重复压应力和高水压作用下混凝土氯离子渗透性试验研究

蒋玉川 刘凤英 宫 建

（中国建筑材料科学研究总院 中国建材检验认证集团股份有限公司 北京 100024）

1 前 言

随着现代化城市的飞速发展，地下结构物尤其是地铁成为各大城市的重要组成部分，混凝土抗氯离子渗透性能是混凝土耐久性研究中的重要内容。地下混凝土同时承受着高水压力作用和重复荷载作用，这两个重要环境是无法忽略的，高水压作用下以及重复压应力荷载作用后混凝土抗氯离子渗透性能的研究有重要的意义。

氯离子在混凝土中的渗透行为包括扩散、渗透、毛细吸附、物理或化学吸附作用等[1]，在存在水压力作用下，水会随着压力梯度渗入混凝土中，氯离子也会随水的渗透而进入混凝土中，这样会加速氯离子进入混凝土的速率。目前学者对混凝土氯离子渗透性的研究非常多，然而大部门没有考虑荷载或裂缝对氯离子渗透性能的影响，尤其是没有考虑荷载引起的裂缝影响，实际工程中大部分结构物都承受着各种荷载作用，混凝土中总是存在着各种因素引起的裂缝或微裂缝。混凝土中的裂缝及微裂缝对混凝土氯离子渗透性有着不同程度的影响。[2-3]

本文主要研究不同重复压应力、不同水压力对混凝土氯离子渗透性能的影响，分别设置了40%、60%和80%的压应力以及1MPa和2MPa的水压力，配制了五种不同水胶比的高性能混凝土，通过测定混凝土的氯离子渗透性能，研究重复压应力、高压环境下混凝土的耐久性能。

表1 唐山北极熊防腐型抗裂防水剂性能

表2 混凝土配合比及28d抗压强度

2 试验细节

2.1 试验原材料

试验采用P.O42.5水泥，3d抗压强度为24.9MPa，28d抗压强度为46.3MPa；中砂，细度模数为2.9；石灰岩质碎石，最大粒径25mm；Ⅱ级粉煤灰；高效减水剂；唐山北极熊建材有限公司生产的防腐型抗裂防水剂，其性能见表1。

2.2 试验方法

2.2 .1 氯离子渗透试验方法

本文采用ASTM 1202氯离子渗透试验方法，该方法通过测定混凝土的电通量来快速的评价混凝土的抗氯离子渗透性能。混凝土配合比见表2。

氯离子渗透试验具体方法是：混凝土试件成形养护56d后，切成50 mm厚，100 mm直径的试件，在真空条件下处理3小时，然后再真空饱水1小时，经真空饱水后再在水中浸泡18个小时。试件经上述处理后固定在两个特定的水槽之间，水槽所用溶液分别为质量浓度3.0%的NaCl和体积浓度0.3 mol/L的NaOH。在两个水槽间施加60 V的直流电场，持续通电6小时后测定通过混凝土试件的总电量。

通过测定规定时间内通过混凝土的电量高低可以判断混凝土的抗氯离子渗透能力。评定标准如表3所示。

表3 混凝土抗氯离子渗透性评定[5]

2.2 .2 重复压应力试验方法

混凝土重复压应力试验主要是模拟列车轨道的重复压力作用下，混凝土受到了不同程度的变形，产生了不同程度的微裂缝，此种条件下混凝土氯离子渗透性能的变化趋势。混凝土试件养护至规定龄期，采用微机控制液压压力机，设置不同水平的压应力荷载，进行加压——卸压循环五次，然后将混凝土试件沿平行压力方向和垂直压力方向切割成符合氯离子渗透性测试的试件，进行电通量试验。此种方法在切割试件时尤其要小心，防止切割不当，造成混凝土微裂缝的变化。

表4 重复压应力荷载下混凝土氯离子渗透性性能

2.2 .3 高压处理方法

混凝土高压试验设置不同的水压力，模拟存在水压力的情况下混凝土的抗氯离子渗透性能。此试验采用自行改造仪器，结合加压设备和密闭加压容器对混凝土周围的溶液进行稳定的施压，混凝土浸泡在恒定压力的氯离子溶液中达到规定的龄期后，测定氯离子渗透深度。此方法的原理是氯离子在压力的作用下，通过对流和扩散的方式渗入混凝土内部。试验装置如图1。试验中的混凝土试块只留一面接触氯离子溶液，其余五面全部用蜡密封。

