現場監測高性能混凝土在凍結/凍融周期的變化與標準試驗的關係

現場監測高性能混凝土在凍結/凍融周期的變化與(yu) 標準試驗的關(guan) 係

作者：冰島雷克雅末  冰島建築研究院  Dr. Gisli Gudmundsson 

概要：

混凝土耐久性是影響腐蝕性環境中混過凝土表現的一個(ge) 關(guan) 鍵因素。本研究項目的目的在於(yu) 推斷出控製著環境侵蝕性的變量的性質。

空氣與(yu) 濕度傳(chuan) 感器和腐蝕傳(chuan) 感器都被事先澆鑄在橋墩被水淹沒的區域，該部分區域的保護層在1999年的時候就曾經修補過。

經過3年的時間腐蝕傳(chuan) 感器依然工作良好。正負電極之間沒有記錄下任何的變化，這表明了氯化物並沒有大麵積的滲透到混凝土中。氯離子滲透的數據證明了混凝土的低氯含量性。這並不奇怪，因為(wei) 本次工程的混凝土質量非常高，因此保護層短時間內(nei) 並沒有鏽蝕危險了。

緒論：

本研究的主要目的旨在評估凍結/融化周期的數量及其對暴露在海水中的混凝土的影響程度，並全麵評估高性能混凝土在惡劣環境下的抗凍性和抗氯離子腐蝕性整體(ti) 表現和使用期限。

本次研究所挑選出來的結構樣本位於(yu) 冰島西部，該結構於(yu) 1999年進行了環繞每個(ge) 橋墩的保護層的澆鑄，見圖1。其中*個(ge) 橋墩在1998年進行過修複，而第二個(ge) 橋墩的修複工作在1999年進行。該保護層由高性能混凝土製成的，是根據Gudmundsson and Wallevik (2002)標準來選擇混凝土粘結劑及預混合設計的。同時第三個(ge) 橋墩也在2002年用自密實混凝土圍繞著橋墩進行了修複。

圖1a  橋梁外貌                       圖1b  1999年所澆鑄的保護層

整個(ge) 橋梁總跨度是512米

原始混凝土的老化過程作者曾在別的著作中描述過（詳見Gudmundsson，1997）。簡而言之，混凝土所受到的損害是凍結/凍融周期所帶來的危害與(yu) 海水侵蝕相結合的結果。

修複中所使用混凝土的種類是根據Gudmundsson and Wallevik, 2002的標準來選擇的。基於(yu) 抗凍性測試和氯離子滲透率測試的試驗結果，我們(men) 在混凝土保護層裏麵選用了三元混紡粘結劑。保護層由40％的細粒化高爐礦渣(5000 Blaine)，5％矽粉和55％的普通矽酸鹽水泥(CEM I)。混凝土集料則選擇了高質量的進口花崗岩碎石。而水灰比始終確保為(wei) 0.33。混凝土的性能是借助於(yu) 聚羧酸分散外加劑和tensid and vinsol 樹脂混合劑來實現的。總體(ti) 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(nei) 的空氣含量為(wei) 8%，並且在澆注混凝土過程中會(hui) 有大量的空氣被擠壓出去。但是在實際凝結的混凝土樣品內(nei) ，空氣含量在總體(ti) 積內(nei) 占的空間係數，低的為(wei) 3%，大約為(wei) 0.4mm高度；高的為(wei) 10%，大約為(wei) 0.15mm高度。

混凝土的設計抗壓強度大約為(wei) 70 Mpa，但是由於(yu) 內(nei) 部的高空氣含量使得它的實際強度遠遠要低於(yu) 這個(ge) 值。當混凝土28天抗壓強度為(wei) 45Mpa.在混凝土澆注完畢後一年，在混凝土內(nei) 部鑽芯取樣，測得的強度位62Mpa。也就是說澆注後一年，混凝土的強度發生了變化。

表1顯示了一組在保護層上所做的關(guan) 於(yu) 凍結/凍融試驗的測試結果。測試樣品依照CEN prEn xxxx 1999 標準，參考了瑞典SS 137244標準。試驗為(wei) 一個(ge) 縮放試驗，樣品放在3%的NaCl溶液中。

表1.在混凝土保護層上進行的縮放試驗結果(kg/m2)

這次的縮放試驗結果非常好，結果顯示出在凍結/凍融縮放試驗中，混凝土內(nei) 的空氣含量與(yu) 混凝土內(nei) 部的電阻係數結果並無關(guan) 係。

