饱和状态下混凝土中氯离子扩散试验研究

程小康，肖林发，吴婷婷，彭步新

(1. 长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114；2. 湖南劳动人事职业学院,湖南 长沙 410100；3. 江西省安福县房产局，江西 安福 343200)

除了受到车辆荷载和风荷载的影响外，跨海工程混凝土结构的耐久性与寿命还会受到海水侵蚀的影响，其表现为混凝土开裂和钢筋锈胀腐蚀等。混凝土是各向异性材料，其结构内部会有不同尺寸与不同种类的孔隙，从而给氯离子在混凝土内的传输提供了便利条件，氯离子的传输除了结构自身的特性，还会受到其他外部因素的影响。水下混凝土除了受到海水侵蚀，还会受到其他外部因素的影响[1-2]。

许多学者对混凝土中氯离子的分布规律进行了大量试验研究。杨文武[3]等人研究了水胶比与硅灰掺量对混凝土中氯离子渗透的影响，但未进行复掺混合料对混凝土扩散的研究。胡绍振[4]等人发现粉煤灰对氯离子浓度扩散有一定的抑制作用，但未考虑不同水胶比对混凝土结构中氯离子渗透造成的影响。陆晗[5]等人发现在同一龄期，水胶比的不同会影响氯离子的进一步扩散，但没有比较有、无添加粉煤灰时氯离子浓度的变化规律。现在高性能混凝土在桥梁结构方面大规模地使用，其添加剂中的粉煤灰等可以有效地增强混凝土的抗氯离子渗透性，因此，有必要研究氯离子在高性能混凝土中扩散规律的影响[6-9]。作者拟开展氯盐槽侵蚀下的普通混凝土与高性能混凝土相关试验，并将试验值与已有模型的计算值进行对比分析，探究饱和混凝土中氯离子扩散规律和不同水灰比及有、无添加掺合料对氯离子的渗透产生何种影响。

1 试验设计

本实验试件采用标准的150 mm 的立方体混凝土试块。为了方便对比分析，普通混凝土(normal concrete, 简称为NC)设计了3 种混凝土(水灰比分别为 0.40,0.35 和 0.30)，高性能混凝土(high performance concrete, 简称为HPC)设计了4 种混凝土(水胶比分别为0.40,0.35,0.30 和0.25)，每种强度标号的混凝土设计了6 种物质的配合比，砂率均为30%。其配合比见表1。

1.1 原材料

水泥：采用湖南长沙某水泥厂生产的P.O42.5级水泥；粉煤灰：Ⅱ级，岳阳华能电厂；硅灰：天恺牌微硅粉；细集料：湘江某处的普通河沙，细度模数在2.75 左右，属于中砂，级配为Ⅱ区；粗集料：长沙浏阳当地岩浆岩碎石，级配为5～25 mm,连续级配；减水剂：减水率为22%左右；养护及拌合：淡水。

表1 混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of concrete

1.2 试块制作

将制作好的混凝土试块统一放置在设定温度为(20±2) ℃、相对湿度为90%±5%的标准养护试验箱进行养护。待养护28 d 后，取出所有的试件。不同配合比的多类型混凝土取出3 个试块，每个试块对其中5 个面涂抹环氧树脂，另一面不涂环氧树脂，作为侵蚀面，如图1 所示。顶面作为考虑氯离子渗透的一维侵蚀面；待环氧树脂在混凝土的表面凝结后，将图1 中的侵蚀面用砂带打磨机磨平，将混凝土试块放在真空饱水机直至达到饱水状态，然后将NC 试块与HPC 试块分别放置于配有3.5% NaCl 溶液的腐蚀槽内浸泡2 个月。为了减少外部干扰对试验造成的影响，溶液每7 d 更换一次。待浸泡结束后，取出混凝土试块(NC 试块和HPC 试块)，并擦去试块侵蚀面的结晶盐。用钻孔机对侵蚀面钻孔取粉。混凝土芯样按每次厚度为5 mm 从混凝土向内部钻孔取粉，并且保持每个钻孔保持在一条直线上，以此往复取到30 mm 的粉末为止。取完粉末后，为了减小向下取粉带来的误差，利用刷子和吹风机将表面清理干净，钻粉取样如图2 所示。将研磨好的粉末通过0.63 mm 方孔筛除去粗颗粒，每个混凝土试块的每一层保留3 袋10 g 的粉末，将粉末袋分开收集包装，并置于(105±5) ℃烘箱中烘2 h。待烘干后，取出粉末，冷却至室温。利用快速氯离子浓度测试仪，对冷却至室温的粉末逐一测量氯离子浓度。每测一组数据都要进行氯离子的标定，以防止由于测试时间过长而带来的不必要误差。

