压应力作用下混凝土中氯离子传输测试装置及试验

曹银，姚燕，王玲，王振地，杜鹏，2

（1.绿色建材国家重点实验室，中国建筑材料科学研究总院，北京 100024；2.济南大学，山东 济南 250022）

压应力作用下混凝土中氯离子传输测试装置及试验

曹银1，姚燕1，王玲1，王振地1，杜鹏1，2

（1.绿色建材国家重点实验室，中国建筑材料科学研究总院，北京 100024；2.济南大学，山东 济南 250022）

为了模拟服役条件下混凝土中侵蚀性离子的传输，开发了一种由应力加载单元和溶液循环单元组成的试验装置，研究了外加压荷载作用下氯离子在混凝土中的传输行为。试验装置实现了应力与氯盐的协同作用，特点是可实现持续、可调、稳定和高精度的外加荷载以及压应力场下氯离子的稳定传输和扩散。试验结果表明，不论施加荷载与否，混凝土中的氯离子渗透深度都随着时间延长逐渐增大；氯离子扩散系数随着外加压应力比的增大先减小后增大；不同暴露龄期下的表观氯离子扩散系数随着时间的延长呈幂函数衰减。

压应力；氯离子；协同作用；测试装置；氯离子扩散系数

近年来，国内外学者开始关注机械荷载和氯盐侵蚀协同作用下混凝土的耐久性[1-4]。普遍认为压应力作用下的氯离子传输存在与所承受的应力比相关的突变临界值，即临界应力比；然而，试验研究得出的临界应力比分布范围较广，在30% ～90%[5-8]。造成这一现象的原因之一是应力作用下氯离子传输测试方法和装置的不统一，因此有必要从服役混凝土的实际工程状况出发，确定合适的应力作用下混凝土中氯离子传输的测试方法并设计相应的测试装置，以开展系统的研究。

本文在分析现有的压应力条件下混凝土中氯离子传输测试方法和装置的基础上，对应力加载、控制装置和溶液接触方式进行了创新性设计，形成了一套完整的应力条件下混凝土中氯盐传输的测试方法和测试装置。该装置可以实现应力的精确和稳定控制、氯盐环境的精确稳定；测试方法可用于外部荷载对氯离子传输性能的影响研究，积累应力条件下混凝土中氯离子扩散相关的测试结果，为实际工程的耐久性设计与服役混凝土寿命预测提供依据和参考。

1 混凝土中氯离子渗透性测试方法

研究混凝土的抗氯离子渗透性能，对氯盐环境中混凝土结构耐久性设计与施工，以及服役寿命预测有着非常重要的意义。一般来说，混凝土中氯离子渗透性测试方法可分为稳态测试方法和非稳态测试方法2大类。稳态方法指混凝土中各处的氯离子浓度不随时间变化，即扩散方向上氯离子浓度梯度不随时间变化，迁入和迁出的氯离子通量保持不变；实际服役条件下，混凝土内各处的氯离子含量是不断变化的，即为非稳态条件下的氯离子扩散。因此，宜采用非稳态的试验方法来评定混凝土的抗氯离子侵蚀能力。

根据测试时间的长短，氯离子扩散试验一般可以分为长期自然扩散试验与加速试验。长期试验大多采用氯盐溶液浸泡方式，通过测试试件不同深度处的氯离子浓度分布，利用Fick第二扩散定律拟合得出表观氯离子扩散系数。这类试验方法中应用较广的有NT Build443、ASTM C1556、AASHTO T259和ASTM C1543法。加速试验多数通过施加外加电场的方式来加速氯离子在混凝土中的传输速率或者通过测试饱盐试件的电导率得出相应的氯离子扩散系数，这类试验方法中应用最广泛的有电通量法（ASTM C1202、AASHTO T277）、氯化物快速迁移法（RCM）和NEL法等。

虽然这些方法在测试原理和测试指标方面有所不同，但最终目的都是定量表征氯离子在混凝土中的扩散系数。一般来讲，不同测试方法获得的氯离子扩散系数是不能进行直接比较的，即使是同一种测试方法，由于控制参数的不同，所测试的扩散系数也可能有差异。不过，对于特定组成的混凝土而言，采用不同的方法得到的扩散系数之间是存在一定的相关性的。由于采用自然扩散法获得的表观氯离子扩散系数能够更加真实地反映混凝土基体抵抗氯离子侵蚀的能力，一般的氯盐传输模型和相应混凝土结构寿命预测模型中常采用表观扩散系数这一指标，常常将RCM法和NEL法测得的氯离子扩散系数转化成表观氯离子扩散系数。因此，本研究确定以自然扩散法作用氯离子传输的测试方法，对应力与氯盐作用下的测试装置进行设计与改进。

