重復(fù)壓應(yīng)力和高水壓作用下混凝土氯離子滲透性試驗(yàn)研究

蔣玉川 劉鳳英 宮 建

（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院 中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司 北京 100024）

1 前 言

隨著現(xiàn)代化城市的飛速發(fā)展，地下結(jié)構(gòu)物尤其是地鐵成為各大城市的重要組成部分，混凝土抗氯離子滲透性能是混凝土耐久性研究中的重要內(nèi)容。地下混凝土同時(shí)承受著高水壓力作用和重復(fù)荷載作用，這兩個(gè)重要環(huán)境是無法忽略的，高水壓作用下以及重復(fù)壓應(yīng)力荷載作用后混凝土抗氯離子滲透性能的研究有重要的意義。

氯離子在混凝土中的滲透行為包括擴(kuò)散、滲透、毛細(xì)吸附、物理或化學(xué)吸附作用等[1]，在存在水壓力作用下，水會(huì)隨著壓力梯度滲入混凝土中，氯離子也會(huì)隨水的滲透而進(jìn)入混凝土中，這樣會(huì)加速氯離子進(jìn)入混凝土的速率。目前學(xué)者對(duì)混凝土氯離子滲透性的研究非常多，然而大部門沒有考慮荷載或裂縫對(duì)氯離子滲透性能的影響，尤其是沒有考慮荷載引起的裂縫影響，實(shí)際工程中大部分結(jié)構(gòu)物都承受著各種荷載作用，混凝土中總是存在著各種因素引起的裂縫或微裂縫?；炷林械牧芽p及微裂縫對(duì)混凝土氯離子滲透性有著不同程度的影響。[2-3]

本文主要研究不同重復(fù)壓應(yīng)力、不同水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透性能的影響，分別設(shè)置了40%、60%和80%的壓應(yīng)力以及1MPa和2MPa的水壓力，配制了五種不同水膠比的高性能混凝土，通過測(cè)定混凝土的氯離子滲透性能，研究重復(fù)壓應(yīng)力、高壓環(huán)境下混凝土的耐久性能。

表1 唐山北極熊防腐型抗裂防水劑性能

表2 混凝土配合比及28d抗壓強(qiáng)度

2 試驗(yàn)細(xì)節(jié)

2.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用P.O42.5水泥，3d抗壓強(qiáng)度為24.9MPa，28d抗壓強(qiáng)度為46.3MPa；中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9；石灰?guī)r質(zhì)碎石，最大粒徑25mm；Ⅱ級(jí)粉煤灰；高效減水劑；唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的防腐型抗裂防水劑，其性能見表1。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2 .1 氯離子滲透試驗(yàn)方法

本文采用ASTM 1202氯離子滲透試驗(yàn)方法，該方法通過測(cè)定混凝土的電通量來快速的評(píng)價(jià)混凝土的抗氯離子滲透性能?；炷僚浜媳纫姳?。

氯離子滲透試驗(yàn)具體方法是：混凝土試件成形養(yǎng)護(hù)56d后，切成50 mm厚，100 mm直徑的試件，在真空條件下處理3小時(shí)，然后再真空飽水1小時(shí)，經(jīng)真空飽水后再在水中浸泡18個(gè)小時(shí)。試件經(jīng)上述處理后固定在兩個(gè)特定的水槽之間，水槽所用溶液分別為質(zhì)量濃度3.0%的NaCl和體積濃度0.3 mol/L的NaOH。在兩個(gè)水槽間施加60 V的直流電場(chǎng)，持續(xù)通電6小時(shí)后測(cè)定通過混凝土試件的總電量。

通過測(cè)定規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過混凝土的電量高低可以判斷混凝土的抗氯離子滲透能力。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 混凝土抗氯離子滲透性評(píng)定[5]

