯盐是引起钢筋锈蚀的 “罪魁祸首” 。那么提高混凝土的抗氯离子渗透性能就 能大大提高海工混凝土结构的使用寿命。基于此,本文做了不同配合比的暴露试验,从理 论和实验两个方面做了以下研究: (1) 本文在参考相关文献和我国耐久性相关规程的基础上, 设计了不同配合比的暴露 试验, 测试了试件的强度和氯离子扩散系数。 通过对实验数据的分析, 得出以下几点结论:
(a) 对于纯水泥混凝土,28 天的强度值基本能达到设计强度,而掺加粉煤灰和矿渣后 28 天的强度值比不掺加时要低,达不到验收要求。而 60 天时掺加粉煤灰和矿渣的试件的

强度与不掺加矿物掺加料时的强度基本持*,均能达到设计强度,甚至超过设计强度值。 这说明粉煤灰和矿渣对混凝土后期强度有较大的贡献, 而 28 天不足以表明这种贡献。 所以 对于掺加粉煤灰和矿渣的混凝土结构其验收期限应为 60 天或者更长。
(b) 通过对混凝土强度和氯离子扩散系数的拟合分析,发现混凝土的强度和氯离子扩

散系数之间没有相关性。这一结论表明单纯用混凝土强度指标来控制混凝土质量是以偏概 全的方法,存在很大的缺陷。我国正处于基础建设的高峰,如不重视混凝土耐久性设计, 必然会为之付出高昂的维修和重建费用并制约进一步发展。
(c) 海工环境下,暴露于不同区域(浪溅区、水下区、大气区、养护室)的试件的氯

离子扩散系数与矿渣、粉煤灰的掺量呈现一元二次关系,而且在水下区和养护室条件养护 下,氯离子扩散系数并非随着矿渣和粉煤灰掺量的增加而降低,而是存在一限值,粉煤灰 大约为 34%,矿渣大约为 67%;对于处在大气区和浪溅区的试件,可能也存在粉煤灰和矿 渣的最优掺量,试验设计的配合比没有达到最优点,需要进一步的研究。
(d) 对氯离子扩散系数的影响因素进行显著性分析,结果表明矿渣和不同的暴露环境

对氯离子扩散系数有显著的影响,粉煤灰的影响水*为一般。 (2)海工环境下,氯离子引起钢筋锈蚀的机理是 Fick 第二定律。该模型中几个关键 参数,例如表面氯离子浓度、临界氯离子浓度和龄期系数等,国内外规范有不同的规定, 文章结合规范要求以及对某大型暴露试验站所取得的数据的拟合分析,对参数的取值进行
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了探讨。这些参数的取值对于海工混凝土结构的寿命预测有重要的影响。 (3)建立了海工暴露环境和标准养护条件下氯离子扩散系数的关系式。基于 Tutti 寿 命预测模型,用 Life-365 软件对海工混凝土结构进行了寿命预测。通过计算结果,可以知 道不同时期不同混凝土深度的氯离子浓度,对于钢筋是否锈蚀做出判断,也为混凝土保护 层设计提供了依据。对比不同的掺加料,发现矿渣在抑制氯离子扩散方面的效果要优于粉 煤灰。

5.2 展望
高性能混凝土的配合比设计方法依然不成熟,真正实现基于耐久性能的混凝土配合比 设计方法还有很大的困难。目前提出的一些基于耐久性能的混凝土配合比方法大部分都是 在标准养护条件下取得的,缺乏暴露环境中的实验数据作支撑,因此结论对于具体的环境 能否同样适用不得而知。这就要求研究者进行更多研究来解决这样的问题。 (1) 本文的实验数据都是短期的实验数据, 寿命预测模型也是在此基础上建立的。 随 着后期实验数据的取得,还要对模型进行不断地修正,这样才能更准确反映海工环境对混 凝土渗透性的影响。 (2) 在试验配合比的设计过程中, 对于复掺粉煤灰和矿渣的情况只做了一组试验, 试 验效果也不理想,这与许多文献上提到的“叠加效应”并不符合,有待进一步研究分析。 (3)Fick 第二定律中三个关键参数即表面氯离子浓度、氯离子扩散系数和临界氯离 子浓度的取值,虽然我国指南对其做了具体的规定,依然有很多值得探讨的地方。 (4) 本文采用 NEL-PDR 试验方法测试的氯离子扩散系数, 但测试出来的实验数据只 能应用于混凝土渗透性高低的评级,并不能直接应用于实际工程。探讨几种常用测试氯离 子扩散系数的方法(RCM,PER)的关系,在此基础上对暴露试块进行寿命预测,这样得出 的数据具有更大的参考价值。 (5) 在海工环境下, 我国北方地区的气温较低, 这样混凝土结构还要受到冻融的影响。 在氯离子侵蚀和冻融循环的双重影响下,混凝土结构的使用寿命比单一因素下还要短。因 此,对双重影响因素下的混凝土扩散系数研究显得十分有必要。

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致谢
本论文是在我的导师周新刚教授的悉心指导下完成的。三年来,周老师为我们创造了 良好的学*环境, 无论是在学业上还是在生活上都给予了我极大的关怀, 在论文付梓之际, 表示衷心的感谢!周老师渊博的知识、严谨的治学态度、忘我的敬业精神、科学的工作方 法和虚怀若谷的做人风格给了我莫大的鼓励和鞭策,将是我一生学*的榜样。 在试验测试及撰写论文期间,马立国老师、李强老师、我的同窗好友,师弟,师妹对 我在论文和试验过程中的各种问题给予了热情帮助,使我的论文得以顺利完成,在此向他 们表达我的感激之情。 另外,也深深感谢我的家人,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。

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攻读学位期间发表的论文目录:
1. Cui Tao, Zhou Xingang. Steel corrosion and retrofitting of RC rib slabs-a case study. Proceeding of 12th International Conference on Inspection, Appraisal, Repairs and Maintenance of Structures. 2. 宋宗波,崔涛,苏树芳.交通隧道火灾安全研究现状综述及对渤海海峡跨海通道(海底

隧道)的启示[C]. 北京:经济科学出版社,2009.363~370.

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配合比对海工混凝土耐久性影响的试验研究
作者: 学位授予单位: 被引用次数: 崔涛 烟台大学 2次

本文读者也读过(5条) 1. 汪发红.徐长生.雷宇芳.张国志 海工混凝土耐久性研究[会议论文]-2004 2. 季辉 海工混凝土结构防腐蚀技术研究现状及应用[会议论文]-2008 3. 翁友法.张炜.李启令 海工混凝土的久性问题及其对策[会议论文]-1999 4. 褚明生.陈袆.Chu Mingsheng.Chen Yi 浅议海水环境下增强混凝土耐久性措施[期刊论文]-中国水运(学术版)2006,6(11) 5. 王昌将.许宏亮.李顺凯.刘可心.秦明强 金塘大桥承台海工混凝土耐久性检测与寿命预测[会议论文]-2008

引证文献(2条) 1.蒙成 水工混凝土的耐久性分析及应用初探[期刊论文]-科技信息 2011(25) 2.师华荣 海工耐久性混凝土配合比研究[期刊论文]-科技致富向导 2012(6)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D083666.aspx



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