2 压应力作用下混凝土中氯离子传输装置

2.1 现有的测试装置

以往开展的压应力对混凝土渗透性能影响的研究主要有4种：第1种是进行短期的一次加载，然后卸载，再测试氯离子扩散系数[6]；这种方法由于在测试时混凝土不再受压应力作用，数据可靠性存在较大的误差。第2种是持续施加压荷载，对带载混凝土进行氯离子扩散系数测试[9]；由于实验装置的复杂性，这类研究还较少，且测试过程中更多的是采用电迁移的方式，与实际工程中受荷混凝土内的氯离子传输方式并不一致。第3种是对混凝土施加弯曲荷载从而间接实现压荷载的施加[10]。但是，在弯曲荷载作用下，大多数研究仅仅关注受拉区的氯离子扩散；而且，由于弯曲荷载作用下试样在中性层两侧存在压应力和拉应力两种截然不同的应力状态且应力分布不均匀，不便于进行应力对氯离子传输性能影响的量化分析和理论解释。第4种是对混凝土施加持续的压荷载，然后采用自然扩散的方法（通常为浸泡法）测试压应力下的表观氯离子扩散系数[11]；这种方法与实际工程中的服役混凝土的真实情况最为相近，得出的考虑应力的氯离子传输试验数据有一定的工程参考意义。

考虑到现有的研究中[9-11]应力条件下的氯离子侵蚀模拟实验大多是将施加应力的整套装置浸泡于侵蚀溶液或者整体置于环境箱中，这样也会不可避免地对加载装置造成腐蚀，同时也不便于控制侵蚀溶液的浓度，在更换侵蚀溶液的过程中往往要暂时改变混凝土与溶液接触的状态，不同的操作过程势必对试验结果会产生一定的影响。

通过以上分析，确定了压应力作用下混凝土中氯离子传输测试方法以及装置的关键点：

（1）直接对试件施加外部轴压荷载，确保施加的压荷载的精确、稳定、无偏心；对施加的应力进行实际监测和反馈，以便对其进行精确调整；装置的荷载施加能力强，能实现较大范围应力的提供；应力提供能保持长期持续稳定。

（2）氯离子以自然扩散的方式向混凝土内部传输，混凝土表面与侵蚀溶液长期接触，对侵蚀溶液浓度进行检测保证浓度稳定，更换溶液时不影响或者改变混凝土表面与溶液的接触状态，溶液不对加载装置造成腐蚀。

2.2 新测试装置的建立

基于以上讨论，在现有测试装置的基础上，通过几项创新型设计确定了压应力作用下混凝土中氯离子传输的测试装置，如图1所示。防腐软管主要用于不同压应力水平下氯离子在混凝土中的传输。装置分为应力加载和溶液循环2个核心单元。

图1 压应力作用下混凝土中氯离子传输的试验装置示意

2.2.1 压应力加载单元

如图1所示，通过螺母及4根拉杆固定上压板，再利用碟形弹簧的弹性形变蓄能，对混凝土试块施加恒定压应力，同时通过在中压板下方设置的接触部件，使该装置加载的恒定压应力加载更加稳定；采用限位阀，使混凝土试块的安装更加便捷；加压及测试的过程中，采用应变计或力传感器对应力进行精确测控；整个装置是由4根拉杆装配而成，整体结构简单，便于拆卸及维修保养。通过该单元对混凝土试块加载至恒定压应力水平，可以模拟出实际工程中不同应力状态下服役混凝土的真实工况，使所测试结果更加具有工程参考价值。

2.2.2 球面滚轴均匀传递压应力

中压板下方设计了一个球面滚轴，其上部为半圆形、下部为长方形，在中压板下表面正中心位置有一个凹槽，该凹槽的高度为中压板厚度的一半，其半径小于球面滚轴半径，使球面滚轴的半圆形大部分嵌入中压板中并可在其中自由转动，球面滚轴下部长方形的下表面与混凝土试块上表面接触。在加压过程中，球面滚轴将中压板的压应力完整均匀地传递给混凝土试块，使混凝土试块受力均匀。

2.2.3 碟形弹簧保障较大的压应力

压应力施加单元采用碟形弹簧，又名贝勒维尔垫圈，其主要特点是弹性模量高、行程短、组合使用方便、维修换装容易和安全性能高，尤其能在较小的空间内承受极大的荷载。碟形弹簧单位体积的变形能较大，特别是采用叠加组合时，由于表面摩擦阻力作用，吸收冲击和消散能量的作用明显。利用碟形弹簧的弹性形变蓄能，可以对混凝土试块施加较大载荷的恒定压应力。

