水灰比和應(yīng)力水平對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/h1>
2016-10-13 07:53:36傅巧瑛劉榮桂延永東李琮琦楊金木
硅酸鹽通報(bào) 2016年8期
傅巧瑛，劉榮桂，延永東，李琮琦,2，楊金木
(1.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013；2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127)
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水灰比和應(yīng)力水平對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/p>
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(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013；2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127)
為了得出水灰比和應(yīng)力水平對(duì)氯離子在預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)的傳輸?shù)挠绊?，以水泥砂漿中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為紐帶，建立了混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系。引入應(yīng)力水平對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響函數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)擬合得到該影響函數(shù)的表達(dá)式，得出一定水灰比和應(yīng)力水平下混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型。設(shè)計(jì)兩組不同水灰比的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件和普通混凝土構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行氯鹽侵蝕試驗(yàn)，在侵蝕3個(gè)月后檢測(cè)構(gòu)件中的自由氯離子含量并計(jì)算表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明，由該模型得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值的誤差在可接受的范圍內(nèi)，說(shuō)明本文計(jì)算模型具有較高的可靠性。
預(yù)應(yīng)力混凝土； 水灰比； 應(yīng)力水平； 氯離子擴(kuò)散系數(shù)
1 引 言
對(duì)于沿海預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，氯鹽侵蝕是導(dǎo)致其耐久性降低的主要原因[1,2]。而混凝土水灰比和預(yù)應(yīng)力筋張拉水平的大小是影響氯鹽侵蝕的重要因素[2]，通過(guò)改變氯離子在構(gòu)件中的傳輸速率，引起結(jié)構(gòu)服役壽命的變化。氯離子擴(kuò)散系數(shù)是反映氯鹽侵蝕速率的重要指標(biāo)，因此研究水灰比和應(yīng)力水平對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)服役結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估、加固和擬建結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。
根據(jù)Lifecon[3]的報(bào)告，不同水膠比相對(duì)于水膠比為0.45 時(shí)的混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。周劍[4]分別用交流電橋法和NEL法對(duì)不同水灰比的圓盤(pán)型素混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系式。金駿[5]通過(guò)氯鹽浸泡試驗(yàn)，研究了水灰比對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律，給出影響系數(shù)的建議取值。此外，氯離子擴(kuò)散系數(shù)是隨應(yīng)力水平變化的函數(shù)，Wang[6]研究了持續(xù)壓縮荷載下混凝土中氯離子的滲透規(guī)律和混凝土蠕變對(duì)氯離子滲透的影響，發(fā)現(xiàn)隨荷載水平的增加，氯離子滲透性降低，當(dāng)荷載水平超過(guò)一定值，氯離子滲透性迅速提高。Tegguer[7]對(duì)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(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究。袁承斌[8]對(duì)受拉、受壓狀態(tài)下混凝土試件進(jìn)行快速氯鹽侵蝕試驗(yàn)，得到不同應(yīng)力狀態(tài)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。以上對(duì)氯離子擴(kuò)散影響因素的研究主要是以試驗(yàn)研究為主，結(jié)果存在一定的誤差，且對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件而言，同時(shí)考慮水灰比和應(yīng)力水平對(duì)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(kuò)散系數(shù)為紐帶，建立混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系。通過(guò)引入應(yīng)力水平影響函數(shù)，量化了應(yīng)力水平對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件氯鹽侵蝕試驗(yàn)，擬合應(yīng)力水平影響函數(shù)的表達(dá)式，因而得到一定水灰比和應(yīng)力水平下混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型，并用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性。
2 水灰比、應(yīng)力水平與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系
混凝土構(gòu)件在澆筑成型時(shí)，由于施工技術(shù)、材料性質(zhì)及配合比的影響，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)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(yǎng)護(hù)時(shí)間(一般為28 d)、水灰比有關(guān)[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(huì)形成微裂縫，構(gòu)成混凝土的初始缺陷(又稱(chēng)初始損傷)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。邱玲[11]通過(guò)摻加引氣劑模擬混凝土立方體試塊的初始損傷量大小，發(fā)現(xiàn)引氣劑含量越多，初始損傷越大?？梢?jiàn)，導(dǎo)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(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到氯鹽等有害介質(zhì)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(kuò)散。Zheng和Zhou[12]基于廣義有效介質(zhì)理論，研究了水泥基質(zhì)中氯離子擴(kuò)散系數(shù)Ds與孔隙率p的關(guān)系，如下公式(3)所示：
(3)
