李維紅，許穎穎，林 川

(1.大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連116622;2.大連市建筑科學研究設計院股份有限公司，遼寧 大連116021)

0 引 言

鋼筋混凝土是目前土木工程結構中應用最多的材料，其耐久性是關系土木建筑工程使用壽命和建設效益的主要因素。工程調(diào)查表明，海洋環(huán)境或冷天撒除冰鹽的氯化物污染是引起混凝土中鋼筋腐蝕的主要原因。在海洋和近海工程、鹽堿地帶工程和北方使用除冰鹽的道橋工程中，氯離子的侵入或滲透則為引起混凝土鋼筋銹蝕的主要原因［1］。

基于氯離子滲透引起的混凝土耐久性問題如此嚴重，世界上各個國家對氯離子的傳輸性能及機理和鋼筋的抗腐蝕性能進行了充分的研究和調(diào)查［2］，法國的Francois 等［3］最早致力于將裂縫或荷載與氯離子滲透性能和鋼筋腐蝕的性能結合起來的研究，他們采用兩種符合法國標準的鋼筋混凝土梁(分別對應不用的鋼筋布置形式)，混凝土配合比為:1∶2.05∶3.05∶0.5，每立方米水泥用量40 kg，采用三點彎曲的方法施加荷載，施加兩種荷載等級的荷載，分別為規(guī)范中所要求的含氯離子的腐蝕環(huán)境和非腐蝕環(huán)境中的最大荷載。通過對制作的鋼筋混凝土梁噴灑鹽霧或通入二氧化碳氣體，促進氯離子和二氧化碳的滲透和鋼筋腐蝕。Banthia 等［3］對受到壓應力作用的混凝土試塊進行了滲透測試。特別研究了壓應力作用對早期齡期(1 ～3 d)的混凝土滲透性的影響。青島理工大學的姜福香等［4］認為混凝土結構的使用荷載與使用環(huán)境是共同存在的，從滲透性、抗凍融、抗氯離子和硫酸根離子侵蝕等多方面闡述了荷載作用對混凝土結構耐久性的影響，他們的結論是施加荷載會對混凝土結構耐久性有很大的影響，荷載作用是耐久性研究中不容忽視的因素。因此本文重點研究在持續(xù)壓荷載作用下混凝土抗氯離子滲透規(guī)律研究。

1 試驗概況

1.1 試驗方案

試驗因素為試驗時間、荷載等級和養(yǎng)護條件。試驗時間分別為2、6 周;混凝土強度等級為C45，水灰比為0.45，試驗加載方式為持續(xù)壓荷載，荷載等級分別為0，30%C，60%C，C 為試件極限抗壓強度。養(yǎng)護條件分別為飽和氫氧化鈣溶液養(yǎng)護(擴散試驗，即考慮存在濃度梯度的情況下氯離子在連續(xù)液相內(nèi)的傳輸)和恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護。

每種試驗條件組合設置2 個試塊做對比。試驗環(huán)境條件為采用質(zhì)量分數(shù)為3%的NaCl 溶液通過特定的循環(huán)試驗裝置對試件進行氯離子滲透試驗，具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案Tab.1 Test program

1.2 試驗材料

配制1 種混凝土強度等級C45。水泥為大連小野田水泥廠生產(chǎn)的PI52.5 硅酸鹽水泥;細骨料為中砂，砂率為45%;粗骨料為碎石，最大粒徑為25 mm;外加劑為聚羧酸類減水劑;水為飲用水?；炷僚浜媳取⑻涠群?8 d 抗壓強度見表2。

表2 混凝土配合比、坍落度及抗壓強度Tab.2 Mix，slump and pressure strength of the concrete

1.3 試件加載裝置

加載裝置如圖1 所示。將試件固定在加載裝置中后放在液壓伺服壓力機下，壓力試驗機對碟簧上墊板進行加壓，壓力值大小則由輸入壓力機的數(shù)值來控制，到達規(guī)定壓力值并保持穩(wěn)定時立即將螺栓上緊并關閉壓力機，此時試件所受的外部壓應力就由碟簧來提供，一直加載到規(guī)定的試驗時間為止［5］。加載過程如圖2 所示。

圖1 試驗加載裝置Fig.1 Test loading device

圖2 加載過程圖Fig.2 Loading process diagram

1.4 試件制作及試驗過程

試件為100 mm×100 mm×400 mm 的混凝土小梁。試塊采用水性脫模劑脫模，之后用塑料薄膜覆蓋表面24 h 后拆模。采用氫氧化鈣溶液養(yǎng)護，把試塊放進水(飽和氫氧化鈣溶液)中，養(yǎng)護28 d 齡期，確定養(yǎng)護期間水必須充分;采用養(yǎng)護箱養(yǎng)護，把試塊放在恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。養(yǎng)護完成后在試塊表面粘貼鋁箔紙，留出100 mm×160 mm 的空間覆蓋夾具，然后用導管將體積50 mL 的密閉鹽溶液與夾具相連，用水泵帶動溶液進行循環(huán)腐蝕。