图1 混凝土抗氯离子渗透性水压力方法加压装置

3 试验结果及分析

3.1 重复压应力荷载对混凝土氯离子渗透性的影响

3.1 .1 不同压应力水平对混凝土氯离子电通量的影响

图2 重复荷载对电通量的影响（平行方向）

从不同重复压应力荷载对氯离子电通量的影响试验研究结果可以看出，经历40%的重复压应力，混凝土抗氯离子渗透性能变化不大，并有些许的降低，说明40%的重复压应力荷载对混凝土氯离子渗透性能影响不大，此种水平的重复荷载基本没有改变混凝土内部微观结构，相反，在40%重复荷载水平下，混凝土还会稍有压缩变形，使得混凝土密实性有所提高，所以，混凝土抗氯离子渗透性能还有些许提高。

图3 重复荷载对电通量的影响（垂直方向）

60%和80%的重复压应力对混凝土氯离子渗透性能有明显的影响，说明了超过60%的重复压应力荷载使得混凝土内部产生了裂缝，混凝土氯离子渗透性能对裂缝极其敏感，表现出抗渗透性能大幅度的降低。80%的重复压应力荷载比60%的重复压应力荷载水平对混凝土抗氯离子渗透性的影响更加明显，抗氯离子渗透性能降低幅度更大，80%的重复压应力荷载对混凝土破坏较大，使混凝土内部产生大量的裂缝，并连通程度更大。

法国的Hani R.Samaha和Kenneth C.Hover[6]研究表明，荷载水平低于75%时，导电量不受荷载的影响，但是荷载水平高于75%时，导电量提高20%以上。日本的Mitsuru Saito[7]研究表明，即使静态荷载加到极限强度的90%，对导电量也没有多大的影响；而经受60%应力水平的循环荷载对导电量有现状的影响，但应力水平小于50%时，循环荷载对导电量的影响也不大。各国专家对荷载对混凝土氯离子渗透性能影响研究的结果有些差异，主要是因为受到试验条件以及混凝土配合比等多方面因素的影响，不过可以得出结论：重复压力荷载低水平的情况对混凝土氯离子渗透性能影响不大；而高水平压应力对混凝土氯离子渗透性能影响较明显，尤其是70%以上的压力水平，增大了混凝土的电通量。

从图中还可以看出，水胶比越大，60%以上的重复压应力对氯离子渗透性的影响越大，混凝土抗氯离子渗透性能降低越大；水胶比越小，60%以上的重复压应力对混凝土氯离子渗透性能的影响越小。可能是由于高水胶比的混凝土抗拉强度较高，在同种水平的荷载作用下，混凝土内部产生的微观裂缝较少；并且，低水胶比的混凝土比较密实，内部孔隙较少，虽然产生裂缝，但是裂缝连通性相对较差，导致经过此水平的重复荷载后，混凝土抗氯离子渗透性能降低幅度较小。

3.1 .2 不同压力方向对混凝土氯离子电通量的影响

比较不同方向的氯离子渗透性能，平行于混凝土压应力方向的混凝土抗氯离子渗透相对较差，可能是因为混凝土内部因压应力产生的裂缝多为平行于压应力方向，在此方向上进行氯离子渗透试验时，裂缝成为氯离子顺利通过的有利通道，会更大幅度的提高氯离子渗透性。而在垂直与压应力方向进行氯离子渗透试验，由压应力荷载产生的裂缝对其渗透性的影响会更小。

3.2 高水压对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

3.2 .1 水压力下混凝土氯离子渗透规律分析

图4 AⅠ型混凝土氯离子渗透性趋势

图5 AⅢ型混凝土氯离子渗透性趋势

图6 AⅡ型混凝土氯离子渗透性趋势

图7 BⅠ型混凝土氯离子渗透性趋势

图8 BⅡ型混凝土氯离子渗透性趋势

图9 水压力对混凝土氯离子渗透的影响深度

从图4～图8不同水压力情况下的混凝土氯离子渗透深度趋势图可以 看出，随着浸泡龄期的增长，氯离子渗透深度呈现上升的趋势，并且龄期越短，上升的速率越大，随着龄期增长，氯离子渗透深度增长趋势变缓。混凝土作为一种多孔结构的混合体，其表层存在一定数量的孔隙通道，这些孔隙通道使得混凝土表层一定深度范围内与周围的环境直接相通，因此氯离子很容易渗透入混凝土表层一定的深度，在浸泡初期，尤其是第一天氯离子渗透速度很快。随着深度的增加，混凝土内部与外界的直接相通的孔隙越来越少，氯离子溶液只能通过间接通道渗入，因此3d龄期后的氯离子渗透速率明显下降。

