滨海相盐渍土中混凝土结构物防腐分析.pdf

8 低温建筑技术 2 0 1 3 年第 l 期 总第 1 7 5 期 滨海相盐渍土 中混凝土结构物 防腐分析 赵文晋 ， 赵阳 ， 乔螟 1 ． 上海交通大学土木工程系 。 上海2 0 0 2 4 0； 2 ． 江苏省交通工程建设处 。 南京2 1 0 0 9 8 【 摘要】 在分析连云港盐渍土工程特性的基础上， 根据氯离子扩散规律， 研究了盐渍土中混凝土结构物的 腐蚀特性 ， 分析了增加保护层厚度的防腐效果。 【 关键词】 滨海相； 盐渍土； 混凝土； 腐蚀 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 3 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 1 0 0 0 8 0 3 连云港频临东海 ， 是江苏省境内的典型滨海相盐渍土 分布区域。滨海相盐渍土以氯盐盐渍土为主， 氯盐严重威 胁钢筋混凝土结构物的安全性⋯。在沿海地区由于氯盐的 腐蚀， 致使钢筋混凝土结构发生早期腐蚀破坏， 已成为随处 可见的现象L 2 J 。交通部 四航局科研所对华东地区 1 8座混 凝土码头腐蚀性的调查结果表明， 8 0 ％以上的混凝土码头 在使用后 5 ～ 1 0 年 ， 就出现严重腐蚀性破坏现象。以连云港 地区为例 ， 1 9 7 6年建成码头， 1 9 8 0年就发现因氯盐腐蚀产生 的裂缝 ， 到 1 9 8 5年上部结构普遍出现顺筋裂缝。滨海盐渍 土环境引起混凝土的腐蚀作用， 已成为威胁滨海环境混凝 土结构安全性的最主要 因素 。盐渍土环境中钢筋混凝 土结构物的耐久性 问题是迫切需要解决的问题 ， 盐渍土环 境中结构物耐久性设计已成为结构工程学科研究的前沿课 题。文中在建立盐渍土环境中氯离子扩散侵入模型的基础 上， 确定混凝土内氯离子达到腐蚀临界浓度的时间， 评价混 凝土的耐久性 ， 文 中还分析了增加保护层厚度 的防腐蚀 效果 。 1 氯离子扩散规律 吕 氯离子浓度／ g c m。 图1 连云港地 区盐渍土氯离子含量垂直分布 连云港地区盐渍土随深度分布如图 1所示。盐渍土氯 离子含量在地表向下 2 m范围内数值比较大。氯离子含量 沿深度分布曲线可用抛物线表示 c o ． 2 一 √ 1 式中， C为氯离子浓度； z为深度。 盐渍土环境 中， 氯离子迁移主要是 散作用。混凝土 固相对氯离子有吸附作用 ， 形成结合氯离子， 减小孔隙溶液 中的自由氯离子浓度。T a n g 和 N i l s s o n - 6 认为新鲜的混凝土 内部氯离子含量小于 1 ． 7 7 3 k g ／ m ， 结合氯离子和 自由氯离 子的关系可以采用 L a n g m u i r 等温线表示。多重离子的扩散 过程在孔隙溶液中会产生耦合扩散电场， 氯离子扩散过程 的迁移速度与电场的强度、 离子电荷数 目和直径大小呈比 例。在混凝土饱和的孔隙溶液中， 氯离子的迁移速度 比本 体溶液低 2 3个数量级。新鲜混凝土的孔隙处于非饱和状 态， 水分在毛细作用下侵入混凝土孔隙中， 需要长时间达到 混凝土内外的水分平衡。S a m s o n等 2 0 0 7 指 出， 混凝土 孔隙结构处于非饱和状态 ， 需要考虑非饱 和毛细作用对混 凝土内水分迁移的影响。 在结合作用、 电场作用和非饱和毛细作用的耦合作用 下， 混凝土孔隙内氯离子迁移方程表示为 警 [ sD V 争 f 叩0 ] 2 c 【 _ c t s 0 C 3 z 生 0 4 占 式中， s 为混凝土的孔 隙率； C 为总氯离子浓度 ， C 为 结合氯离子浓度， C 为 自由氯离子浓度。一般情况下 ， C s 。 扩散方程的初始条件为 C c ， t 0， 0， V0， t 0， 0， 00 i 。 ， t 0， 0 。 扩散方程的边界条件为 0 C Co ， t 0； ￡ a C ／ O x0， t 0； 0 V0， t0； L aV ／O x0， t0； 0 01， t0； L a o ／a xo， to。 将 C ， 作为一个整体， 对式 2 采用隐式差分格式 求解。主要计算参数为 保护层厚度 L7 5 m m， 扩散系数 D I d 5 ． 