式中：Dw是氯離子在孔隙溶液中的擴(kuò)散系數(shù)，由于25 ℃時(shí)純水中氯離子擴(kuò)散系數(shù)為2.0×10-9m2/s，考慮到水化反應(yīng)與孔隙的尺寸效應(yīng)，引入折減系數(shù)0.4，因此取Dw=8×10-10m2/s；p是水泥基質(zhì)中的總孔隙率。
混凝土作為一種不均勻復(fù)合材料，由水泥基質(zhì)、骨料及界面過(guò)渡區(qū)三部分組成，且氯離子在三個(gè)部分中的擴(kuò)散系數(shù)不相同。其中，界面過(guò)渡區(qū)受骨料的影響，微裂縫較多，氯離子在其中的擴(kuò)散系數(shù)比水泥基質(zhì)中的大。骨料內(nèi)部氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，可認(rèn)為是0。Byung[13]的研究表明，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0與水泥基質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)Ds的關(guān)系如下：
(4)
式中：Va是骨料體積分?jǐn)?shù)；Di/Ds為界面過(guò)渡區(qū)與水泥基質(zhì)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)之比，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14]，取值范圍為1～3；ε為界面過(guò)渡區(qū)厚度與對(duì)應(yīng)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(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系。
對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土受到預(yù)壓應(yīng)力作用，抑制了氯離子在混凝土中的傳輸，引入影響函數(shù)f，對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行修正：
Dσ=f(β)D0
(5)
式中：β表征應(yīng)力水平，為混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力與混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值。
為驗(yàn)證上述理論模型的準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)以下預(yù)應(yīng)力混凝土梁氯鹽侵蝕試驗(yàn)，并擬合出較為合理的應(yīng)力水平影響函數(shù)表達(dá)式。
3 試驗(yàn)方案
3.1 試件設(shè)計(jì)制作與分組
設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁尺寸為150 mm×200 mm×1500 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，采用徐州市誠(chéng)意水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)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(yàn)梁的配合比見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)梁的配合比Tab.1 Mixing proportion of test beams
預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)留孔道采用φ50鍍鋅管。采用后張法對(duì)單側(cè)配置的預(yù)應(yīng)力筋(光面消除應(yīng)力鋼絲2φP7)施加不同的張拉應(yīng)力，每根預(yù)應(yīng)力筋布置2片應(yīng)變片，用TS3862靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待預(yù)應(yīng)力損失穩(wěn)定后讀數(shù)。此外，設(shè)計(jì)2根普通鋼筋混凝土試驗(yàn)梁作為對(duì)比。試件的分組及預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力及分組情況Tab.2 Effective stress and grouping of tendons
注：預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量為1.79×105MPa，C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1 MPa。
3.2 侵蝕制度
為了便于研究，實(shí)現(xiàn)氯離子一維侵入，將梁的兩側(cè)面和兩端涂上環(huán)氧樹(shù)脂。隨后將所有試驗(yàn)梁放入人工氣候模擬試驗(yàn)室的鹽霧箱內(nèi)，鹽霧箱內(nèi)的溫度維持在(37±6 )℃，用5%的NaCl溶液噴霧對(duì)試件進(jìn)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(shí)間比為1∶1，每24 h循環(huán)一次[15]，侵蝕時(shí)間3個(gè)月。
4 結(jié)果與討論
4.1 氯離子含量檢測(cè)結(jié)果
將試驗(yàn)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(nèi)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(cè)定儀)檢測(cè)每層的自由氯離子含量[16]。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1 不同水灰比下自由氯離子隨張拉應(yīng)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(yīng)力或水灰比的情況下，混凝土中的自由氯離子含量都呈現(xiàn)出隨深度增加而遞減的趨勢(shì)；(2)相同張拉應(yīng)力情況下，不同水灰比的構(gòu)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(duì)于應(yīng)力水平為0.5fptk的A-1(W/C=0.349)和B-1(W/C=0.412)構(gòu)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(yīng)力水平越大，同一深度處的自由氯離子含量越高。
4.2 應(yīng)力水平折減函數(shù)的回歸分析
氯離子在混凝土中擴(kuò)散問(wèn)題的研究中，一般近似認(rèn)為氯離子的擴(kuò)散行為符合Fick第二定律[17]，其一維擴(kuò)散方程如下：
(6)
式中：D為混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，C為t時(shí)刻距混凝土表面x位置處的氯離子濃度。在本實(shí)驗(yàn)中，氯離子擴(kuò)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(jié)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(kuò)散系數(shù)D，擬合結(jié)果如下表3。
表3 預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)DTab.3 Apparent chloride diffusion coefficient D of pre-stressed concrete test beams
從表中可以看出，可決系數(shù)均接近于1，擬合精度較高。結(jié)合預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)果，對(duì)表中無(wú)應(yīng)力試驗(yàn)梁和有應(yīng)力(0.5fptk和0.7fptk)試驗(yàn)梁的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)值進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力水平折減函數(shù)f為一元三次多項(xiàng)式時(shí)，回歸關(guān)系式的可信度最高。將f代入公式(5)得應(yīng)力水平與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系：
