應(yīng)力對混凝土中氯離子滲透性的影響

王 濤，裴存棟，韓萬水，陳 峰

（長安大學 公路學院，西安710064）

0 引 言

對于長期處于一定應(yīng)力水平下的混凝土來說，應(yīng)力的大小必然會對混凝土中氯離子的滲透性產(chǎn)生影響。國內(nèi)外學者對此也取得了一些研究成果。例如，Banthia和Bhargava［1］采用水滲法對素混凝土在應(yīng)力作用下氯離子的滲透性進行了研究，發(fā)現(xiàn)氯離子的滲透性并不是隨著應(yīng)力的增大而持續(xù)上升，而是存在一個應(yīng)力臨界值，此時氯離子的滲透性最小。Saito和Ishimori［2］對混凝土在應(yīng)力先加載后卸載與無應(yīng)力兩種狀態(tài)下，氯離子滲透性的差別進行了研究，結(jié)果表明：當應(yīng)力小于混凝土抗壓強度的90%時，兩種情況下氯離子的滲透性并無太大差異。方永浩等［3］對混凝土在持續(xù)壓應(yīng)力作用下氯離子的滲透性作了研究，研究表明壓應(yīng)力對氯離子的滲透性有很大影響。在應(yīng)力小于極限應(yīng)力的60%時，氯離子的滲透性隨著應(yīng)力比的增大而下降。在應(yīng)力超過極限應(yīng)力的70%時，氯離子的滲透性隨著應(yīng)力比的增大而急劇上升。目前對氯離子滲透性的研究上，學者們主要采用傳統(tǒng)的水滲透法和氣體滲透法進行試驗，使得結(jié)果并沒有達到很高的精確度?；谶@一點，本文將采用具有較高精度的電導(dǎo)率法，研究在不同應(yīng)力水平下氯離子在混凝土中的滲透性，并得出氯離子滲透性隨應(yīng)力的變化規(guī)律。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

水泥為上海思躍建筑材料有限公司生產(chǎn)，強度等級為PI42.5，主要化學成分和性能指標如下：w（Al2O3）＝4.53%；w（Fe2O3）＝3.6%；w（SiO2）＝22.4%；w（SO3）＝2.1%；w（CaO）＝64.2%：w（MgO）＝1.69%；w（堿）＝0.48%；標準稠度用水量為25%，初凝時間為160min，終凝時間為210min；抗折強度為6.2 MPa（3d）、9.5 MPa（28d）；抗 壓 強 度 為33.6 MPa（3d）、61.9 MPa（28d）。粉煤灰（Ⅰ級）為江山市豐足曙光石灰鈣廠生產(chǎn)，主要化學成分和性能指標如下：w（Al2O3）＝21.1%，w（Fe2O3）＝4.58%，w（SiO2）＝66.2%，w（SO3）＝0.25%，w（CaO）＝2.89%，w（MgO）＝2.18%，w（堿）＝0.56%；平均粒徑為3.2μm，需水量比為4.58%，燒失量為66.2%，含水率為0.22。砂石料由連續(xù)級配碎石和Ⅱ區(qū)連續(xù)級配河砂組成，主要性能指標如表1 所示。減水劑采用上海勝闊建筑材料有限公司生產(chǎn)的三聚氰胺改性高效減水劑，減水率為20%～30%，建議摻入量為0.3%～1.0%（按照水泥用量計算）。

表1 砂石性能指標Table 1 Performance indicators of gravel

1.2 配合比

為了反映混凝土強度對氯離子滲透規(guī)律的影響，本次試驗制備了分別代表普通強度和高強度的混凝土試件，即C30和C60?；炷猎嚰ㄟ^將多種膠凝材料按一定比例制備而成，主要有四種組合：水泥、水泥＋礦粉、水泥＋粉煤灰、水泥＋礦粉＋粉煤灰。其中礦物摻合料所占的比例不變，均為膠凝材料的35%，詳細配合比如表2 所示。對混凝土試件的強度進行測試，得到如表3所示的結(jié)果。

