現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)高性能混凝土在凍結(jié)/凍融周期的變化與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的關(guān)系

作者：冰島雷克雅末  冰島建筑研究院  Dr. Gisli Gudmundsson 

概要：

混凝土耐久性是影響腐蝕性環(huán)境中混過(guò)凝土表現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。本研究項(xiàng)目的目的在于推斷出控制著環(huán)境侵蝕性的變量的性質(zhì)。

空氣與濕度傳感器和腐蝕傳感器都被事先澆鑄在橋墩被水淹沒(méi)的區(qū)域，該部分區(qū)域的保護(hù)層在1999年的時(shí)候就曾經(jīng)修補(bǔ)過(guò)。

經(jīng)過(guò)3年的時(shí)間腐蝕傳感器依然工作良好。正負(fù)電極之間沒(méi)有記錄下任何的變化，這表明了氯化物并沒(méi)有大面積的滲透到混凝土中。氯離子滲透的數(shù)據(jù)證明了混凝土的低氯含量性。這并不奇怪，因?yàn)楸敬喂こ痰幕炷临|(zhì)量非常高，因此保護(hù)層短時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有銹蝕危險(xiǎn)了。

緒論：

本研究的主要目的旨在評(píng)估凍結(jié)/融化周期的數(shù)量及其對(duì)暴露在海水中的混凝土的影響程度，并全面評(píng)估高性能混凝土在惡劣環(huán)境下的抗凍性和抗氯離子腐蝕性整體表現(xiàn)和使用期限。

本次研究所挑選出來(lái)的結(jié)構(gòu)樣本位于冰島西部，該結(jié)構(gòu)于1999年進(jìn)行了環(huán)繞每個(gè)橋墩的保護(hù)層的澆鑄，見(jiàn)圖1。其中*個(gè)橋墩在1998年進(jìn)行過(guò)修復(fù)，而第二個(gè)橋墩的修復(fù)工作在1999年進(jìn)行。該保護(hù)層由高性能混凝土制成的，是根據(jù)Gudmundsson and Wallevik (2002)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇混凝土粘結(jié)劑及預(yù)混合設(shè)計(jì)的。同時(shí)第三個(gè)橋墩也在2002年用自密實(shí)混凝土圍繞著橋墩進(jìn)行了修復(fù)。

圖1a  橋梁外貌                       圖1b  1999年所澆鑄的保護(hù)層

整個(gè)橋梁總跨度是512米

原始混凝土的老化過(guò)程作者曾在別的著作中描述過(guò)（詳見(jiàn)Gudmundsson，1997）。簡(jiǎn)而言之，混凝土所受到的損害是凍結(jié)/凍融周期所帶來(lái)的危害與海水侵蝕相結(jié)合的結(jié)果。

修復(fù)中所使用混凝土的種類(lèi)是根據(jù)Gudmundsson and Wallevik, 2002的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇的?；诳箖鲂詼y(cè)試和氯離子滲透率測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果，我們?cè)诨炷帘Ｗo(hù)層里面選用了三元混紡粘結(jié)劑。保護(hù)層由40％的細(xì)粒化高爐礦渣(5000 Blaine)，5％硅粉和55％的普通硅酸鹽水泥(CEM I)。混凝土集料則選擇了高質(zhì)量的進(jìn)口花崗巖碎石。而水灰比始終確保為0.33。混凝土的性能是借助于聚羧酸分散外加劑和tensid and vinsol 樹(shù)脂混合劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。總體而言，該混凝土的性能是值得肯定的。

一般的，新攪拌的混凝土內(nèi)的空氣含量為8%，并且在澆注混凝土過(guò)程中會(huì)有大量的空氣被擠壓出去。但是在實(shí)際凝結(jié)的混凝土樣品內(nèi)，空氣含量在總體積內(nèi)占的空間系數(shù)，低的為3%，大約為0.4mm高度；高的為10%，大約為0.15mm高度。

