養護齡期對混凝土氯離子擴散系數的影響

施珂文，周欣竹，鄭建軍

（浙江工業大學建筑工程學院，杭州 310014）

養護齡期對混凝土氯離子擴散系數的影響

施珂文，周欣竹，鄭建軍

（浙江工業大學建筑工程學院，杭州 310014）

基于NEL法研究了不同水灰比和骨料體積含量混凝土氯離子擴散系數隨時間的變化規律，發現混凝土氯離子擴散系數隨養護齡期的增大而減小，但118d后減小速率變緩。進一步數據分析表明，水灰比越大或骨料體積含量越小，混凝土氯離子擴散系數隨養護齡期增大而減小的趨勢越明顯。

混凝土； 氯離子擴散系數； 養護齡期； NEL法

混凝土結構與材料耐久性是當前學術界和工程界普遍關注的熱點課題。混凝土作為一種水硬性材料，它的水化過程需要經歷相當長的一段時間，時間越久，水化反應越充分，內部的密實度越高，氯離子擴散系數越小，抗侵蝕能力就越強［1，2］。氯離子引起鋼筋銹蝕作為鋼筋混凝土結構常見的耐久性破壞形式，會嚴重地影響結構的使用壽命［3］。長期的工程實踐和試驗研究表明，混凝土氯離子擴散系數隨時間增加而減小。因此，研究混凝土氯離子擴散系數與時間之間的定量關系對于氯鹽環境中混凝土結構和材料的耐久性設計和評估具有較大的參考價值。

國內外學者在這一領域已經開展了一定的研究。Tang和Mangat等人［4，5］在大量試驗的基礎上，建立了不同類型混凝土氯離子擴散系數與暴露時間的指數函數關系。張俊芝等人通過試驗對比了暴露時間和養護時間對混凝土氯離子擴散性能的影響，結果表明，暴露時間對混凝土氯離子擴散性能的影響更加顯著［6］。王東方利用分子運動學建立了鋼筋初銹時間的實用計算方法，并對傳統的計算模型進行了修正［7］。劉俊龍等人通過自然擴散法研究了礦物摻合料對混凝土氯離子擴散行為的時間依賴性影響，結果表明，就長期抗氯離子侵蝕能力而言，摻加粉煤灰效果較好［8］。

上面的文獻綜述表明，關于骨料體積含量和水灰比對長齡期混凝土氯離子擴散系數影響方面的研究還不充分。因此，在前人工作基礎上，該文采用NEL法測定了不同配合比、不同骨料體積含量和不同標準養護時間混凝土氯離子擴散系數，定量分析了混凝土氯離子擴散隨時間的變化規律，為混凝土結構和材料的耐久性設計提供參考。

1 試驗材料、混凝土配合比和試驗方法

試驗采用浙江錢潮水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其初凝時間、抗折強度和抗壓強度如表1所示。骨料尺寸服從富勒級配［9］，其中粗骨料為天然河卵石，最大尺寸和表觀密度分別為19mm和2 520kg／m3，細骨料為天然河砂，最小尺寸、表觀密度和吸水率分別為0.15mm、2 630kg／m3和1.6%。混凝土養護水及拌和用水均采用pH值為6.5的自來水。

表1 水泥物理力學性能

混凝土試樣的骨料體積含量分別為55%、65%和75%，對于每種骨料體積含量，水灰比分別為0.4、0.5和0.6，共制作了9種試樣。為了盡可能消除試驗結果的離散性，每種試樣同時制作不少于3個試樣。各種試樣的配合比如表2所示。

表2 混凝土試樣的配合比

首先根據表2所示的配合比制作上述9組混凝土試樣，每個試樣澆筑成100mm×100mm的圓柱體，同一齡期的混凝土試樣個數不少于3個。試樣澆筑24h后拆模，放在溫度為（20±2）℃、相對濕度為90%的養護室中養護。28d天后切去所有試樣上下表面各25mm，制成100mm×50mm的圓柱體。除28d齡期混凝土需要初次測量外，將其他所有預設齡期的試樣重新放回養護室進行標準養護，直至該編號試樣達到預定的齡期后取出測量。

采用NEL法測定混凝土氯離子擴散系數［10］，測試前先配置4mol／L的NaCl溶液，將混凝土試樣靜置在溶液中真空飽鹽24h，然后將擦去表面鹽水后的混凝土試樣置于試驗裝置兩極進行測定，混凝土氯離子擴散系數由著名的Nernst－Einstein方程確定［10］。

2 試驗結果與分析

混凝土試樣的養護齡期分別為28d、58d、118d和208d，其氯離子擴散系數的測試結果如圖1～圖3所示，其中圖1試樣的骨料體積含量為55%，圖2試樣的骨料體積含量為65%，圖3試樣的骨料體積含量為75%。

從上述3圖可以看出，隨著養護時間的延長，混凝土氯離子擴散系數呈下降趨勢，當養護時間從28d到118d時，混凝土氯離子擴散系數幾乎直線下降，而當養護時間從118d到208d時，出現明顯轉折，下降速率減緩，這與周勝兵［11］等人的結論一致。這是因為水泥水化是一個長期復雜的過程，在水化初期，水泥顆粒之間的平均間隙較大，水化反應充分，氯離子也很容易滲透。隨著水化凝膠的逐步生成，相鄰水泥顆粒之間不斷連接，毛細孔水消耗也不斷增加，使得原來聯通的充水毛細孔變成孤立的空氣層，阻礙氯離子擴散，降低水化反應速率［12］，如圖4所示，這可能是養護齡期超過118d后，混凝土氯離子擴散系數下降速率減小的主要原因。

