严酷环境下混凝土孔溶液PH值预测模型

摘要：建立了混凝土孔溶液PH值预测模型。制备了水灰分别为0.53，0.35和0.27的混凝土。进行不同暴露时间混凝土孔溶液PH值测定试验，测量不同暴露时间和不同深度的PH值。试验结果表明：各混凝土孔溶液PH值随着暴露时间、孔深度的增加而降低；随着水灰比的增加而降低；各混凝土孔溶液PH值与暴露时间和孔深度呈二次函数，与水灰比呈线性函数；引入了有效碳化扩散系数Deff与误差函数，建立了混凝土孔溶液PH值预测模型，在模型中各混凝土孔溶液PH值与暴露时间和孔深度呈平方根函数，与水灰比呈线性函数。

关键词：混凝土孔溶液；PH值；预测模型；误差函数

中图分类号：TU 528.0文献标志码：A

Prediction model of PH of concrete pole solution in harsh environment

ZHANG Fengquan1, WANG Bo2,LI Chang cheng3

(1.Transportation Bureau of Yan Bian , JiLin Yan Bian, 133002; 2.Road Bureau of Yan Bian , JiLin Yan Bian, 133001; 3.JiLin Communication Polytechnic, Chang chun, 130012)

Abstract: Prediction model of PH of concrete pole solution was built. Concrete specimens were made with water-blinder ratio 0.53、0.35 and 0.27. Being exposed to different exposure times, the specimens were measured PH with different depth and exposure times. The test result showed that concrete PH decreased with increase of exposure times and different depth; and increased with the increase water-blinder ratio; PH of concrete pole solution was quadratic function with different depth and exposure times, and linear function with water-blinder ratio; effective carbonation diffusion coefficients and error function were introducing , Prediction model of PH of concrete pole solution was built; PH of concrete pole solution was square root function with different depth and exposure times, and linear function with water-blinder ratio in model

Key word: concrete pole solution; PH ; predicating model; error function

0.引言

混凝土结构工程因钢筋锈蚀造成失效以至破坏崩塌的事故在国内外屡见不鲜[1]。引起钢筋腐蚀的主要原因一般分成三种[2]：混凝土碳化、氯离子引起的钢筋去钝化和酸性物质引起的钢筋腐蚀。通常认为由氯离子引起的钢筋去钝化最为直接、严重和普遍[3]。一般混凝土孔隙中的水分都是以饱和氢氧化钙溶液的形式存在，pH值为12.5-13.5，在这样的强碱性环境中，钢筋表面会迅速形成非常致密的钝化膜，使腐蚀难以进行。研究与实践表明，当pH

1 试验

1.1原材料

湖北黄石水泥厂生产的华新牌P.Ⅰ52.5硅酸盐水泥。兰州产河砂, Ⅱ区级配,中砂细度模数为2.5。甘肃省临洮河口产石灰岩碎石,5～20mm 连续级配,最大粒径20mm。饮用水。江苏省苏博特PCA®（I）聚羧酸类高性能减水剂,减水率达20%以上。小型钢筋笼、标定钢筋、木模板，Ф15波纹管。

