环境条件和应力水平对混凝土中氯离子传输的影响

张伟平，张庆章，顾祥林，钟丽娟，黄庆华

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

处于沿海或海洋环境中的混凝土结构长期受到盐雾作用，由于盐雾中的氯离子侵蚀会引起混凝土中的钢筋锈蚀，降低混凝土结构的承载能力和使用性能，影响结构的耐久性［1-2］.虽然盐雾环境下混凝土的自然暴露试验可以较真实地反映氯离子侵蚀情况，但因试验周期长、重现性差，目前的试验数据尚不足以用来揭示环境因素的影响规律，不能实现耐久性寿命预测.加速试验可以成为探索氯离子传输规律的有效手段［3］.

盐雾环境下，氯离子侵入混凝土的过程主要是氯离子质量浓度差引起的扩散过程，一般用经典的Fick第二定律来描述该过程.其中表面氯离子质量分数和氯离子扩散系数是影响氯离子扩散的基本参数.表面氯离子质量分数是氯离子在混凝土中传输的主要驱动力.实际工程调查发现不同角度侵蚀面会引起表面氯离子质量分数的变化［4］.氯离子在混凝土中的扩散不是线性、稳态的过程，扩散系数是随着外界环境条件和应力水平等变化的函数［5］.基于此，众多学者在Fick第二定律的基础上提出了考虑不同环境和荷载水平等因素的修正传输模型，研究了不同因素产生的加速效应［6］.但是，目前已有研究成果尚难以建立加速试验和自然试验之间的相关性.

为建立加速试验和自然试验相关性，拟重点研究外部环境对氯离子在混凝土中扩散的影响.为了能够在短期内达到较好的加速效果，选用不加掺合料的普通混凝土试件进行不同侵蚀面角度、不同氯化钠溶液质量浓度、不同温度、不同压应力水平下的氯离子侵蚀加速试验，以便更好地确定各因素对氯离子在混凝土中扩散的影响规律.

1 混凝土盐雾侵蚀加速试验

1.1 试件设计

试验采用两种类型水泥.第Ⅰ种是上海海螺水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥.第Ⅱ种采用P.I52.5水泥，其中碱的质量分数(以ρ(Na2O)+0.658ρ(K2O)计)不大于 0.60%，细度为 350 m2·kg-1.细骨料采用河砂，细度模量为2.68.粗骨料采用5～20 mm连续级配的碎石.细骨料和粗骨料用清水冲洗干净晾干后使用.两种类型水泥混凝土的配合比相同，各组分质量比m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(粗骨料)=1∶0.53∶2∶3.试验采用素混凝土试件，不加应力和加应力试件尺寸分别为100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×300 mm.

除水泥种类外，重点研究试件侵蚀面角度θ、氯化钠溶液质量浓度c、环境温度和应力水平等参数对盐雾侵蚀的影响，试件参数如表1所示，其中n为试件数量.试验时试件测试面角度分为水平向上、垂直和45°3种情况，如图1所示，其中阴影面为氯离子侵蚀面.

表1 试件参数设置

图1 不同侵蚀角度的试件

1.2 压应力施加装置

试件浇筑后，在温度为(20±3)℃，相对湿度大于90%的环境中标准养护28 d，然后对试件C9，C10和C11施加压应力.

施加压应力装置由2块钢板和4根螺杆组成(见图2)，通过拧螺栓施加压力.为了方便操作，4根螺杆底部与钢板焊接连接.施压之前，利用一组P.O42.5水泥混凝土棱柱体试件测定试件混凝土抗压强度平均值为25.8 MPa.利用试验机加压至预设值水平，然后拧紧螺栓，试验机逐渐释放压力，在试验机卸载过程中混凝土有一定的应力恢复.利用应变片测量的4根螺杆的应变值计算卸载后混凝土实际受力水平值(小于预设值)，然后通过拧螺栓施压，直至达到目标应力.为防止装置在试验中发生锈蚀，对其进行了防腐处理.

图2 压应力试验装置

1.3 盐雾侵蚀环境的模拟

盐雾侵蚀试验是在盐雾箱内进行的，其中盐雾箱的工作原理如图3所示.该方法借助于压缩空气将盐溶液压入喷嘴，再将盐溶液喷成细雾状，并充满盐雾箱空间，沉降在盐雾箱内放置的混凝土试件上.