混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度大約為70 Mpa，但是由于內(nèi)部的高空氣含量使得它的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)要低于這個(gè)值。當(dāng)混凝土28天抗壓強(qiáng)度為45Mpa.在混凝土澆注完畢后一年，在混凝土內(nèi)部鉆芯取樣，測(cè)得的強(qiáng)度位62Mpa。也就是說(shuō)澆注后一年，混凝土的強(qiáng)度發(fā)生了變化。

表1顯示了一組在保護(hù)層上所做的關(guān)于凍結(jié)/凍融試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試樣品依照CEN prEn xxxx 1999 標(biāo)準(zhǔn)，參考了瑞典SS 137244標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)為一個(gè)縮放試驗(yàn)，樣品放在3%的NaCl溶液中。

表1.在混凝土保護(hù)層上進(jìn)行的縮放試驗(yàn)結(jié)果(kg/m2)

這次的縮放試驗(yàn)結(jié)果非常好，結(jié)果顯示出在凍結(jié)/凍融縮放試驗(yàn)中，混凝土內(nèi)的空氣含量與混凝土內(nèi)部的電阻系數(shù)結(jié)果并無(wú)關(guān)系。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

針對(duì)不同的潮流位置，溫度傳感器安裝在覆蓋層里面三個(gè)深度位置：

位置一：在海平面以下（被水淹沒(méi)區(qū)域）或者距離混凝土保護(hù)層底端有20cm處，溫度傳感器安裝在保護(hù)層表面以下5cm的位置。

位置二：在潮間帶下部，在距離混凝土保護(hù)層底端上方70cm處，兩個(gè)熱電偶會(huì)分別安裝在表面以下5Ccm和9cm處。

位置三：處于潮間帶上部，距離混凝土保護(hù)層頂端下方70cm處，兩個(gè)熱電耦安裝在表面以下5cm和9cm的地方。

所有的5個(gè)溫度傳感器和另外一個(gè)安裝在橋面板表面的溫度傳感器都連接到一個(gè)數(shù)據(jù)采集儀上面，用于記錄每個(gè)小時(shí)的溫度。

兩個(gè)相對(duì)濕度傳感器也安裝在保護(hù)層里面，不幸的是測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)顯示保護(hù)層內(nèi)部的相對(duì)濕度都是100％，這說(shuō)明了傳感器內(nèi)部充有濃縮的水蒸氣。不容置疑，相對(duì)濕度傳感器的數(shù)據(jù)是無(wú)效錯(cuò)誤的。后，兩套腐蝕監(jiān)測(cè)器被安裝在保護(hù)層里。一套安裝在位置二，一套安裝在位置三。每套監(jiān)視器都由一個(gè)參比電極和一個(gè)腐蝕傳感器組成。這些腐蝕傳感器是本章的主要介紹對(duì)象。溫度測(cè)試的結(jié)果已經(jīng)在其他論文(Gudmundsson, 2003)描述過(guò)。

混凝土保護(hù)層是在1999年夏季晚段時(shí)間澆筑的，腐蝕監(jiān)測(cè)是從1999年的12月23日開(kāi)始。橋梁的大的潮差是3m。

溫度測(cè)試的結(jié)果：

圖二顯示了從1999年12月23日到2001年2月26日采集到的溫度數(shù)據(jù)，由于采集儀出了故障，2000年夏天的數(shù)據(jù)丟失了。這個(gè)期間，在采集的數(shù)據(jù)里觀測(cè)到有66個(gè)冰凍時(shí)間段，平均溫度是–1.82 °C，持續(xù)的時(shí)間是36.5小時(shí)。

腐蝕傳感器：

通過(guò)電位測(cè)試可以監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的開(kāi)始時(shí)間。腐蝕傳感器植入到混凝土里面，一般會(huì)在混凝土澆筑期間安裝到位。這套腐蝕傳感器由不同高度位置的四個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)陰極組成，通常也會(huì)輔助安裝一個(gè)參比電極。目前，這樣的腐蝕傳感器有幾種。

