碳化和应力作用对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

碳化、氯离子侵蚀、应力三者共同作用对沿海地区混凝土结构耐久性具有重要影响.以C25级普通混凝土为研究对象,针对应力、碳化和氯盐三因素共同作用,借助室内试验手段,对混凝土试样进行加载及快速碳化试验,研究了碳化和应力作用下混凝土中的氯离子迁移规律.研究表明:碳化龄期短的混凝土试件,氯离子扩散系数会有很大程度的下降,随着碳化时间的增加下降速度不断减缓;碳化龄期较长的混凝土试件,氯离子扩散系数会略有升高.随压应力的增大,混凝土碳化深度逐渐减小,氯离子扩散系数也逐渐减小.     

冻融循环后钢纤维混凝土氯离子侵蚀性能研究

为探索经受冻融循环后的钢纤维混凝土在氯盐环境作用下的耐久性能,通过对冻融循环不同次数后的钢纤维混凝土试件开展氯离子侵蚀试验,分析了钢纤维掺量、冻融循环次数等因素对氯盐侵蚀环境下钢纤维混凝土耐久性的影响规律并探索了冻融损伤对钢纤维混凝土氯离子侵蚀性能的影响机理.研究结果表明:钢纤维掺量在0～1.5％范围内,钢纤维掺量越大,相同渗透深度处混凝土氯离子扩散系数越小,混凝土抵抗氯离子侵蚀的性能越好;冻融循环次数越大,钢纤维混凝土氯离子扩散系数越大,混凝土抵抗氯离子侵蚀的性能越差.     

基于多因素耦合作用的混凝土氯离子迁移规律试验研究

碳化、氯离子侵蚀、荷载三者共同作用对沿海地区混凝土结构耐久性具有重要影响.以C25级普通混凝土为研究对象,针对应力、碳化和氯盐三因素共同作用,借助室内试验手段,对混凝土试样进行加载及快速碳化试验,研究了耦合作用下混凝土中的氯离子迁移机理,建立了应力-碳化-氯盐多因素共同作用下的氯离子传输模型.研究表明:当碳化时间较短时,氯离子扩散系数随荷载等级的增加而不断减小;当碳化时间较长时,氯离子扩散系数在荷载等级较小阶段会有显著下降趋势,而在荷载等级达到60％极限抗压强度以上时,呈现陡增陡降的变化过程.研究成果可以完善结构耐久性设计理论和方法.     

弯曲应力作用下钢纤维混凝土氯离子侵蚀性能

研究弯曲应力作用下钢纤维混凝土的氯离子侵蚀性能,分析了钢纤维掺量、弯曲应力水平对混凝土氯离子含量、氯离子扩散系数的影响规律.结果表明,钢纤维的存在能改善弯曲应力作用下的氯离子侵蚀性能,钢纤维掺量为1.5％时,改善效果最明显.弯曲应力的存在加速了氯离子在钢纤维混凝土中的扩散速度、增大了混凝土氯离子含量,应力水平越大时影响越明显.钢纤维混凝土氯离子扩散系数与应力水平间存在指数型数学关系式,最终建立了钢纤维混凝土氯离子扩散系数随应力水平变化的数学模型.     

干湿循环与受弯裂缝共同作用下海工砼梁内氯离子侵蚀及耐久性寿命预测

基于受弯裂缝对浪溅区海工混凝土内氯离子输运的影响分析,综合考虑混凝土损伤、混凝土结合氯离子能力、表层对流效应以及时间劣化效应等因素,建立了修正氯离子扩散模型.采用受弯开裂荷载与氯盐干湿循环共同作用试验来模拟浪溅区实际服役状态的海工混凝土梁内氯离子侵蚀过程,从而对上述模型进行验证.基于蒙特卡罗(Monte Carlo)方法,应用等效氯离子扩散系数的修正计算模型进行混凝土结构的耐久性寿命预测.研究结果表明,混凝土梁受弯开裂处的等效氯离子扩散系数与裂缝宽度、粉煤灰掺量呈指数函数关系.考虑海工混凝土结构的重要使命,将钢筋脱钝时间作为混凝土结构的耐久性极限,讨论了保护层厚度、粉煤灰掺量以及受弯裂缝宽度对混凝土结构耐久性寿命的影响,相关研究成果可为实际海工混凝土结构耐久性设计及寿命评估提供一定的借鉴.     

