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境中混過凝土表現的一個關鍵因素。本研究項目的目的在于推斷出控制著環境侵蝕性的變量的性質。

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，這表明了氯化物并沒有大面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。這并不奇怪，因為本次工程的混凝土質量非常高，因此保護層短時間內并沒有銹蝕危險了。

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，并全面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表現和使用期限。

本次研究所挑選出來的結構樣本位于冰島西部，該結構于1999年進行了環繞每個橋墩的保護層的澆鑄，見圖1。其中*個橋墩在1998年進行過修復，而第二個橋墩的修復工作在1999年進行。該保護層由高性能混凝土制成的，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。同時第三個橋墩也在2002年用自密實混凝土圍繞著橋墩進行了修復。

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

整個橋梁總跨度是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海水侵蝕相結合的結果。

修復中所使用混凝土的種類是根據Gudmundsson and Wallevik, 2002的標準來選擇的。基于抗凍性測試和氯離子滲透率測試的試驗結果，我們在混凝土保護層里面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％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量的進口花崗巖碎石。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 樹脂混合劑來實現的。總體而言，該混凝土的性能是值得肯定的。

一般的，新攪拌的混凝土內的空氣含量為8%，并且在澆注混凝土過程中會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，空氣含量在總體積內占的空間系數，低的為3%，大約為0.4mm高度；高的為10%，大約為0.15mm高度。

混凝土的設計抗壓強度大約為70 Mpa，但是由于內部的高空氣含量使得它的實際強度遠遠要低于這個值。當混凝土28天抗壓強度為45Mpa.在混凝土澆注完畢后一年，在混凝土內部鉆芯取樣，測得的強度位62Mpa。也就是說澆注后一年，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于凍結/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。試驗為一個縮放試驗，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，混凝土內的空氣含量與混凝土內部的電阻系數結果并無關系。

現場監測

針對不同的潮流位置，溫度傳感器安裝在覆蓋層里面三個深度位置：

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

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

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

所有的5個溫度傳感器和另外一個安裝在橋面板表面的溫度傳感器都連接到一個數據采集儀上面，用于記錄每個小時的溫度。

兩個相對濕度傳感器也安裝在保護層里面，不幸的是測試結果數據顯示保護層內部的相對濕度都是100％，這說明了傳感器內部充有濃縮的水蒸氣。不容置疑，相對濕度傳感器的數據是無效錯誤的。后，兩套腐蝕監測器被安裝在保護層里。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參比電極和一個腐蝕傳感器組成。這些腐蝕傳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年夏季晚段時間澆筑的，腐蝕監測是從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1999年12月23日到2001年2月26日采集到的溫度數據，由于采集儀出了故障，2000年夏天的數據丟失了。這個期間，在采集的數據里觀測到有66個冰凍時間段，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。腐蝕傳感器植入到混凝土里面，一般會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陽極和一個陰極組成，通常也會輔助安裝一個參比電極。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腐蝕監測器安裝在混凝土保護層里的兩個不同位置，分別是潮間帶的上部和下部。每套傳感器都由一個參比電極和一個腐蝕傳感器組成，腐蝕傳感器有四個處于不同高度的可以犧牲的陽極。如圖3，四個陽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，以后可以每年讀取一次或者兩次監測數據。圖4描述了靠近表面的可犧牲的陽極遭遇氯化物開始腐蝕的情況，分為兩個階段，腐蝕監測器經歷的氯化物滲透引起的腐蝕。

圖4 顯示了*個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危險程度時，陽極會開始被腐蝕。結果顯示，關于這個陽極的測試數據（電位值）會發生改變（如圖5）。其他陽極的讀數會保持原來的數值，直到周圍環境的氯離子含量達到一個危險的水平。

圖5 陽極1在兩個階段的讀數顯示

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。

混凝土保護層里的CORROWATCH腐蝕監測器:

如果幾年后，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部，參照表2.由于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年后，混凝土鉆芯取樣，并且測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年后結構的氯離子含量

分析數據只是給出了從0－12mm處的深度區間，但是*個陽極位于結構表面以下35mm處。另外，鋼筋是處于保護層表面以下60mm處。為了評估*個陽極處的氯含量，需要通過表面評估電流研究來做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%。這時候鋼筋并不會出現銹蝕直到氯化物含量大于混凝土重量的0.1%.在接下來的4－5年里*個陽極并沒有象預期那樣開始腐蝕，混凝土里的氯含量仍然很低，不足以引起腐蝕發生。因此，從CORROWATCH傳感器出來的數據并沒有發生大的改變就并不奇怪了，參考圖2。

使用CORROWATCH傳感器獲得試驗數據的實際問題出現了，腐蝕傳感器給出的信號需要和時間一起綜合考慮。針對這個問題在實驗室里面進行過進一步的測試，把一個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境。傳感器連接到數據采集儀上面，每15分鐘記錄一次電壓值。數據見圖7。

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

在前面三天里，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，*個讀數大約140mV，但是隨后的讀數顯示電壓值下降的很快，一天后，讀數重新回復到10mV。這是因為實驗室房間里面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每個陽極獲得一個理想的讀數起碼需要等待30分鐘，兩個腐蝕傳感器就有8個八個陽極，總共8個讀數，這總共需要4個小時，這是非常浪費時間的，對于遠程的現場監測是非常糟糕的。可取的辦法是把這些傳感器都連接到一個數據采集儀上去，每隔一定時間采集電壓值。

對于質量很好的，氯離子滲透系數很低的混凝土結構，腐蝕傳感器必須安裝在靠近表面的地方而不是結構的內部深處。這樣，經過幾年的數據采集分析后，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的數據收集我們可以看到，*個可犧牲陽極并沒有絲毫的腐蝕。

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

3、氯離子擴散率數據顯示，快的腐蝕可能會發生在大約8年以后。

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。

5、為了快速預報混凝土建筑物腐蝕的開始并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面。

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，以及來自冰島建筑研究院的Hakon Olafsson 和Dr. Olafur Wallevik，感謝他們在本研究過程中所給予的意見和建議。

參考書目：

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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.

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

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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.

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