表2 混凝土試件配合比Table 6 Mix of concrete specimens kg／m3

表3 混凝土試件強度值測試結(jié)果Table 3 Intensity value of concrete specimens MPa

1.3 實驗方法

應(yīng)力的加載方式對氯離子在混凝土中的滲透性影響較大。目前大部分學者在研究應(yīng)力對氯離子滲透性影響時［4－9］，通常采用一次預(yù)壓應(yīng)力再卸載的方式，由此得出的結(jié)果與應(yīng)力持續(xù)加載下得出的氯離子滲透性規(guī)律有所差異。因此，為了使結(jié)果更接近于實際工程中混凝土所處的狀態(tài)，本文采用持續(xù)應(yīng)力加載方式。

通常采用水滲透法和氣體滲透法來測試氯離子的滲透性［10－16］。然而這兩種方法對于本文采用的多成分混凝土來說，實施起來較為困難。而電導(dǎo)率法對于測試離子濃度和擴散性具有快速精確的優(yōu)點，因此本次試驗采用電導(dǎo)率法，參考《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》和《水泥氯離子擴散系數(shù)檢驗方法》進行氯離子滲透性的測定，并參照CCES01－2004標準對氯離子在混凝土中的滲透性進行評價，具體評價標準如表4所示。

表4 氯離子滲透性評價標準Table 4 Evaluation criteria of chloride permeability

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 壓應(yīng)力對混凝土中氯離子滲透性的影響

根據(jù)表2中混凝土8 種配合比制得邊長80 mm 的混凝土立方體試件。分別測得混凝土試件在應(yīng)力比（施加應(yīng)力與破壞應(yīng)力的比值）為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75的壓應(yīng)力作用下氯離子的滲透性。壓應(yīng)力水平如表5 所示。C30和C60混凝土在4種不同壓應(yīng)力水平下，氯離子的擴散系數(shù)分別如圖1所示。

從圖1中可以看出，相同強度等級、不同組成成分的混凝土，氯離子隨應(yīng)力變化的擴散系數(shù)曲線趨勢基本一致。對于C30混凝土來說，當施加的應(yīng)力小于破壞應(yīng)力的0.35倍時，氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)隨著應(yīng)力的增大呈現(xiàn)明顯的下降趨勢；當混凝土承受的應(yīng)力為破壞應(yīng)力的0.35倍時，氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)最小，即滲透性最差。當混凝土所承受的應(yīng)力大于破壞應(yīng)力的0.35倍時，氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)隨著應(yīng)力的增大呈上升趨勢。未摻入礦粉和粉煤灰的C30混凝土在應(yīng)力達到破壞應(yīng)力的0.65倍后，氯離子的擴散系數(shù)隨應(yīng)力增加而增大的速率更快。當混凝土承受的應(yīng)力達到破壞應(yīng)力的0.75倍時，氯離子的擴散系數(shù)達到3.95×10－12m2／s，是未施加應(yīng)力時的氯離子擴散系數(shù)的1.35倍。

表5 混凝土試件的壓應(yīng)力水平Table 5 Stress levels on concrete specimens

圖1 壓應(yīng)力下混凝土氯離子擴散系數(shù)Fig.1 Chloride diffusion coefficient of C30and C60 concrete under pressure

對于C60混凝土來說，當施加的應(yīng)力小于破壞應(yīng)力的0.35倍時，氯離子的擴散系數(shù)隨著應(yīng)力的增大雖然有所減小，但是趨勢并不明顯。而當施加的應(yīng)力超過破壞應(yīng)力的0.35倍之后，氯離子的擴散系數(shù)隨著應(yīng)力的增大而急劇增大。當混凝土承受的應(yīng)力達到破壞應(yīng)力的0.75倍時，氯離子的擴散系數(shù)達到5.12×10－12m2／s，是未施加應(yīng)力時的氯離子擴散系數(shù)的2.81倍。

總體上看，C30和C60混凝土中氯離子的擴散系數(shù)均隨著施加應(yīng)力的增大而先增后減。當對混凝土施加0.35倍破壞應(yīng)力時，氯離子的滲透性最小，此種應(yīng)力水平下氯離子對混凝土的耐久性影響最小。但是當應(yīng)力超過0.35倍破壞應(yīng)力且持續(xù)增加時，氯離子的滲透性顯著增強。

