水灰比和应力水平对混凝土中氯离子传输的影响

傅巧瑛，刘荣桂，延永东，李琮琦,2，杨金木

(1.江苏大学土木工程与力学学院,镇江 212013；2.扬州大学建筑科学与工程学院,扬州 225127)



水灰比和应力水平对混凝土中氯离子传输的影响

傅巧瑛1，刘荣桂1，延永东1，李琮琦1,2，杨金木1

(1.江苏大学土木工程与力学学院,镇江 212013；2.扬州大学建筑科学与工程学院,扬州 225127)

为了得出水灰比和应力水平对氯离子在预应力混凝土内的传输的影响，以水泥砂浆中的氯离子扩散系数为纽带，建立了混凝土中氯离子扩散系数与水灰比的关系。引入应力水平对氯离子扩散系数的影响函数，通过试验拟合得到该影响函数的表达式，得出一定水灰比和应力水平下混凝土中氯离子扩散系数的计算模型。设计两组不同水灰比的预应力混凝土构件和普通混凝土构件，对其进行氯盐侵蚀试验，在侵蚀3个月后检测构件中的自由氯离子含量并计算表观氯离子扩散系数。结果表明，由该模型得到的氯离子扩散系数理论值与试验值的误差在可接受的范围内，说明本文计算模型具有较高的可靠性。

预应力混凝土； 水灰比； 应力水平； 氯离子扩散系数

1 引 言

对于沿海预应力混凝土结构，氯盐侵蚀是导致其耐久性降低的主要原因[1,2]。而混凝土水灰比和预应力筋张拉水平的大小是影响氯盐侵蚀的重要因素[2]，通过改变氯离子在构件中的传输速率，引起结构服役寿命的变化。氯离子扩散系数是反映氯盐侵蚀速率的重要指标，因此研究水灰比和应力水平对氯离子扩散系数的影响规律，对服役结构的耐久性评估、加固和拟建结构耐久性设计具有现实意义。

根据Lifecon[3]的报告，不同水胶比相对于水胶比为0.45 时的混凝土中氯离子扩散系数呈指数关系。周剑[4]分别用交流电桥法和NEL法对不同水灰比的圆盘型素混凝土试件的氯离子扩散系数进行检测，通过数据拟合得到氯离子扩散系数与水灰比的关系式。金骏[5]通过氯盐浸泡试验，研究了水灰比对氯离子扩散系数的影响规律，给出影响系数的建议取值。此外，氯离子扩散系数是随应力水平变化的函数，Wang[6]研究了持续压缩荷载下混凝土中氯离子的渗透规律和混凝土蠕变对氯离子渗透的影响，发现随荷载水平的增加，氯离子渗透性降低，当荷载水平超过一定值，氯离子渗透性迅速提高。Tegguer[7]对不同大小的单轴压缩荷载(60%fc～90%fc)作用下的普通混凝土和高性能混凝土中氯离子扩散规律进行了研究。袁承斌[8]对受拉、受压状态下混凝土试件进行快速氯盐侵蚀试验，得到不同应力状态下氯离子扩散系数的经验公式。以上对氯离子扩散影响因素的研究主要是以试验研究为主，结果存在一定的误差，且对预应力混凝土构件而言，同时考虑水灰比和应力水平对氯盐传输影响的研究较少。

本文首先以水泥砂浆中的氯离子扩散系数为纽带，建立混凝土中氯离子扩散系数与水灰比的关系。通过引入应力水平影响函数，量化了应力水平对氯离子扩散系数的影响。设计预应力混凝土构件氯盐侵蚀试验，拟合应力水平影响函数的表达式，因而得到一定水灰比和应力水平下混凝土中氯离子扩散系数的计算模型，并用试验结果验证理论模型的准确性。

2 水灰比、应力水平与氯离子扩散系数的关系

混凝土构件在浇筑成型时，由于施工技术、材料性质及配合比的影响，内部会产生一定数量的孔隙。研究表明[9]，水泥砂浆的孔隙率受水灰比W/C和水化度α的影响：

(1)

式中，水化度α主要与养护时间(一般为28 d)、水灰比有关[10]，可由下式(2)确定：

α=0.716t0.0901exp[-0.103t0.0719/(W/C)]

(2)

这些孔隙一旦贯通会形成微裂缝，构成混凝土的初始缺陷(又称初始损伤)，从而对结构的力学性能产生影响。邱玲[11]通过掺加引气剂模拟混凝土立方体试块的初始损伤量大小，发现引气剂含量越多，初始损伤越大。可见，导致混凝土初始损伤量大小的主要原因是孔隙率的改变。

