荷载和干湿循环共同作用下混凝土中氯离子扩散特性研究

黄德崖 刘静静

摘 要：以混凝土水胶比、干湿循环比和压应力比为试验参数，研究不同水胶比和不同压应力下混凝土中氯离子含量的分布规律，并拟合出5～10 mm深度区域中氯离子含量随水胶比和压应力比变化的拟合公式，以及同一水胶比下氯离子含量随侵蚀龄期变化的公式。分析不同干湿循环比（1∶1、3∶1以及5∶1）下氯离子在混凝土中的输运规律，发现混凝土中氯离子含量随干湿比的增加呈增长趋势。当干湿比为5∶1时，5～10 mm深度区域氯离子含量最大。通过对比不同侵蚀龄期5～10 mm深度区域氯离子含量随压应力变化的规律发现，随着施加压应力的增加，氯离子含量不断减少。此外，侵蚀龄期越长，氯离子减少越明显。

关键词：混凝土结构;氯离子;干湿循环;荷载

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0084-04

Abstract： In the chloride ion corrosion， wetting and drying cycle zone is often the position of the most serious corrosion of steel bars. Therefore， research on diffusion characteristics of chloride ions in concrete under wet and dry cycles is particularly important. In this study， the effect of water cement ratio， dry-wet ratio and compressive stress ratio on chloride ions diffusion of concrete under wet and dry cycles was investigated. The experimental results indicated that with the increase of water cement ratio and drying process， the chloride concentration in concrete increases. With the increase of compressive stress， the chloride concentration decreases， and with the growth of erosion age， the chloride concentration decreases more obviously with the increase of compressive stress.

Keywords： concrete structure;chloride ion;dry-wet cycle;load

海洋环境中，氯化物污染引起的钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素。近年来，国内外学者对氯离子在混凝土中的传输机理做了大量研究[1-5]。韩学强等[6]认为，干湿循环粗化了混凝土试件的表层孔结构，显著提高了自由氯离子和总氯离子的浓度。罗大明等[7]分析了荷载对混凝土抗渗性能、抗氯离子侵蚀性能等方面的影响。

工程结构在实际应用中往往要承受各种荷载[8]，但对在荷载和干湿循环共同作用下混凝土中氯离子扩散的研究很少。本文通过在干湿循环和全浸泡两种条件下进行氯离子的渗透试验，研究混凝土水胶比、干湿循环比和压应力比对干湿循环下氯离子扩散规律的影响，分析在压力荷载和干湿循环共同作用下混凝土中氯离子的侵蚀机理。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥采用42.5RⅡ型硅酸盐水泥。粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰（密度为2.27 g/cm3，比表面积为405 m2/kg）。磨细矿粉选取S95级矿渣（密度为2.90 g/cm3，比表面积为402 m2/kg）。细集料采用中砂，细度模数[Mx]=2.44，表观密度为2 600 kg/m3，级配良好（Ⅱ区）。粗集料采用5～25 mm连续级配的碎石，其表观密度为2 690 kg/m3。减水剂采用聚羧酸高效减水剂。拌和水为饮用自来水。氯盐采用工业用盐。

1.2 试验设计

干湿循环试验主要考虑混凝土水胶比、干湿循环比和压应力比3个影响因素。试验试件设计为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，浇注成型后放置1 d再进行拆模。将试块放入标准养护室养护28 d后晾干，选择其中一面为工作面，其余5面刷上防锈漆，固化后将试件放置在清水中浸泡1 d取出擦干。干湿循环试验中，为加快氯离子的扩散速度，NaCl溶液浓度取5.0%。

1.2.1 混凝土水胶比试验设计。试验中混凝土为20%粉煤灰+40%矿粉双掺，水胶比分别为0.33、0.39和0.45，混凝土配合比见表1，以水胶比为参数的试验设计见表2，其中G表示干湿循环，P表示混凝土配比。此外，全浸泡试件编号未列出，用Q表示全浸泡试验。

1.2.2 干湿循环比试验设计。干湿循环试验选择以干燥时间和湿润时间比值为1∶1的干湿循环制度为基准，采用干湿循环比分别为1∶1、3∶1和5∶1这3种干湿循环制度。不同干湿循环制度下，试件浸泡时间均为8 h。干湿循环比试验设计见表3，其中B表示干湿比。

1.2.3 压应力比试验设计。加载试验考虑0（无荷载）、0.3[Fmax]、0.5[Fmax]以及0.7[Fmax]这4种荷载水平。[Fmax]为混凝土抗压强度，混凝土28 d立方体抗压强度为43 MPa。压应力比试验设计见表4。

1.2.4 加载试验设计。试件加载装置示意图如图1所示。混凝土试件所受荷载由上至下分别为70%、50%和30%的混凝土的抗压强度。经计算，每个受压试件的尺寸分别为45 mm×100 mm×50 mm、60 mm×100 mm×50 mm以及100 mm×100 mm×50 mm。试块加载前，将混凝土试块粘结固定在架子上放置0.5 d。加載时，用千斤顶进行加载，通过压力传感器和应变仪控制加载力的大小。