圖3 CORROWATCH腐蝕傳感器與參比電極

兩套CORROWATCH腐蝕監(jiān)測(cè)器安裝在混凝土保護(hù)層里的兩個(gè)不同位置，分別是潮間帶的上部和下部。每套傳感器都由一個(gè)參比電極和一個(gè)腐蝕傳感器組成，腐蝕傳感器有四個(gè)處于不同高度的可以犧牲的陽(yáng)極。如圖3，四個(gè)陽(yáng)極的位置分別處于表面以下35(1),40(2),45(3),50(4)mm處，參比電極安裝在表面以下60mm處。

從電流值的提高可以判斷敏銳的氯化物由鈍態(tài)向非鈍態(tài)發(fā)展，也就是說(shuō)腐蝕開(kāi)始了。*年應(yīng)該多讀取幾次數(shù)據(jù)，以后可以每年讀取一次或者兩次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖4描述了靠近表面的可犧牲的陽(yáng)極遭遇氯化物開(kāi)始腐蝕的情況，分為兩個(gè)階段，腐蝕監(jiān)測(cè)器經(jīng)歷的氯化物滲透引起的腐蝕。

圖4 顯示了*個(gè)可犧牲陽(yáng)極腐蝕的開(kāi)始

當(dāng)氯化物層到達(dá)陽(yáng)極1，或者當(dāng)陽(yáng)極1周?chē)炷恋穆入x子含量達(dá)到一個(gè)危險(xiǎn)程度時(shí)，陽(yáng)極會(huì)開(kāi)始被腐蝕。結(jié)果顯示，關(guān)于這個(gè)陽(yáng)極的測(cè)試數(shù)據(jù)（電位值）會(huì)發(fā)生改變（如圖5）。其他陽(yáng)極的讀數(shù)會(huì)保持原來(lái)的數(shù)值，直到周?chē)h(huán)境的氯離子含量達(dá)到一個(gè)危險(xiǎn)的水平。

圖5 陽(yáng)極1在兩個(gè)階段的讀數(shù)顯示

通過(guò)安裝CORROWATHC腐蝕監(jiān)測(cè)器或者其他類(lèi)似的監(jiān)測(cè)器，任何混凝土結(jié)構(gòu)氯化的趨勢(shì)都是可以測(cè)試的，而且開(kāi)始腐蝕的時(shí)間是可以非常準(zhǔn)確的預(yù)知的。

混凝土保護(hù)層里的CORROWATCH腐蝕監(jiān)測(cè)器:

如果幾年后，腐蝕監(jiān)測(cè)器都工作良好，而且讀數(shù)沒(méi)有發(fā)生改變，那說(shuō)明氯化物還沒(méi)有大量侵入到混凝土內(nèi)部，參照表2.由于混凝土的性能非常好，所以顯得一點(diǎn)都不奇怪。

表格2. CORROWATCH腐蝕監(jiān)測(cè)器讀數(shù)

4年后，混凝土鉆芯取樣，并且測(cè)試芯樣的氯離子含量。芯樣被車(chē)床磨碎并把粉末溶解到HNO3 酸溶液里，通過(guò)滴定的方法測(cè)得氯離子的含量。測(cè)試分析結(jié)果在圖6顯示。

圖6 4年后結(jié)構(gòu)的氯離子含量

分析數(shù)據(jù)只是給出了從0－12mm處的深度區(qū)間，但是*個(gè)陽(yáng)極位于結(jié)構(gòu)表面以下35mm處。另外，鋼筋是處于保護(hù)層表面以下60mm處。為了評(píng)估*個(gè)陽(yáng)極處的氯含量，需要通過(guò)表面評(píng)估電流研究來(lái)做12月齡期的氯離子擴(kuò)散率測(cè)試。氯離子擴(kuò)散率測(cè)試使用CTH－test測(cè)試方法。計(jì)算剖面同樣顯示在圖6中。在35mm處，氯化物含量大概是混凝土重量的0.03%。這時(shí)候鋼筋并不會(huì)出現(xiàn)銹蝕直到氯化物含量大于混凝土重量的0.1%.在接下來(lái)的4－5年里*個(gè)陽(yáng)極并沒(méi)有象預(yù)期那樣開(kāi)始腐蝕，混凝土里的氯含量仍然很低，不足以引起腐蝕發(fā)生。因此，從CORROWATCH傳感器出來(lái)的數(shù)據(jù)并沒(méi)有發(fā)生大的改變就并不奇怪了，參考圖2。

