張洪亮， 朱月風(fēng)， 韓勁草

（長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

青海省是中國(guó)第三大氯鹽漬土分布地區(qū)，自然環(huán)境條件惡劣，公路橋梁混凝土耐久性問題嚴(yán)重。通過對(duì)青海察爾汗鹽漬土地區(qū)的實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，氯鹽等腐蝕性離子對(duì)混凝土材料造成的腐蝕破壞非常嚴(yán)重，而且破壞最嚴(yán)重的部分位于混凝土地表以上的吸附區(qū)內(nèi)，如圖1所示。

圖1 青海某鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞情況

鑒于氯鹽腐蝕的嚴(yán)重性，國(guó)內(nèi)外對(duì)氯離子的侵入、傳輸、腐蝕機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究［1－10］。國(guó)外的混凝土腐蝕研究開始得比較早，1936年，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)在緬因州建立了海洋暴露實(shí)驗(yàn)站，為研究混凝土的耐久性提供了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)［1］研究了6種不同水灰比和不同厚度鋼筋保護(hù)層的混凝土試件在不同腐蝕齡期的游離氯離子侵入量、鋼筋自腐蝕電位、鋼筋失重率和銹蝕面積，試驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土中摻加活性摻合料，比單獨(dú)降低水灰比能夠更有效地降低游離氯離子在混凝土中的滲透速度，提高鋼筋混凝土的耐久性；文獻(xiàn)［2］建立了干濕交替下表層混凝土內(nèi)氯離子傳輸模型，求解了對(duì)流占優(yōu)的氯離子對(duì)流－擴(kuò)散問題。

氯離子的混凝土腐蝕問題具有復(fù)雜性，研究的很多方面還不完善，主要表現(xiàn)在：① 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于氯鹽環(huán)境下半埋混凝土耐久性研究主要集中于海洋、鹽湖地區(qū)，對(duì)鹽漬土環(huán)境條件下半埋混凝土的耐久性問題的研究仍然較少；② 半埋混凝土的離子侵入傳輸應(yīng)包括離子在土壤中的傳輸、混凝土界面的浸潤(rùn)、毛細(xì)管上升以及吸附區(qū)內(nèi)部的擴(kuò)散，但目前無論是鹽漬土還是鹽湖環(huán)境下關(guān)于這些方面的綜合研究較少。

本文運(yùn)用室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)、氯離子測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并輔以理論分析，對(duì)氯鹽離子在鹽漬土地區(qū)半埋混凝土中的侵入、傳輸、腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，并對(duì)鹽漬土地區(qū)半埋混凝土進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

1 鹽漬土地區(qū)半埋混凝土室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 混凝土原材料及配合比

水泥采用青海祁連山水泥股份有限公司生產(chǎn)的PⅡ52.5硅酸鹽水泥；細(xì)集料采用格爾木市南山口紅旗砂石料場(chǎng)生產(chǎn)的天然河砂；粗集料采用格爾木市南山口砂石料場(chǎng)生產(chǎn)的花崗巖碎石；減水劑采用上海恒?？萍及l(fā)展有限公司生產(chǎn)的HJXS－A型聚羧酸鹽高性能減水劑，為淡黃色液體，硫酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.73%；拌合用水采用格爾木當(dāng)?shù)氐钠胀嬘盟?/p>

本文采用的混凝土是強(qiáng)度等級(jí)為C50普通混凝土，水灰質(zhì)量比為0.35，水泥、水、細(xì)集料、粗集料、減水劑的質(zhì)量濃度分別如下：483、169、628、1 220、24.15kg／m3。

1.2 試驗(yàn)方案

由于鹽漬土地區(qū)腐蝕溶液中離子濃度的不同會(huì)導(dǎo)致混凝土腐蝕機(jī)理的變化，為了最大程度模擬工程實(shí)際情況，結(jié)合實(shí)際條件，氯離子腐蝕試驗(yàn)采用青海格爾木當(dāng)?shù)佧}湖氯鹽鹵水作為腐蝕溶液。鹵水基本化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：w（Cl－）＝17.3%，w（Na＋）＝20.8%，w（Mg2＋）＝0.5%，w（SO42－）＝4.1%。