Dσ=(1+205β3-160β2+30β)D0
(8)
5 理論驗(yàn)證
將(1)～(4)式代入(8)式，得到水灰比和應(yīng)力水平兩種因素對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響。不同水灰比、不同應(yīng)力水平下，各試驗(yàn)梁的氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值如下表4所示。
表4 氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.4 Comparation between theoretical and experimental values of chloride ion diffusion coefficient
對(duì)比結(jié)果顯示，各試驗(yàn)梁的氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值誤差均小于20%，考慮到試驗(yàn)構(gòu)件制作時(shí)的誤差和氯離子含量測(cè)定時(shí)操作的誤差不可避免，上述誤差在可接受的范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為，根據(jù)公式(1)～(4)和公式(8)，計(jì)算一定水灰比和應(yīng)力水平下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是具有較高精度的。
6 結(jié) 論
本文通過(guò)對(duì)一定水灰比和應(yīng)力水平下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中氯離子傳輸?shù)囊?guī)律進(jìn)行研究，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
(1)利用水泥砂漿中水灰比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系推導(dǎo)混凝土中水灰比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系是可行的；
(2)考慮了預(yù)應(yīng)力水平對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊?，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力水平影響系數(shù)為三次多項(xiàng)式時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值的誤差較小，均在20%以內(nèi)；
(3)建立了同時(shí)考慮水灰比和應(yīng)力水平兩種因素的氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論公式，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相差不大，說(shuō)明本文提出的理論公式具有較高的可靠性。因此，根據(jù)構(gòu)件的水灰比和應(yīng)力水平可直接確定氯離子傳輸情況，具有較好的應(yīng)用價(jià)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278230，51378241，51541802)；江蘇省普通高校研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃(SJLX15_0499)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CXZZ12-0655)
傅巧瑛(1992-)，女，碩士研究生.主要從事預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究.
TU528
A
1001-1625(2016)08-2378-05
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傅巧瑛，劉榮桂，延永東，李琮琦,2，楊金木
(1.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013；2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127)
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水灰比和應(yīng)力水平對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?/p>
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(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013；2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127)
為了得出水灰比和應(yīng)力水平對(duì)氯離子在預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)的傳輸?shù)挠绊?，以水泥砂漿中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為紐帶，建立了混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系。引入應(yīng)力水平對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響函數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)擬合得到該影響函數(shù)的表達(dá)式，得出一定水灰比和應(yīng)力水平下混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型。設(shè)計(jì)兩組不同水灰比的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件和普通混凝土構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行氯鹽侵蝕試驗(yàn)，在侵蝕3個(gè)月后檢測(cè)構(gòu)件中的自由氯離子含量并計(jì)算表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明，由該模型得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值的誤差在可接受的范圍內(nèi)，說(shuō)明本文計(jì)算模型具有較高的可靠性。
預(yù)應(yīng)力混凝土； 水灰比； 應(yīng)力水平； 氯離子擴(kuò)散系數(shù)
1 引 言
對(duì)于沿海預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，氯鹽侵蝕是導(dǎo)致其耐久性降低的主要原因[1,2]。而混凝土水灰比和預(yù)應(yīng)力筋張拉水平的大小是影響氯鹽侵蝕的重要因素[2]，通過(guò)改變氯離子在構(gòu)件中的傳輸速率，引起結(jié)構(gòu)服役壽命的變化。氯離子擴(kuò)散系數(shù)是反映氯鹽侵蝕速率的重要指標(biāo)，因此研究水灰比和應(yīng)力水平對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)服役結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估、加固和擬建結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。