2.2 .2 重復(fù)壓應(yīng)力試驗(yàn)方法

混凝土重復(fù)壓應(yīng)力試驗(yàn)主要是模擬列車軌道的重復(fù)壓力作用下，混凝土受到了不同程度的變形，產(chǎn)生了不同程度的微裂縫，此種條件下混凝土氯離子滲透性能的變化趨勢(shì)?；炷猎嚰B(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，采用微機(jī)控制液壓壓力機(jī)，設(shè)置不同水平的壓應(yīng)力荷載，進(jìn)行加壓——卸壓循環(huán)五次，然后將混凝土試件沿平行壓力方向和垂直壓力方向切割成符合氯離子滲透性測(cè)試的試件，進(jìn)行電通量試驗(yàn)。此種方法在切割試件時(shí)尤其要小心，防止切割不當(dāng)，造成混凝土微裂縫的變化。

表4 重復(fù)壓應(yīng)力荷載下混凝土氯離子滲透性性能

2.2 .3 高壓處理方法

混凝土高壓試驗(yàn)設(shè)置不同的水壓力，模擬存在水壓力的情況下混凝土的抗氯離子滲透性能。此試驗(yàn)采用自行改造儀器，結(jié)合加壓設(shè)備和密閉加壓容器對(duì)混凝土周圍的溶液進(jìn)行穩(wěn)定的施壓，混凝土浸泡在恒定壓力的氯離子溶液中達(dá)到規(guī)定的齡期后，測(cè)定氯離子滲透深度。此方法的原理是氯離子在壓力的作用下，通過對(duì)流和擴(kuò)散的方式滲入混凝土內(nèi)部。試驗(yàn)裝置如圖1。試驗(yàn)中的混凝土試塊只留一面接觸氯離子溶液，其余五面全部用蠟密封。

圖1 混凝土抗氯離子滲透性水壓力方法加壓裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 重復(fù)壓應(yīng)力荷載對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響

3.1 .1 不同壓應(yīng)力水平對(duì)混凝土氯離子電通量的影響

圖2 重復(fù)荷載對(duì)電通量的影響（平行方向）

從不同重復(fù)壓應(yīng)力荷載對(duì)氯離子電通量的影響試驗(yàn)研究結(jié)果可以看出，經(jīng)歷40%的重復(fù)壓應(yīng)力，混凝土抗氯離子滲透性能變化不大，并有些許的降低，說明40%的重復(fù)壓應(yīng)力荷載對(duì)混凝土氯離子滲透性能影響不大，此種水平的重復(fù)荷載基本沒有改變混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，相反，在40%重復(fù)荷載水平下，混凝土還會(huì)稍有壓縮變形，使得混凝土密實(shí)性有所提高，所以，混凝土抗氯離子滲透性能還有些許提高。

圖3 重復(fù)荷載對(duì)電通量的影響（垂直方向）

60%和80%的重復(fù)壓應(yīng)力對(duì)混凝土氯離子滲透性能有明顯的影響，說明了超過60%的重復(fù)壓應(yīng)力荷載使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了裂縫，混凝土氯離子滲透性能對(duì)裂縫極其敏感，表現(xiàn)出抗?jié)B透性能大幅度的降低。80%的重復(fù)壓應(yīng)力荷載比60%的重復(fù)壓應(yīng)力荷載水平對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響更加明顯，抗氯離子滲透性能降低幅度更大，80%的重復(fù)壓應(yīng)力荷載對(duì)混凝土破壞較大，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂縫，并連通程度更大。

法國(guó)的Hani R.Samaha和Kenneth C.Hover[6]研究表明，荷載水平低于75%時(shí)，導(dǎo)電量不受荷載的影響，但是荷載水平高于75%時(shí)，導(dǎo)電量提高20%以上。日本的Mitsuru Saito[7]研究表明，即使靜態(tài)荷載加到極限強(qiáng)度的90%，對(duì)導(dǎo)電量也沒有多大的影響；而經(jīng)受60%應(yīng)力水平的循環(huán)荷載對(duì)導(dǎo)電量有現(xiàn)狀的影響，但應(yīng)力水平小于50%時(shí)，循環(huán)荷載對(duì)導(dǎo)電量的影響也不大。各國(guó)專家對(duì)荷載對(duì)混凝土氯離子滲透性能影響研究的結(jié)果有些差異，主要是因?yàn)槭艿皆囼?yàn)條件以及混凝土配合比等多方面因素的影響，不過可以得出結(jié)論：重復(fù)壓力荷載低水平的情況對(duì)混凝土氯離子滲透性能影響不大；而高水平壓應(yīng)力對(duì)混凝土氯離子滲透性能影響較明顯，尤其是70%以上的壓力水平，增大了混凝土的電通量。

