应力对混凝土中氯离子渗透性的影响

王 涛，裴存栋，韩万水，陈 峰

（长安大学 公路学院，西安710064）

0 引 言

对于长期处于一定应力水平下的混凝土来说，应力的大小必然会对混凝土中氯离子的渗透性产生影响。国内外学者对此也取得了一些研究成果。例如，Banthia和Bhargava［1］采用水渗法对素混凝土在应力作用下氯离子的渗透性进行了研究，发现氯离子的渗透性并不是随着应力的增大而持续上升，而是存在一个应力临界值，此时氯离子的渗透性最小。Saito和Ishimori［2］对混凝土在应力先加载后卸载与无应力两种状态下，氯离子渗透性的差别进行了研究，结果表明：当应力小于混凝土抗压强度的90%时，两种情况下氯离子的渗透性并无太大差异。方永浩等［3］对混凝土在持续压应力作用下氯离子的渗透性作了研究，研究表明压应力对氯离子的渗透性有很大影响。在应力小于极限应力的60%时，氯离子的渗透性随着应力比的增大而下降。在应力超过极限应力的70%时，氯离子的渗透性随着应力比的增大而急剧上升。目前对氯离子渗透性的研究上，学者们主要采用传统的水渗透法和气体渗透法进行试验，使得结果并没有达到很高的精确度。基于这一点，本文将采用具有较高精度的电导率法，研究在不同应力水平下氯离子在混凝土中的渗透性，并得出氯离子渗透性随应力的变化规律。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

水泥为上海思跃建筑材料有限公司生产，强度等级为PI42.5，主要化学成分和性能指标如下：w（Al2O3）＝4.53%；w（Fe2O3）＝3.6%；w（SiO2）＝22.4%；w（SO3）＝2.1%；w（CaO）＝64.2%：w（MgO）＝1.69%；w（碱）＝0.48%；标准稠度用水量为25%，初凝时间为160min，终凝时间为210min；抗折强度为6.2 MPa（3d）、9.5 MPa（28d）；抗 压 强 度 为33.6 MPa（3d）、61.9 MPa（28d）。粉煤灰（Ⅰ级）为江山市丰足曙光石灰钙厂生产，主要化学成分和性能指标如下：w（Al2O3）＝21.1%，w（Fe2O3）＝4.58%，w（SiO2）＝66.2%，w（SO3）＝0.25%，w（CaO）＝2.89%，w（MgO）＝2.18%，w（碱）＝0.56%；平均粒径为3.2μm，需水量比为4.58%，烧失量为66.2%，含水率为0.22。砂石料由连续级配碎石和Ⅱ区连续级配河砂组成，主要性能指标如表1 所示。减水剂采用上海胜阔建筑材料有限公司生产的三聚氰胺改性高效减水剂，减水率为20%～30%，建议掺入量为0.3%～1.0%（按照水泥用量计算）。

表1 砂石性能指标Table 1 Performance indicators of gravel

1.2 配合比

为了反映混凝土强度对氯离子渗透规律的影响，本次试验制备了分别代表普通强度和高强度的混凝土试件，即C30和C60。混凝土试件通过将多种胶凝材料按一定比例制备而成，主要有四种组合：水泥、水泥＋矿粉、水泥＋粉煤灰、水泥＋矿粉＋粉煤灰。其中矿物掺合料所占的比例不变，均为胶凝材料的35%，详细配合比如表2 所示。对混凝土试件的强度进行测试，得到如表3所示的结果。

表2 混凝土试件配合比Table 6 Mix of concrete specimens kg／m3

表3 混凝土试件强度值测试结果Table 3 Intensity value of concrete specimens MPa

1.3 实验方法

应力的加载方式对氯离子在混凝土中的渗透性影响较大。目前大部分学者在研究应力对氯离子渗透性影响时［4－9］，通常采用一次预压应力再卸载的方式，由此得出的结果与应力持续加载下得出的氯离子渗透性规律有所差异。因此，为了使结果更接近于实际工程中混凝土所处的状态，本文采用持续应力加载方式。

通常采用水渗透法和气体渗透法来测试氯离子的渗透性［10－16］。然而这两种方法对于本文采用的多成分混凝土来说，实施起来较为困难。而电导率法对于测试离子浓度和扩散性具有快速精确的优点，因此本次试验采用电导率法，参考《混凝土结构耐久性设计与施工指南》和《水泥氯离子扩散系数检验方法》进行氯离子渗透性的测定，并参照CCES01－2004标准对氯离子在混凝土中的渗透性进行评价，具体评价标准如表4所示。

表4 氯离子渗透性评价标准Table 4 Evaluation criteria of chloride permeability

2 实验结果及分析

2.1 压应力对混凝土中氯离子渗透性的影响

根据表2中混凝土8 种配合比制得边长80 mm 的混凝土立方体试件。分别测得混凝土试件在应力比（施加应力与破坏应力的比值）为0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75的压应力作用下氯离子的渗透性。压应力水平如表5 所示。C30和C60混凝土在4种不同压应力水平下，氯离子的扩散系数分别如图1所示。

从图1中可以看出，相同强度等级、不同组成成分的混凝土，氯离子随应力变化的扩散系数曲线趋势基本一致。对于C30混凝土来说，当施加的应力小于破坏应力的0.35倍时，氯离子在混凝土中的扩散系数随着应力的增大呈现明显的下降趋势；当混凝土承受的应力为破坏应力的0.35倍时，氯离子在混凝土中的扩散系数最小，即渗透性最差。当混凝土所承受的应力大于破坏应力的0.35倍时，氯离子在混凝土中的扩散系数随着应力的增大呈上升趋势。未掺入矿粉和粉煤灰的C30混凝土在应力达到破坏应力的0.65倍后，氯离子的扩散系数随应力增加而增大的速率更快。当混凝土承受的应力达到破坏应力的0.75倍时，氯离子的扩散系数达到3.95×10－12m2／s，是未施加应力时的氯离子扩散系数的1.35倍。