本文采用半浸泡干濕循環(huán)的方式來加速混凝土吸附區(qū)的腐蝕破壞過程，具體干濕循環(huán)制度為：先在20°C環(huán)境中將試件半浸泡于腐蝕溶液中16h，再放置于80°C的環(huán)境下烘干6h，之后自然冷卻2h，再將試件半浸泡于腐蝕溶液中，此為1個(gè)循環(huán)，1個(gè)循環(huán)的時(shí)間為24h。結(jié)合實(shí)際情況將試驗(yàn)定為11周。

1.3 試驗(yàn)過程

對(duì)于普通混凝土，相對(duì)動(dòng)彈性模量精確度高，且是無損檢測(cè)指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確地反映出混凝土內(nèi)部材料的損傷程度，所以本試驗(yàn)采用相對(duì)動(dòng)彈性模量作為損傷指標(biāo)，普通混凝土試件每隔7次干濕循環(huán)測(cè)試1次動(dòng)彈性模量的變化。

混凝土吸附區(qū)處，氯離子濃度的測(cè)試采用化學(xué)滴定法來測(cè)定。將干濕循環(huán)后的試件取出，烘干冷卻后鉆孔取樣，試驗(yàn)取樣點(diǎn)為浸泡線以上2cm附近處，每間隔0.25cm左右取樣1次，分別測(cè)定樣本的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.4.1 相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化

通過11周干濕循環(huán)試驗(yàn)，混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 相對(duì)動(dòng)彈性模量變化情況

從圖2可見，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化趨勢(shì)是先隨著干濕循環(huán)時(shí)間的增加而增加，到達(dá)一定程度之后又隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行而降低。造成這一結(jié)果的主要原因是混凝土作為一種多孔材料，在腐蝕開始初期，腐蝕的生成物填充于混凝土內(nèi)部的孔隙內(nèi)，使混凝土整體密實(shí)度增加，因此相對(duì)動(dòng)彈性模量呈上升趨勢(shì)；當(dāng)腐蝕進(jìn)行一定時(shí)間后，混凝土的孔隙被腐蝕生成物填滿，而不斷生成的腐蝕產(chǎn)物會(huì)使混凝土內(nèi)部逐漸開裂，這就造成了相對(duì)動(dòng)彈性模量下降。

1.4.2 氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

在經(jīng)過一定時(shí)間的干濕循環(huán)之后，對(duì)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，得到混凝土吸附區(qū)不同深度氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3所示。

圖3 氯離子含量隨混凝土厚度的變化關(guān)系

從圖3可以看出，混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)先是隨著距表層深度的增加而上升，在0.75cm處達(dá)到最大值并發(fā)生突變，之后隨著距表層深度的增加而下降。這一現(xiàn)象是由半埋混凝土吸附區(qū)的離子傳輸機(jī)理造成的：在距表層0～0.75cm內(nèi)，離子的傳輸機(jī)理是毛細(xì)管吸附作用和擴(kuò)散作用的耦合，但以毛細(xì)管吸附為主；在0.75cm之外，離子的傳輸機(jī)理可以認(rèn)為是單純的擴(kuò)散。

2 腐蝕性鹽離子侵入及傳輸機(jī)理

鹽漬土與鹽湖或海洋相比，最大的區(qū)別是鹽漬土中的水分含量十分有限，而水分又是腐蝕性離子傳輸?shù)幕窘橘|(zhì)，因此在一些處于長(zhǎng)期干旱狀態(tài)的鹽漬土中，腐蝕性鹽類往往處于固體狀態(tài)，混凝土的腐蝕過程就非常緩慢。與在鹽湖或海洋環(huán)境下的混凝土鹽離子傳輸不同，鹽漬土中半埋混凝土的離子傳輸包括3個(gè)階段：腐蝕性鹽離子在鹽漬土中傳輸?shù)碾A段、腐蝕性鹽離子從鹽漬土進(jìn)入混凝土的階段和腐蝕性鹽離子在混凝土中傳輸?shù)碾A段。

2.1 腐蝕性鹽離子在鹽漬土中的運(yùn)動(dòng)

一般來說，鹽漬土地區(qū)由于常年年降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，導(dǎo)致土壤較為干旱，土壤中水分的運(yùn)動(dòng)過程，是比較單純的降水滲入和水分蒸發(fā)過程。但無論是入滲過程還是蒸發(fā)過程，可溶鹽在土壤中的遷移機(jī)制主要有對(duì)流［11］、擴(kuò)散［12］和機(jī)械彌散［13］3種。

