干湿交替环境下氯离子在承压混凝土内的传输特性

徐 港，李运攀，王谊敏，王 青

（1.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002）

海洋气候环境下，处于海水干湿交替区的钢筋混凝土结构较水下或陆上结构更容易引起钢筋锈蚀，其耐久性问题更为突出.学者们针对钢筋锈蚀诱因就干湿交替作用下混凝土中氯离子传输特性进行了一定的试验及理论研究［1－10］，但多数未考虑荷载存在对氯离子在混凝土中传输特性的影响，既有成果也多集中于弯曲荷载下混凝土内的氯离子传输［11－14］，对于受轴压作用下钢筋混凝土柱中氯离子传输特性的研究甚少，鲜有的公开文献中混凝土压应力的施加也是通过预拉试件内钢筋实现的［15］，试件受力状态与在役混凝土柱有一定差别，而且持载时间较短，故所得结论的适用性尚待进一步验证.因此本文采用了更为合理的试验方法，通过为期1a的试验，研究了干湿交替环境下在役钢筋混凝土柱中氯离子的传输进程，探究了不同应力水平对混凝土中氯离子传输深度、氯离子含量分布、表面氯离子含量、对流区深度、峰值氯离子含量以及氯离子扩散系数的影响规律.

1 试验设计

试件尺寸为150mm×150mm×300mm，内配4根直径为14mm 的HRB335纵筋，保护层厚度为25mm；混凝土设计强度为C25，配合比为m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石）＝188∶384∶640∶1 189，实测28d标准立方体试件抗压强度平均值为34.76MPa.

采用徐变仪对试件进行长期加载，应力水平分别为试件承载力设计值的0%，20%，40%和60%（对应试件分别记为F0，F2，F4和F6）.试件置于可伸缩式储水袋中，通过向水袋中注、抽NaCl溶液（NaCl质量分数为3%）来模拟干湿交替环境，干湿时间比为2∶1，试验总周期为1a，期间分别在120，240，360d时采用Profile Grinder PF－1100混凝土磨削工具，对试件钻粉取样（粉样可全部通过0.63mm筛），取粉间隔为1mm，最大深度为25mm，从每层粉样中称取5g粉样加入装有50mL去离子水的试瓶中剧烈摇晃3～5min，静置48h后采用BY－2501B氯测仪测量氯离子含量.

2 试验结果及分析

2.1 氯离子传输深度

沿传输路径，绘制不同深度处氯离子含量分布图，见图1.由图1 可知，120，240，360d时，试件内氯离子的传输深度（xp）分别约为11，15，18mm，随着试验周期的延长，氯离子的传输深度逐渐增大，且同一深度处的氯离子含量（wa）也逐渐增加；不同深度处的氯离子含量分布具有明显的干湿循环侵蚀特征，即氯离子含量峰值出现在距试件表面一定距离处，对流区显著，这与文献［16］的结论类似.

2.2 表面氯离子含量

本文以距试件表面0～1mm 深度处钻取的粉样氯离子含量作为表面氯离子含量（ws），不同应力水平下混凝土的表面氯离子含量见图2.由图2 可知，应力水平对混凝土表面氯离子含量具有明显影响，相同试验周期内混凝土应力水平越高，其表面氯离子含量越低，两者基本呈线性关系，且随试验周期增长，应力水平对表面氯离子含量的影响程度加大，表面氯离子含量的降幅增大.

图1 不同深度处氯离子含量分布Fig.1 Distribution of chloride ion concentration at different depths

图2 不同应力水平下混凝土的表面氯离子含量Fig.2 Surface chloride ion concentration in concrete under different stress levels

由图2还可知，随着干湿循环周期的增长，在无应力的情况下，表面氯离子含量逐渐增加并趋于平稳，这与文献［16］的描述一致；在压应力作用下，应力水平一定时，试件表面氯离子含量随试验周期增长而先增大后减小，且随着应力水平的增加其变化幅度减小.

2.3 对流区特征

由图1可见：试件F0，F2 和F4 的对流区深度主要集中在2mm 附近；而试件F6的对流区深度基本在3mm 以上.这说明应力水平较高时，对流区深度受到一定影响，但具体影响规律尚待进一步研究.