表5 混凝土试件的压应力水平Table 5 Stress levels on concrete specimens

图1 压应力下混凝土氯离子扩散系数Fig.1 Chloride diffusion coefficient of C30and C60 concrete under pressure

对于C60混凝土来说，当施加的应力小于破坏应力的0.35倍时，氯离子的扩散系数随着应力的增大虽然有所减小，但是趋势并不明显。而当施加的应力超过破坏应力的0.35倍之后，氯离子的扩散系数随着应力的增大而急剧增大。当混凝土承受的应力达到破坏应力的0.75倍时，氯离子的扩散系数达到5.12×10－12m2／s，是未施加应力时的氯离子扩散系数的2.81倍。

总体上看，C30和C60混凝土中氯离子的扩散系数均随着施加应力的增大而先增后减。当对混凝土施加0.35倍破坏应力时，氯离子的渗透性最小，此种应力水平下氯离子对混凝土的耐久性影响最小。但是当应力超过0.35倍破坏应力且持续增加时，氯离子的渗透性显著增强。

参照表4中CCES01－2004标准对氯离子渗透性进行评价，发现C30 混凝土在压应力作用下，氯离子渗透性均处于Ⅲ级水平。C60混凝土在压应力比达到0.75时氯离子渗透性均处于Ⅲ级水平，但当压应力比达到0.75时，未掺入其他胶凝材料的纯水泥混凝土的氯离子渗透性处于Ⅱ级水平，其他C60混凝土的氯离子渗透性则接近于Ⅱ级水平。

综上可知，一定程度的压应力将导致混凝土的压实度增大，微粒之间的空隙减小，而阻碍了氯离子的渗透。然而随着压应力持续增加，与压应力同方向的空隙将被拉开，从而导致氯离子的不断渗入。若在水泥中掺入一定量其他成分，例如粉煤灰、矿粉等，则可以在一定程度上阻碍氯离子的渗入。

2.2 拉应力对混凝土中氯离子渗透性的影响

根据表2中混凝土8 种配合比制得边长80 mm 的混凝土立方体试件。分别测得混凝土试件在应力比（施加应力与破坏应力的比值）为0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75的拉应力作用下氯离子的渗透性。拉应力水平如表6 所示。C30和C60混凝土在4种不同拉应力水平下，氯离子的扩散系数分别如图2所示。

表6 混凝土试件的拉应力水平Table 6 Tensile stress levels on concrete specimens

从图2（a）中可以看出，随着应力的增大，C30混凝土中氯离子的扩散系数持续增大。当施加的应力小于破坏应力的0.35倍时，氯离子扩散系数增大趋势很缓，几乎等同于无应力状态下氯离子的扩散系数。当施加的应力超过破坏应力的0.55倍时，氯离子扩散系数随着应力的增大而急剧增大。当施加应力达到破坏应力的0.75倍时，氯离子的扩散系数达到11.25×10－12m2／s，是未施加应力时的氯离子扩散系数的3.91倍。

图2 拉应力水平下混凝土氯离子扩散系数Fig.2 Chloride diffusion coefficient of C30and C60 concrete under tensile stress

从图2（b）中可以看出，随着应力的增大，C60混凝土中氯离子的扩散系数持续增大。当施加的应力小于破坏应力的0.35倍时，氯离子扩散系数增大幅度比C30混凝土中的扩散系数稍大。当施加的应力超过破坏应力的0.55倍时，氯离子扩散系数随着应力的增大而急剧增大。当施加应力达到破坏应力的0.75倍时，氯离子的扩散系数达到12.33×10－12m2／s，是未施加应力时的氯离子扩散系数的7.75倍。

参照CCES01－2004标准对氯离子渗透性进行评价，发现当拉应力比未超过0.55时，C30混凝土的氯离子渗透性均处于Ⅲ级水平。当拉应力比达到0.55之后，氯离子扩散系数急剧增大，渗透性水平为Ⅱ级。当拉应力比为0.75时，渗透性水平已接近于Ⅰ级。

综上可知，一定程度的拉应力将使得混凝土内微粒之间的空隙被拉开，为氯离子的渗入提供了通道，导致氯离子在混凝土中不断扩散。随着拉应力的不断增大，氯离子扩散系数并没有像压应力作用下那样产生明显的转折点，而是持续增大，且增长速率随着应力的增大而增大。

3 结 论

（1）在压应力作用下，氯离子渗透扩散系数随着应力比的增大先减后增，但均处于Ⅲ级水平，压应力比为0.35时，氯离子渗透性最小；C60混凝土的氯离子渗透性基本与C30混凝土处于同一等级，但当压应力比达到0.75时，未掺入其他胶凝材料的纯水泥C60混凝土的氯离子渗透性达到Ⅱ级水平，其他C60混凝土的氯离子渗透性则接近于Ⅱ级水平。

（2）在拉应力作用下，C30混凝土的氯离子渗透性随应力比的增大持续上升，基本处于Ⅲ级水平。当拉应力比达到0.35后，氯离子扩散系数急剧增大，渗透性水平为Ⅱ级。当拉应力比为0.75时，渗透性水平已处于Ⅱ级上限，接近于Ⅰ级。

（3）综合考虑，混凝土在应力比为0.35时，氯离子的渗透性最低，对混凝土耐久性影响最小。

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