2.2 腐蝕性鹽離子從鹽漬土進(jìn)入混凝土

混凝土屬于親水物質(zhì)，當(dāng)鹽溶液與鹽漬土中的混凝土表面接觸時(shí)，由于鹽漬土中含水量較低，混凝土固體表面分子對(duì)液體的作用力大于液體分子間的作用力，液體分子將向固液界面密集，使得混凝土表面處腐蝕性鹽離子濃度增大，同時(shí)降低了固液界面能，混凝土表面吸附土壤中鹽溶液中的溶質(zhì)，腐蝕性鹽離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部［14］。

2.3 腐蝕性鹽離子在混凝土中傳輸

在鹽溶液進(jìn)入混凝土內(nèi)部以后，半埋混凝土中離子的傳輸過程主要是淺層區(qū)域的毛細(xì)管吸附和對(duì)流深層區(qū)域的擴(kuò)散。

在混凝土的淺層區(qū)域，離子傳輸?shù)男问诫m然既有毛細(xì)管吸附，又有擴(kuò)散效應(yīng)，但毛細(xì)管吸附起主要作用［15］。離子通過毛細(xì)管吸附作用從地面以下鹽漬土中進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在毛細(xì)管作用下沿淺層區(qū)域混凝土上升，當(dāng)上升的鹽溶液產(chǎn)生的重力與毛細(xì)管吸附力達(dá)到平衡時(shí)，鹽溶液停止傳輸并在混凝土吸附區(qū)表層通過蒸發(fā)作用進(jìn)入干熱的空氣中，同時(shí)吸附區(qū)的蒸發(fā)作用又加快了鹽溶液的毛細(xì)管傳輸過程，發(fā)生這一過程的混凝土淺層區(qū)域又稱為對(duì)流擴(kuò)散區(qū)。

在混凝土的深層區(qū)域，由于受淺層區(qū)域蒸發(fā)作用影響較小，且淺層區(qū)域蒸發(fā)造成鹽分的積累，與內(nèi)部形成濃度差，因此混凝土深層區(qū)域離子的主要傳輸方式是擴(kuò)散。由于腐蝕溶液的蒸發(fā)和濃縮現(xiàn)象發(fā)生在混凝土地表吸附區(qū)，因此該部位混凝土的腐蝕情況最為嚴(yán)重，形成“爛根現(xiàn)象”。圖4反映了鹽溶液從土壤中到混凝土中的傳輸整個(gè)過程。

混凝土下部長(zhǎng)期處于鹽漬土中，在鹽漬土含水量比較高的情況下，混凝土土壤區(qū)內(nèi)部含水量趨于飽和；而上部結(jié)構(gòu)處于干燥狀態(tài)，由于吸附區(qū)的蒸發(fā)現(xiàn)象，混凝土內(nèi)部孔隙飽和度趨于降低，離子向混凝土內(nèi)部滲透的阻力加大，滲透深度減小?；炷羶?nèi)部飽和度如圖5所示［16］。

圖4 離子的傳輸過程示意圖

圖5 半埋混凝土孔隙飽和度

3 鹽漬土半埋鋼筋混凝土的腐蝕機(jī)理

鹽漬土環(huán)境下半埋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理為：鹽漬土中氯離子在水分的作用下，通過浸潤(rùn)現(xiàn)象進(jìn)入混凝土中，并在毛細(xì)管作用下聚集于混凝土吸附區(qū)，擴(kuò)散至混凝土保護(hù)層并積累于鋼筋表面，當(dāng)鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到一定臨界值時(shí)，鋼筋表面鈍化膜破壞形成腐蝕電池并產(chǎn)生孔蝕，在水分和空氣的作用下，使鋼筋發(fā)生銹蝕，鐵銹體積增大，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂，外部氯離子進(jìn)一步進(jìn)入到混凝土中，使得鋼筋銹蝕加劇，混凝土保護(hù)層剝落，結(jié)構(gòu)承載能力下降。