在加載試驗前，取3 個試塊進行抗壓強度測試，確定試塊加載值，3 個試塊抗壓強度值分別為38.50，33.21 和43.42 MPa，其中43.42 MPa 超出平均值的10%，應剔除，其余兩數(shù)結果的平均值為35.9 MPa。荷載比P/C 分別取0、0.3、0.6，P 為施加壓力。2 個試件為1 組，每個試件留出的開口作為滲透面。加載裝置示意圖如圖3 所示。

1.5 試件取樣

每到預定的試驗時間，取出相應的試件。取暴露在鹽溶液中并且平行于表面的6 層混凝土試樣，每層用沖擊電鉆取厚度為2 mm 的混凝土粉末，取粉過程如圖4 所示。根據(jù)JTJ270-1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》［6］中規(guī)定的方法來測定氯離子的滲透深度及不同深度的氯離子含量。

圖3 加載示意圖Fig.3 Loading diagram

圖4 沖擊鉆取粉Fig.4 Impact drill to take power

2 結果與討論

2.1 試驗時間

混凝土試塊在持續(xù)壓荷載作用下氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護的試塊2、6 周后氯離子含量分布見圖5，以15 mm 深度處氯離子含量為例(圖5 中氯離子含量為氯離子質(zhì)量與混凝土質(zhì)量的百分比，后文同)。

養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊在2、6 周后氯離子含量分布見圖6，以最深15 mm 處的氯離子含量為例。

圖5 2、6 周后氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護試塊的氯離子含量Fig.5 The content of chloride ion of test block which are cured in calcium hydroxide solution after 2，6 weeks

圖6 養(yǎng)護箱中養(yǎng)護試塊在2、6 周后氯離子含量Fig.6 The content of chloride ion of test block which are cured in curing box after 2，6 weeks

從圖5 和圖6 中可以看出，在2 ～6 周的時間段內(nèi)，氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護的試塊在相同荷載等級和養(yǎng)護條件下氯離子含量隨著試驗時間的延長而增加。養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊在2 ～6 周的時間段內(nèi)，60%荷載等級的氯離子含量隨著時間的延長而增加，而零荷載和30%荷載等級的氯離子含量隨著時間的延長而降低。這說明養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊隨著時間的延長氯離子擴散速率減慢，尤其是當荷載等級較小時。

2.2 荷載等級

氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護的擴散試驗試塊與養(yǎng)護箱養(yǎng)護的擴散試驗試塊2 周，6 周后不同荷載等級作用下的氯離子含量分布如圖7 所示。

圖7 持續(xù)壓荷載作用下擴散試塊不同荷載等級下氯離子含量Fig.7 Chloride ion content under different load levels of diffusion test blocks under continuous pressure load

從圖7 可以看出，30%荷載的氯離子含量比零荷載氯離子含量要高，而60%荷載等級氯離子含量比30%荷載等級要低比零荷載的要高，可知隨著荷載等級的提高，氯離子含量有所增加，加載到一定荷載等級后混凝土抵抗氯離子滲透的能力反而降低。

混凝土持續(xù)壓荷載試驗表明，壓荷載作用對氯離子在混凝土中的含量及深度分布有一定的影響，荷載作用下混凝土內(nèi)部不同深度處的氯離子含量會增加。水泥基材料的原始孔隙空間并不穩(wěn)定，它會隨持續(xù)的水化而變化，也可以通過施加機械荷載而顯著改變［6］。在適度的壓荷載作用下微孔隙會消失，在較高的壓荷載作用下會產(chǎn)生新的微裂縫，它們會作為離子擴散新的途徑［7-8］。適當?shù)膲汉奢d會補償干燥試塊外層相對較高的拉應力［9-10］。這種作用會降低毛細吸收和離子的擴散。因此在外部持續(xù)壓荷載作用下，氯離子在混凝土中的擴散速度加快，擴散系數(shù)先增大后減小。

2.3 養(yǎng)護條件對氯離子含量的影響

通常假設氯化物在混凝土中的侵蝕遵循Fick 第二定律，當初始條件為t=0、x ＞0 時，C=0;當邊界條件為x=0、t ＞0 時，C=Cs，F(xiàn)ick 第二定律的解為

式中:Cs為混凝土暴露表面的氯離子濃度，即暴露環(huán)境中的氯離子濃度;t 為混凝土受氯離子侵蝕的時間;x 為氯離子在混凝土中的滲透深度;erf 為誤差函數(shù)

