荷載作用下氯離子在混凝土中的滲透性研究

曾暖茜

廣東省建筑材料研究院有限公司

1 引言

鋼筋混凝土由于具備抗壓強度高、整體性好、施工操作簡便等優(yōu)點，是目前建筑行業(yè)和建筑工程結構中使用最廣泛的材料。但是在一些近海地區(qū)和鹽堿地帶中的工程中，混凝土容易受到氯離子的侵蝕或滲透而引起鋼筋混凝土產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，從而影響鋼筋混凝土耐久性，過早劣化，帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，本文基于實踐角度出發(fā)，加強對混凝土的抗氯離子滲透性研究，為延長具體工程的混凝土壽命助力。

目前對于評價和測試混凝土氯離子滲透性的方法有很多，如外加電場加速擴散法、自然擴散法和干濕循環(huán)加速法等，這些方法都有各自的優(yōu)缺點，其中外加電場增加氯離子滲透擴散速率的試驗方法已經(jīng)被很多學者和研究人員采用。然而絕大多數(shù)混凝土在實際工程應用中都是受到荷載和外部環(huán)境介質等眾多因素的共同作用，尤其是荷載對影響氯離子在混凝土中的滲透有著十分重要的影響，這與實驗室無荷載影響的試驗結果相差甚遠，導致很多鋼筋混凝土在實際工程的持久性遠低于試驗預測的持久性。因為加強對荷載作用下的混凝土氯離子在混凝土中的滲透性研究有重要現(xiàn)實意義，更加接近工程實際。

2 荷載作用下混凝土中氯離子滲透行為和機理分析

荷載作用下，尤其是疲勞荷載作用下氯離子在混凝土中的滲透是非常復雜的，這主要是由于在疲勞荷載下，混凝土發(fā)生疲勞損傷，而疲勞損傷是影響氯離子滲透加劇的主要因素。

2.1 壓縮疲勞荷載作用下混凝土氯離子滲透機理

在日常試驗中，混凝土中氯離子滲透性能可以通過對混凝土的損傷程度分析和氯離子的擴散系數(shù)進行表述。通過分析目前不同學者研究成果，部分學者由于缺乏對壓縮疲勞荷載作用下混凝土的損傷機理的認識，同時在對混凝土氯離子滲透性試驗方法、測試手段、混凝土損傷的表達形式存在差異，最終測試結果也存在一定的差異。如孫培華等通過將100mm×100mm×200mm的長方體混凝土試件處于不同應力水平下進行循環(huán)壓縮不同次數(shù)，然后使用化學滴定法對這些處于不同應力和壓縮不同次數(shù)的混凝土試件進行氯離子濃度的測試，測試結果表明：（1）疲勞上限小于0.4 時，混凝土氯離子濃度測試結果變化不明顯；（2）疲勞上限處于0.4～0.6之間時，混凝土氯離子濃度穩(wěn)定提高；（3）疲勞上限大于0.6時，混凝土氯離子濃度快速提高。還有部分學者借助超聲波波速變化監(jiān)測混凝土的損傷，進而分析超聲波波速與氯離子滲透的相關性。結果表明：（1）荷載水平低于0.6 時，混凝土中氯離子的滲透性能有所增加，但增幅不大；（2）荷載水平高于0.6時，混凝土氯離子滲透性增加顯著提高；（3）荷載水平高于0.7 時，由于混凝土內部受到損傷，導致氯離子滲透性能進一步增加。另外還有些學者對疲勞荷載耦合作用下混凝土氯離子滲透性的變化進行試驗研究，研究材料為注入氯化鈉溶液的空心混凝土試件，試驗過程中通過對試件進行多次循環(huán)壓縮，最后通過測試記錄試件不同深處的氯離子濃度。通過記錄的測試結果表明：（1）疲勞上限小于0.6時，測試試件氯離子濃度出現(xiàn)變化，但變化浮動幅度不明顯；（2）疲勞上限大于0.6 時，測試混凝土試件氯離子濃度變化快速，變化浮動幅度顯著增加。

通過以上對不同學者的研究成果分析可知，0.6的疲勞上限為一個重要轉折點，疲勞上限大于0.6時，混凝土的損傷明顯，混凝土氯離子滲透性增加。

2.2 彎曲疲勞荷載作用下混凝土氯離子滲透機理

在實際工程中，對于混凝土橋梁的梁、板等構件受到的荷載主要為彎曲荷載，彎曲荷載相對于軸向受壓，更容易導致混凝土產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，從而改變氯離子的擴散系數(shù)，導致氯離子滲透問題更為嚴重。對于彎曲疲勞作用下混凝土中氯離子的滲透性研究，目前國內外學者主要將疲勞損傷后混凝土與未損傷混凝土進行對比分析，從而對疲勞損傷后混凝土的氯離子的滲透性能進行分析。如一些學者通過將100mm×100mm×400mm的棱柱體混凝土試件處于于彎曲荷載作用下進行多次循環(huán)壓縮，完成加載后選取混凝土試件端部和中間大小分別為100mm×50mm的試塊，并通過電通量進行結果測試。測試結果表明：混凝土中部試塊電通量增加量是端部試塊電通量的40%。還有部分學者通過對砂漿試件進行了疲勞、氯離子滲透以及溫度的耦合試驗。在完成混凝土試件的飽水試驗后，混凝土的飽水度在3d內疲勞荷載作用下都能高達99%，混凝土氯離子主要滲透方式為擴散。同時讓砂漿試件處于不同應力下，然后對在不同應力下受到不同水平疲勞損傷的氯離子進行濃度測試，最終測試結果表明：砂漿試件中的氯離子擴散受到不同荷載水平的影響，荷載水平與砂漿試件中的氯離子擴散系數(shù)關系為二次函數(shù)關系。

