持续压荷载作用下混凝土抗氯离子渗透规律研究

李维红，许颖颖，林 川

(1.大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连116622;2.大连市建筑科学研究设计院股份有限公司，辽宁 大连116021)

0 引 言

钢筋混凝土是目前土木工程结构中应用最多的材料，其耐久性是关系土木建筑工程使用寿命和建设效益的主要因素。工程调查表明，海洋环境或冷天撒除冰盐的氯化物污染是引起混凝土中钢筋腐蚀的主要原因。在海洋和近海工程、盐碱地带工程和北方使用除冰盐的道桥工程中，氯离子的侵入或渗透则为引起混凝土钢筋锈蚀的主要原因［1］。

基于氯离子渗透引起的混凝土耐久性问题如此严重，世界上各个国家对氯离子的传输性能及机理和钢筋的抗腐蚀性能进行了充分的研究和调查［2］，法国的Francois 等［3］最早致力于将裂缝或荷载与氯离子渗透性能和钢筋腐蚀的性能结合起来的研究，他们采用两种符合法国标准的钢筋混凝土梁(分别对应不用的钢筋布置形式)，混凝土配合比为:1∶2.05∶3.05∶0.5，每立方米水泥用量40 kg，采用三点弯曲的方法施加荷载，施加两种荷载等级的荷载，分别为规范中所要求的含氯离子的腐蚀环境和非腐蚀环境中的最大荷载。通过对制作的钢筋混凝土梁喷洒盐雾或通入二氧化碳气体，促进氯离子和二氧化碳的渗透和钢筋腐蚀。Banthia 等［3］对受到压应力作用的混凝土试块进行了渗透测试。特别研究了压应力作用对早期龄期(1 ～3 d)的混凝土渗透性的影响。青岛理工大学的姜福香等［4］认为混凝土结构的使用荷载与使用环境是共同存在的，从渗透性、抗冻融、抗氯离子和硫酸根离子侵蚀等多方面阐述了荷载作用对混凝土结构耐久性的影响，他们的结论是施加荷载会对混凝土结构耐久性有很大的影响，荷载作用是耐久性研究中不容忽视的因素。因此本文重点研究在持续压荷载作用下混凝土抗氯离子渗透规律研究。

1 试验概况

1.1 试验方案

试验因素为试验时间、荷载等级和养护条件。试验时间分别为2、6 周;混凝土强度等级为C45，水灰比为0.45，试验加载方式为持续压荷载，荷载等级分别为0，30%C，60%C，C 为试件极限抗压强度。养护条件分别为饱和氢氧化钙溶液养护(扩散试验，即考虑存在浓度梯度的情况下氯离子在连续液相内的传输)和恒温恒湿养护箱养护。

每种试验条件组合设置2 个试块做对比。试验环境条件为采用质量分数为3%的NaCl 溶液通过特定的循环试验装置对试件进行氯离子渗透试验，具体试验方案见表1。

表1 试验方案Tab.1 Test program

1.2 试验材料

配制1 种混凝土强度等级C45。水泥为大连小野田水泥厂生产的PI52.5 硅酸盐水泥;细骨料为中砂，砂率为45%;粗骨料为碎石，最大粒径为25 mm;外加剂为聚羧酸类减水剂;水为饮用水。混凝土配合比、坍落度和28 d 抗压强度见表2。

表2 混凝土配合比、坍落度及抗压强度Tab.2 Mix，slump and pressure strength of the concrete

1.3 试件加载装置

加载装置如图1 所示。将试件固定在加载装置中后放在液压伺服压力机下，压力试验机对碟簧上垫板进行加压，压力值大小则由输入压力机的数值来控制，到达规定压力值并保持稳定时立即将螺栓上紧并关闭压力机，此时试件所受的外部压应力就由碟簧来提供，一直加载到规定的试验时间为止［5］。加载过程如图2 所示。

图1 试验加载装置Fig.1 Test loading device

图2 加载过程图Fig.2 Loading process diagram

1.4 试件制作及试验过程

试件为100 mm×100 mm×400 mm 的混凝土小梁。试块采用水性脱模剂脱模，之后用塑料薄膜覆盖表面24 h 后拆模。采用氢氧化钙溶液养护，把试块放进水(饱和氢氧化钙溶液)中，养护28 d 龄期，确定养护期间水必须充分;采用养护箱养护，把试块放在恒温恒湿养护箱中养护28 d。养护完成后在试块表面粘贴铝箔纸，留出100 mm×160 mm 的空间覆盖夹具，然后用导管将体积50 mL 的密闭盐溶液与夹具相连，用水泵带动溶液进行循环腐蚀。