对氯离子浓度进行换算的公式为：

式中：C为氯离子浓度，mol/L；ρ为NaCl 溶液密度，取1.035 g/cm3[10]；w为氯离子质量分数；M为氯离子摩尔质量，35.5 g/mol。

图1 氯离子侵蚀面Fig.1 Chloride attack surface

图2 混凝土取粉Fig.2 Concrete powder

2 试验结果分析

为了验证试验结果的合理性，将文献[11]中的模型作为参照物进行了对比分析。采用Matlab 程序，将试验数据与文献[12]中的数据进行了对比分析，得到不同类型混凝土的扩散分布规律。由于混凝土表面会出现对流，需要研究的参数较多，本研究以侵蚀深度为2.5 mm 处的氯离子浓度作为表面氯离子浓度Cs进行分析[13]，并与试验研究得到的数据进行了比较分析。

浸泡试验是混凝土自然环境下进行的。对于普通混凝土，氯离子扩散的时间衰减系数m取0.3[14]；对于高性能混凝土，氯离子时间衰减系数m[14]的计算公式为：

式中：F为粉煤灰的掺入量，kg；K为矿渣的掺入量，kg。

在本研究中，对于HPC30，m取0.51；对于HPC40，m取0.56；对于HPC50，m取0.62；对于HPC60，m取0.70。

对于普通混凝土，劣化效应系数k为2；对于高性能混凝土，劣化效应系数k为4[11]。

对于普通混凝土，表观氯离子扩散系数D0=10-12.06+2.4(w/c)，其中：w/c是水胶比[15]。在本研究中，若使用NC30，D0取7.943×10-12m2/s；若使用NC40，D0取5.151×10-12m2/s；若使用NC50，D0取4.571×10-12m2/s。

对于高性能混凝土，表观氯离子扩散系数[14]为D0=10-12.06+2.4(w/c)·e-0.1646SF，其中：SF是硅粉占胶凝材料的百分含量。在本研究中，若使用HPC30，D0取2.510×10-12m2/s；若使用HPC40，D0取1.904×10-12m2/s；若使用HPC50，D0取1.441×10-12m2/s；若使用HPC60，D0取1.096×10-12m2/s。