參照表4中CCES01－2004標準對氯離子滲透性進行評價，發(fā)現(xiàn)C30 混凝土在壓應(yīng)力作用下，氯離子滲透性均處于Ⅲ級水平。C60混凝土在壓應(yīng)力比達到0.75時氯離子滲透性均處于Ⅲ級水平，但當壓應(yīng)力比達到0.75時，未摻入其他膠凝材料的純水泥混凝土的氯離子滲透性處于Ⅱ級水平，其他C60混凝土的氯離子滲透性則接近于Ⅱ級水平。

綜上可知，一定程度的壓應(yīng)力將導(dǎo)致混凝土的壓實度增大，微粒之間的空隙減小，而阻礙了氯離子的滲透。然而隨著壓應(yīng)力持續(xù)增加，與壓應(yīng)力同方向的空隙將被拉開，從而導(dǎo)致氯離子的不斷滲入。若在水泥中摻入一定量其他成分，例如粉煤灰、礦粉等，則可以在一定程度上阻礙氯離子的滲入。

2.2 拉應(yīng)力對混凝土中氯離子滲透性的影響

根據(jù)表2中混凝土8 種配合比制得邊長80 mm 的混凝土立方體試件。分別測得混凝土試件在應(yīng)力比（施加應(yīng)力與破壞應(yīng)力的比值）為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75的拉應(yīng)力作用下氯離子的滲透性。拉應(yīng)力水平如表6 所示。C30和C60混凝土在4種不同拉應(yīng)力水平下，氯離子的擴散系數(shù)分別如圖2所示。

表6 混凝土試件的拉應(yīng)力水平Table 6 Tensile stress levels on concrete specimens

從圖2（a）中可以看出，隨著應(yīng)力的增大，C30混凝土中氯離子的擴散系數(shù)持續(xù)增大。當施加的應(yīng)力小于破壞應(yīng)力的0.35倍時，氯離子擴散系數(shù)增大趨勢很緩，幾乎等同于無應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的擴散系數(shù)。當施加的應(yīng)力超過破壞應(yīng)力的0.55倍時，氯離子擴散系數(shù)隨著應(yīng)力的增大而急劇增大。當施加應(yīng)力達到破壞應(yīng)力的0.75倍時，氯離子的擴散系數(shù)達到11.25×10－12m2／s，是未施加應(yīng)力時的氯離子擴散系數(shù)的3.91倍。

圖2 拉應(yīng)力水平下混凝土氯離子擴散系數(shù)Fig.2 Chloride diffusion coefficient of C30and C60 concrete under tensile stress

從圖2（b）中可以看出，隨著應(yīng)力的增大，C60混凝土中氯離子的擴散系數(shù)持續(xù)增大。當施加的應(yīng)力小于破壞應(yīng)力的0.35倍時，氯離子擴散系數(shù)增大幅度比C30混凝土中的擴散系數(shù)稍大。當施加的應(yīng)力超過破壞應(yīng)力的0.55倍時，氯離子擴散系數(shù)隨著應(yīng)力的增大而急劇增大。當施加應(yīng)力達到破壞應(yīng)力的0.75倍時，氯離子的擴散系數(shù)達到12.33×10－12m2／s，是未施加應(yīng)力時的氯離子擴散系數(shù)的7.75倍。

參照CCES01－2004標準對氯離子滲透性進行評價，發(fā)現(xiàn)當拉應(yīng)力比未超過0.55時，C30混凝土的氯離子滲透性均處于Ⅲ級水平。當拉應(yīng)力比達到0.55之后，氯離子擴散系數(shù)急劇增大，滲透性水平為Ⅱ級。當拉應(yīng)力比為0.75時，滲透性水平已接近于Ⅰ級。

綜上可知，一定程度的拉應(yīng)力將使得混凝土內(nèi)微粒之間的空隙被拉開，為氯離子的滲入提供了通道，導(dǎo)致氯離子在混凝土中不斷擴散。隨著拉應(yīng)力的不斷增大，氯離子擴散系數(shù)并沒有像壓應(yīng)力作用下那樣產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)折點，而是持續(xù)增大，且增長速率隨著應(yīng)力的增大而增大。