在加载试验前，取3 个试块进行抗压强度测试，确定试块加载值，3 个试块抗压强度值分别为38.50，33.21 和43.42 MPa，其中43.42 MPa 超出平均值的10%，应剔除，其余两数结果的平均值为35.9 MPa。荷载比P/C 分别取0、0.3、0.6，P 为施加压力。2 个试件为1 组，每个试件留出的开口作为渗透面。加载装置示意图如图3 所示。

1.5 试件取样

每到预定的试验时间，取出相应的试件。取暴露在盐溶液中并且平行于表面的6 层混凝土试样，每层用冲击电钻取厚度为2 mm 的混凝土粉末，取粉过程如图4 所示。根据JTJ270-1998《水运工程混凝土试验规程》［6］中规定的方法来测定氯离子的渗透深度及不同深度的氯离子含量。

图3 加载示意图Fig.3 Loading diagram

图4 冲击钻取粉Fig.4 Impact drill to take power

2 结果与讨论

2.1 试验时间

混凝土试块在持续压荷载作用下氢氧化钙溶液中养护的试块2、6 周后氯离子含量分布见图5，以15 mm 深度处氯离子含量为例(图5 中氯离子含量为氯离子质量与混凝土质量的百分比，后文同)。

养护箱养护的试块在2、6 周后氯离子含量分布见图6，以最深15 mm 处的氯离子含量为例。

图5 2、6 周后氢氧化钙溶液中养护试块的氯离子含量Fig.5 The content of chloride ion of test block which are cured in calcium hydroxide solution after 2，6 weeks

图6 养护箱中养护试块在2、6 周后氯离子含量Fig.6 The content of chloride ion of test block which are cured in curing box after 2，6 weeks

从图5 和图6 中可以看出，在2 ～6 周的时间段内，氢氧化钙溶液中养护的试块在相同荷载等级和养护条件下氯离子含量随着试验时间的延长而增加。养护箱养护的试块在2 ～6 周的时间段内，60%荷载等级的氯离子含量随着时间的延长而增加，而零荷载和30%荷载等级的氯离子含量随着时间的延长而降低。这说明养护箱养护的试块随着时间的延长氯离子扩散速率减慢，尤其是当荷载等级较小时。

2.2 荷载等级

氢氧化钙溶液中养护的扩散试验试块与养护箱养护的扩散试验试块2 周，6 周后不同荷载等级作用下的氯离子含量分布如图7 所示。

图7 持续压荷载作用下扩散试块不同荷载等级下氯离子含量Fig.7 Chloride ion content under different load levels of diffusion test blocks under continuous pressure load

从图7 可以看出，30%荷载的氯离子含量比零荷载氯离子含量要高，而60%荷载等级氯离子含量比30%荷载等级要低比零荷载的要高，可知随着荷载等级的提高，氯离子含量有所增加，加载到一定荷载等级后混凝土抵抗氯离子渗透的能力反而降低。

混凝土持续压荷载试验表明，压荷载作用对氯离子在混凝土中的含量及深度分布有一定的影响，荷载作用下混凝土内部不同深度处的氯离子含量会增加。水泥基材料的原始孔隙空间并不稳定，它会随持续的水化而变化，也可以通过施加机械荷载而显著改变［6］。在适度的压荷载作用下微孔隙会消失，在较高的压荷载作用下会产生新的微裂缝，它们会作为离子扩散新的途径［7-8］。适当的压荷载会补偿干燥试块外层相对较高的拉应力［9-10］。这种作用会降低毛细吸收和离子的扩散。因此在外部持续压荷载作用下，氯离子在混凝土中的扩散速度加快，扩散系数先增大后减小。

2.3 养护条件对氯离子含量的影响

通常假设氯化物在混凝土中的侵蚀遵循Fick 第二定律，当初始条件为t=0、x ＞0 时，C=0;当边界条件为x=0、t ＞0 时，C=Cs，Fick 第二定律的解为