表1胶凝材料的化学成分

材料 SiO2 Al2O3 CaO MgO SO3 Fe2O3 MnO TiO2 Na2O K2O

水泥 21.35 4.67 62.60 3.08 2.25 3.31 － － － －

1.2配合比

试件尺寸500㎜×100㎜×75㎜棱柱体。水灰比分别为0.53、0.35和0.27。其配比及28天抗压强度见表2。

表2 混凝土配合比及抗压强度

编号 水灰比 混凝土配合比/(kg·m-3) 28d抗压强度/MPa

水泥 中砂 卵石 减水剂 水

C30 0.53 368 735. 1103 0 195 31.3

C50 0.35 412.2 687 1145 1.42 158 58.6

C80 0.27 585.0 703 1054 5.85 158.2 73.6

1.3混凝土孔隙溶液制备

表3 察尔汗盐湖盐渍土化学成分

项目 可溶性盐成分（重量百分比） 含盐总量（%）

检测结果 cl- SO42- HCO3- CO32- Ca2+ Mg2+ K+ Na+ 3.12

15.97 6.92 0.18 无 1.7 2.76 3.24 5.35

注：取样地点为察格高速62km 左侧土表

图1孔溶液试件 图2盐湖暴露站

试件养护28天后，每个配比做了3个试件。先将试件运到查尔汗盐湖现场，之后分别对各混凝土试件进行钻孔，距离试件的长和宽边缘的距离依次为30mm和20mm，一个试件按顺时针钻孔，孔直径为10mm，孔深依次为12.5mm、25mm、37.5mm和50mm，钻孔之后在孔中插入直径为9mm的空心塑料管，在塑料管中灌入蒸馏水，之后用橡皮塞塞紧，用固体硅胶密封。将试件掩埋在标记的暴露站中的盐渍土内。待溶液平衡之后，定期到现场提取混凝土中的孔隙溶液。

1.4 混凝土孔溶液采集与测试

在盐湖现场分别暴露了150天、300天、390天和510天后时，到盐湖现场采集孔溶液，每次采集完孔溶液后，继续灌入蒸馏水、密封，将试件掩埋。采集的孔溶液样品用密闭的小瓶做好标记，带到中科院青海盐湖研究所用酸碱度测试仪测定酸碱度及化学成分分析。其测定的结果见下表4

表4 不同深度混凝土试件的PH值

名称 C30 C50 C80

深度/mm 12.5 25 37.5 50 12.5 25 37.5 50 12.5 25 37.5 50

0 day 12.50 12.52 12.53 12.51 12.52 12.51 12.52 12.50 12.46 12.47 12.49 12.48

150days 12.21 12.24 12.29 12.33 12.33 12.35 12.41 12.42 12.47 12.48 12.48 12.48

300 days 12.21 12.23 12.24 12.25 12.30 12.34 12.37 12.41 12.38 12.40 12.41 12.44

390days 12.19 12.22 12.23 12.24 12.26 12.3 12.32 12.33 12.29 12.31 12.34 12.36

510days 12.16 12.17 12.22 12.23 12.17 12.28 12.29 12.32 12.25 12.26 12.33 12.33

2.试验结果分析

2.1孔隙溶液PH值随时间变化规律

图3各混凝土不同孔深的PH值随时间变化图

如图3所示，在相同配合比和相同孔深的条件下，孔隙溶液的PH值随暴露时间增加而逐渐降低，这是因为混凝土表面受到碳化和在盐渍土中受到干湿、冻融循环的作用，表面产生裂缝，盐渍土中有害离子通过混凝土内部的微裂缝和孔隙进入混凝土内部，进而降低了混凝土的PH值这是一个长期的过程，时间越久PH值下降的越快。因此可以减少混凝土与暴露时间来减缓PH值的降低，可采用刷防腐涂层的方式PH值的下降。可以通过降低水灰比的方式延缓PH值的降低。

2.2孔隙溶液PH值随深度变化规律

如图4所示，相同暴露时间各配比混凝土孔溶液PH值均随深度的增加增大，这是因为混凝

图4各混凝土不同暴露时间的PH值PH值随孔深变化图

土的碳化和在盐渍土中受到干湿、冻融循环的作用都是从表面逐渐向内部推移；当表面一定深度范围内的混凝土中的提供的多余碱性物质被全部消耗，从此以后，混凝土孔隙溶液的PH值开始降低，这是一个长期过程，因此刚开始暴露时，各配比混凝土不同深度孔溶液中的PH值没有规律。可以通过增加混凝土保护层厚度延缓PH值的降低。

3 孔隙溶液PH值的预测模型

图5各混凝土孔溶液PH值与暴露时间关系图 图6各混凝土PH值与孔深关系图

如图5和6所示，各混凝土孔溶液PH值与暴露时间和孔深度均成呈二次函数。同理可知各混凝土孔溶液PH值与水灰比呈线性函数。混凝土孔溶液PH值均随深度的增加增大，孔隙溶液的PH值降幅随混凝土的水灰比增加而增加，孔隙溶液的PH值随暴露时间增加而逐渐降低，而PH值的大小和初始的PH值决定的，同时考虑降低主要是由于碳化引起的，需要引入碳化扩散系数Deff，因此需要引入一个误差函数，建立的孔隙溶液的PH值预测模型，见式（1）