3 結(jié) 論

（1）在壓應(yīng)力作用下，氯離子滲透擴散系數(shù)隨著應(yīng)力比的增大先減后增，但均處于Ⅲ級水平，壓應(yīng)力比為0.35時，氯離子滲透性最?。籆60混凝土的氯離子滲透性基本與C30混凝土處于同一等級，但當壓應(yīng)力比達到0.75時，未摻入其他膠凝材料的純水泥C60混凝土的氯離子滲透性達到Ⅱ級水平，其他C60混凝土的氯離子滲透性則接近于Ⅱ級水平。

（2）在拉應(yīng)力作用下，C30混凝土的氯離子滲透性隨應(yīng)力比的增大持續(xù)上升，基本處于Ⅲ級水平。當拉應(yīng)力比達到0.35后，氯離子擴散系數(shù)急劇增大，滲透性水平為Ⅱ級。當拉應(yīng)力比為0.75時，滲透性水平已處于Ⅱ級上限，接近于Ⅰ級。

（3）綜合考慮，混凝土在應(yīng)力比為0.35時，氯離子的滲透性最低，對混凝土耐久性影響最小。

［1］Banthia N，Bhargava A.Permeability of stressed concrete and role of fiber reinforcement［J］.ACI Mater，2007，104（1）：70－76.

［2］Saito M，Ishimori H.Chloride permeability of concrete under static and repeated compressive loadings［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（4）：803－808.

［3］方永浩，李志清，張亦濤.持續(xù)壓荷載作用下混凝土的滲 透 性［J］.硅 酸 鹽 學 報，2005，33（10）：1281－1286.Fang Yong－h(huán)ao，Li Zhi－qing，Zhang Yi－tao.Permeability of concrete under continuous stress［J］.Journal of Silicate，2005，33（10）：1281－1286.

［4］Banthia N，Biparva A，Mindess S.Permeability of concrete under stress［J］.Cement Concrete Research，2005，35（9）：1651－1655.

［5］Wang K，Jansen D C，Shah S P，et al.Permeability study of cracked concrete［J］.Cement and Concrete Research，1997，27（3）：381－393.

［6］Omkar Deo，Milani S，Narayanan N.Permeability reduction in pervious concretes due to clogging：experiments and modeling［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22（7）：741－751.

［7］Hutchinson Tara C，Soppe Travis E.Experimentally measured permeability of uncracked and cracked concrete components［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2012，24（5）：548－559.

［8］Vardanega P J.State of the art：permeability of asphalt concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2014，26（1）：54－64.

［9］Das B B，Singh D N，Pandey S P.Rapid chloride ion permeability of opc－and ppc－based carbonated concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2012，24（5）：606－611.

［10］Khoe Chandra，Sen Rajan，Bhethanabotla Venkat R.Oxygen permeability of frp－concrete repair systems［J］.Journal of Composites for Construction，2012，16（3）：277－285.

［11］Tian Zheng－h(huán)ong，Qiao Pi－zhong.Multiscale performance characterization of concrete formed by controlled permeability formwork liner［J］.Journal of Aerospace Engineering，2013，26（4）：684－697.

［12］Wang H L，Xu W Y.Permeability evolution laws and equations during the course of deformation and failure of brittle rock［J］.Journal of Engineering Mechanics，2013，139（11）：1621－1626.

［13］Assaad Joseph J，Harb Jacques.Use of the fallinghead method to assess permeability of freshly mixed cementitious－based materials［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25（5）：580－588.

［14］Jones Christopher A，Grasley Zachary C.Correlation of radial flow－through and hollow cylinder dynamic pressurization test for measuring permeability［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2009，21（10）：594－600.

［15］Khan M I.Permeation of high performance concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15（1）：84－92.

［16］Masad Eyad，Birgisson Bjorn，Al－Omari Aslam，et al.Analytical derivation of permeability and numerical simulation of fluid flow in hot－mix asphalt［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2004，16（5）：487－496.