根據(jù)Fick 第二定律的一維擴散解析解，利用Origin 軟件的非線性曲線擬合功能，對得到的混凝土試塊各層氯離子含量進行擬合，如果相關系數(shù)大于0.950 就能保證回歸分析得到的氯離子含量曲線與Fick 第二定律的符合性。擬合得到的混凝土試塊在持續(xù)壓荷載與氯鹽腐蝕共同作用下，氫氧化鈣溶液養(yǎng)護的擴散試驗試塊2 周、6 周后氯離子含量與恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護的擴散試驗試塊2 周、6 周后氯離子含量分布如圖8 和圖9 所示，氯離子擴散系數(shù)，混凝土表面氯離子濃度，相關系數(shù)如表1 和表2 所示。

圖8 持續(xù)壓荷載作用下2 周后不同養(yǎng)護條件下氯離子含量Fig.8 Chloride ion content in different curing conditions after two weeks under continuous pressure load

圖9 持續(xù)壓荷載作用下6 周后不同養(yǎng)護條件下氯離子含量Fig.9 Chloride ion content in different curing conditions after six weeks under continuous pressure load

從圖8 和圖9 可以看出，氯離子含量隨著滲透深度的增加而降低，氯離子滲透能力降低?；炷撩繉勇入x子含量與Fick 第二定律符合程度非常高，且變化規(guī)律基本一致。從圖中可以看出，氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護的試塊與恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊同等條件下相比氯離子含量更大。2 周的零荷載作用下氯離子含量相差比較大，而30%，60%荷載等級的作用下氯離子含量相差比較小。6 周荷載作用下氯離子分布情況與2 周的恰恰相反，零荷載作用相差比較大，30%，60%荷載等級作用下氯離子含量相差比較小。對比造成以上結果的原因可能是，飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護的試塊具有充分的保水養(yǎng)護條件，使得混凝土試塊在攪拌成型時氣孔中的未水化顆粒能夠持續(xù)得到水化所需的水分，因此不斷水化導致氣孔的粗糙度增大，使氯離子更容易進入混凝土內(nèi)部，反而降低了抗氯離子侵蝕能力［11-12］。養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊只有部分水蒸氣環(huán)繞在試塊表面不能使試塊充分水化，氣孔粗糙度相對較小，抗氯離子滲透能力相對較大。

表3 持續(xù)壓荷載作用下2 周氯離子含量結果Tab.3 Results of chloride profile after two weeks under continuous pressure load

表4 持續(xù)壓荷載作用下6 周氯離子含量結果Tab.4 Results of chloride profile after six weeks under continuous pressure load

從表3、4 中可以看出，相關系數(shù)均大于0.950，而且個別的接近于1，所以說氯離子含量與Fick 第二定律擬合性很高，F(xiàn)ick 第二定律可以用來表述混凝土抗氯離子侵蝕性能。從上表可以看出同等條件下的試件，氯離子擴散系數(shù)隨著時間的增長在減小。從擴散系數(shù)的數(shù)值大小變化可以看出氯離子擴散侵蝕能力隨荷載等級的增大先增大后減小，氯離子擴散系數(shù)與混凝土承受的荷載等級有密切關系。從中還可以看出同等條件下養(yǎng)護箱養(yǎng)護試塊的氯離子擴散系數(shù)比氫氧化鈣溶液養(yǎng)護試塊的要小，所以養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊抗氯離子滲透能力更強，建議工程用混凝土構件采用更接近養(yǎng)護箱養(yǎng)護的方式進行養(yǎng)護。

3 結 語

通過對持續(xù)壓荷載與氯鹽腐蝕環(huán)境共同作用下混凝土中氯離子滲透規(guī)律的研究，得出以下結論:

①試驗時間、荷載等級和養(yǎng)護條件是影響氯離子在混凝土中滲透深度和含量的重要因素。飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護的試塊中，在2 ～6 周的時間段內(nèi)氯離子含量隨著試驗時間的延長而增加。養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊在2 ～6 周的時間段內(nèi)，60%荷載等級的氯離子含量隨著時間的延長而增加，而零荷載和30%荷載等級的氯離子含量隨著時間的延長而降低。

②持續(xù)壓荷載的荷載等級對氯離子在混凝土中的擴散有一定程度的影響。隨著荷載等級的增大，氯離子含量有先增大后減小的趨勢，對于中間轉折點的確定還有待進一步研究。

③氯離子含量隨著滲透深度的增加而降低，氯離子滲透能力降低?；炷撩繉勇入x子含量與Fick第二定律符合程度非常高，且變化規(guī)律基本一致。從圖中可以看出，氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護的試塊與恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊同等條件下相比氯離子含量更大，養(yǎng)護箱養(yǎng)護的試塊具有更強的抗氯離子腐蝕能力。2 周的零荷載作用下氯離子含量相差比較大，而30%，60%荷載等級的作用下氯離子含量相差比較小。6 周荷載作用下氯離子分布情況與2 周的恰恰相反，零荷載作用相差比較大，30%，60%荷載等級作用下氯離子含量相差比較小。

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