２０１３年第３期（总第２８１期） Ｎｕｍｂｅｒ ３ ｉｎ ２０１３（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２８１） 混 凝 Ｃｏｎｃｒｅｔｅ 土 理论研究 ＴＨＥＯＲＥＴＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—３５５０．２０１３．０３．００７ 人工气候环境下混凝土氯离子扩散系数衰减速率 伍亚玲，张俊芝，鲁列，庄华夏，周巧萍 （浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州３ １００１４） 摘要：根据人工气候环境下的混凝土侵蚀试验测得的混凝土氯离子浓度，基于Ｆｉｃｋ第二定律，分别计算了侵蚀４Ｏ、８Ｏ、１２０、 １６０、２００ｄ后的混凝土氯离子扩散系数，证实了氯离子扩散系数随侵蚀时间增大而减小；引入混凝土氯离子扩散系数衰减速率的 概念，并分析计算得到了不同侵蚀时间的氯离子扩散系数衰减速率及其与时间的关系模型。计算结果表明：在人工气候环境下， 随侵蚀时间的延长，混凝土氯离子扩散系数衰减速率相应减小。 关键词：人工气候；混凝土；氯离子；扩散系数；衰减 中图分类号：ＴＵ５２８．Ｏ１ 文献标志码：Ａ 文章编号： １００２—３５５０（２０１３）０３—００２６—０３ Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｆｕｓｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｕｎｄｅｒ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｃｌｉｍａｔｅ ＷＵ ｙａ—ｌｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｕｎ—ｚｈｉ，ＬＵＬｉｅ，ＺＨＵＡＮＧＨｕａ－ｘｉａ，ＺＨＯＵＱｉａｏ－ｐｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉｎｇＵｎｉａｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｉｏｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｔｅｓｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｕｎｄｅｒ ｅｓｉｄｇｎｅｄ ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｃｌｉｍａｔｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｔｈｅ ｃｈｌｏ． ｒｉｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｙ ｉｔｎ ｔｅｓｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｆｔｅｒ ４０，８０，１ ２０，１ ６０，２００ ｄ ｗｅｒｅ ｆｉｔｔｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｈｅ Ｆｉｔｃｋ’Ｓ ｓｅｃｏｎｄ １ａｗ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｙ ｔｗａｓ ｄｅｃｒｅａｓｅ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｃｏｎｅｅＤｔ ｏｆ ｈｅ ａｔｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｙ ｔｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ａｌｓｏ，ａ ｔｉｍｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．