3 5 X 1 0 i n ／ s ， t f 2 8 d 。氯离子浓度随身不变化 规律采用式 1 表示。 非饱和渗流和饱和渗流作用下氯离子迁移深度的计算 结果如图2所示。饱和渗流作用下， 氯离子主要在浓度梯度 和扩散电场作用下进行扩散迁移。新鲜混凝土在毛细作用 下， 富集在混凝土表面， 氯离子富集层的厚度大约为 2 ra m， 赵文晋等 滨海相盐渍土 中混凝 土结构物 防腐分 析 9 在计算氯离子迁移作用时， 可简单地将 保护层厚 度减小 2 ra m， 计算结果表现为非饱和状态下的氯离子扩散速度远大 于饱和状态下扩散速度。1 O年后在非饱和状态的氯离子是 饱和状态下的 1 ． 3 倍。随着时间增加， 非饱和渗流引起的氯 离子富集作用减弱 ， 到 5 0年后， 氯离子浓度增幅基本没有， 比 1 0年的氯离子浓度增幅小。 g 1 E 0 0 1 E一 01 商 1 E 一 0 2 缝1 E O 3 生1 E 一 0 4 篆1 E 一 0 5 丑1 E- 0 6 皿1 E- 0 7 距混凝土表面距离／ mm 图2 非饱和和饱和渗流计算结果 的比较 混凝土保护层厚度不同情况下氯离子浓度与孔隙饱和 度的关系如图3所示。无论混凝土保护层厚度是多大 ， 氯离 子浓度随饱和度增加而减小。5 0年时， 在混凝土保护层表 面的氯离子浓度差异大， 在混凝土保护层深部的氯离子浓 度差异小。从图3中看出， 随着时间的增长， 非饱和毛细作 g ● 望 亘 饱和度日 图3 不同位置氯离子浓度随 孔隙饱和度的变化 目 ● 越 艇 褪 | 喀 丑 皿 用对氯离子扩散迁移过程的影响减小。控制氯离子长期扩 散迁移的作用主要为浓度梯度和电场作用。 图4为不同初始孔隙饱和度条件下， 钢筋表面氯离子的 浓度变化。初始孔隙饱和度越小， 最终钢筋表面氯离子浓 度越大， 钢筋腐蚀的可能性越大。而且初始时刻混凝土孔 隙含水量越小 ， 后期钢筋表面的氯离子浓度增长的越快， 后 期腐蚀的概率成倍地增长。所以初始不饱水状态 比初始饱 水状态发生腐蚀的可能性更大。结构在初始时刻过分干燥 情况下放置于盐渍土环境中， 其寿命将大打折扣， 工程建设 中需要避免这种情况的发生。 2 保护层的防腐效果分析 盐渍土环境下， 氯离子侵入钢筋混凝土结构内部需穿 透整个混凝土保护层到达钢筋表面。增加混凝土保护层厚 度可有效延缓钢筋表面氯离子累积程度。在分析混凝土增 加保护层厚度对构筑物耐久性影响时， 采用电场和非饱和 毛细作用下的氯离子扩散模型计算。混凝土强度等级取 C 3 0 ， 即抗压强度标准值为 3 0 M P a ， 对应参考氯离子扩散系 数为 5 ． 3 51 0 m ／ s ， 钢筋腐蚀的临界 自由氯离子浓度取 1 ． 7 1 0 g ／ e m 以混凝土体积计算 。盐渍土环境下的混 凝土结构寿命与混凝土保护层厚度的关系如图5 所示。 孔隙饱和度0 图4 钢筋表面氯离子浓度随初始 孔隙饱和度的变化 从 图5中可以看出， 随着混凝土保护层厚度增加， 混凝 土的使用寿命增加。保护层厚度每增加 l c m， 混凝土构筑物 的寿命成倍增长 ， 即保护层厚度5 0 m m的构筑物寿命大约为 4 0 mm的构筑物的2倍。混凝土保护层厚度与施工寿命的 关系曲线还表明 混凝土保护层厚度越大， 使用寿命 的增大 幅度越大。从图5中还可以看出， 混凝土孔隙的饱和度对构 筑物寿命的影响比保护层厚度的影响小得多。以混凝土保 护层厚度为 4 0 m m为例， 混凝土的饱和度从 0 ． 4增加至 0 ． 6 时， 构筑物寿命只增加了 4年。相比于 4 0 m m厚的混凝土 ， 保护层厚度为 8 0 m m的构筑物的寿命增长了近 3 2年。在连 云港滨海盐渍土环境下， 钢筋混凝土保护层厚度为 5 0 mm的 情况下， 构筑物寿命要超过 8 0 年， 满足设计要求。 3结语 1 连云港盐渍土属于典型的滨海相盐渍土， 含盐量 随深度的分布可以用抛物线函数表示， 含盐量主要集中在 地表下 2 m范围内。 2 在综合考虑混凝土对氯离子的结合作用、 多离子 罨 靛 j {{ } 混凝土保护层厚度／ m m 图5 混凝土保护层厚度与 构筑物寿命的关系 耦合电场作用和非饱和毛细作用的基础上， 建立的氯离子 迁移扩散模型。