水灰比和應力水平對混凝土中氯離子傳輸的影響

傅巧瑛，劉榮桂，延永東，李琮琦,2，楊金木

(1.江蘇大學土木工程與力學學院,鎮江 212013；2.揚州大學建筑科學與工程學院,揚州 225127)

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水灰比和應力水平對混凝土中氯離子傳輸的影響

傅巧瑛1，劉榮桂1，延永東1，李琮琦1,2，楊金木1

(1.江蘇大學土木工程與力學學院,鎮江 212013；2.揚州大學建筑科學與工程學院,揚州 225127)

為了得出水灰比和應力水平對氯離子在預應力混凝土內的傳輸的影響，以水泥砂漿中的氯離子擴散系數為紐帶，建立了混凝土中氯離子擴散系數與水灰比的關系。引入應力水平對氯離子擴散系數的影響函數，通過試驗擬合得到該影響函數的表達式，得出一定水灰比和應力水平下混凝土中氯離子擴散系數的計算模型。設計兩組不同水灰比的預應力混凝土構件和普通混凝土構件，對其進行氯鹽侵蝕試驗，在侵蝕3個月后檢測構件中的自由氯離子含量并計算表觀氯離子擴散系數。結果表明，由該模型得到的氯離子擴散系數理論值與試驗值的誤差在可接受的范圍內，說明本文計算模型具有較高的可靠性。

預應力混凝土； 水灰比； 應力水平； 氯離子擴散系數

1 引 言

對于沿海預應力混凝土結構，氯鹽侵蝕是導致其耐久性降低的主要原因[1,2]。而混凝土水灰比和預應力筋張拉水平的大小是影響氯鹽侵蝕的重要因素[2]，通過改變氯離子在構件中的傳輸速率，引起結構服役壽命的變化。氯離子擴散系數是反映氯鹽侵蝕速率的重要指標，因此研究水灰比和應力水平對氯離子擴散系數的影響規律，對服役結構的耐久性評估、加固和擬建結構耐久性設計具有現實意義。

根據Lifecon[3]的報告，不同水膠比相對于水膠比為0.45 時的混凝土中氯離子擴散系數呈指數關系。周劍[4]分別用交流電橋法和NEL法對不同水灰比的圓盤型素混凝土試件的氯離子擴散系數進行檢測，通過數據擬合得到氯離子擴散系數與水灰比的關系式。金駿[5]通過氯鹽浸泡試驗，研究了水灰比對氯離子擴散系數的影響規律，給出影響系數的建議取值。此外，氯離子擴散系數是隨應力水平變化的函數，Wang[6]研究了持續壓縮荷載下混凝土中氯離子的滲透規律和混凝土蠕變對氯離子滲透的影響，發現隨荷載水平的增加，氯離子滲透性降低，當荷載水平超過一定值，氯離子滲透性迅速提高。Tegguer[7]對不同大小的單軸壓縮荷載(60%fc～90%fc)作用下的普通混凝土和高性能混凝土中氯離子擴散規律進行了研究。袁承斌[8]對受拉、受壓狀態下混凝土試件進行快速氯鹽侵蝕試驗，得到不同應力狀態下氯離子擴散系數的經驗公式。以上對氯離子擴散影響因素的研究主要是以試驗研究為主，結果存在一定的誤差，且對預應力混凝土構件而言，同時考慮水灰比和應力水平對氯鹽傳輸影響的研究較少。

本文首先以水泥砂漿中的氯離子擴散系數為紐帶，建立混凝土中氯離子擴散系數與水灰比的關系。通過引入應力水平影響函數，量化了應力水平對氯離子擴散系數的影響。設計預應力混凝土構件氯鹽侵蝕試驗，擬合應力水平影響函數的表達式，因而得到一定水灰比和應力水平下混凝土中氯離子擴散系數的計算模型，并用試驗結果驗證理論模型的準確性。

2 水灰比、應力水平與氯離子擴散系數的關系

混凝土構件在澆筑成型時，由于施工技術、材料性質及配合比的影響，內部會產生一定數量的孔隙。研究表明[9]，水泥砂漿的孔隙率受水灰比W/C和水化度α的影響：

(1)

式中，水化度α主要與養護時間(一般為28 d)、水灰比有關[10]，可由下式(2)確定：

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

(2)

