现场监测高性能混凝土在冻结/冻融周期的变化与标准试验的关系

作者：冰岛雷克雅末  冰岛建筑研究院  Dr. Gisli Gudmundsson 

概要：

混凝土耐久性是影响腐蚀性环境中混过凝土表现的一个关键因素。本研究项目的目的在于推断出控制着环境侵蚀性的变量的性质。

空气与湿度传感器和腐蚀传感器都被事先浇铸在桥墩被水淹没的区域，该部分区域的保护层在1999年的时候就曾经修补过。

经过3年的时间腐蚀传感器依然工作良好。正负电极之间没有记录下任何的变化，这表明了氯化物并没有大面积的渗透到混凝土中。氯离子渗透的数据证明了混凝土的低氯含量性。这并不奇怪，因为本次工程的混凝土质量非常高，因此保护层短时间内并没有锈蚀危险了。

绪论：

本研究的主要目的旨在评估冻结/融化周期的数量及其对暴露在海水中的混凝土的影响程度，并全面评估高性能混凝土在恶劣环境下的抗冻性和抗氯离子腐蚀性整体表现和使用期限。

本次研究所挑选出来的结构样本位于冰岛西部，该结构于1999年进行了环绕每个桥墩的保护层的浇铸，见图1。其中*个桥墩在1998年进行过修复，而第二个桥墩的修复工作在1999年进行。该保护层由高性能混凝土制成的，是根据Gudmundsson and Wallevik (2002)标准来选择混凝土粘结剂及预混合设计的。同时第三个桥墩也在2002年用自密实混凝土围绕着桥墩进行了修复。

图1a  桥梁外貌                       图1b  1999年所浇铸的保护层

整个桥梁总跨度是512米

原始混凝土的老化过程作者曾在别的著作中描述过（详见Gudmundsson，1997）。简而言之，混凝土所受到的损害是冻结/冻融周期所带来的危害与海水侵蚀相结合的结果。

修复中所使用混凝土的种类是根据Gudmundsson and Wallevik, 2002的标准来选择的。基于抗冻性测试和氯离子渗透率测试的试验结果，我们在混凝土保护层里面选用了三元混纺粘结剂。保护层由40％的细粒化高炉矿渣(5000 Blaine)，5％硅粉和55％的普通硅酸盐水泥(CEM I)。混凝土集料则选择了高质量的进口花岗岩碎石。而水灰比始终确保为0.33。混凝土的性能是借助于聚羧酸分散外加剂和tensid and vinsol 树脂混合剂来实现的。总体而言，该混凝土的性能是值得肯定的。

一般的，新搅拌的混凝土内的空气含量为8%，并且在浇注混凝土过程中会有大量的空气被挤压出去。但是在实际凝结的混凝土样品内，空气含量在总体积内占的空间系数，低的为3%，大约为0.4mm高度；高的为10%，大约为0.15mm高度。

混凝土的设计抗压强度大约为70 Mpa，但是由于内部的高空气含量使得它的实际强度远远要低于这个值。当混凝土28天抗压强度为45Mpa.在混凝土浇注完毕后一年，在混凝土内部钻芯取样，测得的强度位62Mpa。也就是说浇注后一年，混凝土的强度发生了变化。

表1显示了一组在保护层上所做的关于冻结/冻融试验的测试结果。测试样品依照CEN prEn xxxx 1999 标准，参考了瑞典SS 137244标准。试验为一个缩放试验，样品放在3%的NaCl溶液中。

表1.在混凝土保护层上进行的缩放试验结果(kg/m2)

这次的缩放试验结果非常好，结果显示出在冻结/冻融缩放试验中，混凝土内的空气含量与混凝土内部的电阻系数结果并无关系。

现场监测

针对不同的潮流位置，温度传感器安装在覆盖层里面三个深度位置：

位置一：在海平面以下（被水淹没区域）或者距离混凝土保护层底端有20cm处，温度传感器安装在保护层表面以下5cm的位置。

位置二：在潮间带下部，在距离混凝土保护层底端上方70cm处，两个热电偶会分别安装在表面以下5Ccm和9cm处。

位置三：处于潮间带上部，距离混凝土保护层顶端下方70cm处，两个热电耦安装在表面以下5cm和9cm的地方。

所有的5个温度传感器和另外一个安装在桥面板表面的温度传感器都连接到一个数据采集仪上面，用于记录每个小时的温度。

两个相对湿度传感器也安装在保护层里面，不幸的是测试结果数据显示保护层内部的相对湿度都是100％，这说明了传感器内部充有浓缩的水蒸气。不容置疑，相对湿度传感器的数据是无效错误的。后，两套腐蚀监测器被安装在保护层里。一套安装在位置二，一套安装在位置三。每套监视器都由一个参比电极和一个腐蚀传感器组成。这些腐蚀传感器是本章的主要介绍对象。温度测试的结果已经在其他论文(Gudmundsson, 2003)描述过。

混凝土保护层是在1999年夏季晚段时间浇筑的，腐蚀监测是从1999年的12月23日开始。桥梁的大的潮差是3m。

温度测试的结果：

图二显示了从1999年12月23日到2001年2月26日采集到的温度数据，由于采集仪出了故障，2000年夏天的数据丢失了。这个期间，在采集的数据里观测到有66个冰冻时间段，平均温度是–1.82 °C，持续的时间是36.5小时。