1MPa和2MPa的水压力对混凝土氯离子渗透深度具有明显的影响，压力越大，氯离子渗透深度也越大。从图中可以看出，浸泡各个龄期，水压力情况下的氯离子渗透深度较自然浸泡情况下的氯离子渗透深度都有较大幅度的增大，1MPa水压力情况下，1d、3d、7d、14d各龄期的氯离子渗透深度较自然浸泡的氯离子渗透深度分别增加了234%～306%、127%～190%、81%～96%、62%～76%，而2MPa水压力情况下1d、3d、7d、14d各龄期的氯离子渗透深度增加了359%～573%、166%～201%、107%～146%、82%～103%。

水压力对混凝土浸泡初期的氯离子渗透速率影响明显，压力越大，浸泡初期的氯离子渗透速率越大。混凝土在水压力溶液中浸泡1d后，尤其是3d龄期后，氯离子渗透深度的增长速率与自然浸泡的氯离子渗透深度增长速率基本相同，并且，龄期越长，速率越接近。因此可以推测，不大于2MPa的水压力对氯离子渗透深度的影响只存在于混凝土表层渗透，并且压力越大，所能影响到的深度越大，当达到一定深度后，其内部的氯离子渗透规律基本和自然浸泡条件下的渗透规律相同。基于此判断，水压力对氯离子渗透的影响可以采用14d水压力浸泡后的氯离子渗透深度与自然浸泡14d的氯离子渗透深度之差表示。图9表示出了1MPa和2MPa的水压力对混凝土氯离子渗透深度的影响。

3.2 .2 水胶比对水压力下混凝土氯离子渗透性的影响

图10 水压力对混凝土氯离子渗透的影响深度

图10为1MPa和2MPa的水压力对不同类型的混凝土氯离子渗透的影响深度示意图。从图10可以看出，随着水胶比的降低，1MPa和2MPa的水压力对混凝土氯离子渗透的影响深度呈下降趋势，水胶比越小，混凝土微观结构越密实，混凝土内部联通通道越少，混凝土抗渗性越好，因此高水压力对混凝土氯离子渗透的影响深度越小。由此看来，高水压力对混凝土氯离子渗透的影响深度可以表征混凝土抗渗性能的优劣，相同的高水压对混凝土氯离子渗透的影响深度越大，表明混凝土抗渗性越差，相反，影响深度越小，表明混凝土抗渗性越好。

4 结论

1）不同高水压作用下的混凝土氯离子渗透深度随着浸泡龄期的增长呈上升趋势，龄期越短，上升速率越大，这与混凝土是多孔结构物有关。1MPa和2MPa的水压力对混凝土氯离子渗透深度具有明显的影响，压力越大，氯离子渗透深度也越大，并且浸泡初期的渗透速率越高。

2）2 MPa以下的高水压力对氯离子渗透深度的影响只存在于混凝土表层渗透，水压力对氯离子渗透深度的影响可以采用14d水压力浸泡与自然浸泡14d的氯离子渗透深度之差表示，即水压力对氯离子渗透的影响深度，此值可以表征混凝土抗氯离子渗透性能的优劣。

3）40 %的重复压应力荷载对混凝土抗氯离子渗透性能影响不大，而60%和80%的重复压应力荷载对混凝土氯离子渗透性能有明显的影响，并且不同荷载方向的氯离子渗透性能也不同。平行于混凝土压应力方向的混凝土抗氯离子渗透比垂直方向的差。

[1] 李伟文，荷载作用下混凝土氯离子渗透性研究，中国建材科技，P19～25.

[2] P.Locoge, M.Massat, J.P.Ollivier, etc.Ion diffusion in Micro-cracked concrete.Cement and Concrete Research,1992, 22(2)：431～438.

[3] Corina-Maria Aldea, Surendra.P.Shah, Alan Karr.Effect of cracking on water and chloride permeability of concrete.Journal of Materials in Civil Engineering, 1999,9(8)：181～187.

[4] C.C.Lim, N.Gowripalan, V.Sirivivatnanon.Micro Cracking and chloride permeability of concrete under uniaxial compression.Cement and Concrete Composite, 2000,22(6)：353～360.

[5] ASTM C 1202-05, Standard test method for electrical indication of concrete’s ability to resist chloride ion penetration[S].

[6] Hani R.Samaha, Kenneth C.Hover.Influence of Micro-cracking on the Mass Transport properties of concrete.ACI Materials Journal, 1992, 89(4)：416～424.

[7] Mitsuru Saito.Chloride permeability of concrete under static an repeated compressive loading.Cement and Concrete Research, 1995, 25(4)：803～808.