圖1～圖3表明，對于給定的骨料體積含量，混凝土氯離子擴散系數隨著水灰比的增大而增大，而且水灰比越大，混凝土氯離子擴散系數隨時間增加減小得越明顯。由于混凝土是由骨料、水泥石和界面三部分組成，相對于水泥石和界面來說，骨料幾乎不可滲透，對于給定的骨料體積含量，水泥石和界面成為氯離子擴散的主要途徑。水化初期，高水灰比混凝土中水泥所占的空間較小，水分所占的體積較大［13］，氯離子擴散系數也較大，隨著水化的不斷進行，高水灰比混凝土中的水泥顆粒水化更加充分，水化反應速率較大，更容易生成水化凝膠填充毛細孔，切斷氯離子擴散路徑，氯離子擴散系數減小越明顯［14］。

對比圖1、圖2和圖3可以看出，對于給定的水灰比，混凝土氯離子擴散系數隨著骨料體積含量的增大而減小，并且骨料體積含量越低，混凝土氯離子擴散系數隨時間減小越明顯。在混凝土三相材料模型中，骨料本身的不可滲透性和骨料邊界的曲折性都會阻礙氯離子擴散［15］，因而骨料體積含量越大，水泥石和界面體積含量越小，混凝土氯離子擴散系數也越小。由于水化過程中，骨料體積含量始終保持不變，水化凝膠體積含量不斷增大，孔隙不斷較小，使得低骨料體積含量混凝土氯離子擴散系數減小更明顯。

3 結論

a.混凝土氯離子擴散系數隨著齡期的延長而減小，但118d后減小程度變緩。

b.對于給定的骨料體積含量，混凝土氯離子擴散系數隨著水灰比的增大而增大，且水灰比越大，混凝土氯離子擴散系數隨時間減小效應越明顯。

c.對于給定的水灰比，混凝土氯離子擴散系數隨著骨料體積含量的增大而減小，且骨料體積含量越大，混凝土氯離子擴散系數隨時間減小的效應越明顯。

［1］Bentz D P.Three－dimensional Computer Simulation of Cement Hydration and Microstructure Development［J］.Journal of the American Ceramic Society，1997，80（1）：3－21.

［2］Jennings H M，Johnson S K.Simulation of Microstructure Development During the Hydration of a Cement Compound［J］.Journal of the American Ceramic Society，1986，69（11）：790－795.

［3］施惠生，郭曉潞，張 賀.氯離子含量對混凝土中鋼筋銹蝕的影響［J］.水泥技術，2009（5）：21－25.

［4］Tang Lu－ping，Nilsson L O.Chloride Diffusivity in High Strength Concrete at Different Ages［J］.Nordic Concrete Research，1992，11（1）：162－170.

［5］Mangat P S，Molloy B T.Prediction of Long Term Chloride Concentration in Concrete［J］.Materials and Structures，1994，27（170）：338－346.

［6］張俊芝，周 劍，魯 列.暴露與養護時間對混凝土氯離子擴散性能的影響［J］.自然災害學報，2011（1）：1－5.

［7］王東方.鋼筋砼構件氯離子侵蝕下鋼筋初始銹蝕時間的計算方法［D］.北京工業大學，2003.

［8］劉俊龍，麻海燕，胡 蝶，等.礦物摻合料對混凝土氯離子擴散行為的時間依賴性的影響［J］.南京航空航天大學學報，2011（2）：279－282.

［9］Zheng Jian－jun，Zhou Xin－zhu.Percolation of ITZs in Concrete and Effects of Attributing Factors［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19（9）：784－790.

［10］Lu Xin－ying.Application of the Nernst－Einstein Equation to Concrete［J］.Cement and Concrete Research，1997，27（2）：293－302.

［11］周勝兵，周 劍，張俊芝，等.混凝土氯離子擴散性能與時間關系的試驗研究［J］.混凝土，2011（4）：46－47.

［12］袁 慶，鄭建軍，邢鴻燕.水泥水化二維模擬的數值方法及其應用［J］.水利水電科技進展，2012（1）：30－33.

［13］Zheng Jian－jun，Zhou Xin－zhu.Analytical Solution for the Chloride Diffusivity of Hardened Cement Paste［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2008，20（5）：384－391.

［14］楊小明，鄭建軍，邢鴻燕.早齡期混凝土氯離子擴散試驗研究［J］.建材世界，2011（3）：42－45.

［15］彭國軍，鄭建軍，周穎瓊.考慮骨料形狀時混凝土氯離子擴散系數預測的數值方法［J］.水利水電科技進展，2009（6）：13－16.

Effects of the Curing Time on the Chloride Diffusivity of Concrete

SHI Ke－wen，ZHOU Xin－zhu，ZHENG Jian－jun
（School of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China）

Based on the NEL method，the variation of the chloride diffusivity of concrete with time is studied for different water／cement ratios and aggregate volume contents.It is found that the chloride diffusivity of concrete decreases with the increase of the curing time，but the rate of decrease becomes smaller after 118days.Further data analysis shows that，the larger the water／cement ratio is and／or the smaller the aggregate volume content is，the chloride diffusivity of concrete decreases with time more evidently.

concrete； chloride diffusivity； curing time；NEL method

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.006

2014－01－07.

浙江省自然科學基金（LY12E08022）.

施珂文（1987－），碩士生.E－mail：shikw1987＠sina.com