海洋环境下混凝土抗氯离子侵蚀的相似性研究进展

氯离子侵蚀已成为影响海洋环境下混凝土结构耐久性最主要的因素;混凝土耐久性破坏是一个长期的过程。试验室常采用人工加速模拟的方法研究混凝土耐久性劣化过程。然而,针对混凝土耐久性室内模拟与实海暴露的研究,目前在试验方法、试验制度及加速因素等方面尚未形成统一认识与规范,使研究成果在工程中应用推广具有一定局限性。若能建立真实暴露条件和室内模拟混凝土氯离子侵蚀试验两者之间的相似性关系,更能准确地分析海洋环境下混凝土结构耐久性和预测其使用寿命。考虑环境(温度和湿度)和材料性能(水胶比和矿物掺合料)等因素影响,基于单因素和多因素作用,主要从试验研究、理论分析及数值模拟3个角度,分别综述了混凝土抗氯离子侵蚀的研究进展,总结了海洋环境下混凝土抗氯离子侵蚀相似性研究成果,并对其进行了讨论和展望,为未来的理论研究及实际工程应用提供一定依据。     

干湿循环下煤矸石混凝土孔结构特性及抗氯离子侵蚀机理

氯离子侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素。通过干湿循环试验,研究了煤矸石混凝土的抗氯离子侵蚀性能,分析了煤矸石体积取代率(0%、20%、40%、60%)对氯离子浓度分布和表观扩散系数的影响。通过压汞试验,测定了煤矸石混凝土的孔结构参数,通过计算其孔隙体积分形维数,研究了孔结构对煤矸石混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响。结果表明:随着煤矸石掺量的增加,自由氯离子的浓度先减小后增加,而表观扩散系数先增加后减小;煤矸石掺量为40%时,混凝土密实性最好,孔隙体积分形维数最大;与未添加煤矸石的混凝土相比,掺量40%的煤矸石混凝土氯离子浓度最低,此时抗氯离子侵蚀性能最好,且表观扩散系数下降35.68%。     

干湿时间比对海工混凝土结构氯盐扩散的影响研究

为了探究海洋环境干湿交替区混凝土结构中氯离子扩散规律,将干湿时间比量化,对应连云港港口泊位现场环境与结构状况设计进行干湿交替区的混凝土构件在不同干湿时间比和不同压应力水平下的室内氯盐加速侵蚀试验,以混凝土内部扩散区的氯离子扩散系数和表面氯离子浓度作为侵蚀指标,将室内加速试验与现场试验的结果对比,分析干湿时间比和应力水平对氯离子扩散的影响.结果证明室内试验取得良好的加速侵蚀效果,试验结果表明对于干湿交替区的混凝土结构,干湿时间比对氯离子扩散的影响十分显著,不同的干湿时间比甚至将氯离子扩散系数提高2倍,其影响力远高于压应力水平.     

基于暴露试验的大掺量粉煤灰混凝土耐久性试验研究

为研究海洋环境水位变动区大掺量粉煤灰混凝土的长期耐久性,利用华南地区12年现场暴露试验,研究了大掺量粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性,分析了长龄期时混凝土水化产物的微观产物与形貌及孔结构的演变过程,以及粉煤灰对混凝土耐久性的影响机理.结果 表明:大掺量粉煤灰可显著提升混凝土的抗氯离子渗透性能,延缓海水中氯离子的侵蚀速度,降低混凝土氯离子扩散系数,12年暴露龄期时30％ ～ 40％大掺量粉煤灰混凝土的氯离子侵蚀深度约为27 mm,氯离子扩散系数仅为0.24×10-12 ～0.41×10-12 m2/s,比空白混凝土降低了6倍以上;大掺量粉煤灰显著改善混凝土中孔结构的分布,降低了混凝土的孔隙率和平均孔径,粉煤灰中活性SiO2及Al2O3与水化产物CH反应生成C-A-S-H凝胶产物,提高了水化产物基团的聚合度,进而提升了凝胶产物的密实度,有效提升了混凝土的长期耐久性.     

干湿交替对混凝土中氯离子分布影响的多相耦合数值分析

钢筋混凝土结构的耐久性会因为氯盐侵蚀而受到严重影响。为研究环境湿度对混凝土中氯离子分布的影响,建立了多相耦合的氯离子侵蚀模型,利用数值模拟方法探讨了氯离子侵蚀过程随环境湿度变化的规律。结果表明,环境湿度的改变不仅使混凝土中含水率产生变化,而且对混凝土中氯离子的分布产生显著影响,尤其是会引起孔隙中盐分结晶,这是混凝土性能退化的主要原因之一。数值模拟结果可为混凝土结构的减防腐蚀灾害设计提供重要的参考。     