3 試驗部分

通過以上對荷載作用下混凝土中氯離子滲透行為和機理分析和通過對國內外相關學者對荷載作用下氯離子的滲透性能相關測試方法調研基礎上。下面結合自身工程實踐利用海洋環(huán)境對載荷作用下氯離子在混凝土中滲透性進行實際測試，具體分析在荷載作用下混凝土中氯離子的滲透能力，試驗過程和結果分析如下。

3.1 試驗材料的選擇

本次試驗的混凝土試塊配合比如表1所示。

表1 試驗混凝土試塊的配合比

3.2 試驗方法

本次試驗抗壓強度的測試的材料選取養(yǎng)護到齡期的混凝土試塊，同時應力的水平值設定為抗壓強度平均值的30%和60%，并結合這兩個應力水平數(shù)值下對試塊彎曲荷載進行測量，并確定彎曲荷載數(shù)值。完成測量后將試塊分別放在海邊的大氣區(qū)、氯化鈉溶液和潮汐區(qū)三個不同的測試位置中，并在固定環(huán)境中達到規(guī)定的試驗時間。最后對試塊進行取樣墨粉，對不同混凝土試塊中氯離子的含量進行測試，并對不同位置中的氯離子含量分布進行計算，并分析結果。

3.3 試驗結果分析

試驗數(shù)據(jù)結果顯示，大氣區(qū)暴露的混凝土試塊中的氯離子的含量明顯低于潮汐區(qū)中混凝土中氯離子的含量。另外，通過試驗觀察到，在潮汐區(qū)的混凝土由于受到對流區(qū)的作用影響，出現(xiàn)一定量氯離子聚集情況，同時在鹽水帶動下，氯離子容易出現(xiàn)在一些較為干燥的混凝土中，并隨著水分的蒸發(fā)而出現(xiàn)聚集。

在混凝土的表面區(qū)域，由于表面區(qū)域的變化環(huán)境不可控，含水量變化大，試驗結果存在較大偏差，而在混凝土的內部區(qū)域，含水量受環(huán)境影響不大，在氯離子的擴散能力試驗上結果較為準確。結合本次試驗結果分析，處于同一環(huán)境相同時間的混凝土試塊，其中有摻合料的混凝土試塊的氯離子含量低于沒有摻合料的混凝土試塊，滲透深度也小于沒有摻合料的混凝土試塊。這個試驗結果表明，通過增加粉煤粉類物質可以提高混凝土的抗氯離子滲透能力目的。

為了分析在載荷作用下氯離子的滲透能力，本次試驗通過對同種試驗條件下的海洋潮汐下暴露的加載土、海洋潮汐下暴露的不加載、試驗室環(huán)境下暴露的加載、試驗室環(huán)境下暴露的不加載四種混凝土試塊氯離子的含量分布進行對比分析。見圖1和圖2。

圖1 氯離子分布情況（受壓區(qū)）

圖2 氯離子分布情況（受拉區(qū)）

結合圖中試驗數(shù)據(jù)分析表明：無論處于何種環(huán)境，混凝土試塊受到的荷載力對氯離子的含量影響很大，受荷載影響的混凝土氯離子含量越大，氯離子的擴散系數(shù)和受拉力是成正比的。同時，試驗結果還顯示，混凝土的不同配合比設計也會導致混凝土氯離子含量存在差異，影響氯離子的滲透性，如含有礦質摻合料混凝土的受拉區(qū)和受力區(qū)的氯離子含量滲透性低于不摻加礦質摻合料混凝土。另外，試驗結果還表明，海洋潮汐環(huán)境中暴露的混凝土試塊的氯離子滲透性低于試驗室條件下暴露的混凝土試塊。

4 結語

載荷下混凝土氯離子的滲透性較為復雜，在現(xiàn)有的一些研究中都是通過試驗進行總結，但由于不同的試驗環(huán)境、不同的試驗方法和不同的試驗裝置，導致最終測試結果存在一定的差異性。但在具體的工程實踐中，混凝土都是處于荷載作用環(huán)境下，通過對荷載作用下混凝土的滲透性研究對于實際工程更有指導意義。本文通過試驗得出含有礦質摻合料混凝土的受拉區(qū)和受力區(qū)的氯離子含量滲透性低于不摻加礦質摻合料混凝土。同時，氯離子的擴散系數(shù)和受拉力是成正比的。希望這些試驗結果對工程實踐中具有一定的指導意義。