楊 杰 賀文柏 肖 敏 李 晟

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410018）

淺析受濃度差異海水腐蝕混凝土性能

楊 杰 賀文柏 肖 敏 李 晟

（中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410018）

目前國內(nèi)外都局限于研究普通混凝土在一種海水濃度腐蝕后的性能，然而對混凝土在不同濃度的海水中腐蝕的分析很少，基于海水主要成分，實(shí)驗(yàn)配置2、4、6倍人工海水對混凝土加速腐蝕，實(shí)驗(yàn)表明，在人工模擬海水環(huán)境中，不同濃度海水對混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的影響。

人工模擬海水；加速腐蝕；抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)

1 引 言

海工工程混凝土耐久性的問題是討論海洋工程建設(shè)中的關(guān)鍵問題，施惠生等[1]研究模擬過5倍海水中的氯離子對混凝土的腐蝕；牛荻濤等[2]探討了CO2和Cl-對混凝土共同的作用；施錦杰等[3]提出造成混凝土中的鋼筋腐蝕是氯離子的問題；今后的海工工程中鋼筋腐蝕的保護(hù)應(yīng)該在RCM電通量法檢測、有限元模擬方面有所發(fā)展。試驗(yàn)綜合上述研究方法且基于他們的研究成果，在0、2、4和6倍人工模擬海水濃度進(jìn)行混凝土腐蝕對比試驗(yàn)，比較混凝土受海水腐蝕后抗壓強(qiáng)度。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方法

1）C40混凝土配合比見表1

表1 C40混凝土配合比

2）試件制作方法

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2003)制成試樣，鋼纖維摻入按《鋼纖維混凝土設(shè)計與應(yīng)用》加入。

3）人工模擬海水見表2

表2 人工模擬2倍海水化學(xué)成分

4)試驗(yàn)加載條件

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)中規(guī)定，C40混凝土試件加載速率是0.5MPa/s-0.8MPa/s,本試驗(yàn)加載速率 0.5MPa/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 不同濃度海水腐蝕混凝土的抗壓強(qiáng)度對比

3.1 從混凝土抗壓強(qiáng)度腐蝕系數(shù)分析

本實(shí)驗(yàn)選用100t液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，對150mm×150mm×150mm混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件測試抗壓強(qiáng)度。圖1中所示，試驗(yàn)序號1～10分別表示普通混凝土在人工模擬海水0倍、2倍、4倍、6倍腐蝕三個月后的抗壓強(qiáng)度，混凝土從破壞結(jié)果分析， 受海水腐蝕混凝土容易破壞，在相同的壓力作用下，細(xì)骨料和粗骨料分離速度更快，坍塌現(xiàn)象更明顯。

考慮試驗(yàn)過程中養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土強(qiáng)度的影響，引入抗壓腐蝕系數(shù)[4]。

式中：K-抗壓腐蝕系數(shù)

Sn-人工模擬n倍海水混凝土的抗壓強(qiáng)度值,n=2、4、6

S-同周期清水混凝土抗壓強(qiáng)度值

圖2 不同濃度海水抗壓腐蝕系數(shù)比較

普通混凝土抗壓腐蝕系數(shù)K如圖2，對比分析，2倍、4倍和6倍濃度海水腐蝕混凝土的抗壓強(qiáng)度平均腐蝕系數(shù)分別是 0.97、0.922 和 0.899，因?yàn)椴煌瑵舛群Ｋ畬炷粮g具有不同腐蝕作用，所以海水濃度越高，抗壓腐蝕系數(shù)會越低，

3.2 從氯離子化學(xué)、物理作用角度分析

在實(shí)際工程上，鋼筋混凝土構(gòu)件必須要設(shè)置一定厚度的混凝土保護(hù)層，由于環(huán)境介質(zhì)中存在CO2、H2O、和Cl-，混凝土主要由CaCO3和Ca(OH)2組成，所以會發(fā)生化學(xué)作用。如：

目前混凝土保護(hù)層碳化深度主要應(yīng)用Fick第一定律，如下

k-碳化系數(shù)，與溫度、濕度和CO2濃度有關(guān)

由于混凝土的碳化作用，混凝土收縮會引起微小裂縫，形成新的混凝土裂縫邊界與海水接觸時，海水中Cl-會趁虛而入，Cl-和混凝土發(fā)生化學(xué)作用（5)和（6），如下