干湿循环作用下氯离子在聚丙烯纤维混凝土中传输性能研究

为探究干湿循环作用下聚丙烯纤维混凝土中氯离子的传输规律,设计了四种掺量的聚丙烯纤维混凝土,对其在不同干湿循环周期下的自由氯离子含量和总氯离子含量进行测量,分析聚丙烯纤维掺入对混凝土氯离子结合性能及氯离子扩散系数的影响。结果表明:0.15%(体积分数,下同)聚丙烯纤维的掺入可以增加混凝土密实度,降低自由氯离子含量;而大量纤维的掺入(＜0.45%)导致混凝土内部自由氯离子含量增加,增大了混凝土的氯离子结合能力。聚丙烯纤维掺量0%~0.45%范围内,氯离子结合能力与纤维掺量存在二次函数关系。聚丙烯纤维的掺入降低了干湿循环后期氯离子扩散系数,增大了时间依赖系数m,有利于提高混凝土抗氯离子侵蚀能力。     

塑钢纤维轻骨料混凝土氯离子渗透性试验研究

采用快速氯离子迁移系数法(RCM)对塑钢纤维轻骨料混凝土氯离子渗透性进行研究,主要考察了塑钢纤维掺量、陶粒类型和陶粒预湿时间三个影响因素对氯离子掺透性的影响.研究结果表明,塑钢纤维轻骨料混凝土氯离子扩散系数随纤维掺量的增大而减小,且掺量为9 kg/m3时,氯离子扩散系数值最小;相较于粉煤灰陶粒,页岩陶粒制备的塑钢纤维轻骨料混凝土氯离子扩散系数更低;陶粒预湿时间对塑钢纤维轻骨料混凝土的氯离子扩散系数影响不大,但未掺纤维的轻骨料混凝土氯离子扩散系数随陶粒预湿时间的增加而增大.     

海洋大气环境下粉煤灰混凝土耐久性研究

海洋大气环境中的混凝土结构不仅要遭受盐雾腐蚀,同时还要受碳化影响。在盐雾腐蚀及碳化双重作用下,混凝土结构极易发生钢筋锈蚀。本文开展了盐雾腐蚀及碳化双重作用下的氯离子侵蚀试验研究。研究结果表明:当粉煤灰掺量不超过30%时,粉煤灰混凝土的抗氯离子侵蚀能力随粉煤灰掺量的增加而提高。碳化反应不仅造成混凝土孔隙溶液pH值下降,同时粗化了混凝土的孔隙,引起混凝土微观结构重分布,破坏原有的过滤机制,使得侵蚀环境中的氯离子更容易渗入。采用修正后的Fick第二扩散定律解析解对盐雾环境下混凝土中的氯离子浓度进行非线性拟合,具有良好的相关性。     

Diffusion of chloride ions in polymer‐mortar composites

In recent years, the rapid deterioration of various reinforced concrete structures has been a widely recognized problem in the world. Penetration of chloride ions into the concrete structures was found to be the major cause of premature corrosion of reinforcing steel and to promote their deterioration. The present articles deals with the resistance to chloride penetration of polymer‐mortar, which are often used as low‐cost promising materials for preventing or repairing various reinforced concrete structures. To gain more knowledge on the efficiency of polymer‐mortar, four mortar mixtures: one specimen with Portland cement (control sample) and three mixtures with 2.5, 5, and 7.5 wt % of the replacement of cement by polyethylene terephthalate (PET) were tested for chloride ion permeability under immersion in 5% sodium chloride solution. Their chloride ion penetration behavior is discussed by applying Fick's second law. In conclusion, the chloride ion penetration depth and apparent chloride ion diffusion coefficient of the polymer‐mortar composites are smaller than those of unmodified mortar. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci, 2008     

Determination of chloride diffusion coefficient of concrete using open-circuit potential measurements

The rate of chloride ion ingress into concrete is of great importance for the performance of reinforced concrete structures exposed to chloride-contaminated environments. The service life of reinforced concrete structures subjected to such exposure conditions is closely related to the rate of chloride ion diffusion through the concrete. This paper presents the determination of the apparent chloride diffusion coefficient of concrete using open-circuit potential measurements. The chloride diffusion coefficients obtained are in the range of 6.4×10⁻⁸ to 12.4×10⁻⁸ cm²/s for a simulated seawater tidal condition, which is quite consistent with those reported in the literature. This indicates that open-circuit potential measurements can be considered as an approximate but simple method of assessing the diffusivity of chloride through concrete. Limited with the testing conditions and the characteristics of concrete used, results indicated that the time necessary for corrosion initiation of concrete with a cover depth of 7 cm ranges from 3 to 6 years for the seawater exposure, whereas it is only 1.5 years for a 3% sodium chloride exposure.     