处于海洋环境中的混凝土结构长期受到氯盐等有害介质的侵蚀，孔隙率等初始缺陷的存在加速了氯离子在混凝土中的扩散。Zheng和Zhou[12]基于广义有效介质理论，研究了水泥基质中氯离子扩散系数Ds与孔隙率p的关系，如下公式(3)所示：

(3)

式中：Dw是氯离子在孔隙溶液中的扩散系数，由于25 ℃时纯水中氯离子扩散系数为2.0×10-9m2/s，考虑到水化反应与孔隙的尺寸效应，引入折减系数0.4，因此取Dw=8×10-10m2/s；p是水泥基质中的总孔隙率。

混凝土作为一种不均匀复合材料，由水泥基质、骨料及界面过渡区三部分组成，且氯离子在三个部分中的扩散系数不相同。其中，界面过渡区受骨料的影响，微裂缝较多，氯离子在其中的扩散系数比水泥基质中的大。骨料内部氯离子扩散系数最小，可认为是0。Byung[13]的研究表明，混凝土的氯离子扩散系数D0与水泥基质中的扩散系数Ds的关系如下：

(4)

式中：Va是骨料体积分数；Di/Ds为界面过渡区与水泥基质的氯离子扩散系数之比，根据相关文献[14]，取值范围为1～3；ε为界面过渡区厚度与对应的骨料粒径之比，以轻骨料为例，可近似取为0.006。

由上述(1)～(4)式，可得到混凝土中的氯离子扩散系数与水灰比的关系。

对于预应力混凝土结构，混凝土受到预压应力作用，抑制了氯离子在混凝土中的传输，引入影响函数f，对氯离子扩散系数进行修正：

Dσ=f(β)D0

(5)

式中：β表征应力水平，为混凝土有效预压应力与混凝土抗压强度设计值的比值。

为验证上述理论模型的准确性，本文设计以下预应力混凝土梁氯盐侵蚀试验，并拟合出较为合理的应力水平影响函数表达式。

3 试验方案

3.1 试件设计制作与分组

设计预应力混凝土试验梁尺寸为150 mm×200 mm×1500 mm，混凝土强度等级C40，采用徐州市诚意水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，细骨料采用细度模数为2.8的江砂，粗骨料采用最大粒径为20 mm玄武岩碎石(密度为2700 kg·m-3)。试验梁的配合比见表1。

表1 试验梁的配合比Tab.1 Mixing proportion of test beams

预应力筋的预留孔道采用φ50镀锌管。采用后张法对单侧配置的预应力筋(光面消除应力钢丝2φP7)施加不同的张拉应力，每根预应力筋布置2片应变片，用TS3862静态电阻应变仪对预应力筋的应变进行监测，待预应力损失稳定后读数。此外，设计2根普通钢筋混凝土试验梁作为对比。试件的分组及预应力筋张拉应力结果见表2。

表2 预应力筋的有效应力及分组情况Tab.2 Effective stress and grouping of tendons

注：预应力筋的弹性模量为1.79×105MPa，C40混凝土抗压强度设计值为19.1 MPa。

3.2 侵蚀制度

为了便于研究，实现氯离子一维侵入，将梁的两侧面和两端涂上环氧树脂。随后将所有试验梁放入人工气候模拟试验室的盐雾箱内，盐雾箱内的温度维持在(37±6 )℃，用5%的NaCl溶液喷雾对试件进行加速侵蚀，盐雾沉降量为1.0～2.0 mL·[80(cm2·h)]-1，喷雾干湿时间比为1∶1，每24 h循环一次[15]，侵蚀时间3个月。

4 结果与讨论

4.1 氯离子含量检测结果

将试验梁从盐雾箱中取出晾干，以5 mm为分层深度，用冲击钻(直径为15 mm)在混凝土表层0～50 mm内分层钻孔取粉，每层取粉1.5 g，加入蒸馏水萃取振荡5 min，用RCT(快速氯离子测定仪)检测每层的自由氯离子含量[16]。测试结果见图1。

图1 不同水灰比下自由氯离子随张拉应力变化分布情况(a)W/C=0.349;(b) W/C=0.412Fig.1 Distribution of free chlorine ions in concrete with tensile stress which has different water-cement ratio

从图中可以看出：(1)在不同的张拉应力或水灰比的情况下，混凝土中的自由氯离子含量都呈现出随深度增加而递减的趋势；(2)相同张拉应力情况下，不同水灰比的构件在相同深度处的自由氯离子含量不同，水灰比大的，氯离子含量高，如：在深度为20～25 mm处，对于应力水平为0.5fptk的A-1(W/C=0.349)和B-1(W/C=0.412)构件，前者的氯离子含量是后者的1.1305倍；(3)相同水灰比情况下，张拉应力水平越大，同一深度处的自由氯离子含量越高。