從圖中還可以看出，水膠比越大，60%以上的重復(fù)壓應(yīng)力對(duì)氯離子滲透性的影響越大，混凝土抗氯離子滲透性能降低越大；水膠比越小，60%以上的重復(fù)壓應(yīng)力對(duì)混凝土氯離子滲透性能的影響越小?？赡苁怯捎诟咚z比的混凝土抗拉強(qiáng)度較高，在同種水平的荷載作用下，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的微觀裂縫較少；并且，低水膠比的混凝土比較密實(shí)，內(nèi)部孔隙較少，雖然產(chǎn)生裂縫，但是裂縫連通性相對(duì)較差，導(dǎo)致經(jīng)過此水平的重復(fù)荷載后，混凝土抗氯離子滲透性能降低幅度較小。

3.1 .2 不同壓力方向?qū)炷谅入x子電通量的影響

比較不同方向的氯離子滲透性能，平行于混凝土壓應(yīng)力方向的混凝土抗氯離子滲透相對(duì)較差，可能是因?yàn)榛炷羶?nèi)部因壓應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫多為平行于壓應(yīng)力方向，在此方向上進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn)時(shí)，裂縫成為氯離子順利通過的有利通道，會(huì)更大幅度的提高氯離子滲透性。而在垂直與壓應(yīng)力方向進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn)，由壓應(yīng)力荷載產(chǎn)生的裂縫對(duì)其滲透性的影響會(huì)更小。

3.2 高水壓對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

3.2 .1 水壓力下混凝土氯離子滲透規(guī)律分析

圖4 AⅠ型混凝土氯離子滲透性趨勢(shì)

圖5 AⅢ型混凝土氯離子滲透性趨勢(shì)

圖6 AⅡ型混凝土氯離子滲透性趨勢(shì)

圖7 BⅠ型混凝土氯離子滲透性趨勢(shì)

圖8 BⅡ型混凝土氯離子滲透性趨勢(shì)

圖9 水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透的影響深度

從圖4～圖8不同水壓力情況下的混凝土氯離子滲透深度趨勢(shì)圖可以 看出，隨著浸泡齡期的增長(zhǎng)，氯離子滲透深度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，并且齡期越短，上升的速率越大，隨著齡期增長(zhǎng)，氯離子滲透深度增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。混凝土作為一種多孔結(jié)構(gòu)的混合體，其表層存在一定數(shù)量的孔隙通道，這些孔隙通道使得混凝土表層一定深度范圍內(nèi)與周圍的環(huán)境直接相通，因此氯離子很容易滲透入混凝土表層一定的深度，在浸泡初期，尤其是第一天氯離子滲透速度很快。隨著深度的增加，混凝土內(nèi)部與外界的直接相通的孔隙越來越少，氯離子溶液只能通過間接通道滲入，因此3d齡期后的氯離子滲透速率明顯下降。

1MPa和2MPa的水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透深度具有明顯的影響，壓力越大，氯離子滲透深度也越大。從圖中可以看出，浸泡各個(gè)齡期，水壓力情況下的氯離子滲透深度較自然浸泡情況下的氯離子滲透深度都有較大幅度的增大，1MPa水壓力情況下，1d、3d、7d、14d各齡期的氯離子滲透深度較自然浸泡的氯離子滲透深度分別增加了234%～306%、127%～190%、81%～96%、62%～76%，而2MPa水壓力情況下1d、3d、7d、14d各齡期的氯離子滲透深度增加了359%～573%、166%～201%、107%～146%、82%～103%。

