《硅酸盐学报》水泥基材料中氯离子迁移——水和氯离子在砂浆中的迁移规律
张 鹏 1,2，刘 庆 1，耿文超 1，刘兆麟 1，赵铁军 1
(1. 青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033； 2. 卡尔斯鲁厄理工学院混凝土结构与建筑材料研究所，德国 卡尔斯鲁厄 76131)
摘 要：研究了水灰比、氯盐浓度对砂浆中水和氯离子侵入规律的影响和砂浆的微观形貌，通过磨粉滴定的方法测定了氯离子含量，分析了毛细吸盐条件下水和氯离子传输之间的相关性规律。结果表明：氯离子的传输以水为载体，但明显滞后于水的传输，两者非同步；水灰比为 0.6 砂浆试件中的水侵入深度大约为氯离子侵入深度的 2 倍，水灰比为 0.4 试件的水侵入深度是氯离子的 1.5 倍左右；毛细吸盐 7 d 后，水灰比为 0.6 砂浆内部容易形成氯化钠结晶，延缓水迁移；在毛细吸附初始阶段，水渗透深度与氯离子渗透深度之间近似呈现线性相关，随着时间的增长，水分迁移变缓，氯离子在浓度梯度作用下继续向深 处扩散；氯盐浓度超过 6%后，氯离子侵入量不再随盐浓度的增大而增大。
关键词：水传输；氯离子侵入；结晶；氯离子浓度；水泥砂浆
中图分类号：TU528.0 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)02–0235–07
网络出版时间： 2017–01–18 21:53:04
网络出版地址：
http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170118.2153.022.html
收稿日期：2016–07–01。
修订日期：2016–09–10。
基金项目：
国家“973”计划(2015CB655100)；
高等学校学科创新引智计 划；
国家自然科学基金(51420105015，51278260)资助项目。
第一作者：张 鹏(1981—)，男，博士，教授。
前言
混凝土作为一种人造石材，在当今经济建设中得到了广泛应用。钢筋混凝土结构以其相对较低的成本和稳定耐久的特点，在各国基础设施建设中扮演了重要角色。混凝土是由气体、液体和固体三种成分组合而成的多孔介质，外界环境中的有害离子会通过表层渗透到混凝土内部，进而影响混凝土结构的耐久性[1–2]。氯离子侵入混凝土的过程与其内部的孔隙结构和水分的迁移紧密相关[3–5]，随着氯离子的侵入，一部分氯离子会改变水泥水化浆体的微 观形貌及其孔结构，这在一定程度上影响了氯离子在混凝土中的传输。现有的钢筋混凝土结构绝大多数都处在非饱和状态下，非饱和状态下存在毛细吸附力，使得氯离子更容易侵入混凝土。混凝土在非饱和状态下毛细吸收起主导作用，而混凝土内部的相对湿度左右着毛细吸附力的大小[6–7]。
混凝土材料的耐久性劣化形式多种多样，而大多数耐久性劣化现象的发生及其机理(如冻融、碳 化、干燥收缩等)都与水分的存在及其侵入密切相关，同时，水分作为载体将氯离子等有害介质运送 到混凝土孔结构中，引起钢筋锈蚀等一系列劣化反应。由此可见，水分及氯盐的侵入几乎是所有混凝土耐久性劣化反应的根源，极大地影响着混凝土的碳化、冻融、干燥收缩以及钢筋锈蚀等劣化反应的诱发与进行，是研究钢筋混凝土结构可持续服役即耐久性的最基础问题。Fraj 等[8]研究了水分随混凝土内部湿度的变化关系以及内部湿度和氯离子扩散之间的关系。Martys 等[9]研究了砂浆与混凝土中多孔基体的水分毛细传输，试图建立水分传输与材料本身性能参数如水灰比、砂粒径分布及养护状态之间的模型关系。李淑红等[10]从试验研究和理论分析两个方面探讨了多孔建筑材料的水分迁移规律，试验中以方便测定的含水率作为预测参数，并在理论分析过程中比较了几种近似解析方法。赵彦迪[11]研 究了不同静水压力下混凝土中水分和氯离子的渗透深度以及两者之间的传输关系。当前，对于水分和氯离子两者传输关系的研究相对较少，且缺乏相应的定量描述。
对此，本工作主要研究了水分和氯离子在非饱和砂浆中的侵入和分布情况，以及水分和氯离子在砂浆中传输的相互关系。并研究了水灰比、氯盐浓 度对砂浆中水分和氯离子侵入深度的影响，通过扫描电镜观察了砂浆微观形貌，通过磨粉和化学滴定测定了氯离子含量的分布，分析了毛细吸盐情况下水分和氯离子的传输及其相关性规律。
结论
1) 水分和氯离子在毛细吸附力作用下，随着时间的增长其侵入深度逐渐增大；水分与氯离子的侵入表现出明显的非同步性，氯离子传输以水分为载体，但明显滞后于水分的传输。
2) 水灰比为 0.6 的砂浆内部孔隙较大，在 10% 氯化钠溶液的作用下，毛细吸盐 7 d 后有氯化钠晶体形成，随着晶体生成越多，减缓水分的持续迁移。
3) 毛细吸附初始阶段，水分和氯离子侵入深度 呈线性关系，随着毛细吸附时间的增长，毛细吸附力减弱，水分迁移速度变缓；氯离子则在高浓度梯度作用下继续向砂浆内部深处扩散。
4) 水灰比为 0.6 砂浆的氯离子侵入量明显大于水灰比为 0.4 的砂浆试件；氯离子的侵入量随着氯离子浓度的增大而增大，但当氯盐溶液浓度超过6% 后，氯离子侵入量不再随盐溶液浓度的增大而增大。
文中部分插图
扩展阅读
用三维彩色扫描技术量化表征氯盐致混凝土中钢筋的不均匀锈蚀
王子潇，刘志勇，宋 宁，熊远亮 (烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005)
摘 要：采用三维彩色扫描技术和线性极化电阻测试方法研究了盐水浸烘条件下表面涂覆迁移性阻锈剂(PCI-2015)对含氯盐混凝土中钢筋锈蚀状况的影响，计算了浸烘前后钢筋腐蚀电流密度(Icorr)，运用逆向工程软件获得了剖开锈蚀钢筋表面积、截 面积等参数，并对钢筋沿纵向各截面积进行统计分析。结果表明：表面涂覆 400 g/m2的 PCI-2015 及防水剂的混凝土试件，浸烘循环后 Icorr平均值为 0.17 μA/cm2，平均锈蚀面积 9.58%，未涂覆的空白组 Icorr平均值为 1.04 μA/cm2，平均锈蚀面积为 71.75%；氯盐致钢筋不均匀锈蚀的横截面积服从三参数 Weibull 分布，涂覆组与空白组横截面积分布的阈值参数分别为 27.67 和 27.49，形状参数分别为 1.15 和 2.24，涂覆组钢筋截面均匀且腐蚀较少，钢筋腐蚀累积损伤程度较低；用三维彩色扫描技术量化表征氯盐致混凝土中钢筋不均匀锈蚀是一种较为可行的方法。
关键词：三维彩色扫描技术；钢筋锈蚀；氯盐环境；定量化表征；迁移性阻锈剂
中图分类号：TU5 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)05–0668–06
网络出版时间：2017–04–21 12:30:04
网络出版地址：
http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170421.1230.011.html
收稿日期：2016–06–28。
修订日期：2017–02–15。
基金项目：国家自然科学基金(51278443, 51678520)。
第一作者：王子潇(1991—)，女，硕士研究生。
通信作者：刘志勇(1966—)，男，博士，教授。