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)?；炷良蟿t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?；炷恋男阅苁墙柚诰埕人岱稚⑼饧觿┖蛅ensid 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周圍混凝土的氯離子含量達(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，直到周圍環(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。

參考書(shū)目：

1、Gudmundsson, G., (1997)  Deterioration of concrete bridge piers in Iceland. In: Mechanisms of chemical degradion of cement-based systems.  Eds.: K.L. Scrivener and J.F. Young.  E & FN Spoon, London, 201-208.

2、Andrade, C., (2003) Determination of the chloride threshold in concrete. In: eds.: Cigana, R., Andrade, C., Nürnberger, U., Polder, R., Weydert, R., Seitz, E., Corrosion of steel in reinforced concrete structures, COST Action 521, final report, EUR 20599, 101-111.

3、Gudmundsson, G., (2003) Modified slab tests for testing frost resistance of concrete with regards to both scaling and internal cracking (in Icelandic). IBRI-internal report.

4、Gudmundsson, G., (2003) On site monitoring of high performance concrete during freeze/thaw cycles and relationship to standardized testing. 15. Internationale Baustofftagung, Ibausil- Weimar, 2-0051-2-0062.

5、Gudmundsson, G., Wallevik, O., (1999) Concrete in an aggressive environment – over-crete in Borgarfjordur (in Icelandic). Rb-99-04, 55 pages.

6、Gudmundsson, G., Wallevik, O., (2002) Concrete in an aggressive environment. Proceedings of the Minneapolis Workshop on Frost Damage in Concrete, eds.: Janssen., D.J., Setzer, M.J., Snyder, M.B., 87-102.

7、Gudmundsson, G., Antonsdottir, A. (2003) Chloride diffusion in and out of concrete made with different types of binders. Rilem Pro publication.

8、Gudmundsson, G., Wallevik, O., (2003) Durability of self compacting concrete from standardized test methods. A supplementary paper presented at the 3rd international symposium on Self Compacting Concrete in Reykjavik Iceland, in August 2003.

9、Sørensen, H., Poulsen, E., Mejlbro, L., Frederiksen, J.M., (2002) Deterministic model for monitoring of concrete structures using corrosion sensors. In: Cost 521 Workshop, final reports, ed.: Weydert, R., 97-101.

10、Tang, L., (1996) Electrically accelerated methods for determining chloride diffusivity in concrete – current development. MCR, 48, 173-179.