图3为不同应力水平下混凝土的峰值氯离子含量（wp）.由图3 可见，峰值氯离子含量随应力水平和试验周期的变化规律与表面氯离子含量的变化规律十分类似.

图3 不同应力水平下混凝土的峰值氯离子含量Fig.3 Peak value of chloride ion concentration in concrete under different stress levels

2.4 氯离子扩散系数

沿传输路径，取峰值点后不同深度处的氯离子含量，由Fick第二定律可求得试件的氯离子扩散系数.计算表明，取不同深度处氯离子含量值求得的氯离子扩散系数值虽有差异，但波动不大，故取传输区平稳段内氯离子扩散系数的平均值作为承压混凝土的氯离子扩散系数（D），D 值随应力水平的变化如图4所示.由图4可见，在应力水平较低（20%以内）时，压应力的存在会使氯离子扩散系数减小；但随着应力水平的增加，氯离子扩散系数反而增大.这与文献［17］对承压素混凝土内氯离子扩散系数的研究结果相似.进一步分析可知，承压混凝土试件的氯离子扩散系数变化规律与未承压试件相似，均随试验周期的增长而减小，且在240d周期内承压试件D 值的降低速度似乎更快，这可能与试件在长期受压过程中产生徐变从而有利于其内部损伤的愈合有关.

图4 氯离子扩散系数随应力水平的变化Fig.4 Chloride ion diffusion coefficient varying with stress levels

充分考虑应力水平和试验周期对混凝土氯离子扩散系数的影响，经数据拟合分析，可得出在压应力状态下混凝土氯离子扩散系数与应力水平和服役时间（即试验周期）的经验公式：

式中：D0为应力水平为0，周期为28d时混凝土的氯离子扩散系数；λσ为应力水平；t为服役时间；t0为基准服役时间，t0＝28d；a，b，c为经验系数，分别为－6.499×10－12，2.532×10－11和0.804 3.根据式（1）得到混凝土氯离子扩散系数的拟合曲线，并与试验值进行比较，见图5（a）～（c）.由图5（a）～（c）可见，两者的相关性很好（R2＝0.95）.

为进一步验证式（1）的适用性，将文献［17］中采用NEL法测得的氯离子扩散系数值用式（1）进行拟合，结果如图5（d）所示.由图5（d）可见，随应力水平增长两者变化规律一致，但数值大小有所差异，究其原因，除试验误差外可能主要与本文和文献［17］确定氯离子扩散系数的方法不同有关.

图5 氯离子扩散系数拟合曲线与试验值的比较Fig.5 Comparison of fitting curves and experimental values of chloride ion diffusion coefficient

2.5 承压混凝土氯离子传输机理分析

综上可见，压应力对干湿交替环境下混凝土内氯离子传输的全过程均有影响，但对峰值氯离子含量wp前后传输进程的影响规律并不相同，在wp之前，随应力水平增大表面和峰值氯离子含量均减小（见图2，3）.这表明压应力的施加阻碍了氯离子的传输，而在wp之后，由氯离子扩散系数的变化规律（见图4）可知，压应力对氯离子传输效率的延滞影响仅在应力水平较小（20%以内）范围内有效，当应力水平较高时压应力则利于氯离子迁移.这可能是由于混凝土表层和内部的氯离子传输机理以及压应力对其微观结构的内、外影响特性不同所致，具体分析如下：

应力存在会改变混凝土的微孔隙结构，压应力可使混凝土内与其垂直方向的部分微裂纹和孔隙被压实，与其平行方向的损伤缺陷产生和发展，且随应力水平的增加其影响更加显著［17］.氯离子在混凝土内的传输进程与混凝土的孔隙率、孔结构及孔径分布密切相关，混凝土的氯离子渗透性由其微观结构特征所决定［18］，因而压应力的施加必将对混凝土内氯离子的传输进程产生影响.

文献［19］对已有研究进行了总结，指出干湿交替环境下混凝土内氯离子含量达到峰值之前，氯离子侵入方式主要为对流传质，无水头压力时，产生对流的主要机理是毛细吸附作用，即氯离子的迁移是伴随水分的渗透而产生的；但越过峰值之后，氯离子向混凝土内部侵入的主要机理转为扩散作用，其迁移的驱动机制是浓度差.