（1）

式中， t为s；w/c为水灰比； x为距混凝土表面的距离mm；Deff为CO2在混凝土中的表观扩散速度或有效扩散系数,m2/s；PH为时刻距混凝土表面x 处的PH值；PH0为初始距混凝土表面x处的PH值。

erf(•)为如式(2)定义的误差函数

（2）

蒋金洋[7]等提出混凝土有效扩散系数与其影响因素的关系可以用式(3)表示：

(3)

式中, D0为CO2在混凝土中的扩散系数 (m2/s)；K为养护环境影响系数；KRH为混凝土服役环境中相对湿度影响系数；Kθ为混凝土服役环境中温度影响系数。根据式（1）和（3）可得孔隙溶液的PH值预测模型

(4)

可以计算混凝土中任何时刻的PH值，进而预测混凝土寿命。

4.结论

研究盐湖地区现场混凝土孔溶液中碱度随时间的变化规律是揭示混凝土耐久性的一个

重要途径。通过研究不同水灰比、不同暴露时间和不同孔深的混凝土孔溶液的PH值，分析

各因素对孔溶液PH值的影响，得到如下结论。

（1）各混凝土孔隙溶液的PH值随暴露时间增加而逐渐降低，这是因为混凝土表面受到碳化和在盐渍土中受到干湿、冻融循环的作用，表面产生裂缝，盐渍土中有害离子通过混凝土内部的微裂缝和孔隙进入混凝土内部，进而降低了混凝土的PH值。各混凝土孔溶液PH值与暴露时间呈二次函数关系。

(2) 各混凝土孔隙溶液的PH值降幅随混凝土的水灰比增加而增加。这是因为水灰比越大，混凝土强度越低，抵抗环境破坏的能力差，各混凝土孔溶液PH值与水灰比呈线性函数。

(3)各混凝土孔溶液PH值均随深度的增加增大，这是因为混凝土的各种损伤和腐蚀作用都是从表面逐渐向内部推移；当表面一定深度范围内的混凝土中的提供的多余碱性物质被全部消耗，从此以后，混凝土孔隙溶液的PH值开始降低。各混凝土孔溶液PH值与孔深度呈二次函数关系。

（4）引入了Deff与误差函数，建立了混凝土孔溶液PH值预测模型，模型中各混凝土孔溶液PH值与水灰比呈线性关系，与孔深和暴露时间呈平方根函数。可以计算混凝土中任何时刻的PH值，进而预测混凝土寿命

参考文献：

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[2]M.AbdEI.Aziz. Hydration and durability of sulfate-resisting and slag cement blends in Caron’s Lake Water. Cement and Concrete Research，2005.35(8):1592-1600

[3]VSaraswhat, Influence of activated fly ash on corrosion-resistance and strength of concrete. Cement and Concrete Composites,2003. 25(7):673-680

[4]洪乃丰.混凝土中钢筋锈蚀与防护技术(3)—氯盐与钢筋锈蚀破坏，工业建筑，1999 29(10): 60- 63

[5]M. F.Montemo Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniques. Cement and Concrete Composites.2003.25:491-502

[6}H.A.E.Dhwh,S., Chloride-induced reinforcement corrosion in blended cement concrete exposed to chloride sulfate environment. Magazine of Concrete Research, 2002.5:355-364.

[7]余红发，孙伟等. 盐湖地区高强混凝土的配制技术和基本性能[J].建筑材料学报，2003(4)：410-415.

[8]余红发，孙伟，鄢良慧等. 混凝土使用寿命预测方法的研究I-理论模型[J]. 硅酸盐学报, 2002, 30(6): 686-690.

[9]余红发，孙伟，麻海燕等. 混凝土使用寿命预测方法的研究Ⅱ-模型验证与应用 [J]. 硅酸盐学报, 2002, 30(6): 691-695.

基金项目：浙江省自然科学基金项目(LY12E08003)；浙江省科技计划项目(2013C31011)；国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2009CB623203);国家自然科学基金项目（51178221）

作者简介：张凤群(1974-)，硕士研究生，工程师，吉林延边公路运输局，研究方向：桥梁耐久性。