評(píng)價(jià)高性能混凝土耐久性綜合指標(biāo)-抗氯離子滲透性及其研究現(xiàn)狀汨
2006-04-27 00:00
摘 要：結(jié)合國(guó)內(nèi)外高性能混凝土耐久性研究的現(xiàn)狀，在近年來(lái)基于氯離子滲透的高性能混凝土耐久性預(yù)測(cè)模型，分析了將抗氯離子滲透性作為評(píng)價(jià)高性能混凝土耐久性的綜合指標(biāo)的可行性和必要性，對(duì)于制定高性能混凝土的耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范具有參考意義。
關(guān)鍵詞：高性能混凝土； 耐久性； 氯離子抗?jié)B； 綜合指標(biāo)
Aggregative indicator evaluating the durabil ity of HPC：Chloride ion resistance and present status
BA Heng jing ， ZHA N G Wu man ， DEN G Hong wei
(Civil Engineering Institute ，Harbin University of Technology ，Harbin 150006 ，China)
Abstract ： Based on the prediction models and the domestic and foreign present status of the durability of HPC, the chloride ion resistance was used as an aggregative indicator to evaluate the durability of HPC. The importance and the feasibility were analyzed, which had significant reference for constituting standard of the durability of HPC.
Key words ： HPC； durability ； chloride ion resistance ； aggregative indicator
1 引言
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外土木工程界對(duì)高性能混凝土耐久性問(wèn)題十分關(guān)注，作了大量的試驗(yàn)研究，工程技術(shù)人員對(duì)混凝土耐久性的認(rèn)識(shí)程度也不斷加深。我國(guó)新出臺(tái)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中很多章節(jié)已經(jīng)提出了具體的耐久性規(guī)定。同時(shí)，我國(guó)第一部《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)及施工指南》也在2003年底正式頒布實(shí)施，該指南為設(shè)計(jì)和施工人員提供了環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工的基本要求。大量科研成果的取得和國(guó)家規(guī)范的實(shí)施將實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)全功能設(shè)計(jì)的目標(biāo)向前推進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。
然而，目前對(duì)于高性能混凝土耐久性的評(píng)定沒(méi)有統(tǒng)一的指標(biāo)和方法，對(duì)其抗凍性、抗化學(xué)侵蝕性、抗鋼筋銹蝕性、抗碳化性、抗堿—集料反應(yīng)性、抗磨耗性、抗火性等等的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，基本上仍沿用對(duì)普通混凝土的試驗(yàn)和檢測(cè)方法。但是，由于低水灰比、以及高效減水劑和礦物摻合料的摻入，高性能混凝土的性能與普通混凝土的性能相比產(chǎn)生了較大的差異，因此，普通混凝土的一些試驗(yàn)和檢測(cè)方法已不適用于高性能混凝土，更無(wú)法將耐久性指標(biāo)融入到混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中。
我國(guó)規(guī)范一貫按承載力極限狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，再按正常使用極限狀態(tài)來(lái)校核構(gòu)件的設(shè)計(jì)思想，這樣就決定了高性能混凝土耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)在肯定原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上補(bǔ)充耐久性方面的要求，使得所選用的混凝土材料在滿足結(jié)構(gòu)承載能力的同時(shí)也可以達(dá)到足夠的耐久性，在工程選材的環(huán)節(jié)把好“耐久性”關(guān)，實(shí)現(xiàn)從源頭上解決結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題。