這些孔隙一旦貫通會形成微裂縫，構成混凝土的初始缺陷(又稱初始損傷)，從而對結構的力學性能產生影響。邱玲[11]通過摻加引氣劑模擬混凝土立方體試塊的初始損傷量大小，發現引氣劑含量越多，初始損傷越大。可見，導致混凝土初始損傷量大小的主要原因是孔隙率的改變。

處于海洋環境中的混凝土結構長期受到氯鹽等有害介質的侵蝕，孔隙率等初始缺陷的存在加速了氯離子在混凝土中的擴散。Zheng和Zhou[12]基于廣義有效介質理論，研究了水泥基質中氯離子擴散系數Ds與孔隙率p的關系，如下公式(3)所示：

(3)

式中：Dw是氯離子在孔隙溶液中的擴散系數，由于25 ℃時純水中氯離子擴散系數為2.0×10-9m2/s，考慮到水化反應與孔隙的尺寸效應，引入折減系數0.4，因此取Dw=8×10-10m2/s；p是水泥基質中的總孔隙率。

混凝土作為一種不均勻復合材料，由水泥基質、骨料及界面過渡區三部分組成，且氯離子在三個部分中的擴散系數不相同。其中，界面過渡區受骨料的影響，微裂縫較多，氯離子在其中的擴散系數比水泥基質中的大。骨料內部氯離子擴散系數最小，可認為是0。Byung[13]的研究表明，混凝土的氯離子擴散系數D0與水泥基質中的擴散系數Ds的關系如下：

(4)

式中：Va是骨料體積分數；Di/Ds為界面過渡區與水泥基質的氯離子擴散系數之比，根據相關文獻[14]，取值范圍為1～3；ε為界面過渡區厚度與對應的骨料粒徑之比，以輕骨料為例，可近似取為0.006。

由上述(1)～(4)式，可得到混凝土中的氯離子擴散系數與水灰比的關系。

對于預應力混凝土結構，混凝土受到預壓應力作用，抑制了氯離子在混凝土中的傳輸，引入影響函數f，對氯離子擴散系數進行修正：

Dσ=f(β)D0

(5)

式中：β表征應力水平，為混凝土有效預壓應力與混凝土抗壓強度設計值的比值。

為驗證上述理論模型的準確性，本文設計以下預應力混凝土梁氯鹽侵蝕試驗，并擬合出較為合理的應力水平影響函數表達式。

3 試驗方案

3.1 試件設計制作與分組

設計預應力混凝土試驗梁尺寸為150 mm×200 mm×1500 mm，混凝土強度等級C40，采用徐州市誠意水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，細骨料采用細度模數為2.8的江砂，粗骨料采用最大粒徑為20 mm玄武巖碎石(密度為2700 kg·m-3)。試驗梁的配合比見表1。

表1 試驗梁的配合比Tab.1 Mixing proportion of test beams

預應力筋的預留孔道采用φ50鍍鋅管。采用后張法對單側配置的預應力筋(光面消除應力鋼絲2φP7)施加不同的張拉應力，每根預應力筋布置2片應變片，用TS3862靜態電阻應變儀對預應力筋的應變進行監測，待預應力損失穩定后讀數。此外，設計2根普通鋼筋混凝土試驗梁作為對比。試件的分組及預應力筋張拉應力結果見表2。

表2 預應力筋的有效應力及分組情況Tab.2 Effective stress and grouping of tendons

注：預應力筋的彈性模量為1.79×105MPa，C40混凝土抗壓強度設計值為19.1 MPa。

3.2 侵蝕制度

為了便于研究，實現氯離子一維侵入，將梁的兩側面和兩端涂上環氧樹脂。隨后將所有試驗梁放入人工氣候模擬試驗室的鹽霧箱內，鹽霧箱內的溫度維持在(37±6 )℃，用5%的NaCl溶液噴霧對試件進行加速侵蝕，鹽霧沉降量為1.0～2.0 mL·[80(cm2·h)]-1，噴霧干濕時間比為1∶1，每24 h循環一次[15]，侵蝕時間3個月。