根據(jù)Lifecon[3]的報(bào)告，不同水膠比相對(duì)于水膠比為0.45 時(shí)的混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。周劍[4]分別用交流電橋法和NEL法對(duì)不同水灰比的圓盤(pán)型素混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系式。金駿[5]通過(guò)氯鹽浸泡試驗(yàn)，研究了水灰比對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律，給出影響系數(shù)的建議取值。此外，氯離子擴(kuò)散系數(shù)是隨應(yīng)力水平變化的函數(shù)，Wang[6]研究了持續(xù)壓縮荷載下混凝土中氯離子的滲透規(guī)律和混凝土蠕變對(duì)氯離子滲透的影響，發(fā)現(xiàn)隨荷載水平的增加，氯離子滲透性降低，當(dāng)荷載水平超過(guò)一定值，氯離子滲透性迅速提高。Tegguer[7]對(duì)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(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了研究。袁承斌[8]對(duì)受拉、受壓狀態(tài)下混凝土試件進(jìn)行快速氯鹽侵蝕試驗(yàn)，得到不同應(yīng)力狀態(tài)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。以上對(duì)氯離子擴(kuò)散影響因素的研究主要是以試驗(yàn)研究為主，結(jié)果存在一定的誤差，且對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件而言，同時(shí)考慮水灰比和應(yīng)力水平對(duì)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(kuò)散系數(shù)為紐帶，建立混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系。通過(guò)引入應(yīng)力水平影響函數(shù)，量化了應(yīng)力水平對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件氯鹽侵蝕試驗(yàn)，擬合應(yīng)力水平影響函數(shù)的表達(dá)式，因而得到一定水灰比和應(yīng)力水平下混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型，并用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性。
2 水灰比、應(yīng)力水平與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系
混凝土構(gòu)件在澆筑成型時(shí)，由于施工技術(shù)、材料性質(zhì)及配合比的影響，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)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(yǎng)護(hù)時(shí)間(一般為28 d)、水灰比有關(guān)[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(huì)形成微裂縫，構(gòu)成混凝土的初始缺陷(又稱(chēng)初始損傷)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。邱玲[11]通過(guò)摻加引氣劑模擬混凝土立方體試塊的初始損傷量大小，發(fā)現(xiàn)引氣劑含量越多，初始損傷越大?？梢?jiàn)，導(dǎo)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(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到氯鹽等有害介質(zhì)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(kuò)散。Zheng和Zhou[12]基于廣義有效介質(zhì)理論，研究了水泥基質(zhì)中氯離子擴(kuò)散系數(shù)Ds與孔隙率p的關(guān)系，如下公式(3)所示：
(3)
式中：Dw是氯離子在孔隙溶液中的擴(kuò)散系數(shù)，由于25 ℃時(shí)純水中氯離子擴(kuò)散系數(shù)為2.0×10-9m2/s，考慮到水化反應(yīng)與孔隙的尺寸效應(yīng)，引入折減系數(shù)0.4，因此取Dw=8×10-10m2/s；p是水泥基質(zhì)中的總孔隙率。
混凝土作為一種不均勻復(fù)合材料，由水泥基質(zhì)、骨料及界面過(guò)渡區(qū)三部分組成，且氯離子在三個(gè)部分中的擴(kuò)散系數(shù)不相同。其中，界面過(guò)渡區(qū)受骨料的影響，微裂縫較多，氯離子在其中的擴(kuò)散系數(shù)比水泥基質(zhì)中的大。骨料內(nèi)部氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，可認(rèn)為是0。Byung[13]的研究表明，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0與水泥基質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)Ds的關(guān)系如下：
(4)
式中：Va是骨料體積分?jǐn)?shù)；Di/Ds為界面過(guò)渡區(qū)與水泥基質(zhì)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)之比，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14]，取值范圍為1～3；ε為界面過(guò)渡區(qū)厚度與對(duì)應(yīng)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(kuò)散系數(shù)與水灰比的關(guān)系。
對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土受到預(yù)壓應(yīng)力作用，抑制了氯離子在混凝土中的傳輸，引入影響函數(shù)f，對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行修正：
Dσ=f(β)D0
(5)
式中：β表征應(yīng)力水平，為混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力與混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值。
為驗(yàn)證上述理論模型的準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)以下預(yù)應(yīng)力混凝土梁氯鹽侵蝕試驗(yàn)，并擬合出較為合理的應(yīng)力水平影響函數(shù)表達(dá)式。
3 試驗(yàn)方案
3.1 試件設(shè)計(jì)制作與分組
設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁尺寸為150 mm×200 mm×1500 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，采用徐州市誠(chéng)意水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)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(yàn)梁的配合比見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)梁的配合比Tab.1 Mixing proportion of test beams
預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)留孔道采用φ50鍍鋅管。采用后張法對(duì)單側(cè)配置的預(yù)應(yīng)力筋(光面消除應(yīng)力鋼絲2φP7)施加不同的張拉應(yīng)力，每根預(yù)應(yīng)力筋布置2片應(yīng)變片，用TS3862靜態(tài)電阻應(yīng)變儀對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待預(yù)應(yīng)力損失穩(wěn)定后讀數(shù)。此外，設(shè)計(jì)2根普通鋼筋混凝土試驗(yàn)梁作為對(duì)比。試件的分組及預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力及分組情況Tab.2 Effective stress and grouping of tendons