因此，目前亟待解決問(wèn)題是：創(chuàng)建一個(gè)高性能混凝土耐久性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)能夠?qū)⒏鞣N環(huán)境因素影響效應(yīng)集于一身。將其作為指導(dǎo)高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便可以消除混凝土耐久性參數(shù)眾多，各參數(shù)之間相關(guān)性難于把握的客觀制約，為實(shí)現(xiàn)完全規(guī)范化的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1～4 ]經(jīng)過(guò)大量調(diào)查和研究表明：絕大多數(shù)高性能混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是由于氯離子侵入到混凝土鋼筋表面，并達(dá)到一定臨界濃度時(shí)引起的鋼筋銹蝕所致；鋼筋銹蝕使其與混凝土的粘結(jié)力下降，同時(shí)產(chǎn)生的膨脹使保護(hù)層開(kāi)裂破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。Misra[5 ]等也強(qiáng)調(diào)氯離子的滲透性可以用來(lái)評(píng)定高性能混凝土的耐久性能，特別是設(shè)計(jì)和建造容易受氯離子侵蝕而導(dǎo)致鋼筋銹蝕的混凝土結(jié)構(gòu)，如沿海結(jié)構(gòu)、海洋混凝土結(jié)構(gòu)、應(yīng)用除冰鹽的船橋甲板、高速公路等。Shah and Wang[6 ] 研究了混凝土微觀結(jié)構(gòu)、滲透性、裂紋和耐久性之間的關(guān)系，結(jié)果表明：配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮強(qiáng)度、滲透性和抗裂性。由此可見(jiàn)：抗氯離子滲透性是評(píng)價(jià)高性能混凝土耐久性的一種有效的方法和指標(biāo)。
2 高性能混凝土抗氯離子滲透性研究現(xiàn)狀
目前關(guān)于高性能混凝土抗氯離子滲透性測(cè)定方法主要有兩類：自然滲透法和加速滲透法。
2.1 自然滲透法
自然滲透法是先將混凝土長(zhǎng)時(shí)間浸泡于含氯鹽的水中，再通過(guò)切片或鉆取芯樣，用化學(xué)分析的方法得到氯離子濃度與滲透距離的關(guān)系，然后利用Fick第二定律計(jì)算出氯離子滲透系數(shù)。這種方法是確定離子在混凝土中滲透系數(shù)的最常用的方法，比較接近實(shí)際情況，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力。
2.2 加速滲透法
加速滲透法是先通過(guò)施加電場(chǎng)來(lái)加速氯離子在混凝土中的遷移，縮短氯離子達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳輸過(guò)程的時(shí)間。
2.2.1 電量法[7 ]
電(直流電) 加速氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)方法最初由Whiting于1981 發(fā)明，最早是快速氯離子滲透試驗(yàn)方法(RCPT) 。該裝置的設(shè)計(jì)原理是溶液中的離子在電場(chǎng)的加速下能夠快速滲透。該裝置中所用的電壓為60V。由于這種試驗(yàn)方法持續(xù)時(shí)間短，在試驗(yàn)室內(nèi)具有重復(fù)使用性，該試驗(yàn)方法于1983年被美國(guó)公路運(yùn)輸局定為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，即AASHTO T277 ，緊接著又被美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)ASTM 選定為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。
AASHTO T277 (ASTM C1202) 試驗(yàn)的具體方法：50mm 厚，100mm 直徑的水飽和混凝土試件，兩端水槽所用溶液分別為3.0 %NaCl和0.3M NaOH ，在60V 的外加電場(chǎng)下持續(xù)通電6小時(shí)，以該時(shí)間內(nèi)通過(guò)混凝土電量的高低來(lái)判斷混凝土的抗氯離子滲透能力。盡管該試驗(yàn)方法被選定為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，但是，這種測(cè)試氯離子滲透的技術(shù)仍存在以下幾點(diǎn)爭(zhēng)論[8 ] ：①通過(guò)試件的電量與孔液中所有的離子相關(guān)，而并不只是氯離子； ②所作的測(cè)試工作完成于離子達(dá)到穩(wěn)定遷移之前，即離子的擴(kuò)散并沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)； ③所加的高電壓導(dǎo)致溶液的溫度升高，從而影響測(cè)試結(jié)果； ④電極腐蝕嚴(yán)重； ⑤所測(cè)結(jié)果不能精確定量說(shuō)明混凝土抗氯離子滲透能力。
2.2.2 滲透系數(shù)法