鋼筋的銹蝕屬于氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)原理如下所述。

陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)：

全反應(yīng)：

其中，Ox為氧化劑；Rd為生成物。

4 基于Cl－傳輸?shù)陌肼窕炷翂勖?/h2>

與鹽湖相比，由于干鹽漬土中水分較少，受土壤密實(shí)度和土壤含水量的影響，鹽溶液向混凝土土壤區(qū)的傳輸聚集過程較慢，相應(yīng)的混凝土使用壽命也就較長(zhǎng)。本文研究考慮腐蝕性鹽離子從土壤中傳輸至混凝土破壞部位的全過程來預(yù)測(cè)混凝土使用壽命。

4.1 氯離子在鹽漬土中的傳輸聚集

由于鹽漬土表層最高含鹽量可達(dá)90%，因此可以認(rèn)為鹽漬土中的鹽分含量完全足夠混凝土的腐蝕，故不考慮氯離子在鹽漬土中的傳輸聚集過程消耗時(shí)間。

4.2 氯離子從鹽漬土中進(jìn)入混凝土

由于青海鹽漬土地區(qū)年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，大部分時(shí)間鹽漬土都處于無水干旱狀態(tài)，且每次降雨量都很小，因此可以近似認(rèn)為對(duì)于地下水位較低且無地表徑流的長(zhǎng)期干旱鹽漬土地區(qū)，只有在降雨天氣鹽離子才能夠進(jìn)入混凝土造成腐蝕，非降雨天氣混凝土的腐蝕過程停止。

4.3 半埋混凝土淺層區(qū)域離子傳輸

半埋混凝土淺層區(qū)域離子傳輸過程指進(jìn)入混凝土中的氯離子沿混凝土淺層區(qū)域上升至吸附區(qū)高度，這一過程可以用（4）式來描述。

其中，t為時(shí)間；D為擴(kuò)散系數(shù)；v為滲流速度；x為流動(dòng)方向的坐標(biāo)；w為距混凝土表面x處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

其邊界條件及初始條件為：

氯鹽溶液在混凝土淺層區(qū)域的上升問題可利用數(shù)值差分的方法來求解方程，即

整理得：代入初始條件可得到：

通過一維水分遷移計(jì)算機(jī)程序求解（8）式、（9）式，并對(duì)混凝土淺層區(qū)域毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行模擬，當(dāng)淺層區(qū)域內(nèi)部含水率在±0.1%內(nèi)變化時(shí)，即認(rèn)為含水率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過模型試算，發(fā)現(xiàn)在腐蝕時(shí)間為15周時(shí)，混凝土淺層區(qū)域含水率達(dá)到穩(wěn)定，終態(tài)含水率分布如圖6所示。

圖6 15周混凝土淺層區(qū)域穩(wěn)態(tài)含水率分布

通過模型計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為，鹽離子在混凝土淺層區(qū)域傳輸需要時(shí)間為15周，約合0.3a。

4.4 半埋混凝土吸附區(qū)深層區(qū)域離子傳輸

對(duì)于混凝土深層區(qū)域的離子傳輸目前多采用歐洲D(zhuǎn)ura Crete提出的經(jīng)驗(yàn)方法，即采用如下假定：毛細(xì)管吸附作用僅發(fā)生在混凝土淺層區(qū)域，即混凝土對(duì)流區(qū)，在混凝土深層區(qū)域仍以擴(kuò)散為主要傳輸機(jī)制；對(duì)流區(qū)深度為一固定值，不因時(shí)間的增加而發(fā)生變化；擴(kuò)散作用與對(duì)流作用不具有耦合效應(yīng)，即擴(kuò)散區(qū)域不發(fā)生對(duì)流，對(duì)流區(qū)域不發(fā)生擴(kuò)散。其離子傳輸模型為：

其中，w（x，t）為t時(shí)刻x深度處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w0為混凝土中初始氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ws為混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；t為暴露時(shí)間；x為深度；Da為表觀擴(kuò)散系數(shù)；Δx為對(duì)流層深度。

模型中各參數(shù)取值：① 氯離子臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wf＝0.07（在混凝土所占質(zhì)量比例）；② 初始氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)w0取0；③通過回歸分析擬合對(duì)流區(qū)以內(nèi)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)與混凝土深度之間的關(guān)系，并依據(jù)（10）式計(jì)算擴(kuò)散區(qū)和對(duì)流區(qū)界面處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為ws值；④ 本試驗(yàn)的對(duì)流區(qū)深度取Δx＝7cm；⑤ 通過“麥夸特法＋通用全局優(yōu)化算法”擬合，得出氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)Da＝1.33cm2／a。