图3 盐雾箱原理示意图

选择试件的一个侧面作为侵蚀面，其他5面涂刷2遍环氧树脂，以模拟氯盐一维传输.将经表面处理后的试件置于盐雾箱，开始盐雾加速侵蚀试验.试验采用上海昱新仪器有限公司生产的SH-90型盐水喷雾试验机，模拟海洋大气环境下盐雾侵蚀环境.喷雾期间，箱内相对湿度接近100%，通过调整氯化钠溶液质量浓度和温度可实现混凝土盐雾侵蚀的加速试验.

在海洋大气的自然环境中，与海岸线之间距离的不同以及距离海平面高度的不同，大气中的盐雾浓度及其沉降量均不同［7］.由于在盐雾侵蚀加速试验中，盐雾沉降量不易控制，因此，试验之前，对氯化钠溶液质量浓度与盐雾沉降量之间的关系进行了测定.盐雾箱连续喷雾24 h后，在盐雾箱中放置量杯，经过一定时间后测量氯化钠溶液的质量浓度，即为盐雾沉降量.测定的盐雾沉降量与氯化钠溶液质量浓度关系如表2所示.

表2 盐雾沉降量与氯化钠溶液质量浓度的关系

由表2可知:盐雾沉降量随着氯化钠溶液质量浓度增加而增加，说明可以用氯化钠溶液质量浓度来控制和实现盐雾的加速侵蚀;但随着氯化钠溶液质量浓度增大，两者偏差也增大.

分别在连续喷雾15，30，45和60 d时，取出试件.沿氯离子传输方向用直径23 mm的钻头分3次钻孔取粉，钻取深度以钻头前端达到的深度为准.取粉深度分别为 0～3，3～6，6～9，9 ～12，12～15，15～20，20 ～25，25 ～30，30 ～35，35 ～40，40 ～45，45～50 mm.从不同深度的混凝土粉末中用分析天平称取1.5 g，与RCT氯化物萃取液相混合，放置24 h，然后测试混凝土中的总氯离子质量分数(总氯离子质量占混凝土质量的百分比).

2 盐雾环境混凝土中的氯离子传输

分别于盐雾作用15，30，45和60 d时测定试件C1，C6和C7中氯离子质量分数，其分布曲线如图4所示.

由图4可知:随着时间增长，盐雾逐渐在混凝土表面沉降，近表面处的氯离子质量分数逐渐增加.随着近表层处氯离子质量分数的增加和试验时间的持续，混凝土内不同深度处氯离子质量分数也有不同程度的增长.然而随着盐雾在混凝土表面的逐渐液化，液态水分的流动可能将部分表面处氯离子洗去.

由图4还可知:部分氯离子质量分数的最高值不在表面，而在离表面一定距离处，即距表面的第2个测点处.这与文献［8］对青岛某码头的实际调查结果相同.因此，盐雾环境下混凝土中氯离子质量分数分布曲线主要包括表面氯离子质量分数、纯扩散区界面氯离子质量分数，氯离子表观扩散系数特征参数，其中氯离子表观扩散系数是根据总氯离子分布拟合确定的氯离子扩散系数.

如果将混凝土模拟成宏观均匀、各向同性的处于饱和状态的介质，则氯离子在这一区域混凝土中传输是一个扩散过程.应用Fick第二定律建立氯离子质量分数与时间t的关系为［5］

式中:C(x，t)为t时刻距混凝土表面x处的氯离子质量分数(氯离子质量占混凝土质量的百分比)，%;Cs为纯扩散区界面L处氯离子质量分数，%;Dc为氯离子表观扩散系数，m2·s-1;x为距混凝土表面的距离，mm;t为时间，s;L为纯扩散区边界距混凝土表面的距离，mm，根据本研究中不同深度氯离子质量分数分布，如图4所示，L=7.5 mm.

图4 不同盐雾作用时间混凝土中氯离子质量分数分布

3 侵蚀面角度对氯离子质量分数影响

图5为2组不同水泥混凝土试件在盐雾箱中加速侵蚀60 d后的实测氯离子质量分数分布曲线.试件C1，C2和C3侵蚀面角度不同.

由图5可知:侵蚀面水平向上的试件C1的表面及内部的氯离子质量分数略高于侵蚀面为45°的试件C2，但均明显高于侵蚀面垂直的试件C3.侵蚀面竖直时，氯离子不容易在侵蚀面上累积，导致表面氯离子质量分数较小，氯离子侵蚀速度减慢.图5的结果还验证了文献［4］中关于桥面板实测表面的氯离子质量分数高于梁侧面，梁侧面又高于梁底面的现象.

