水胶比与裂缝对氯离子扩散影响的试验研究

戚 翔 宇， 李 艳

(1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610021；2.资阳市安岳生态环境局，四川 资阳 642350)

1 概 述

我国混凝土生产使用量居于世界首位，提高混凝土结构耐久性，是亟待解决的重要课题。Mehta[1]认为，引起混凝土耐久性劣化的三个重要原因是钢筋腐蚀、冻害和侵蚀环境中的物理化学作用。水工钢筋混凝土结构处于氯盐侵蚀环境中，而裂缝是水工混凝土建筑物常见病害，不仅影响外观质量，严重时会使结构整体性遭到破坏，抗压强度、抗碳化等性能劣化，外界的氯离子、水等介质经裂缝通道侵入混凝土内部，造成钢筋锈蚀、结构承载能力降低等问题。

混凝土结构在氯盐环境中的耐久性劣化是多种因素共同作用的结果，对已裂混凝土内氯离子扩散的研究，国内外已开展了一些工作，并取得了一定成果，然而综合考虑水胶比、裂缝宽度和深度等因素对氯离子扩散影响的研究还未见相关报道。基于氯离子渗透深度和扩散系数，探讨水胶比、裂缝宽度与深度等不同因素对氯离子在混凝土构件中扩散的影响，旨在为揭示氯离子侵蚀破坏和混凝土结构耐久性失效及相关规范的修订提供一定参考。

2 试验设计及方法

2.1 混凝土原材料

该试验水泥选用P.O.42.5普通硅酸盐水泥、级配良好的中砂以及5～15 mm连续级配的碎石和萘系高效减水剂。

2.2 试验设计及组合

该试验结合相关研究成果，设计三种水胶比并进行抗压试验，混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

采用SPSS优化试验方案，设置了9种组合方案，水胶比、裂缝宽度和深度正交设计表见表2。

表2 水胶比、裂缝宽度和深度正交设计表

2.3 试件处理

浇筑尺寸150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm两种试件，对第二种尺寸试件采用不锈钢片预裂。试件成型后带模养护(24±2)h拆模，移入温度(20±1)℃水中浸没养护。养护至21 d时，对第二种尺寸试件取芯成直径为100 mm的圆柱体，后切割成高度为(50±2)mm的试验用试件，并打磨光滑后继续放于标养室养护至预定龄期。试验前，用环氧树脂密封圆柱体侧面，杜绝在侧面形成氯离子扩散通道。

2.4 试验设备及方法

该试验在某大学水工所高性能混凝土试验室进行，主要仪器有搅拌机、取芯机、切割机、万能试验机、真空饱水仪及氯离子扩散系数测定仪。该试验采用真空饱氢氧化钙溶液对试件预处理，采用RCM法进行抗氯离子渗透试验，并严格按照标准[2]开展氯离子迁移试验及渗透深度测定。RCM试验装置示意图见图1，试验数据按公式(1)计算处理。

图1 RCM试验装置示意图

混凝土的非稳态氯离子迁移系数计算公示如下，通过试验得到的迁移系数判定混凝土抗氯离子性能。

(1)

式中DRCM为混凝土的非稳态氯离子迁移系数，mm2/s，精确到0.1×10-6mm2/s；U为所用电压的绝对值，V；T为阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值，℃；L为试件厚度，mm，精确到0.1 mm；Xd为氯离子渗透深度的平均值，mm，精确到0.1 mm；t为试验持续时间，h。

3 试验结果分析

试验结束后，测出氯离子渗透平均深度、试件厚度、电压等参数，得出氯离子扩散系数。下面从水胶比、裂缝宽度及裂缝深度等不同角度分析其对氯离子扩散性能的影响。

3.1 水胶比对扩散系数影响的验证试验

为验证该试验方法的合理性，制定了三组无预裂缝试件，水胶比为0.35、0.40和0.45，分别在龄期28 d、56 d和84 d时测出试件氯离子扩散系数。不同水胶比下的氯离子扩散系数见图2。

图2 不同水胶比下的氯离子扩散系数

由图2可知，氯离子扩散系数随水胶比的增大而增大。氯离子传输要通过毛细孔和凝胶孔，而凝胶孔的孔径很小，氯离子通过凝胶孔的扩散系数较毛细孔要小3个数量级，可以认为凝胶孔基本上属于无害孔[3]。因此，氯离子主要依靠毛细孔侵入，而毛细孔受水胶比的影响较大。水胶比越大，水泥颗粒的包裹水层越厚，因水化作用一部分水在水泥石中形成无规则的毛细孔系统，混凝土中总孔隙率增大，连通的毛细孔越多。混凝土越疏松，密实性越差，且水泥中的铁铝酸四钙和铝酸三钙含量越低，氯离子在混凝土中结合能力就较弱，所以氯离子扩散系数随水胶比的增大而增大。同一水胶比下，氯离子扩散系数随龄期增大而递减，56 d较28 d的氯离子扩散系数约缩小一倍，84 d较56 d的氯离子扩散系数也急剧缩小。这是因为随养护龄期的增长，混凝土水化作用产物一方面填充了部分初始拌和时水占据的体积，另一方面缩减孔径尺寸，使混凝土毛细孔率和总孔隙率降低，毛细孔贯通程度减小，水化作用越充分，混凝土越密实，氯离子扩散系数越小[4，5]

