水膠比與裂縫對氯離子擴散影響的試驗研究

戚 翔 宇， 李 艷

(1.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610021；2.資陽市安岳生態環境局，四川 資陽 642350)

1 概 述

我國混凝土生產使用量居于世界首位，提高混凝土結構耐久性，是亟待解決的重要課題。Mehta[1]認為，引起混凝土耐久性劣化的三個重要原因是鋼筋腐蝕、凍害和侵蝕環境中的物理化學作用。水工鋼筋混凝土結構處于氯鹽侵蝕環境中，而裂縫是水工混凝土建筑物常見病害，不僅影響外觀質量，嚴重時會使結構整體性遭到破壞，抗壓強度、抗碳化等性能劣化，外界的氯離子、水等介質經裂縫通道侵入混凝土內部，造成鋼筋銹蝕、結構承載能力降低等問題。

混凝土結構在氯鹽環境中的耐久性劣化是多種因素共同作用的結果，對已裂混凝土內氯離子擴散的研究，國內外已開展了一些工作，并取得了一定成果，然而綜合考慮水膠比、裂縫寬度和深度等因素對氯離子擴散影響的研究還未見相關報道。基于氯離子滲透深度和擴散系數，探討水膠比、裂縫寬度與深度等不同因素對氯離子在混凝土構件中擴散的影響，旨在為揭示氯離子侵蝕破壞和混凝土結構耐久性失效及相關規范的修訂提供一定參考。

2 試驗設計及方法

2.1 混凝土原材料

該試驗水泥選用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥、級配良好的中砂以及5～15 mm連續級配的碎石和萘系高效減水劑。

2.2 試驗設計及組合

該試驗結合相關研究成果，設計三種水膠比并進行抗壓試驗，混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

采用SPSS優化試驗方案，設置了9種組合方案，水膠比、裂縫寬度和深度正交設計表見表2。

表2 水膠比、裂縫寬度和深度正交設計表

2.3 試件處理

澆筑尺寸150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm兩種試件，對第二種尺寸試件采用不銹鋼片預裂。試件成型后帶模養護(24±2)h拆模，移入溫度(20±1)℃水中浸沒養護。養護至21 d時，對第二種尺寸試件取芯成直徑為100 mm的圓柱體，后切割成高度為(50±2)mm的試驗用試件，并打磨光滑后繼續放于標養室養護至預定齡期。試驗前，用環氧樹脂密封圓柱體側面，杜絕在側面形成氯離子擴散通道。

2.4 試驗設備及方法

該試驗在某大學水工所高性能混凝土試驗室進行，主要儀器有攪拌機、取芯機、切割機、萬能試驗機、真空飽水儀及氯離子擴散系數測定儀。該試驗采用真空飽氫氧化鈣溶液對試件預處理，采用RCM法進行抗氯離子滲透試驗，并嚴格按照標準[2]開展氯離子遷移試驗及滲透深度測定。RCM試驗裝置示意圖見圖1，試驗數據按公式(1)計算處理。

圖1 RCM試驗裝置示意圖

混凝土的非穩態氯離子遷移系數計算公示如下，通過試驗得到的遷移系數判定混凝土抗氯離子性能。

(1)

式中DRCM為混凝土的非穩態氯離子遷移系數，mm2/s，精確到0.1×10-6mm2/s；U為所用電壓的絕對值，V；T為陽極溶液的初始溫度和結束溫度的平均值，℃；L為試件厚度，mm，精確到0.1 mm；Xd為氯離子滲透深度的平均值，mm，精確到0.1 mm；t為試驗持續時間，h。

3 試驗結果分析

試驗結束后，測出氯離子滲透平均深度、試件厚度、電壓等參數，得出氯離子擴散系數。下面從水膠比、裂縫寬度及裂縫深度等不同角度分析其對氯離子擴散性能的影響。

3.1 水膠比對擴散系數影響的驗證試驗

為驗證該試驗方法的合理性，制定了三組無預裂縫試件，水膠比為0.35、0.40和0.45，分別在齡期28 d、56 d和84 d時測出試件氯離子擴散系數。不同水膠比下的氯離子擴散系數見圖2。

圖2 不同水膠比下的氯離子擴散系數

由圖2可知，氯離子擴散系數隨水膠比的增大而增大。氯離子傳輸要通過毛細孔和凝膠孔，而凝膠孔的孔徑很小，氯離子通過凝膠孔的擴散系數較毛細孔要小3個數量級，可以認為凝膠孔基本上屬于無害孔[3]。因此，氯離子主要依靠毛細孔侵入，而毛細孔受水膠比的影響較大。水膠比越大，水泥顆粒的包裹水層越厚，因水化作用一部分水在水泥石中形成無規則的毛細孔系統，混凝土中總孔隙率增大，連通的毛細孔越多。混凝土越疏松，密實性越差，且水泥中的鐵鋁酸四鈣和鋁酸三鈣含量越低，氯離子在混凝土中結合能力就較弱，所以氯離子擴散系數隨水膠比的增大而增大。同一水膠比下，氯離子擴散系數隨齡期增大而遞減，56 d較28 d的氯離子擴散系數約縮小一倍，84 d較56 d的氯離子擴散系數也急劇縮小。這是因為隨養護齡期的增長，混凝土水化作用產物一方面填充了部分初始拌和時水占據的體積，另一方面縮減孔徑尺寸，使混凝土毛細孔率和總孔隙率降低，毛細孔貫通程度減小，水化作用越充分，混凝土越密實，氯離子擴散系數越小[4，5]