1.3 滴定样品中氯离子含量

每个试件分0～5 mm、5～l0 mm、10～15 mm以及15～20 mm这4层。每种条件下对试件平行取样，并将同一深度的粉末收集到一起作为该层的代表样品，研磨至全部通过0.60 mm的筛子。将研磨好的粉末样品放入烘箱中，温度调整为l05 ℃±5 ℃，2 h后取出样品，室温放置，然后用AgNO3滴定法测定各粉末试样中的氯离子含量，以占混凝土质量的百分比计。

2 试验结果与分析

张奕等[9]研究发现，干湿循环过程中氯离子的对流和扩散耦合主要发生在浅层混凝土内，其余区域以氯离子浓度扩散行为为主导，与试验结果相符。因此，下面以5～10 mm深度区域内数据为主对干湿循环试验数据进行分析。

2.1 不同水胶比下混凝土内氯离子含量

干湿循环试件内5～10 mm深度区域氯离子含量随水胶比的变化如图2所示。从图2可以看出，氯离子含量随着水胶比的增大而增大，说明干湿循环下氯离子的扩散速度与混凝土水胶比有关。水胶比越小，混凝土越密实，毛细孔隙体积越小，导致在相同侵蚀龄期内混凝土内部氯离子含量随之减少。对以上数据进行拟合，得到在一定龄期下氯离子含量与水胶比之间的关系式，如表5所示，拟合效果良好。

2.2 不同干湿循环制度下混凝土内氯离子含量

在混凝土表面蒸发速率相同的情况下，混凝土试件内5～10 mm深度区域的氯离子含量随干湿比变化如图3所示。

从图3可以看出，混凝土中氯离子含量随干湿比的增加呈增长趋势，且随着侵蚀龄期的增加，增长趋势愈加明显。当干湿比为5（即5∶1）时，混凝土中氯离子的含量最大，说明在干湿循环制度中，随着干燥时间所占比例的增大，毛细和对流在整个传输机制中占有主导地位，导致在相同的侵蚀龄期内有更多的氯化物被带入混凝土。

2.3 不同压应力状态下混凝土中氯离子含量

图4为5～10 mm深度区域不同侵蚀龄期下氯离子含量随压应力比的变化。从图4可以看出，随压应力的增加，混凝土中氯离子含量不断减少，且侵蚀龄期越长，氯离子含量随压应力减少越明显，即干湿循环下氯离子的输运过程明显受荷载影响。这种影响主要是因为荷载能够改变混凝土内部的孔结构，影响混凝土本身的渗透性，而混凝土本身的渗透性能对干湿循环下氯离子输运机理有较大影响。对以上数据进行拟合，得到在一定龄期下氯离子含量与压应力比的关系式，如表6所示，拟合效果良好。

2.4 不同侵蚀龄期混凝土中氯离子含量

图5为氯离子含量与侵蚀龄期的关系曲线。对比侵蚀不同龄期氯离子含量变化规律发现，随着侵蚀龄期的增加，所有配比混凝土内氯离子的含量增加。表7为氯离子含量随龄期变化的拟合关系式，可以看出拟合效果良好。

3 结论

干湿循环试件中，随着水胶比的增大和侵蚀龄期的增加，混凝土内氯离子含量增加;干湿循环条件下，随着干燥过程时间增加，混凝土中氯离子含量增加，其中，干湿比为5（即5∶1）的混凝土试件氯离子含量增加最明显;干湿循环条件下，混凝土试件中氯离子含量随着压应力比的增加而减小，而压力荷载对干湿循环下混凝土中氯离子输运的影响明显。

参考文献：

[1]LIU Q F，EASTERBROOK D，YANG J，et al.A three-phase，multi-component ionic transport model for simulation of chloride penetration in concrete[J].Engineering Structure，2015（3）：122-133.

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[3]PENG J X，TANG H，XIAO L F，et al.Chloride diffusion and time to corrosion initiation of reinforced concrete structures[J].Magazine of Concrete Research，2020（15）：757-770.

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[5]鮑玖文，魏佳楠，张鹏，等.海洋环境下混凝土抗氯离子侵蚀的相似性研究进展[J]. 硅酸盐学报，2020（5）：689-704.

[6]韩学强，詹树林，徐强，等.干湿循环作用对混凝土抗氯离子渗透侵蚀性能的影响[J].复合材料学报，2020（1）：198-204.

[7]罗大明，牛荻涛，苏丽.荷载与环境共同作用下混凝土耐久性研究进展[J].工程力学，2019（1）：1-14.

[8]郑宏伟，秦晓川，石亮，等.荷载与混凝土耦合作用下混凝土结构耐久性试验研究进展[J].混凝土，2020（2）：38-44.

[9]张奕.氯离子在混凝土中的输运机理研究[D].杭州：浙江大学，2008：1-143.

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