１１１ｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｈａｔｔ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｕｎｄｅｒ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｃｌｉｍａｔｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｈｅ ｔｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｔｉｍｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｒｔｉｉｃｉｆａｌ ｃｌｉｍａｔｅ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｉｏｎ；ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅ币ｃｉｅｎｔ；ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ０ 引言 氯离子扩散性能是海工混凝土耐久性研究的非常重 １人工环境设计的混凝土氯盐侵蚀试验 １．１人工环境 要内容之一，也是影响混凝土结构寿命预测重要因素。混凝 土氯离子扩散系数是表征混凝土抗氯离子侵蚀性能的重 要指标。早期的大多研究假设氯离子扩散系数是恒定的［１］， 试验模拟的背景工程是钱塘江感潮河口区某海塘 上自然感潮氯盐环境下已使用３０年水闸闸墩混凝土。 试验中，相对应于该工程所处位置的春夏秋冬四季，分别设 置了４个环境条件，为达到加速侵蚀的效果，试验中气 温采用该位置的季平均气温的２倍。参考背景工程地区 的气象资料，人工气候的温度与湿度循环，在春夏秋冬 四季分别为（温度℃／相对湿度％）：３４／７８、５３／８０、３４／８０和 １２／７５ｔ 。 这与实际情况并不吻合。由于混凝土中水泥、矿物掺合料等 胶凝材料的水化是一个长期的过程，混凝土氯离子扩散性 能的影响因素众多回。已有研究表明，龄期较长的混凝土的 氯离子扩散性能将降低＿３－ ，尤其在开始的１－３年内，扩散 系数的降低尤为明显 。朱雅仙等嘲认为氯离子扩散系数 在暴露过程中有不同程度降低，初期氯离子扩散系数越大， 下降幅度越大。 试验混凝土采用钱潮牌Ｐ・Ｏ ３２．５级水泥，所用骨料的 最大粒径４０ ｍｉＴｌ，砂子采用细度模数为２．７的中细河砂，拌 和用水及养护用水为杭州当地自来水。试验构件混凝土的 配合比如表１。 表１ 混凝土构件的配合ｂＥ 本研究引入氯离子扩散系数衰减速率来更准确的反 映扩散性能衰退，根据在人工气候环境下进行的不同水灰 比的混凝土氯离子侵蚀试验，分析该环境下混凝土氯离子 扩散系数衰减速率，研究氯离子扩散系数衰减速率与侵蚀 时间及水灰比的关系。 收稿日期：２０１２—１０—１７ 基金项目：国家自然科学基金项目（５０８７９０７９，５１２７９１８１）；水利部公益性行业科研专项经费项目（２００９０１０６５） ・２６・ １．２侵蚀试验 本试验设计的构件为钢筋混凝土适筋梁，其尺寸为 １２０ ｍｍｘ２４０ ｍｍｘ２ ４００ ａｒｉｎ。试验混凝土梁底部的钢筋配 ２ｄ？１２，架立筋为２ １０，箍筋为 ６＠１００，混凝土保护层为 ２０ｍｍ。混凝土梁采用两点加载法，试验梁所加弯曲荷载水 平分别为混凝土梁理论极限承载力的１５％ｔ￣。 按照上述尺寸要求及表１的两种配合比各制作５根 混凝土梁，钢筋混凝土梁在室内自然环境下，分养护２８ ｄ， 侵蚀时间分别为４０、８０、１２０、１６０、２００ ｄ，试验梁两侧及两 端均涂抹环氧树脂进行隔离，其余面则作为侵蚀时氯离子 的入侵面。 １．３试验结果 试验中取混凝土芯样的直径为＋５０ ｍｍ，由于本试验所 述内容暂不考虑荷载因素的影响，且此试验中采用ＮａＣ１浓 度为５％的盐雾从上部向下喷洒，故每根梁其取上表面离边 缘２０ ｃｍ处点的一个芯样，视为无荷载作用，混凝土中自 由氯离子浓度测试设备及方法参照文献［９］所述。 按上述方法，测得５个侵蚀时间段后的混凝土中自由 氯离子浓度。水灰比为０．４５的混凝土梁侵蚀不同时间后在 不同深度处的自由氯离子浓度见表２。 表２混凝土梁在不同深度的氯离子浓度（０．４５） ％ 距离表面深度／ｍｍ ４０ ｄ ８０ｄ １２０ｄ １６０ｄ ２００ ｄ 水灰比为０．６１的混凝土中自由氯离子浓度不同侵蚀 时间的氯离子浓度随深度的变化见图１。 芝 烂 播 搋 ２ ６ ｌ０ １４ １８ ２２ ２６ ３０ 深度／ｍｍ 图１ 混凝土中的氯离子浓度随深度变化 上述结果表明，人工气候环境下，随着侵蚀时间的增 长，相同深度处的混凝土中自由氯离子浓度增大，且在混 凝土表面存在明显的对流区。 ２人工气候环境下混凝土氯离子扩散系数 ２．１混凝土扩散系数的分析方法 基于Ｆｉｃｋ第二扩散定律可拟合扩散系数㈣，排除对流 区的影响，利用稳定扩散区的氯离子浓度数据，用最小二 乘法拟合出Ｆｉｃｋ第二扩散定律方程 ： ｃｏ＋（ ） １＿ｅｒｆＩ 州 （１） 式中：ｃ。