图5 不同放置角度试件内氯离子质量分数

4 溶液浓度对氯离子质量分数的影响

测得试件C4，C5和C6距混凝土表面1.5 mm处的氯离子质量分数，将其作为表面氯离子质量分数.表面氯离子质量分数随氯化钠溶液质量浓度的变化如图6所示.

由图6可知:随着氯化钠溶液质量浓度的增加，混凝土表面氯离子质量分数逐渐增大，在NaCl溶液质量浓度70 g·L-1时，两种水泥混凝土的表面氯离子质量分数最终稳定在0.4%左右.

图6 表面氯离子质量分数与氯化钠溶液质量浓度关系

图7 表面氯离子质量分数比值与氯化钠溶液质量浓度比值关系

5 温度对氯离子表观扩散系数的影响

我国沿海地区环境温度在9～26℃左右［9］.试件C5，C7和C8盐雾加速侵蚀试验时的温度分别为35，45和25℃.图8为盐雾作用15，30 d前后不同试件实测氯离子质量分数分布曲线的比较.由图8可知:随着温度升高，水泥混凝土试件表面处氯离子质量分数及不同深度处氯离子质量分数均增大.

根据纯扩散区不同深度处实测氯离子质量分数分布曲线，把7.5 mm处氯离子质量分数作为纯扩散区的界面氯离子质量分数，利用公式(1)拟合得到不同温度下混凝土的氯离子表观扩散系数，如表3所示.由于盐雾箱工作中出现故障，图8c中，35℃时，30 d氯离子质量分数比图8a中25℃时还小;图8d中，45℃时氯离子质量分数随深度增加而迅速下降.因此，不分析这两组异常数据的表观扩散系数.由表3可知，随着温度升高氯离子表观扩散系数明显增大.

表3 不同温度下氯离子表观扩散系数

图8 不同温度下混凝土中氯离子质量分数分布

6 应力水平对表观扩散系数的影响

为了排除两端约束作用的影响，在受力试件中间部位钻粉取样.盐雾箱中持续喷雾60 d后，测得不同应力水平试件的氯离子质量分数分布情况如图9所示.

由图9可知:随着压应力的增大，相同混凝土深度的氯离子质量分数逐渐降低.然而由于混凝土的离散性，无应力试件近表面处氯离子质量分数远远高于施加应力试件近表面处氯离子质量分数.为了消除这种离散带来的误差，取图9中不同应力水平下1.5 mm和7.5 mm处氯离子质量分数均值作为7.5 mm处纯扩散区界面氯离子质量分数.然后根据图9中纯扩散区不同深度处的实测氯离子质量分数，利用公式(1)经拟合获得不同应力水平下混凝土中的氯离子表观扩散系数.

图9 不同压力下混凝土中氯离子质量分数

无压力试件随深度变化非常陡峭(见图9)，因此拟合时选取距表面1.5 mm处作为边界，选取该处氯离子质量分数作为纯扩散区界面氯离子质量分数进行拟合氯离子表观扩散系数.应力等级为0，0.31fc，0.47fc和0.66fc时氯离子表观扩散系数分别是5.36×10-11，3.82 ×10-11，0.69 ×10-11和0.28×10-11m2·s-1.可以看出，随着压应力增大，氯离子表观扩散系数降低.

压应力状态下的混凝土中氯离子质量分数及其表观扩散系数将比无应力状态下的小.将不同应力水平下氯离子表观扩散系数和无应力时系数的比值与对应的应力水平采用二次多项式进行拟合，得到

式中:δ为压应力水平(试件压应力与抗压强度的比值);f(δ)为氯离子扩散的压应力影响系数，f(δ)=Dc/D0，Dc为应力水平为δ时氯离子表观扩散系数;D0为无应力时氯离子表观扩散系数.

压应力水平对氯离子表观扩散系数的影响与文献［10］持续荷载作用下氯盐浸泡试验结果变化规律类似.当压应力水平不太高时，混凝土中的毛细孔在压应力作用下发生压缩变形，孔隙数量与连通性降低，氯离子在混凝土中的扩散作用减弱.

7 结论

混凝土试件在盐雾箱中的放置角度对侵蚀严重程度有很大的影响.以平面或45°侧面为侵蚀面时，表面氯离子质量分数较高，氯离子侵蚀程度严重;以混凝土侧面为侵蚀面时，表面氯离子质量分数较小;同一深度处对应的氯离子质量分数小.随着氯化钠溶液质量浓度的增大，盐雾沉降量增加，表面氯离子质量分数也增加.随着温度升高氯离子表观扩散系数增大.随着压应力的增加，氯离子表观扩散系数显著减小.

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