腐蚀传感器：

通过电位测试可以监测混凝土结构腐蚀的开始时间。腐蚀传感器植入到混凝土里面，一般会在混凝土浇筑期间安装到位。这套腐蚀传感器由不同高度位置的四个阳极和一个阴极组成，通常也会辅助安装一个参比电极。目前，这样的腐蚀传感器有几种。

图3 CORROWATCH腐蚀传感器与参比电极

两套CORROWATCH腐蚀监测器安装在混凝土保护层里的两个不同位置，分别是潮间带的上部和下部。每套传感器都由一个参比电极和一个腐蚀传感器组成，腐蚀传感器有四个处于不同高度的可以牺牲的阳极。如图3，四个阳极的位置分别处于表面以下35(1),40(2),45(3),50(4)mm处，参比电极安装在表面以下60mm处。

从电流值的提高可以判断敏锐的氯化物由钝态向非钝态发展，也就是说腐蚀开始了。*年应该多读取几次数据，以后可以每年读取一次或者两次监测数据。图4描述了靠近表面的可牺牲的阳极遭遇氯化物开始腐蚀的情况，分为两个阶段，腐蚀监测器经历的氯化物渗透引起的腐蚀。

图4 显示了*个可牺牲阳极腐蚀的开始

当氯化物层到达阳极1，或者当阳极1周围混凝土的氯离子含量达到一个危险程度时，阳极会开始被腐蚀。结果显示，关于这个阳极的测试数据（电位值）会发生改变（如图5）。其他阳极的读数会保持原来的数值，直到周围环境的氯离子含量达到一个危险的水平。

图5 阳极1在两个阶段的读数显示

通过安装CORROWATHC腐蚀监测器或者其他类似的监测器，任何混凝土结构氯化的趋势都是可以测试的，而且开始腐蚀的时间是可以非常准确的预知的。

混凝土保护层里的CORROWATCH腐蚀监测器:

如果几年后，腐蚀监测器都工作良好，而且读数没有发生改变，那说明氯化物还没有大量侵入到混凝土内部，参照表2.由于混凝土的性能非常好，所以显得一点都不奇怪。

表格2. CORROWATCH腐蚀监测器读数

4年后，混凝土钻芯取样，并且测试芯样的氯离子含量。芯样被车床磨碎并把粉末溶解到HNO3 酸溶液里，通过滴定的方法测得氯离子的含量。测试分析结果在图6显示。

图6 4年后结构的氯离子含量

分析数据只是给出了从0－12mm处的深度区间，但是*个阳极位于结构表面以下35mm处。另外，钢筋是处于保护层表面以下60mm处。为了评估*个阳极处的氯含量，需要通过表面评估电流研究来做12月龄期的氯离子扩散率测试。氯离子扩散率测试使用CTH－test测试方法。计算剖面同样显示在图6中。在35mm处，氯化物含量大概是混凝土重量的0.03%。这时候钢筋并不会出现锈蚀直到氯化物含量大于混凝土重量的0.1%.在接下来的4－5年里*个阳极并没有象预期那样开始腐蚀，混凝土里的氯含量仍然很低，不足以引起腐蚀发生。因此，从CORROWATCH传感器出来的数据并没有发生大的改变就并不奇怪了，参考图2。

使用CORROWATCH传感器获得试验数据的实际问题出现了，腐蚀传感器给出的信号需要和时间一起综合考虑。针对这个问题在实验室里面进行过进一步的测试，把一个腐蚀传感器浸泡在饱和Ca(OH)2里，这是为了防止锈蚀和模拟混凝土环境。传感器连接到数据采集仪上面，每15分钟记录一次电压值。数据见图7。

图7 传感器放在饱和Ca(OH)2溶液里，连接到数据采集仪，每15分钟记录一次电压值

在前面三天里，读数基本上稳定在10mV。第三天，停止监测，电路也被断开了6天。在第九天重新监测读数，*个读数大约140mV，但是随后的读数显示电压值下降的很快，一天后，读数重新回复到10mV。这是因为实验室房间里面的环境温度波动导致了读数也出现波动。

试验基地的经验表明了要想从每个阳极获得一个理想的读数起码需要等待30分钟，两个腐蚀传感器就有8个八个阳极，总共8个读数，这总共需要4个小时，这是非常浪费时间的，对于远程的现场监测是非常糟糕的。可取的办法是把这些传感器都连接到一个数据采集仪上去，每隔一定时间采集电压值。

对于质量很好的，氯离子渗透系数很低的混凝土结构，腐蚀传感器必须安装在靠近表面的地方而不是结构的内部深处。这样，经过几年的数据采集分析后，就可以评估混凝土钢筋开始腐蚀的时间。

结论：

1、经过三年期间对CorroWatch的数据收集我们可以看到，*个可牺牲阳极并没有丝毫的腐蚀。

2、腐蚀传感器经过三年依然能如常工作，并进一步告诉我们，只有极低的氯离子扩散率发生了。

3、氯离子扩散率数据显示，快的腐蚀可能会发生在大约8年以后。

4、现场监测因其耗时巨大，因此收集CorroWatch数据的好方法就是利用数据采集仪。

5、为了快速预报混凝土建筑物腐蚀的开始并定位腐蚀探头的位置，在研究测试中腐蚀探头必须尽可能的靠近表面。

鸣谢：

本研究获得了国家公路局的科研补助金支持，予以感谢。同样感谢来自国家公路局的Einar Haflidason和 Rognvaldur Gunnarss，以及来自冰岛建筑研究院的Hakon Olafsson 和Dr. Olafur Wallevik，感谢他们在本研究过程中所给予的意见和建议。

参考书目：

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.