混凝土的毛细作用加快 了氯离子扩散作 用， 增大了钢筋表面氯离子浓度。 3 增加混凝土保护层厚度有效地增加了混凝土抗 腐蚀作用 ， 连云港滨海盐渍土环境中保证结构物 8 0 a 使用寿 命 ， 混凝土保护层厚度应不小于5 0 ra m。 参考文献 [ 1 ] 周纲， 李少荣， 王掌军． 盐渍土地区混凝土腐蚀状况调查分析 [ J ] ． 建筑科学与工程学报， 2 0 1 1 ， 4 ． [ 2 ] B e r t o l i n i L ，E l s e n e r B ， P e d e f e r r i P ．C o r r o s i o n o f s t e e l i n e o n c r e t e p r e v e n t i o n ，d i a g n o s i s ，r e p a i r [ M] ．G e r m a n y W i l e y VCH ，2 0 0 4． [ 3 ] 余红发 ， 孙伟， 王甲春． 盐湖地区的环境条件与混凝土和钢筋 混凝土结构的耐久性[ J ] ． 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 1 4 ． [ 4 ] L i L， S a g tl 6 s AA ．C h l o r i d e c o r r o s i o n t h res h o l d o f rei n f o r c i n g s t e e l i n a l k a l i n e s o l u t i o n s o p e nc i r c u i t i mm e r s i o n t e s t s 『 J ] ．C o r r o 1 0 低温建筑技术 2 0 1 3年第 1期 总第 1 7 5期 C A V F在 A C一1 3沥青混合料设计中应用 李东海 ， 李智 华南理工大学土木与交通学院， 广 州5 1 0 6 4 1 【 摘要】 目 前 ， 我国建成高速公路主要采用沥青路面结构， 尽管 目前沥青路面技术得到长足发展， 但关于 路面抗滑方面的技术研究尚未得到足够重视。文中旨在通过在 A C 一 1 3 级配设计中引入 C A V F 法的设计思路 ， 力 求提高路面的抗滑构造及有效骨架支撑， 以保证路面功能的耐久性。 【 关键词】 C A V F 法； 材料设计； 沥青混合料 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 4 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 3 0 1 0 0 1 0 0 3 THE CAVF M THoD’ S AP P LI CATI oN I N AS P HALT DES I GN oF AC． 1 3 LI Do n g h a i ，L I Zh i I n s t i t u t e o f C i v i l a n d T r a f fi c S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Cu r r e n t l y，Th e Co u n t r y’ S h i g h wa y ma i n l y a d o p t a s p h a l t p a v e me nt s t r u c t u r e，De s p i t e the c u r r e n t a s p h a l t p a v e me n t e c h n o l o gy ha s g o t a g o o d p r o g r e s s，t h e r e s e a r c h o n p a v e me n’ S a n t i s l i d e t e c h n o l o gy d i d n’ t g e t e n o u g h a t t e n t i o n ．