3.2 裂縫寬度對擴散系數的影響

為探究裂縫寬度對擴散系數的影響，試驗設置k=0.05 mm、0.2 mm和0.5 mm的預裂縫，研究氯離子擴散系數的相關問題，不同裂縫寬度下的氯離子擴散系數見圖3。

結果表明，氯離子擴散系數隨裂縫寬度的增大而遞增，k為0.2 mm時，氯離子擴散系數較0.05 mm快速增長，當k增長到0.5 mm時，氯離子擴散系數隨k的增加平穩增長。當水膠比為0.35、k為0.05 mm時，氯離子擴散系數為3.366×10-12m2/s；k增至0.2 mm時，氯離子擴散系數快速增至5.247×10-12m2/s，增大了55.88%；k繼續增至0.5 mm時，氯離子擴散系數為6.478×10-12m2/s，較0.2 mm時增大了23.46%。一方面氯離子既沿著裂縫深度方向擴散，又通過縫面向混凝土內擴散，其擴散系數隨k的增加而增大。另一方面由于預裂縫寬不大，在氯離子擴散過程中縫面會產生阻力，從而減小了擴散速率。Ismail等人[6]通過試驗研究得出，當k<55 μm，自愈合作用阻礙氯離子擴散，其受裂縫影響可以忽略。因此，在一定的縫寬范圍內，氯離子擴散系數隨寬度的增加而增大，且寬度范圍不同，增大的速率也不同。考慮到混凝土內在結構的復雜性及各向異性，上述試驗結果與一些學者的研究具有一定的相似性，Jang等人[7]認為當裂縫超過某一臨界值時，擴散系數與寬度成正相關。

3.3 裂縫深度對氯離子擴散的影響

試驗設置了三種裂縫深度，s=10 mm、20 mm和30 mm，并選擇無縫試件作為參照組。不同裂縫深度下的滲透深度見圖4。

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

(c)s=20 mm (d)s=30 mm圖4 不同裂縫深度下的滲透深度圖(Y表示含有氯離子部分)

由圖4可知，裂縫對氯離子滲透深度有顯著影響，氯離子侵入區域形似圓潤的“V”字形，在裂縫兩側基本對稱，超出裂縫范圍后氯離子含量迅速降低。參照組氯離子擴散可認為是線性擴散，但有縫組氯離子的侵入方式卻不同，由于裂縫的存在，氯離子的侵入過程可以分為沿裂縫間隙向內部滲透和以裂縫表面向內部侵入過程的結合[8]。有裂縫試件通過裂縫通道沿深度及裂縫面向內侵入，因此無縫試件較有縫試件在裂縫附近位置的滲透深度顯著降低。對比不同裂縫深度的滲透結果，一方面隨著裂縫深度增大，裂縫處氯離子滲透深度明顯增加，遠離裂縫處滲透深度逐漸趨于一致，說明裂縫深度對氯離子擴散的影響是局部性的，僅在裂縫附近位置產生影響。另一方面，隨著裂縫深度的增加，對應的氯離子滲透范圍在裂縫底部變得更為陡峭，深度為10 mm的試件在裂縫底部滲透區域較緩，深度為30 mm的試件逐漸變陡，造成這種現象的原因主要是裂縫深度小，氯離子在裂縫底部位置的擴散要受到試件表面滲透的影響，隨著滲透深度的增加，試件表面對該位置的影響變弱。

4 結 語

試驗采用RCM法及SPSS統計軟件優化試驗方案，制作了不同水膠比、裂縫寬度和深度的預裂縫構件和無縫構件。基于氯離子擴散系數和滲透深度，首先介紹了無裂縫試件水膠比對氯離子擴散性能的影響，驗證了該試驗方法的合理性。氯離子擴散系數隨著水膠比的增大而呈遞增態勢，隨齡期的增長而明顯降低，28 d齡期后，擴散系數依然有顯著的降低。

裂縫的存在為氯離子侵入提供了通道，加快了氯離子擴散進程，氯離子擴散系數與裂縫寬度呈正相關關系，且裂縫寬度范圍不同，增大的速率也不同。裂縫寬度由0.05 mm增至0.2 mm時，氯離子擴散系數快速增長，裂縫寬度由0.2 mm增到0.5 mm時，氯離子擴散系數增長平穩。

裂縫深度對氯離子滲透有顯著的影響，氯離子滲透區域形似圓潤的“V”字形，且基本沿裂縫兩側對稱，隨著裂縫深度的增加，其滲透影響深度也越大，在裂縫底部區域逐漸變陡，超出裂縫范圍后氯離子含量迅速降低。