將各個(gè)參數(shù)的取值代入到（10）式中，并使用1stOpt軟件進(jìn)行編程計(jì)算，得出鋼筋保護(hù)層厚度與混凝土吸附區(qū)深層區(qū)域離子聚集時(shí)間的關(guān)系，見表1所列。

結(jié)合半埋混凝土中鹽離子的傳輸過程，將混凝土吸附區(qū)淺層區(qū)域離子傳輸時(shí)間和深層區(qū)域離子傳輸時(shí)間相加求和，得出鹽漬土地區(qū)半埋鋼筋混凝土使用壽命與鋼筋保護(hù)層厚度之間的關(guān)系，見表2所列。

表1 吸附區(qū)深層區(qū)域離子聚集時(shí)間與鋼筋保護(hù)層厚度之間的關(guān)系

表2 鹽漬土地區(qū)半埋鋼筋混凝土使用壽命與鋼筋保護(hù)層厚度之間的關(guān)系

表2說明了混凝土保護(hù)層厚度對(duì)提高混凝土使用壽命的重要性，在常規(guī)保護(hù)層厚度下（4cm），未采用防護(hù)措施的普通鋼筋混凝土在半埋狀態(tài)下3a多即開始腐蝕破壞，這與青海當(dāng)?shù)氐膶?shí)際調(diào)查結(jié)果是一致的。在采用普通混凝土的情況下，即使鋼筋保護(hù)層厚度選用10cm，混凝土結(jié)構(gòu)也僅能使用27a，因此對(duì)于青海氯鹽漬土地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)，除了增大混凝土保護(hù)層厚度外，還應(yīng)采用高性能混凝土設(shè)防腐涂層等其他防腐措施，否則無法滿足工程耐久性要求。

5 結(jié) 論

（1）采用“半浸泡＋干濕循環(huán)”的方法來模擬半埋條件下的混凝土氯離子侵蝕行為，半埋狀態(tài)下混凝土和周圍鹽漬土之間的離子交換機(jī)理是外部“蒸發(fā)－濃縮”和毛細(xì)管吸附，內(nèi)部仍為擴(kuò)散。由于“蒸發(fā)－濃縮”發(fā)生在混凝土吸附區(qū)外表層，使得吸附區(qū)破壞嚴(yán)重，形成“爛根現(xiàn)象”。

（2）鹽溶液在鹽漬土中的傳輸機(jī)理是對(duì)流和彌散，而在半埋混凝土靠近表層處淺層區(qū)域的傳輸機(jī)理主要是毛細(xì)管吸入，深層區(qū)域仍然是擴(kuò)散。

（3）通過相對(duì)動(dòng)彈性模量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量先上升后下降。主要原因?yàn)楦g開始后的腐蝕產(chǎn)物填充了混凝土內(nèi)部孔隙，整體密實(shí)度增加，使相對(duì)動(dòng)彈性模量值上升；而隨著腐蝕的進(jìn)行，混凝土的孔隙被腐蝕生成物填滿，而不斷生成的腐蝕產(chǎn)物會(huì)使混凝土內(nèi)部逐漸開裂，使得相對(duì)動(dòng)彈性模量下降。

（4）通過氯離子含量測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土吸附區(qū)氯離子的分布規(guī)律是先隨著距表層距離的增加而增加，在0.75cm處達(dá)到最大值，之后隨著距表層距離的增加而下降。這是由離子傳輸機(jī)理引起的：在距表層0～0.75cm內(nèi)，離子的傳輸機(jī)理是毛細(xì)管吸附作用和擴(kuò)散作用的耦合；在0.75cm之外，離子的傳輸機(jī)理可以認(rèn)為是單純的擴(kuò)散。

（5）在快速腐蝕試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)氯離子侵入傳輸機(jī)理對(duì)鋼筋混凝土的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋混凝土在普通保護(hù)層厚度下（4cm）使用3a多即開始破壞，這與鹽漬土地區(qū)半埋混凝土的實(shí)際情況是基本一致的，說明了本文的預(yù)測(cè)比較具有合理性。

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