文献［20］表明，在压荷载作用下，当荷载低于60%极限荷载时，混凝土的水渗透系数随应力水平的增大近似按负指数函数关系衰减，所示规律与本文对流区内氯离子的传输特性十分吻合.究其原因，在此应力水平范围内，对于混凝土试件表层水渗透性而言，轴向压力引起的与受力方向平行缺陷扩展较与受力方向垂直缺陷“愈合”对水渗透性的影响要小，且随承压时间的延长，2 个方向压、拉徐变的产生导致两者差别进一步增大，其表现规律如图2，3所示.

文献［21］研究表明，混凝土构件表面以下0.1mm内是净浆层；0.1～5.0mm 范围为砂浆层，内部不含或仅含少量粗骨料；5.0 mm 以下才为混凝土，表层混凝土比内部混凝土水胶比大（可达内部混凝土水胶比的2倍），孔隙多，且孔隙连通性高.

试件轴向受压时，在与受力垂直方向，随压应力增加，表层混凝土初始缺陷“愈合”量增多，但因内部混凝土更为密实，故在相同应力水平下，试件单位体积内缺陷可“愈合”总量较表层少；在与受力平行方向，内部混凝土缺陷发展受竖向压应力的影响特性也与表层相同，但与素混凝土试件不同的是，虽然轴压柱内钢筋与混凝土的纵向应变相同，但横向应变并不相同，这是因为钢筋的泊松比较混凝土的大，所以导致受力钢筋对其周围混凝土产生挤压作用，使混凝土围绕钢筋环向受拉，且拉应力大小随轴压力增加而增大，随混凝土距钢筋表面距离增加而减小，这一作用促使内部混凝土与受力平行方向损伤加剧.此外，就传输机理而言，由于内部混凝土中氯离子通过扩散向内迁移，氯离子直径约为水分子直径的1／2，可以通过比水分子更小的孔径向内传输，因而在同等损伤程度下内部混凝土较表层与受力方向平行损伤的相对量将增加，即“有害通道”增加.

综上可知：在低应力水平时（20%以内），由于混凝土柱受力处于弹性阶段，混凝土内部微裂缝等缺陷几乎不扩展，压应力在与受力垂直和平行两个方向的总效应对内部混凝土的影响与表层类似，增强了混凝土的密实性，使氯离子扩散系数减小；但随着压应力增大，混凝土受力进入弹塑性阶段，轴压引起的混凝土横向膨胀效应叠加钢筋挤压混凝土引起的环向受拉作用造成内部混凝土与受力平行方向的损伤较表层更为严重，而与受力垂直方向可“愈合”缺陷的总量较表层却少，加之“有害通道”增加，综合效应导致内部混凝土孔隙、裂缝等缺陷增多，使氯离子扩散系数增大，并随应力水平增加而增大（如图4）.但是，由于混凝土的随时长自愈合性，以及徐变引起试件内钢筋与混凝土发生应力重新分配使混凝土压应力减小，从而使内部混凝土的损伤可随时长恢复，因此相同应力水平下的混凝土氯离子扩散系数将随试验周期而减小.

3 结论

（1）相同条件下，应力水平越高，混凝土表面氯离子含量越低，两者呈线性关系，且随试验周期增长，应力水平影响程度增大；应力水平一定时，混凝土表面氯离子含量随试验周期增长而先增大后减小，且随应力水平增加而变化的幅度减小；峰值氯离子含量受应力水平和试验周期的影响规律与表面氯离子含量的规律相似.

（2）应力水平恒定时，混凝土氯离子扩散系数随试验周期的增长而减小，变化规律与未受荷试件相似；但在相同条件下，随应力水平增加，混凝土氯离子扩散系数先减小后增大，临界应力水平为20%.

（3）干湿交替环境下，压应力对钢筋混凝土柱中氯离子不同传输机制的影响特性不同：压应力能有效降低混凝土表层的毛细吸附作用，从而延滞氯离子通过对流传质进入混凝土的进程；但对混凝土内部扩散传质而言，类似阻滞效应仅限于低应力水平（20%以内），在高应力水平下，氯离子扩散系数随应力水平增加而增大，氯离子迁移进程加快.

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