混凝土的轴压强度通常为30～50 MPa，按照试验时最大应力比0.8、混凝土试块截面积100 cm2估算，需要持载的范围为240～400 kN。如果不采用碟形弹簧，如此大的荷载很难保持稳定。根据施加荷载范围计算后，选用碟形弹簧进行复合组合，每一叠合用10～20片碟簧，通过叠合组数来控制碟簧整体变形量的大小[12]。

2.2.4 溶液循环单元

溶液循环单元主要实现的功能是确保氯盐溶液与受力混凝土试件的接触，但又不对加载装置产生腐蚀，确保混凝土表面与溶液接触的状态稳定。所设计的溶液循环单元主要包括溶液槽、恒流泵、水箱和防腐软管等。将配制好的侵蚀溶液装入储液池中，在储液池中插入2根防腐软管，其中通过恒流泵与溶液盒下部开口相连，溶液盒上部开口连接插入储液池的另一根防腐软管，形成一个溶液循环的回路；溶液盒与受压混凝土试件表面密封连接，并处于试件均匀受力的中心区。

采用溶液循环的方式有以下2方面的优点：（1）由于溶液循环回路为封闭式回路，消除了空气中的二氧化碳可能溶于侵蚀溶液从而对混凝土造成的影响；（2）混凝土表层与溶液的长期接触可能导致混凝土内部离子的溶出，从而影响侵蚀溶液的浓度和成分。装置设计中采用恒流泵控制循环溶液的速率，使接触溶液处于稳态流动状态，最大程度地确保了表面溶液浓度的稳定和不同试件表面溶液浓度的一致性。另外，通过对溶液浓度的定期检测，可以对溶液进行及时的调整和更换，并且更换溶液时只需要将进水口移至新的储液池中即可，对整个溶液循环系统没有任何影响，更不会改变混凝土与溶液的接触状态。

3 压应力作用下混凝土中氯离子传输试验

3.1 试件制作与处理

3.1.1 原材料与配合比

所用水泥为P·I42.5基准水泥，比表面积346 m2/kg，体积密度3.10 g/cm3；采用河砂，其细度模数为2.8，含泥量小于1%；采用连续级配碎石，粒径分别为5～10mm和10～20mm，混合掺加质量比为4∶6；减水剂为聚羧酸系高效减水剂，固含量18%。混凝土配合比如表1所示，实测混凝土坍落度为15 cm。

表1 混凝土配合比 kg/m3

3.1.2 试件准备

成型了一批100 mm×100 mm×400 mm混凝土试件，其中3块用于测试28 d轴压强度（实验实测值为36.6 MPa），其余混凝土试件用于压应力条件下混凝土中氯离子传输性能测试，选取混凝土轴压强度为0、30%和60%的压荷载，暴露龄期为14、42、70、126和252 d。

在水中养护至28 d后，将试件擦至饱和面干状态，并在表面粘贴2层铝箔胶带，仅在试件的侧面中心位置留下80 mm×160 mm的开口。对于采用循环溶液法施加氯盐的混凝土试件，在开口处粘贴尺寸为80 mm×160 mm×50 mm的透明水箱（便于观测溶液状态）；为了防止循环溶液渗出，也可先用密封材料对混凝土表面进行密封，再粘贴铝箔。

3.1.3 应力施加与盐溶液循环

将处理好的混凝土试件安放好后，用液压伺服压力机对整个装置进行加压至设定的应力水平，然后拧紧坚固螺栓。配制浓度为3%的NaCl溶液，开启恒流泵，调整溶液循环速率为（5±1）ml/s。每周至少测试1次氯离子浓度，及时更换溶液，从而保证溶液池中的氯离子浓度恒定。

3.1.4 氯离子浓度测试

暴露至龄期后，用切割机切下与氯盐溶液接触的部分混凝土试件；采用磨粉机沿氯离子扩散方向打磨混凝土试件，每1～2 mm收集1次粉样，按照EN 14629：2007[13]测试水溶性和总氯离子含量。

3.2 压应力对氯离子传输的影响

早期的氯离子扩散研究中常常认为孔隙溶液中并不存在结合氯离子，只有自由氯离子会对钢筋锈蚀产生影响；但后来一些研究[14-16]表明，孔隙溶液pH值降低的情况下，结合氯离子会转化为自由氯离子，结合氯离子也会对混凝土中的钢筋锈蚀产生影响，从而影响混凝土的服役寿命。参考欧洲混凝土耐久性设计标准fib bulletin 34[17]和欧洲标准EN 12390-11：2015，本文仅对总氯离子含量进行分析。