4.2 应力水平折减函数的回归分析

氯离子在混凝土中扩散问题的研究中，一般近似认为氯离子的扩散行为符合Fick第二定律[17]，其一维扩散方程如下：

(6)

式中：D为混凝土的表观氯离子扩散系数，C为t时刻距混凝土表面x位置处的氯离子浓度。在本实验中，氯离子扩散边界条件为：C(x>0,t=0)=0，C(x>0,t=0)=Cs，Cs为混凝土表面的氯离子浓度。因此，得到的解析解如下：

(7)

结合图1中的氯离子浓度分布情况，利用Matlab拟合工具箱求解公式(7)中的表观氯离子扩散系数D，拟合结果如下表3。

表3 预应力混凝土试验梁的表观氯离子扩散系数DTab.3 Apparent chloride diffusion coefficient D of pre-stressed concrete test beams

从表中可以看出，可决系数均接近于1，拟合精度较高。结合预应力筋张拉结果，对表中无应力试验梁和有应力(0.5fptk和0.7fptk)试验梁的表观氯离子扩散系数值进行回归分析，发现当应力水平折减函数f为一元三次多项式时，回归关系式的可信度最高。将f代入公式(5)得应力水平与氯离子扩散系数的关系：

Dσ=(1+205β3-160β2+30β)D0

(8)

5 理论验证

将(1)～(4)式代入(8)式，得到水灰比和应力水平两种因素对氯离子扩散的影响。不同水灰比、不同应力水平下，各试验梁的氯离子扩散系数理论值与试验值如下表4所示。

表4 氯离子扩散系数理论值与试验值对比Tab.4 Comparation between theoretical and experimental values of chloride ion diffusion coefficient

对比结果显示，各试验梁的氯离子扩散系数理论值与试验值误差均小于20%，考虑到试验构件制作时的误差和氯离子含量测定时操作的误差不可避免，上述误差在可接受的范围内。因此可以认为，根据公式(1)～(4)和公式(8)，计算一定水灰比和应力水平下预应力混凝土构件的氯离子扩散系数是具有较高精度的。

6 结 论

本文通过对一定水灰比和应力水平下预应力混凝土构件中氯离子传输的规律进行研究，主要得出以下几点结论：

(1)利用水泥砂浆中水灰比与氯离子扩散系数的关系推导混凝土中水灰比与氯离子扩散系数的关系是可行的；

(2)考虑了预应力水平对氯离子传输的影响，通过对试验结果的分析，发现当应力水平影响系数为三次多项式时，氯离子扩散系数理论值与试验值的误差较小，均在20%以内；

(3)建立了同时考虑水灰比和应力水平两种因素的氯离子扩散系数理论公式，试验结果与理论计算结果相差不大，说明本文提出的理论公式具有较高的可靠性。因此，根据构件的水灰比和应力水平可直接确定氯离子传输情况，具有较好的应用价值。

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Effect of Water-Cement Ratio and Stress Level on Chloride Ion Transmission in Concrete

FUQiao-ying1,LIURong-gui1,YANYong-dong1,LICong-qi1,2,YANGJin-mu1

(1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225127,China)

To study the law of chloride ion transmission in pre-stressed concrete under chloride environment and probe the effect of water-cement ratio and the stress levels on chloride transmission, the chloride ion diffusion coefficient in cement mortar was considered as a link and the relationship between water-cement ratio and chloride ion diffusion coefficient in concrete was established. The influence function indicating the effect of stress level on chloride ion diffusion coefficient was introduced and the expression tothe influence function was fitted by test. Thus, a certain calculation model of chloride ion diffusion coefficient of concrete under definitewater-cement ratio and stress level was obtained. Two groups of pre-stressed concrete components and ordinary concrete components with different water-cement ratio were designed to conduct chloride corrosion test. After three months' corrosion, the content of chloride ion in these components was detected and the apparent chloride diffusion coefficient was calculated. The results show that the deviation between the theoretical chloride ion diffusion coefficient calculated by the model and experimental values obtained by the test were within an acceptable range, indicating the model in this paper had high reliability.

pre-stressed concrete；water-cement ratio；stress level；chloride ion diffusion coefficient

国家自然科学基金项目(51278230，51378241，51541802)；江苏省普通高校研究生实践创新计划(SJLX15_0499)；江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXZZ12-0655)

傅巧瑛(1992-)，女，硕士研究生.主要从事预应力混凝土结构耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2378-05