T h i s a r t i c l e a i ms a t i n t r o d u c e C A VF mo t h o d i n t o gra d a t i o n d e s i g n o f AC 一 1 3，a n d s t r i v e t o i mp r o v e the p a v e me n t ’ S a n t i s l i d e s t r u c t u r e a n d e f f e c t i v e s k e l e t o n s u p p o rt，t o e n s u r e t he d u r a b i l i t y o f p a v e me n t f u n c t i o ns ． Ke y wo r ds CAVF me t h o d；ma t e r i a l d e s i gn ；a s p h a h mi x t u r e s 至2 0 1 0年底， 我国高速公路通车里程已达 7 ． 4万 k m， 2 0 1 1 年底， 广东省通车里程已达 5 0 0 0 k m。建成高 速公路主要采用沥青路面结构 ， 尽管 目前沥青路面技 术得到长足发展 ， 但关于路面抗滑方面的技术研究尚 未得到足够重视。文中旨在通过在 A C一1 3级配设计 中引入 C A V F法的设计思路， 力求提高路面的抗滑构 造及有效骨架支撑 ， 以保证路面功能的耐久性。 1 研 究背景 大量现场检测 数据显 示 ， 采用 A C一1 3 C型沥青混 合料的沥青路面开放交通后不久 ， 其抗滑性能显著衰 减 尤其是抗滑构造 指 标 。广 东省 大部分 高速公 路 沥青路面开放交通时的横向力系数都在6 0 左右 ， 使用 3年后则下降到 3 0～ 4 0 ， 构造深 度也 由平均 0 ． 9 m m左 右下降到0 ． 5 m m左右， 有些路面下降幅度更快， 为了 保证行车安全以及保护路面整体结构 ， 不得不采用微 表处养护技术改善表面抗滑功能。显然， 沥青路面表 面抗滑能力不 足 已经成 为制 约高 速公 路沥 青 路面技 术提高的突出问题。 比较一致 的观点认 为 ， 抗滑层材 料应尽 可能 的多 使用粗集料， 以提供较大的抗滑构造 ， 同时为了让构 造保持持久， 应当让粗集料尽可能形成稳定的嵌挤状 态。要实现这一目的， 采用按体积设计沥青混合料的 方法更 为适宜 。 2 C A VF法 我国在上个世纪 8 0年代， 张 肖宁等先于美国 s u p e r p a v e 提出了按体积设计沥青混合料级配的方法。 在沥青混合料的体积指标中， 粗集料填充后的堆 积状态 主要采用 粗集料 间隙率 V C A D R C可 以用来 描 述粗集料的嵌挤程度。 V C A D R c 1 一 P 。 ／ p 1 0 0 1 式中， P 。 为 主骨料紧装密度 ； ．p 为主骨料表观 密度 。 s i o n，2 0 01 ，5 71 9 28 ． [ 5 ] G l a s s G K，B u e n fo l d N R．T h e p r e s e n t a t i o n o f t h e c h l o r i d e t h r e s h o l d l e v e l f o r c o r r o s i o n o f s t e e l i n c o n c r e t e ． [ J ] C o r r o s i o n S c i e n c e ， 1 9 9 7，3 91 0 011 0 1 3 ． [ 6 ] T a n g L ，N i l s s o n L O ．C h lo r i d e b i n d i n g c a p a c i t y a n d b i n d i n g i s o t h e r m s o f O P C p a s t e s a n d m o r t a r s [ J ] ．C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 3 ， 2 3 2 2 4 72 5 3 [ 收稿 日期] 2 0 1 2一l O～1 l [ 作者简介] 赵文晋 1 9 8 0一 ， 男 ， 南京 人 ， 硕士研 究生 ， 从事 岩土工程生 产、 科研和管理工作。