——混凝土初始氯离子浓度，％； Ｃ ——混凝土表面处氯离子浓度，％； Ｄ——混凝土的扩散系数，ｍ２／ｓ； ——． 时刻ｔ ｓ距离混凝土表面 ｒｎ处的氯离子浓 度，％； １——对流区厚度，ｍｍ； ｅｆｔ（・）——误差函数。 以相关系数 ：尽可能接近１作为拟合优度的检验， 拟合过程与文献［２】相同。 ２．２混凝土氯离子扩散系数的计算结果 按照上述拟合方法，对不同时间点取得的氯离子浓度 进行混凝土扩散系数的拟合。计算的各时段及不同水灰比 混凝土的扩散系数如表３。 表３氯离子扩散系数 １０ ｚｍ２／ｓ 从表３可知，氯离子扩散系数随着侵蚀时间增大呈衰 减的趋势。 ３混凝土氯离子扩散系数衰减速率 ３．１ 氯离子扩散系数衰减速率计算方法 由表３可知，氯离子扩散系数与时间的规律非常明显， 总体趋势是随着侵蚀时间的延长，不同水灰比混凝土的扩 散系数均降低。但随着侵蚀时间的不同，氯离子扩散系数减 少的幅度也不一样。因此，为了探讨氯离子扩散系数下降的 幅度与时间及水灰比等不同因素的关系，引进一个氯离子 扩散系数衰减速率。将氯离子扩散系数侵蚀时间分成若干 份，每段时间内假设氯离子扩散系数衰减速度不变，即 、 ：、 、……为每个时间段的平均衰减速率。引入的氯离子 扩散系数随时间变化的衰减速率为： ’ ：ｌＩ —Ｄ￣Ａ－—Ｄｊ （２） ｔ 式中： —— 时段内的氯离子扩散系数下降速度，（ｍ２／ｓ）／ｄ； 、 ——时间点ｔｉ，ｔｊ的氯离子扩散系数（ ），ｍｍ２／ｓ； ——每段时间差，ｄ，即Ａｔ＝ｔｓ—ｔ （ ）。 ３．２人工气候环境下混凝土氯离子扩散系数衰减 速率计算及分析 由于本试验侵蚀时间分别为４０、８０、１２０、１６０、２００ ｄ， 时间间隔为４０ ｄ，将２００ ｄ分为四个时间段，假设每个时间 ・２７・ 段氯离子扩散系数衰减速率相等，即Ａｔ＝４０ ｄ，将表２各个 时间点的氯离子扩散系数代入式（２），即可求出四个时间 段的氯离子扩散系数平均衰减速率，见表４。 表４氯离子扩散系数衰减速率 １０ （ｍ２／ｓ）／ｄ 也较大，且氯离子扩散系数衰减速率随时间下降的幅度也 越大。 （３）人工气候环境下的加速试验，混凝土的氯离子扩 散系数侵蚀２００ ｄ之内呈加速下降趋势，２００ ｄ之后下降速 度趋缓。 参考文献： 取各时间段的中问时间点代表这个时间段的时间，则 人］二气候环境下混凝土氯离子扩散系数衰减速率随时问 变化趋势见图２。 ［１］ＯＮＹＥＪＥＫＷＥ Ｏ，ＲＥＤＤＹ Ｎ．Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｅｈｌｏｒｉｄｅ ｉｏｎ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］ Ｍａｇ￣ｉｎｅ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈ，２０００，４（５２）：２４３—２５０． 蓦 惹重 萋 腐蚀时间，ｄ ［２］张俊芝，周剑，鲁列．暴露与养护时间对混凝土氯离子扩散性能 的影响【Ｊ］．自然灾害学报，２０１１，２０（１ ：１－５． ［３】ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ－ｚｈｉ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｚｅ，ＫＯＮＧ Ｄｅ－－ｙｕ．Ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｆｉｅｋ ｓｅｃｏｎｄ ｌａｗ［］ｊＪｏｕｒｎａｌ ｏｆＷｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉ．Ｅｄ．），２０１０，２５（１）： １４２—１４６． 图２混凝土的氯离子扩散系数衰减速率随侵蚀时间变化 ［４】ＡＵＤＥＮＡＥＲＴ Ｋ，ＹＵＡＮ Ｑ，ＤＥ ＳＣＨＵ￣’ＥＲ Ｇ．Ｏｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｄｅ－ ｐｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｎ－ 由图２分析可知，人工气候环境下混凝土氯离子扩散 系数衰减速率随侵蚀时间的增大而减小，即氯离子扩散系 数降低幅度趋缓，在侵蚀时间为１２０ ｄ之内氯离子扩散系数 的衰减速率下降尤为明显，且水灰比越大，氯离子扩散系 数衰减速率下降越快。