式中:Cs为混凝土暴露表面的氯离子浓度，即暴露环境中的氯离子浓度;t 为混凝土受氯离子侵蚀的时间;x 为氯离子在混凝土中的渗透深度;erf 为误差函数

根据Fick 第二定律的一维扩散解析解，利用Origin 软件的非线性曲线拟合功能，对得到的混凝土试块各层氯离子含量进行拟合，如果相关系数大于0.950 就能保证回归分析得到的氯离子含量曲线与Fick 第二定律的符合性。拟合得到的混凝土试块在持续压荷载与氯盐腐蚀共同作用下，氢氧化钙溶液养护的扩散试验试块2 周、6 周后氯离子含量与恒温恒湿养护箱养护的扩散试验试块2 周、6 周后氯离子含量分布如图8 和图9 所示，氯离子扩散系数，混凝土表面氯离子浓度，相关系数如表1 和表2 所示。

图8 持续压荷载作用下2 周后不同养护条件下氯离子含量Fig.8 Chloride ion content in different curing conditions after two weeks under continuous pressure load

图9 持续压荷载作用下6 周后不同养护条件下氯离子含量Fig.9 Chloride ion content in different curing conditions after six weeks under continuous pressure load

从图8 和图9 可以看出，氯离子含量随着渗透深度的增加而降低，氯离子渗透能力降低。混凝土每层氯离子含量与Fick 第二定律符合程度非常高，且变化规律基本一致。从图中可以看出，氢氧化钙溶液中养护的试块与恒温恒湿养护箱养护的试块同等条件下相比氯离子含量更大。2 周的零荷载作用下氯离子含量相差比较大，而30%，60%荷载等级的作用下氯离子含量相差比较小。6 周荷载作用下氯离子分布情况与2 周的恰恰相反，零荷载作用相差比较大，30%，60%荷载等级作用下氯离子含量相差比较小。对比造成以上结果的原因可能是，饱和氢氧化钙溶液中养护的试块具有充分的保水养护条件，使得混凝土试块在搅拌成型时气孔中的未水化颗粒能够持续得到水化所需的水分，因此不断水化导致气孔的粗糙度增大，使氯离子更容易进入混凝土内部，反而降低了抗氯离子侵蚀能力［11-12］。养护箱养护的试块只有部分水蒸气环绕在试块表面不能使试块充分水化，气孔粗糙度相对较小，抗氯离子渗透能力相对较大。

表3 持续压荷载作用下2 周氯离子含量结果Tab.3 Results of chloride profile after two weeks under continuous pressure load

表4 持续压荷载作用下6 周氯离子含量结果Tab.4 Results of chloride profile after six weeks under continuous pressure load

从表3、4 中可以看出，相关系数均大于0.950，而且个别的接近于1，所以说氯离子含量与Fick 第二定律拟合性很高，Fick 第二定律可以用来表述混凝土抗氯离子侵蚀性能。从上表可以看出同等条件下的试件，氯离子扩散系数随着时间的增长在减小。从扩散系数的数值大小变化可以看出氯离子扩散侵蚀能力随荷载等级的增大先增大后减小，氯离子扩散系数与混凝土承受的荷载等级有密切关系。从中还可以看出同等条件下养护箱养护试块的氯离子扩散系数比氢氧化钙溶液养护试块的要小，所以养护箱养护的试块抗氯离子渗透能力更强，建议工程用混凝土构件采用更接近养护箱养护的方式进行养护。

3 结 语

通过对持续压荷载与氯盐腐蚀环境共同作用下混凝土中氯离子渗透规律的研究，得出以下结论:

①试验时间、荷载等级和养护条件是影响氯离子在混凝土中渗透深度和含量的重要因素。饱和氢氧化钙溶液中养护的试块中，在2 ～6 周的时间段内氯离子含量随着试验时间的延长而增加。养护箱养护的试块在2 ～6 周的时间段内，60%荷载等级的氯离子含量随着时间的延长而增加，而零荷载和30%荷载等级的氯离子含量随着时间的延长而降低。

②持续压荷载的荷载等级对氯离子在混凝土中的扩散有一定程度的影响。随着荷载等级的增大，氯离子含量有先增大后减小的趋势，对于中间转折点的确定还有待进一步研究。

③氯离子含量随着渗透深度的增加而降低，氯离子渗透能力降低。混凝土每层氯离子含量与Fick第二定律符合程度非常高，且变化规律基本一致。从图中可以看出，氢氧化钙溶液中养护的试块与恒温恒湿养护箱养护的试块同等条件下相比氯离子含量更大，养护箱养护的试块具有更强的抗氯离子腐蚀能力。2 周的零荷载作用下氯离子含量相差比较大，而30%，60%荷载等级的作用下氯离子含量相差比较小。6 周荷载作用下氯离子分布情况与2 周的恰恰相反，零荷载作用相差比较大，30%，60%荷载等级作用下氯离子含量相差比较小。

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