3.2 裂缝宽度对扩散系数的影响

为探究裂缝宽度对扩散系数的影响，试验设置k=0.05 mm、0.2 mm和0.5 mm的预裂缝，研究氯离子扩散系数的相关问题，不同裂缝宽度下的氯离子扩散系数见图3。

结果表明，氯离子扩散系数随裂缝宽度的增大而递增，k为0.2 mm时，氯离子扩散系数较0.05 mm快速增长，当k增长到0.5 mm时，氯离子扩散系数随k的增加平稳增长。当水胶比为0.35、k为0.05 mm时，氯离子扩散系数为3.366×10-12m2/s；k增至0.2 mm时，氯离子扩散系数快速增至5.247×10-12m2/s，增大了55.88%；k继续增至0.5 mm时，氯离子扩散系数为6.478×10-12m2/s，较0.2 mm时增大了23.46%。一方面氯离子既沿着裂缝深度方向扩散，又通过缝面向混凝土内扩散，其扩散系数随k的增加而增大。另一方面由于预裂缝宽不大，在氯离子扩散过程中缝面会产生阻力，从而减小了扩散速率。Ismail等人[6]通过试验研究得出，当k<55 μm，自愈合作用阻碍氯离子扩散，其受裂缝影响可以忽略。因此，在一定的缝宽范围内，氯离子扩散系数随宽度的增加而增大，且宽度范围不同，增大的速率也不同。考虑到混凝土内在结构的复杂性及各向异性，上述试验结果与一些学者的研究具有一定的相似性，Jang等人[7]认为当裂缝超过某一临界值时，扩散系数与宽度成正相关。

3.3 裂缝深度对氯离子扩散的影响

试验设置了三种裂缝深度，s=10 mm、20 mm和30 mm，并选择无缝试件作为参照组。不同裂缝深度下的渗透深度见图4。

(a)s=0 mm (b)s=10 mm

(c)s=20 mm (d)s=30 mm图4 不同裂缝深度下的渗透深度图(Y表示含有氯离子部分)

由图4可知，裂缝对氯离子渗透深度有显著影响，氯离子侵入区域形似圆润的“V”字形，在裂缝两侧基本对称，超出裂缝范围后氯离子含量迅速降低。参照组氯离子扩散可认为是线性扩散，但有缝组氯离子的侵入方式却不同，由于裂缝的存在，氯离子的侵入过程可以分为沿裂缝间隙向内部渗透和以裂缝表面向内部侵入过程的结合[8]。有裂缝试件通过裂缝通道沿深度及裂缝面向内侵入，因此无缝试件较有缝试件在裂缝附近位置的渗透深度显著降低。对比不同裂缝深度的渗透结果，一方面随着裂缝深度增大，裂缝处氯离子渗透深度明显增加，远离裂缝处渗透深度逐渐趋于一致，说明裂缝深度对氯离子扩散的影响是局部性的，仅在裂缝附近位置产生影响。另一方面，随着裂缝深度的增加，对应的氯离子渗透范围在裂缝底部变得更为陡峭，深度为10 mm的试件在裂缝底部渗透区域较缓，深度为30 mm的试件逐渐变陡，造成这种现象的原因主要是裂缝深度小，氯离子在裂缝底部位置的扩散要受到试件表面渗透的影响，随着渗透深度的增加，试件表面对该位置的影响变弱。

4 结 语

试验采用RCM法及SPSS统计软件优化试验方案，制作了不同水胶比、裂缝宽度和深度的预裂缝构件和无缝构件。基于氯离子扩散系数和渗透深度，首先介绍了无裂缝试件水胶比对氯离子扩散性能的影响，验证了该试验方法的合理性。氯离子扩散系数随着水胶比的增大而呈递增态势，随龄期的增长而明显降低，28 d龄期后，扩散系数依然有显著的降低。

裂缝的存在为氯离子侵入提供了通道，加快了氯离子扩散进程，氯离子扩散系数与裂缝宽度呈正相关关系，且裂缝宽度范围不同，增大的速率也不同。裂缝宽度由0.05 mm增至0.2 mm时，氯离子扩散系数快速增长，裂缝宽度由0.2 mm增到0.5 mm时，氯离子扩散系数增长平稳。

裂缝深度对氯离子渗透有显著的影响，氯离子渗透区域形似圆润的“V”字形，且基本沿裂缝两侧对称，随着裂缝深度的增加，其渗透影响深度也越大，在裂缝底部区域逐渐变陡，超出裂缝范围后氯离子含量迅速降低。