本研究中，由于未考虑温度和湿度的影响，依据文献[14]，氯离子浓度的计算公式改写为：

式中：t0为养护时间，s；t为暴露在NaCl 溶液的时间，s；x为侵蚀深度，mm；Cs为表面氯离子浓度，本试验中取侵蚀深度为2.5 mm 处的氯离子浓度。

2.1 普通混凝土强度对氯离子浓度的影响

不同强度下普通混凝土的氯离子浓度如图3 所示。从图3 中可以看出，在混凝土的侵蚀深度为2.5～12.5 mm 之间，NC30 的氯离子浓度比NC40 和NC50 的分别高51.0%和63.1%。其原因是：①NC30混凝土的水灰比较大，粗骨料中碎石所占的体积分数较大，细骨料成分较多，导致与水泥砂浆的粘结不够紧密，形成了氯离子向混凝土内部扩散的通道，使得NC30 的氯离子浓度均大于NC40 和NC50的。②水灰比小的混凝土，除了能提高混凝土强度外，还能改善混凝土的颗粒级配，更有效地抵抗氯离子渗透[16-18]。从图3 中还可以看出，NC30 的试验值与文献[13]所用模型的计算值相吻合，NC40 和NC50 在侵蚀深度为7.5 mm 处的试验值与文献[12]所用模型的计算值相差较大。其原因是：当氯离子进入混凝土时，混凝土试块内的氯离子浓度与浸泡溶液中NaCl 的有些差距，形成了浓度差，混凝土表面会吸附NaCl 溶液内的氯离子，直至内、外溶液氯离子的浓度达到平衡为止。当NC40 和NC50的侵蚀深度均为7.5 mm 时，其氯离子浓度较文献[11]模型的小一些。随着侵蚀深度的增加，氯离子扩散速度逐渐减小，且氯离子浓度最终趋向于0 mol/L。

图3 不同强度下普通混凝土的氯离子浓度Fig.3 Chloride ion concentration of ordinary concrete at different strength

2.2 高性能混凝土强度对氯离子浓度的影响

不同强度下高性能混凝土的氯离子浓度如图4所示。从图4 中可以看出，HPC30 的氯离子浓度比HPC40,HPC50 和HPC60 的分别高25.2%,47.4%和51.6%。在复掺合料比例一致的情况下，水胶比小，结构孔隙数量少，使得结构致密，提高了高性能混凝土的抗渗性[16-18]。从图4 中还可以看出，在混凝土的侵蚀深度为7.5 mm 处的试验值与文献[19]所用模型的计算值相差较大。其原因是：在混凝土表面，水化反应还未完全，粉煤灰与硅灰所产生的二次水化还未完全进行，一定程度上阻碍了氯离子渗透能力的降低。当混凝土的侵蚀深度为12.5 mm 时，氯离子浓度逐渐下降并趋向于0 mol/L。

图4 不同强度下高性能混凝土的氯离子浓度Fig.4 Chloride ion concentration of high-performance concrete at different strength

2.3 掺合料对氯离子浓度的影响

图5 掺合料对氯离子浓度的影响Fig.5 The effect of admixture on chloride ions

掺合料对氯离子浓度的影响如图5 所示。从图5 中可以看出，当侵蚀深度为2.5～12.5 mm 时，NC30 的氯离子浓度比HPC30 的高51.6%，NC40的氯离子浓度比HPC40 的高43.0%，NC50 的氯离子浓度比HPC50 的高54.8%。表明：水灰比一致的情况下，高性能混凝土更能抵抗氯离子的渗透。其原因是：粉煤灰与硅粉等胶凝材料的尺寸较小，可以填充混凝土材料中粗骨料的大孔隙，也能促进二次水化反应的进行。即高性能混凝土中的粉煤灰的SiO2会结合部分氯离子，产生C—S—H，减小了孔隙数量比例[20-21]。而粉煤灰的掺入在一定程度上与表面积更小的硅粉互为补充，填补了混凝土的孔隙。同时，也能促进表层结构的致密性，阻碍了氯离子进一步的扩散。当高性能混凝土的侵蚀深度为17.5 mm 以后，混凝土的水化反应逐步完全，有、无添加掺合料对氯离子的传输影响不大，因此两者的氯离子浓度趋于一致。

3 结论

1) 普通混凝土和高性能混凝土在饱和状态下的浸泡氯盐试验表明：不管是普通混凝土还是高性能混凝土，氯离子含量的扩散规律与水胶比相关。

2) 在自然环境下浸泡且混凝土的侵蚀深度处于2.5～12.5 mm 时，相较于普通混凝土，高性能混凝土由于掺和料的添加，加速了混凝土的二次水化，使得结构更加密实，更能抵抗氯离子的侵蚀。

3) 随着混凝土侵蚀深度为17.5 mm 以后，普通混凝土与高性能混凝土的浓度趋于一致。表明：侵蚀深度越深，混凝土的水化越完全，掺合料的掺入对氯离子渗透的影响不大。