使用CORROWATCH傳感器獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)際問(wèn)題出現(xiàn)了，腐蝕傳感器給出的信號(hào)需要和時(shí)間一起綜合考慮。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)室里面進(jìn)行過(guò)進(jìn)一步的測(cè)試，把一個(gè)腐蝕傳感器浸泡在飽和Ca(OH)2里，這是為了防止銹蝕和模擬混凝土環(huán)境。傳感器連接到數(shù)據(jù)采集儀上面，每15分鐘記錄一次電壓值。數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。

圖7 傳感器放在飽和Ca(OH)2溶液里，連接到數(shù)據(jù)采集儀，每15分鐘記錄一次電壓值

在前面三天里，讀數(shù)基本上穩(wěn)定在10mV。第三天，停止監(jiān)測(cè)，電路也被斷開(kāi)了6天。在第九天重新監(jiān)測(cè)讀數(shù)，*個(gè)讀數(shù)大約140mV，但是隨后的讀數(shù)顯示電壓值下降的很快，一天后，讀數(shù)重新回復(fù)到10mV。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室房間里面的環(huán)境溫度波動(dòng)導(dǎo)致了讀數(shù)也出現(xiàn)波動(dòng)。

試驗(yàn)基地的經(jīng)驗(yàn)表明了要想從每個(gè)陽(yáng)極獲得一個(gè)理想的讀數(shù)起碼需要等待30分鐘，兩個(gè)腐蝕傳感器就有8個(gè)八個(gè)陽(yáng)極，總共8個(gè)讀數(shù)，這總共需要4個(gè)小時(shí)，這是非常浪費(fèi)時(shí)間的，對(duì)于遠(yuǎn)程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是非常糟糕的?？扇〉霓k法是把這些傳感器都連接到一個(gè)數(shù)據(jù)采集儀上去，每隔一定時(shí)間采集電壓值。

對(duì)于質(zhì)量很好的，氯離子滲透系數(shù)很低的混凝土結(jié)構(gòu)，腐蝕傳感器必須安裝在靠近表面的地方而不是結(jié)構(gòu)的內(nèi)部深處。這樣，經(jīng)過(guò)幾年的數(shù)據(jù)采集分析后，就可以評(píng)估混凝土鋼筋開(kāi)始腐蝕的時(shí)間。

結(jié)論：

1、經(jīng)過(guò)三年期間對(duì)CorroWatch的數(shù)據(jù)收集我們可以看到，*個(gè)可犧牲陽(yáng)極并沒(méi)有絲毫的腐蝕。

2、腐蝕傳感器經(jīng)過(guò)三年依然能如常工作，并進(jìn)一步告訴我們，只有極低的氯離子擴(kuò)散率發(fā)生了。

3、氯離子擴(kuò)散率數(shù)據(jù)顯示，快的腐蝕可能會(huì)發(fā)生在大約8年以后。

4、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)因其耗時(shí)巨大，因此收集CorroWatch數(shù)據(jù)的好方法就是利用數(shù)據(jù)采集儀。

5、為了快速預(yù)報(bào)混凝土建筑物腐蝕的開(kāi)始并定位腐蝕探頭的位置，在研究測(cè)試中腐蝕探頭必須盡可能的靠近表面。

鳴謝：

本研究獲得了國(guó)家公路局的科研補(bǔ)助金支持，予以感謝。同樣感謝來(lái)自國(guó)家公路局的Einar Haflidason和 Rognvaldur Gunnarss，以及來(lái)自冰島建筑研究院的Hakon Olafsson 和Dr. Olafur Wallevik，感謝他們?cè)诒狙芯窟^(guò)程中所給予的意見(jiàn)和建議。

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