Effects of material and environmental parameters on chloride penetration profiles in concrete structures

On the basis of the transport mechanism of chloride ion, a prediction model of chloride penetration into concrete structures has been developed. The model includes the diffusion of chloride and its dependences on temperature, age, relative humidity, chloride binding and chloride convection by moisture transport. The experimental program has been set up to verify the model developed in the present study. Several series of concrete specimens were immersed in 3.5% chloride solutions for 15 weeks, and the chloride profiles of the specimens were measured and compared to the predicted chloride profiles. In addition, field measurements have been also conducted. From 10-year-old bridge piers, the chloride profiles in concrete under tidal zone were measured and compared with the predicted chloride profiles. The effects of chloride binding, relative humidity, temperature, exposure condition, and age-dependence on the chloride penetration in concrete were clarified from the present analyses. It was found from the present study that all these variables affect greatly the chloride penetration profiles in concrete. The comparison of the laboratory and field test data with the present theory confirms that the proposed model can be realistically used to predict the penetration of chloride ions into concrete structures under sea environments. Further, these results may be efficiently used for the realistic assessment and design for durability of concrete structures.     

沿海混凝土结构氯离子对流区深度计算模型

沿海干湿交替环境下的氯离子传输方式和影响机理等问题是混凝土耐久性研究的主要内容,描述混凝土内部氯离子传输行为的计算模型通常由偏微分方程组成,求解方法较为复杂。为了简单而相对精确地分析氯离子的传输过程,本文提出了计算修正Fick定律模型中对流区深度参数Δx的新途径,通过综合考虑混凝土细观尺度组成、环境温度场变化、水分迁移和氯离子传输等因素,建立起干湿交替区域氯离子传输的计算模型,依据该模型可以较为准确地得到Δx的数值,进而对不同服役环境中的氯离子传输展开分析,根据计算结果给出考虑服役时间、日平均气温和干燥湿润时间比等参数的对流区深度Δx时变公式。这些公式提高了预测干湿交替环境中氯离子传输的修正Fick定律模型的适用性与准确性,可为干湿交替环境中的混凝土结构耐久性设计提供了简单有效的计算方法。     

氯离子侵蚀下受弯梁耐久性可靠度评估

以弯矩与抗弯承载力之比作为荷载水平指标,对氯离子在混凝土受弯梁中的扩散行为进行研究,建立荷载水平与氯离子扩散系数的函数关系,进而提出考虑荷载作用下钢筋表面氯离子浓度达到临界值的极限状态方程及相应耐久性可靠度计算方法.结合算例,对浪溅区混凝土梁构件在不同荷载水平下的耐久性可靠指标进行计算.结果表明:荷载水平对耐久性可靠指标β的影响较为显著,不考虑荷载作用时结构的耐久性可靠指标比考虑荷载作用时耐久性可靠指标偏高100%以上.从确保服役混凝土梁构件达到预期耐久性要求出发,建议对应浪溅区设计使用年限分别为30年、50年以及100年梁构件,相应的最小保护层厚度应分别取为60 mm,65 mm和75 mm,相应的最大水灰比限值均建议取为0.36.     

反复荷载下GFRP筋与混凝土黏结性能

对直径为16 mm,埋深分别为4d、5d、8d的玻璃纤维增强(GFRP)筋标准立方体拉拔试件进行静载和反复荷载作用下的拉拔试验,研究了2种不同应力水平（60 %Fm、80 %Fm）的反复荷载作用下GFRP筋与混凝土之间的黏结滑移关系,埋深与黏结强度关系,黏结刚度、加载端滑移量随循环次数的演变规律,得到了反复荷载下黏结滑移滞回曲线变化规律。结果表明,反复荷载下较少的循环次数对黏结强度和滑移量的影响不大;当反复荷载应力水平不高、循环次数较少时,黏结强度没有显著的退化,反而在一定程度上有所增加;较高应力水平反复荷载下,GFRP筋与混凝土之间的黏结强度退化较显著。     

基于随机细观骨料的钢筋表面氯离子浓度概率分布研究

氯盐侵蚀诱发钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性失效的主要因素之一。研究钢筋表面氯离子浓度概率分布对于预测海洋工程的服役性能具有十分重要的意义。通过引入随机厚度的界面过渡区,建立了包含骨料、界面过渡区以及砂浆的三相混凝土细观模型。在此基础上,结合氯离子扩散理论,建立了氯离子扩散细观数值模型。研究结果表明,骨料对氯离子的扩散具有阻碍作用,增加了氯离子的扩散路径。通过对6 000个钢筋表面氯离子浓度的模拟结果进行统计分析,发现:当骨料率为40%(体积分数)时,钢筋表面氯离子浓度呈双峰分布;当骨料率小于40%时,钢筋表面氯离子浓度近似呈正态分布;随着骨料率的增加,钢筋表面氯离子浓度不断减小,变异系数不断增大。