(1) Tang Luping[9 ，10 ] ， K1Stanish[11 ，12 ] 等基于Nernst - Planck 方程首先從理論建立了濃度、通量、滲透深度、滲透系數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。其中，Tang Luping 的試驗(yàn)方法已經(jīng)被歐盟廣泛接受，并推薦為歐盟規(guī)范。但該方法并未從根本上解決氯離子滲透試驗(yàn)中存在的問(wèn)題。
(2) 電阻技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的、用來(lái)評(píng)價(jià)氯離子在混凝土中滲透能力的另外一種方法。電阻是物質(zhì)對(duì)電的抵抗力，電導(dǎo)率與電阻率相反。St reicher and Alexander[13 ]認(rèn)為飽和多孔材料的電導(dǎo)率主要由孔液的電導(dǎo)率確定：
F =σ/σ0
中 σ———多孔材料的電導(dǎo)率；
σ0 ———孔液的電導(dǎo)率。
多孔材料的電導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)的影響因素是相同的，即孔徑大小及其連通性。因此，也可以用下式表示：
F = D/ D0
式中 D ———多孔材料的擴(kuò)散系數(shù)；
D0 ———孔液中氯離子的擴(kuò)散系數(shù)(即自由氯離子的擴(kuò)散系數(shù)) 。
電阻值的測(cè)試方法有兩種，包括用直流電和交流電測(cè)試。測(cè)試混凝土電阻所用的電壓通常為10V 或更低，且測(cè)試時(shí)間很短，這樣可以避免混凝土被加熱，這種測(cè)試方法的主要困難是確定孔液的電導(dǎo)率。提取孔液的方法有兩種：一種是孔溶液榨取法；另外一種是用已知電導(dǎo)率的溶液將待測(cè)混凝土預(yù)飽和，后者是常用的方法。國(guó)內(nèi)路新瀛[14 ]等人在這方面作了相關(guān)研究。
電阻技術(shù)的不足之處在于[8 ] ： ①預(yù)飽和技術(shù)在干燥過(guò)程中由于微裂紋的形成損害混凝土原有的孔結(jié)構(gòu)，從而增加其滲透性。同時(shí)也很難使溶液在混凝土內(nèi)達(dá)到均勻分布，即使用真空飽和技術(shù)也很難保證高品質(zhì)的混凝土和較厚的混凝土內(nèi)部達(dá)到完全飽和。②溶液進(jìn)入混凝土前后是相同的假設(shè)并不正確，主要因?yàn)榛炷量滓褐邪碾x子是多樣的(主要是堿性氫氧化物) ，當(dāng)混凝土干燥后，這些離子過(guò)飽和結(jié)晶，當(dāng)溶液進(jìn)入混凝土?xí)r，這些結(jié)晶又會(huì)溶于溶液中，從而影響溶液的電導(dǎo)率。③離子的遷移很難達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。④不適用于導(dǎo)電材料。
以上滲透模型的缺陷是均假定滲透系數(shù)為常數(shù)；忽略了水分傳輸對(duì)化合物傳輸?shù)挠绊?；特別是測(cè)量周期較長(zhǎng)時(shí)滲透系數(shù)作為時(shí)間的函數(shù)出現(xiàn)，測(cè)量濃度過(guò)程中不能得到滲透系數(shù)隨時(shí)間變化的對(duì)應(yīng)值。因此，用該滲透系數(shù)不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)高性能混凝土的耐久性。然而，這些模型對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還是很有用的，因?yàn)榭梢杂?jì)算得到滲透系數(shù)的相對(duì)值，可以用來(lái)比較不同混凝土和不同環(huán)境中混凝土的滲透性。
目前首要解決的問(wèn)題是：根據(jù)某一地區(qū)、某種實(shí)際應(yīng)用情況，結(jié)合多種因素的耦合作用，分別開(kāi)展自然環(huán)境下混凝土的長(zhǎng)期氯離子滲透試驗(yàn)和試驗(yàn)室內(nèi)加速氯離子滲透試驗(yàn)[15 ] 。研究各種環(huán)境參數(shù)作用和加強(qiáng)因素的綜合效應(yīng)，將獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，建立氯離子自然滲透與加速滲透的分析模型，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。
3 結(jié)束語(yǔ)
滲透性決定混凝土材料的耐久性，抗氯離子滲透是評(píng)價(jià)高性能混凝土耐久性的一種有效的方法和指標(biāo)。但必須在多種影響因素耦合作用情況下，對(duì)混凝土抵抗氯離子滲透作用的機(jī)理及影響程度作大量、長(zhǎng)期和系統(tǒng)的科學(xué)研究。最終為“抗氯離子滲透性作為評(píng)價(jià)高性能混凝土耐久性的綜合指標(biāo)”這一耐久性設(shè)計(jì)理念奠定基礎(chǔ)。
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[作者簡(jiǎn)介] 巴恒靜，1938 年生，男，教授、博導(dǎo)。從事混凝土耐久性研究工作。
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