現場監測

針對不同的潮流位置，溫度傳(chuan) 感器安裝在覆蓋層裏麵三個(ge) 深度位置：

位置一：在海平麵以下（被水淹沒區域）或者距離混凝土保護層底端有20cm處，溫度傳(chuan) 感器安裝在保護層表麵以下5cm的位置。

位置二：在潮間帶下部，在距離混凝土保護層底端上方70cm處，兩(liang) 個(ge) 熱電偶會(hui) 分別安裝在表麵以下5Ccm和9cm處。

位置三：處於(yu) 潮間帶上部，距離混凝土保護層頂端下方70cm處，兩(liang) 個(ge) 熱電耦安裝在表麵以下5cm和9cm的地方。

所有的5個(ge) 溫度傳(chuan) 感器和另外一個(ge) 安裝在橋麵板表麵的溫度傳(chuan) 感器都連接到一個(ge) 數據采集儀(yi) 上麵，用於(yu) 記錄每個(ge) 小時的溫度。

兩(liang) 個(ge) 相對濕度傳(chuan) 感器也安裝在保護層裏麵，不幸的是測試結果數據顯示保護層內(nei) 部的相對濕度都是100％，這說明了傳(chuan) 感器內(nei) 部充有濃縮的水蒸氣。不容置疑，相對濕度傳(chuan) 感器的數據是無效錯誤的。後，兩(liang) 套腐蝕監測器被安裝在保護層裏。一套安裝在位置二，一套安裝在位置三。每套監視器都由一個(ge) 參比電極和一個(ge) 腐蝕傳(chuan) 感器組成。這些腐蝕傳(chuan) 感器是本章的主要介紹對象。溫度測試的結果已經在其他論文(Gudmundsson, 2003)描述過。

混凝土保護層是在1999年夏季晚段時間澆築的，腐蝕監測是從(cong) 1999年的12月23日開始。橋梁的大的潮差是3m。

溫度測試的結果：

圖二顯示了從(cong) 1999年12月23日到2001年2月26日采集到的溫度數據，由於(yu) 采集儀(yi) 出了故障，2000年夏天的數據丟(diu) 失了。這個(ge) 期間，在采集的數據裏觀測到有66個(ge) 冰凍時間段，平均溫度是–1.82 °C，持續的時間是36.5小時。

腐蝕傳(chuan) 感器：

通過電位測試可以監測混凝土結構腐蝕的開始時間。腐蝕傳(chuan) 感器植入到混凝土裏麵，一般會(hui) 在混凝土澆築期間安裝到位。這套腐蝕傳(chuan) 感器由不同高度位置的四個(ge) 陽極和一個(ge) 陰極組成，通常也會(hui) 輔助安裝一個(ge) 參比電極。目前，這樣的腐蝕傳(chuan) 感器有幾種。

圖3 CORROWATCH腐蝕傳(chuan) 感器與(yu) 參比電極

兩(liang) 套CORROWATCH腐蝕監測器安裝在混凝土保護層裏的兩(liang) 個(ge) 不同位置，分別是潮間帶的上部和下部。每套傳(chuan) 感器都由一個(ge) 參比電極和一個(ge) 腐蝕傳(chuan) 感器組成，腐蝕傳(chuan) 感器有四個(ge) 處於(yu) 不同高度的可以犧牲的陽極。如圖3，四個(ge) 陽極的位置分別處於(yu) 表麵以下35(1),40(2),45(3),50(4)mm處，參比電極安裝在表麵以下60mm處。

從(cong) 電流值的提高可以判斷敏銳的氯化物由鈍態向非鈍態發展，也就是說腐蝕開始了。*年應該多讀取幾次數據，以後可以每年讀取一次或者兩(liang) 次監測數據。圖4描述了靠近表麵的可犧牲的陽極遭遇氯化物開始腐蝕的情況，分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 階段，腐蝕監測器經曆的氯化物滲透引起的腐蝕。

圖4 顯示了*個(ge) 可犧牲陽極腐蝕的開始

當氯化物層到達陽極1，或者當陽極1周圍混凝土的氯離子含量達到一個(ge) 危險程度時，陽極會(hui) 開始被腐蝕。結果顯示，關(guan) 於(yu) 這個(ge) 陽極的測試數據（電位值）會(hui) 發生改變（如圖5）。其他陽極的讀數會(hui) 保持原來的數值，直到周圍環境的氯離子含量達到一個(ge) 危險的水平。

圖5 陽極1在兩(liang) 個(ge) 階段的讀數顯示

通過安裝CORROWATHC腐蝕監測器或者其他類似的監測器，任何混凝土結構氯化的趨勢都是可以測試的，而且開始腐蝕的時間是可以非常準確的預知的。

混凝土保護層裏的CORROWATCH腐蝕監測器:

如果幾年後，腐蝕監測器都工作良好，而且讀數沒有發生改變，那說明氯化物還沒有大量侵入到混凝土內(nei) 部，參照表2.由於(yu) 混凝土的性能非常好，所以顯得一點都不奇怪。

表格2. CORROWATCH腐蝕監測器讀數

4年後，混凝土鑽芯取樣，並且測試芯樣的氯離子含量。芯樣被車床磨碎並把粉末溶解到HNO3 酸溶液裏，通過滴定的方法測得氯離子的含量。測試分析結果在圖6顯示。

圖6 4年後結構的氯離子含量

分析數據隻是給出了從(cong) 0－12mm處的深度區間，但是*個(ge) 陽極位於(yu) 結構表麵以下35mm處。另外，鋼筋是處於(yu) 保護層表麵以下60mm處。為(wei) 了評估*個(ge) 陽極處的氯含量，需要通過表麵評估電流研究來做12月齡期的氯離子擴散率測試。氯離子擴散率測試使用CTH－test測試方法。計算剖麵同樣顯示在圖6中。在35mm處，氯化物含量大概是混凝土重量的0.03%。這時候鋼筋並不會(hui) 出現鏽蝕直到氯化物含量大於(yu) 混凝土重量的0.1%.在接下來的4－5年裏*個(ge) 陽極並沒有象預期那樣開始腐蝕，混凝土裏的氯含量仍然很低，不足以引起腐蝕發生。因此，從(cong) CORROWATCH傳(chuan) 感器出來的數據並沒有發生大的改變就並不奇怪了，參考圖2。

使用CORROWATCH傳(chuan) 感器獲得試驗數據的實際問題出現了，腐蝕傳(chuan) 感器給出的信號需要和時間一起綜合考慮。針對這個(ge) 問題在實驗室裏麵進行過進一步的測試，把一個(ge) 腐蝕傳(chuan) 感器浸泡在飽和Ca(OH)2裏，這是為(wei) 了防止鏽蝕和模擬混凝土環境。傳(chuan) 感器連接到數據采集儀(yi) 上麵，每15分鍾記錄一次電壓值。數據見圖7。

圖7 傳(chuan) 感器放在飽和Ca(OH)2溶液裏，連接到數據采集儀(yi) ，每15分鍾記錄一次電壓值

在前麵三天裏，讀數基本上穩定在10mV。第三天，停止監測，電路也被斷開了6天。在第九天重新監測讀數，*個(ge) 讀數大約140mV，但是隨後的讀數顯示電壓值下降的很快，一天後，讀數重新回複到10mV。這是因為(wei) 實驗室房間裏麵的環境溫度波動導致了讀數也出現波動。

試驗基地的經驗表明了要想從(cong) 每個(ge) 陽極獲得一個(ge) 理想的讀數起碼需要等待30分鍾，兩(liang) 個(ge) 腐蝕傳(chuan) 感器就有8個(ge) 八個(ge) 陽極，總共8個(ge) 讀數，這總共需要4個(ge) 小時，這是非常浪費時間的，對於(yu) 遠程的現場監測是非常糟糕的。可取的辦法是把這些傳(chuan) 感器都連接到一個(ge) 數據采集儀(yi) 上去，每隔一定時間采集電壓值。

對於(yu) 質量很好的，氯離子滲透係數很低的混凝土結構，腐蝕傳(chuan) 感器必須安裝在靠近表麵的地方而不是結構的內(nei) 部深處。這樣，經過幾年的數據采集分析後，就可以評估混凝土鋼筋開始腐蝕的時間。

結論：

1、經過三年期間對CorroWatch的數據收集我們(men) 可以看到，*個(ge) 可犧牲陽極並沒有絲(si) 毫的腐蝕。

2、腐蝕傳(chuan) 感器經過三年依然能如常工作，並進一步告訴我們(men) ，隻有極低的氯離子擴散率發生了。

3、氯離子擴散率數據顯示，快的腐蝕可能會(hui) 發生在大約8年以後。

4、現場監測因其耗時巨大，因此收集CorroWatch數據的好方法就是利用數據采集儀(yi) 。

5、為(wei) 了快速預報混凝土建築物腐蝕的開始並定位腐蝕探頭的位置，在研究測試中腐蝕探頭必須盡可能的靠近表麵。

鳴謝：

本研究獲得了國家公路局的科研補助金支持，予以感謝。同樣感謝來自國家公路局的Einar Haflidason和 Rognvaldur Gunnarss，以及來自冰島建築研究院的Hakon Olafsson 和Dr. Olafur Wallevik，感謝他們(men) 在本研究過程中所給予的意見和建議。

參考書(shu) 目：

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