同时比较图２不同水灰比曲线可知， 水灰比大的混凝土，其氯离子扩散系数衰减速率较大，如侵 蚀时间为４０～８０ ｄ时，混凝土水灰比为Ｏ．６１的氯离子扩散 系数衰减速率比水灰比为０．４５的大０．４２４ｘ１０一”（ｍ２／ｓ）／ｄ。 通过拟合，可得到人工气候环境下不同水灰比的混凝 ｓｔｒｕｅｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，２４（３）：３９６—４０２． ［５】ＣＯＳＴＡ Ａ，ＡＰＰＬＥＴＯＮ Ｊ．Ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｉｎ ｍａ— ｒｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ—Ｐａｒｔ Ｉ：ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｐｅｎｅ－ ｔｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９９（３２）：２５２—２５９． ［６１ ＭＡＮＧＡＴ Ｐ Ｓ，ＭＯＬＬＯＹ Ｂ Ｔ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｅ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｃｏｎｏｅｎ— ｔｒａｔｉｏｎ ｊｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｕｓｉｎｇ ｒｏｕｔｉｎｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｄａｔａ［Ｊ］．Ｍａｇａｚｉｎｅ ｏｆ Ｃｏｎ— ｃｒｅｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９４，４６（１６９）：２７９—２８７． 【７Ｊ ＡＵＤＥＮＡＥＲＴ Ｋ，ＹＵＡＮ Ｑ，ＤＥ ＳＣＨＵＴＴＥＲ Ｇ．Ｏｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｄｅ－ ｐｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］。Ｃｏｎ— 土氯离子扩散系数衰减速率与时间的关系为： 水灰比为０．４５（相关系数ＲＺ－＝０．９８１）： Ｖ＝１３．８９９ｘ１０～’ｄｅ。ｎ （３） ｓｔｒｕｃｉｆｏｎ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０（２４）：３９６—４０２． 水灰比为０．６１（相关系数ＲＺ＝０．９９１）： Ｖ＝１７．０２８ｘ１０一 ４ｅ。ｎ （４） 『８朱雅仙，蔡伟成，８］李岩，等．海洋环境下混凝土中氯离子的扩散 系数【Ｊ］．腐蚀与防护，２０１０，３１（８）：５８７—５９０． 【９鲁列．９］荷载与氯盐环境下混凝土构件的嚆蚀试验研究【Ｄ１．杭州： 浙江工业大学，２０１０． 式中：ｔ——养护２８ ｄ后侵蚀的时间，ｄ； ——氯离子扩散系数衰减速率，（ｍ２／ｓ）／ｄ； 由公式（３）、（４）可推断，人工气候环境下混凝土氯离 子扩散系数衰减速率与时间呈指数函数关系，且相关系数 较好 、 ｆ１Ｏ】李卓莹，周新刚，刘志勇．混凝土结构钢筋脱钝的随机可靠度分 析『Ｊ】．工业建筑，２００８，３ｇ（ｇ）：６３—６６． ４ 结论 （１）人工气候环境下，混凝土的氯离子扩散系数衰减 速率随侵蚀时间的增大而减少，与时间呈指数函数关系。 （２）水灰比对氯离子扩散系数衰减速率有较大的影响。作者简介：伍业玲（１９８８一），女，硕士研究生，主要从事混凝士结 构及耐久性研究工作。 联系地址：ＮｉＺａｍ０、Ｉ、Ｉ市浙江工业大学朝晖校区研４０２信箱 （３１００１４） 混凝土的水灰比越大。对应的氯离子扩散系数衰减速率 ｆ，，— 、一＾ ＿。，／’， —一＜ 、， ，、— — 墨皇堡！ ！ ！ ！！ 《一 、ｔ 、，，一一， 一、，，／，一一 —一 ■重翟鄹 绿色建筑为新型建材业发展带来机遇 绿色建筑行动已经上升为国家战略。２０１２年以来，我国已发布了关于推广金太阳、长江中下游及北方地方建筑节能 改造、可再生能源建筑应用等多个文件，绿色建筑产业未来的市场空间十分巨大。国务院办公厅近日转发了国家发改委、 住建部绿色建筑行动方案的通知，提出“十二五”期间完成新建绿色建筑１０亿ｍ ；到２０１５年末，２０％的城镇新建建筑达到 绿色建筑标准要求。 ・２Ｒ・