4 結果與討論

4.1 氯離子含量檢測結果

將試驗梁從鹽霧箱中取出晾干，以5 mm為分層深度，用沖擊鉆(直徑為15 mm)在混凝土表層0～50 mm內分層鉆孔取粉，每層取粉1.5 g，加入蒸餾水萃取振蕩5 min，用RCT(快速氯離子測定儀)檢測每層的自由氯離子含量[16]。測試結果見圖1。

圖1 不同水灰比下自由氯離子隨張拉應力變化分布情況(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

從圖中可以看出：(1)在不同的張拉應力或水灰比的情況下，混凝土中的自由氯離子含量都呈現出隨深度增加而遞減的趨勢；(2)相同張拉應力情況下，不同水灰比的構件在相同深度處的自由氯離子含量不同，水灰比大的，氯離子含量高，如：在深度為20～25 mm處，對于應力水平為0.5fptk的A-1(W/C=0.349)和B-1(W/C=0.412)構件，前者的氯離子含量是后者的1.1305倍；(3)相同水灰比情況下，張拉應力水平越大，同一深度處的自由氯離子含量越高。

4.2 應力水平折減函數的回歸分析

氯離子在混凝土中擴散問題的研究中，一般近似認為氯離子的擴散行為符合Fick第二定律[17]，其一維擴散方程如下：

(6)

式中：D為混凝土的表觀氯離子擴散系數，C為t時刻距混凝土表面x位置處的氯離子濃度。在本實驗中，氯離子擴散邊界條件為：C(x>0,t=0)=0，C(x>0,t=0)=Cs，Cs為混凝土表面的氯離子濃度。因此，得到的解析解如下：

(7)

結合圖1中的氯離子濃度分布情況，利用Matlab擬合工具箱求解公式(7)中的表觀氯離子擴散系數D，擬合結果如下表3。

表3 預應力混凝土試驗梁的表觀氯離子擴散系數DTab.3 Apparent chloride diffusion coefficient D of pre-stressed concrete test beams

從表中可以看出，可決系數均接近于1，擬合精度較高。結合預應力筋張拉結果，對表中無應力試驗梁和有應力(0.5fptk和0.7fptk)試驗梁的表觀氯離子擴散系數值進行回歸分析，發現當應力水平折減函數f為一元三次多項式時，回歸關系式的可信度最高。將f代入公式(5)得應力水平與氯離子擴散系數的關系：

Dσ=(1+205β3-160β2+30β)D0

(8)

5 理論驗證

將(1)～(4)式代入(8)式，得到水灰比和應力水平兩種因素對氯離子擴散的影響。不同水灰比、不同應力水平下，各試驗梁的氯離子擴散系數理論值與試驗值如下表4所示。

表4 氯離子擴散系數理論值與試驗值對比Tab.4 Comparation between theoretical and experimental values of chloride ion diffusion coefficient

對比結果顯示，各試驗梁的氯離子擴散系數理論值與試驗值誤差均小于20%，考慮到試驗構件制作時的誤差和氯離子含量測定時操作的誤差不可避免，上述誤差在可接受的范圍內。因此可以認為，根據公式(1)～(4)和公式(8)，計算一定水灰比和應力水平下預應力混凝土構件的氯離子擴散系數是具有較高精度的。

6 結 論

本文通過對一定水灰比和應力水平下預應力混凝土構件中氯離子傳輸的規律進行研究，主要得出以下幾點結論：

(1)利用水泥砂漿中水灰比與氯離子擴散系數的關系推導混凝土中水灰比與氯離子擴散系數的關系是可行的；

(2)考慮了預應力水平對氯離子傳輸的影響，通過對試驗結果的分析，發現當應力水平影響系數為三次多項式時，氯離子擴散系數理論值與試驗值的誤差較小，均在20%以內；

(3)建立了同時考慮水灰比和應力水平兩種因素的氯離子擴散系數理論公式，試驗結果與理論計算結果相差不大，說明本文提出的理論公式具有較高的可靠性。因此，根據構件的水灰比和應力水平可直接確定氯離子傳輸情況，具有較好的應用價值。

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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

國家自然科學基金項目(51278230，51378241，51541802)；江蘇省普通高校研究生實踐創新計劃(SJLX15_0499)；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃(CXZZ12-0655)

傅巧瑛(1992-)，女，碩士研究生.主要從事預應力混凝土結構耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2378-05