一方面，由于（5）式水化生成的CaO·CaCl2·15H2O會導(dǎo)致混凝土體積膨脹，表面開裂；另一方面，在（6）式水化生成沉淀Mg(OH)2，使混凝土堿性降低，混凝土發(fā)生分解性腐蝕。一定條件下，混凝土中未完全水化的鋁酸三鈣與氯鹽反應(yīng)生成不溶性“復(fù)鹽”，但是這種“復(fù)鹽”極不穩(wěn)定，只有在強(qiáng)堿性環(huán)境下，“復(fù)鹽”才能保持穩(wěn)定。氯離子在破壞混凝土保護(hù)層過程中充當(dāng)“搬運(yùn)工”的角色，所以，氯離子腐蝕問題是實(shí)際海工工程中耐久性關(guān)鍵問題之一。對跨海大橋的橋墩，它與海水接觸的區(qū)域可以分為水下區(qū)、浪濺區(qū)和大氣區(qū)，水下區(qū)和大氣區(qū)分別主要是Cl-和CO2作用，產(chǎn)生的危害較小，氯離子在鋼筋混凝土接觸鋼筋時的擴(kuò)散符合Fick第二定律[5]，如下

式中：Dcl-氯離子濃度（%）

T—時間（年）

X—位置（cm）

Dcl-擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s)

注：臨界裂縫大于0.1mm時Fick第二定律失效

但是，浪濺區(qū)不但存在Cl-的物理、化學(xué)作用和CO2的化學(xué)作用，而且有海浪對裂縫界面的撞擊作用。在這三種外力耦合作用下，混凝土保護(hù)層有效厚度不斷被削弱，當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋與Cl-、CO2接觸后，鋼筋表面會發(fā)生電化學(xué)腐蝕，如下，

陽極反應(yīng)過程：

陰極反應(yīng)過程：

鋼筋的陽極區(qū)會生成Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2遇O2進(jìn)一步氧化成Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3脫水后會形成疏松、多孔的Fe2O3，同時Fe2O3在混凝土保護(hù)層和鋼筋之間產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，進(jìn)一步產(chǎn)生新的裂縫，導(dǎo)致鋼筋和混凝土粘結(jié)性能下降，鋼筋混凝土性能提前失效。

4 結(jié) 語

從引進(jìn)混凝土抗腐蝕系數(shù)出發(fā)，解釋海水中氯離子從混凝土保護(hù)層表面侵蝕到鋼筋的過程，系統(tǒng)的解釋氯離子破壞混凝土物理作用、化學(xué)作用的過程，且試驗(yàn)證明海水對混凝土腐蝕作用后抗壓性能有一定的影響，因?yàn)槁入x子主要是消耗保護(hù)層堿性，破壞了混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境，容易導(dǎo)致粗骨料和細(xì)骨料分離，最終使混凝土強(qiáng)度降低。既然氯離子侵入混凝土與構(gòu)件保護(hù)層有關(guān)，我們是否可以通過摻入一定比例的外加劑提高混凝土密實(shí)度進(jìn)而抑制氯離子腐蝕？這一系列問題需要在今后的研究中仔細(xì)的思考。

[1]施惠生．氯離子含量對混凝土鋼筋腐蝕的影響[J]．水泥技術(shù)，2009：23．

[2]牛荻濤．混凝土碳化與氯離子侵蝕共同作用研究[J]．水泥基材料，2013：1095．

[3]施錦杰．混凝土中鋼筋腐蝕研究現(xiàn)狀及熱點(diǎn)分析[J]．硅酸鹽學(xué)報，2014：1054．

[4]朱海堂．模擬工業(yè)廢水對鋼纖維混凝土的腐蝕試驗(yàn)研究[J]．東南大學(xué)學(xué)報，2010：203．

[5]楊小明．早齡期混凝土氯離子擴(kuò)散特性的試驗(yàn)研究[J]．建材世界 ,2011:5．

Analysis on the performance of seawater corrosion concrete by concentration difference

At home and abroad are confined to the study of ordinary concrete in a concentration of seawater corrosion performance, however,analysis of the corrosion of concrete in different concentration in seawater is very few,the major constituents of seawater based on the experimental configuration 2,4,6 times of artificial seawater to accelerate the corrosion of concrete．The experiments show that in simulated seawater in the environment,different concentrations of sea water has a certain influence on the compressive strength of concrete．

artificial simulated seawater；accelerated corrosion；compressive strength corrosion coefficient

TU528．33文獻(xiàn)辨識碼：B

1003-8965(2017)01-0017-02

中南林業(yè)科技大學(xué)2016年度研究生科技創(chuàng)新基金學(xué)院自籌項(xiàng)目