注：預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量為1.79×105MPa，C40混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19.1 MPa。
3.2 侵蝕制度
為了便于研究，實(shí)現(xiàn)氯離子一維侵入，將梁的兩側(cè)面和兩端涂上環(huán)氧樹(shù)脂。隨后將所有試驗(yàn)梁放入人工氣候模擬試驗(yàn)室的鹽霧箱內(nèi)，鹽霧箱內(nèi)的溫度維持在(37±6 )℃，用5%的NaCl溶液噴霧對(duì)試件進(jìn)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(shí)間比為1∶1，每24 h循環(huán)一次[15]，侵蝕時(shí)間3個(gè)月。
4 結(jié)果與討論
4.1 氯離子含量檢測(cè)結(jié)果
將試驗(yàn)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(nèi)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(cè)定儀)檢測(cè)每層的自由氯離子含量[16]。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。
圖1 不同水灰比下自由氯離子隨張拉應(yīng)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(yīng)力或水灰比的情況下，混凝土中的自由氯離子含量都呈現(xiàn)出隨深度增加而遞減的趨勢(shì)；(2)相同張拉應(yīng)力情況下，不同水灰比的構(gòu)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(duì)于應(yīng)力水平為0.5fptk的A-1(W/C=0.349)和B-1(W/C=0.412)構(gòu)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(yīng)力水平越大，同一深度處的自由氯離子含量越高。
4.2 應(yīng)力水平折減函數(shù)的回歸分析
氯離子在混凝土中擴(kuò)散問(wèn)題的研究中，一般近似認(rèn)為氯離子的擴(kuò)散行為符合Fick第二定律[17]，其一維擴(kuò)散方程如下：
(6)
式中：D為混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，C為t時(shí)刻距混凝土表面x位置處的氯離子濃度。在本實(shí)驗(yàn)中，氯離子擴(kuò)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(jié)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(kuò)散系數(shù)D，擬合結(jié)果如下表3。
表3 預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)梁的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)DTab.3 Apparent chloride diffusion coefficient D of pre-stressed concrete test beams
從表中可以看出，可決系數(shù)均接近于1，擬合精度較高。結(jié)合預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)果，對(duì)表中無(wú)應(yīng)力試驗(yàn)梁和有應(yīng)力(0.5fptk和0.7fptk)試驗(yàn)梁的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)值進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力水平折減函數(shù)f為一元三次多項(xiàng)式時(shí)，回歸關(guān)系式的可信度最高。將f代入公式(5)得應(yīng)力水平與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系：
Dσ=(1+205β3-160β2+30β)D0
(8)
5 理論驗(yàn)證
將(1)～(4)式代入(8)式，得到水灰比和應(yīng)力水平兩種因素對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響。不同水灰比、不同應(yīng)力水平下，各試驗(yàn)梁的氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值如下表4所示。
表4 氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.4 Comparation between theoretical and experimental values of chloride ion diffusion coefficient
對(duì)比結(jié)果顯示，各試驗(yàn)梁的氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值誤差均小于20%，考慮到試驗(yàn)構(gòu)件制作時(shí)的誤差和氯離子含量測(cè)定時(shí)操作的誤差不可避免，上述誤差在可接受的范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為，根據(jù)公式(1)～(4)和公式(8)，計(jì)算一定水灰比和應(yīng)力水平下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是具有較高精度的。
6 結(jié) 論
本文通過(guò)對(duì)一定水灰比和應(yīng)力水平下預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中氯離子傳輸?shù)囊?guī)律進(jìn)行研究，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
(1)利用水泥砂漿中水灰比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系推導(dǎo)混凝土中水灰比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系是可行的；
(2)考慮了預(yù)應(yīng)力水平對(duì)氯離子傳輸?shù)挠绊?，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力水平影響系數(shù)為三次多項(xiàng)式時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論值與試驗(yàn)值的誤差較小，均在20%以內(nèi)；
(3)建立了同時(shí)考慮水灰比和應(yīng)力水平兩種因素的氯離子擴(kuò)散系數(shù)理論公式，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相差不大，說(shuō)明本文提出的理論公式具有較高的可靠性。因此，根據(jù)構(gòu)件的水灰比和應(yīng)力水平可直接確定氯離子傳輸情況，具有較好的應(yīng)用價(jià)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278230，51378241，51541802)；江蘇省普通高校研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃(SJLX15_0499)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CXZZ12-0655)
傅巧瑛(1992-)，女，碩士研究生.主要從事預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究.
TU528
A
1001-1625(2016)08-2378-05
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