分别施加30%、60%的压荷载，在持续压应力作用下，混凝土试件经过14、42、70、126和252 d后的总氯离子含量（占混凝土）分布如图2所示。

图2 压应力作用下经过14、42、70、126和252 d后氯离子浓度分布曲线

由图2可以看出，随着深度的增加，混凝土中氯离子浓度逐渐减小，并趋近于初始氯离子浓度。当施加30%压荷载时，相同深度处的氯离子浓度比不加应力时略小；但当压应力水平达到60%时，相同深度处的氯离子浓度明显增大。所设计的试验装置能够用于测试应力条件下氯离子在混凝土中的传输行为，得出的试验规律与文献[5-10]较为一致。

按照EN12390-11：2015[18]的方法，用Fick第二定律对氯离子浓度随深度变化图进行了拟合，得到了相应的表观扩散系数Dapp，表观扩散系数随时间的变化如图3所示。

图3 压应力作用下经过14、42、70、126和252 d氯离子表观扩散系数

从图3可以看出，拟合得出的氯离子扩散系数随着外加压应力比的增大先减小后增大。当施加30%压荷载时，混凝土中氯离子扩散受到抑制；但当施加60%压荷载时，氯离子扩散加速。不论是否施加外部压荷载，对同试件而言，氯离子渗透深度都随时间的延长而逐渐增大，但总的表观氯离子扩散系数却随着时间的延长呈现逐渐减小的趋势，近似呈幂函数衰减。在进行寿命设计时需要考虑应力对氯离子扩散的影响，同时还要考虑氯离子扩散系数随时间的衰减系数。

综上所述，根据实际服役混凝土结构所处的环境，确定了研究应力作用下混凝土中氯盐传输的测试方法；在现有测试装置的基础上进行了几项创新型设计，保证了测试精度；初步的试验结果表明，应力对混凝土中氯盐传输行为有着明显的影响。

4 结论

（1）为了研究压应力作用下混凝土中的氯离子传输，设计了由应力加载单元和氯盐施加单元组成的测试装置，实现了荷载的均匀、精确施加和循环溶液的精确控制，可用于测试侵蚀性离子和外加压荷载协同作用下混凝土的耐久性能。

（2）试验证明，外部压荷载对混凝土中的氯离子传输存在一定的影响：压应力作用下，氯离子扩散系数随着压应力比的增大先减小后增大，影响混凝土渗透性的压应力阈值在30%至60%之间。应力条件下的氯离子传输与实际工程中的服役混凝土的真实情况更加相近，得出的试验数据更具有工程参考意义。

（3）压应力与氯离子共同作用下，混凝土的劣化过程更为复杂，要想弄清楚轴压作用下氯离子在混凝土中的传输行为和机理，除了要研究氯离子扩散等宏观性能，还需要开展应力条件下混凝土微结构的变化研究以建立微结构变化与渗透性能的量化关系，开展非饱和试件在应力作用下的毛细吸附特性、应力条件下混凝土氯离子结合能力等方面的研究来更全面地解释应力作用下混凝土中氯离子传输的机理。

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Test device and experiment research on chloride transport in concrete under compressive stress

CAO Yin1，YAO Yan1，WANG Ling1，WANG Zhendi1，DU Peng1，2
（1.State Key Laboratory of Green Building Materials，China Building Materials Academy，Beijing 100024，China；2.Jinan University，Jinan 250022，China）

A modified test device consists of loading supply unit and solution circulation unit was developed to simulate the corrosive ion transport in concrete in real service condition，transport behavior of chloride under external compressive load in concrete was studied.The test device realized the synergetic effect between loading supply and chlorine salt，and provided a stable transportation and diffusion for chloride under a continuous adjustable stable and high accuracy external load and compressive stress field.Results show that whether load or not，chloride diffusion depth increases with time prolong while the chloride under different exposure time diffusion coefficient take on power function decreases.The diffusion coefficient of chloride ion under increasing external compressive load ratio decreases first and then increases.

compressive stress，chloride ion，synergetic effect，test device，chloride ion diffusion coefficient

TU528

A

1001-702X（2016）08-0081-05

国家自然科学基金重大国际（地区）合作研究项目（51320105016）

2016-06-08

曹银，男，1987年生，湖北随州人，博士研究生，研究方向为混凝土耐久性及混凝土外加剂。