水壓力對(duì)混凝土浸泡初期的氯離子滲透速率影響明顯，壓力越大，浸泡初期的氯離子滲透速率越大?；炷猎谒畨毫θ芤褐薪?d后，尤其是3d齡期后，氯離子滲透深度的增長(zhǎng)速率與自然浸泡的氯離子滲透深度增長(zhǎng)速率基本相同，并且，齡期越長(zhǎng)，速率越接近。因此可以推測(cè)，不大于2MPa的水壓力對(duì)氯離子滲透深度的影響只存在于混凝土表層滲透，并且壓力越大，所能影響到的深度越大，當(dāng)達(dá)到一定深度后，其內(nèi)部的氯離子滲透規(guī)律基本和自然浸泡條件下的滲透規(guī)律相同。基于此判斷，水壓力對(duì)氯離子滲透的影響可以采用14d水壓力浸泡后的氯離子滲透深度與自然浸泡14d的氯離子滲透深度之差表示。圖9表示出了1MPa和2MPa的水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透深度的影響。

3.2 .2 水膠比對(duì)水壓力下混凝土氯離子滲透性的影響

圖10 水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透的影響深度

圖10為1MPa和2MPa的水壓力對(duì)不同類型的混凝土氯離子滲透的影響深度示意圖。從圖10可以看出，隨著水膠比的降低，1MPa和2MPa的水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透的影響深度呈下降趨勢(shì)，水膠比越小，混凝土微觀結(jié)構(gòu)越密實(shí)，混凝土內(nèi)部聯(lián)通通道越少，混凝土抗?jié)B性越好，因此高水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透的影響深度越小。由此看來，高水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透的影響深度可以表征混凝土抗?jié)B性能的優(yōu)劣，相同的高水壓對(duì)混凝土氯離子滲透的影響深度越大，表明混凝土抗?jié)B性越差，相反，影響深度越小，表明混凝土抗?jié)B性越好。

4 結(jié)論

1）不同高水壓作用下的混凝土氯離子滲透深度隨著浸泡齡期的增長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，齡期越短，上升速率越大，這與混凝土是多孔結(jié)構(gòu)物有關(guān)。1MPa和2MPa的水壓力對(duì)混凝土氯離子滲透深度具有明顯的影響，壓力越大，氯離子滲透深度也越大，并且浸泡初期的滲透速率越高。

2）2 MPa以下的高水壓力對(duì)氯離子滲透深度的影響只存在于混凝土表層滲透，水壓力對(duì)氯離子滲透深度的影響可以采用14d水壓力浸泡與自然浸泡14d的氯離子滲透深度之差表示，即水壓力對(duì)氯離子滲透的影響深度，此值可以表征混凝土抗氯離子滲透性能的優(yōu)劣。

3）40 %的重復(fù)壓應(yīng)力荷載對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能影響不大，而60%和80%的重復(fù)壓應(yīng)力荷載對(duì)混凝土氯離子滲透性能有明顯的影響，并且不同荷載方向的氯離子滲透性能也不同。平行于混凝土壓應(yīng)力方向的混凝土抗氯離子滲透比垂直方向的差。

[1] 李偉文，荷載作用下混凝土氯離子滲透性研究，中國(guó)建材科技，P19～25.

[2] P.Locoge, M.Massat, J.P.Ollivier, etc.Ion diffusion in Micro-cracked concrete.Cement and Concrete Research,1992, 22(2)：431～438.

[3] Corina-Maria Aldea, Surendra.P.Shah, Alan Karr.Effect of cracking on water and chloride permeability of concrete.Journal of Materials in Civil Engineering, 1999,9(8)：181～187.

[4] C.C.Lim, N.Gowripalan, V.Sirivivatnanon.Micro Cracking and chloride permeability of concrete under uniaxial compression.Cement and Concrete Composite, 2000,22(6)：353～360.

[5] ASTM C 1202-05, Standard test method for electrical indication of concrete’s ability to resist chloride ion penetration[S].

[6] Hani R.Samaha, Kenneth C.Hover.Influence of Micro-cracking on the Mass Transport properties of concrete.ACI Materials Journal, 1992, 89(4)：416～424.

[7] Mitsuru Saito.Chloride permeability of concrete under static an repeated compressive loading.Cement and Concrete Research, 1995, 25(4)：803～808.