養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土內(nèi)氯離子傳輸?shù)挠绊?/h1>
2016-12-22 07:05:30延永東劉榮桂陸春華傅巧瑛
哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2016年12期
延永東,劉榮桂,陸春華,傅巧瑛
(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)
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養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土內(nèi)氯離子傳輸?shù)挠绊?/p>
延永東,劉榮桂,陸春華,傅巧瑛
(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)
為得出早期養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土內(nèi)腐蝕介質(zhì)傳輸?shù)亩坑绊?，以氯鹽侵蝕為例，從水化度及孔隙率角度分析了混凝土養(yǎng)護(hù)濕度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的相互關(guān)系，建立了不同養(yǎng)護(hù)濕度下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型.對(duì)制作的普通混凝土及摻纖維混凝土試件采用不同濕度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后將試件在NaCl溶液中分別浸泡60 d和180 d，測試得到的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)表明，早期養(yǎng)護(hù)濕度越大，混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)越小.相對(duì)于正常澆水養(yǎng)護(hù)，飽水養(yǎng)護(hù)可降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)10%～20%，而不養(yǎng)護(hù)將使氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大14%～29%.纖維的加入能減弱不正常養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土耐久性的影響.最終利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得出了模型中不同材料所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，給出了不同濕度養(yǎng)護(hù)后混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式.關(guān)鍵詞: 混凝土；耐久性；養(yǎng)護(hù)濕度；氯離子；纖維
早期養(yǎng)護(hù)是混凝土能正常發(fā)揮作用的一個(gè)關(guān)鍵步驟，養(yǎng)護(hù)質(zhì)量對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有重要影響[1].為此，工程界均對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)條件提出了一定要求，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn).然而由于施工條件的復(fù)雜性，實(shí)際工程中混凝土很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).由此造成混凝土內(nèi)初始缺陷增多，進(jìn)而對(duì)混凝土的力學(xué)性能及耐久性產(chǎn)生不利影響[2].文獻(xiàn)[3]研究表明，增大養(yǎng)護(hù)濕度可以有效減小混凝土的總孔隙率和大孔的體積；文獻(xiàn)[4]研究了不同濕度養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土水化物的組成，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)硅酸三鈣的形成影響較小，而對(duì)硅酸二鈣的形成有較大影響，但在混凝土內(nèi)加入粉煤灰后此影響有所減小；文獻(xiàn)[5]研究表明初始養(yǎng)護(hù)濕度及其持續(xù)時(shí)間對(duì)混凝土后期的滲水、透氣均有影響，其中對(duì)摻加粉煤灰等添加劑的高性能混凝土影響更大；文獻(xiàn)[6]指出，濕養(yǎng)護(hù)比干燥養(yǎng)護(hù)可以增大混凝土的抗壓強(qiáng)度;文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)條件與暴露環(huán)境耦合作用下氯離子傳輸性能研究，發(fā)現(xiàn)早期養(yǎng)護(hù)時(shí)水分不足會(huì)使后期暴露過程中氯離子在混凝土淺層富集;文獻(xiàn)[8]研究了高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)下再生混凝土的干燥收縮性能和抗碳化性能，發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)減小了試件的干燥收縮變化率，增大了試件的碳化速度.
上述研究從定性上分析了養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土耐久性的影響，不同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)參數(shù)與耐久性宏觀參數(shù)(如水分滲透系數(shù)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等)之間的實(shí)用計(jì)算方法還較為缺乏，因此無法通過早期養(yǎng)護(hù)條件來預(yù)測混凝土后期的耐久性壽命.
本文首先利用養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及氯離子傳輸?shù)挠绊憴C(jī)理來建立相關(guān)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗氯離子滲透試驗(yàn)，利用回歸得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)來驗(yàn)證模型的正確性及適用性.
1 養(yǎng)護(hù)濕度與氯離子傳輸之間的關(guān)系
混凝土澆筑成型后內(nèi)部存在一定數(shù)量的孔隙與微裂縫，這些孔隙的體積及直徑與養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫濕度有重要聯(lián)系，在常溫下，濕度越高，水泥水化越充分，混凝土內(nèi)部越密實(shí)；濕度越低，水泥不能完全水化，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生大量連通孔隙及微裂縫等初始缺陷[9].這些初始缺陷會(huì)加快有害物質(zhì)在混凝土內(nèi)的侵蝕速度，造成結(jié)構(gòu)提前失效，如圖1所示.
圖1 養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土耐久性的影響
由此可看出，水泥水化度(已完全水化水泥的質(zhì)量與初始水泥質(zhì)量之比)與混凝土孔隙結(jié)構(gòu)之間具有一定的相關(guān)性，一定范圍內(nèi)可用水化度α來表征混凝土服役時(shí)的整體孔隙結(jié)構(gòu).由于一般情況下水泥不能完全水化，且水化程度與初始水灰比及養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān),因此根據(jù)文獻(xiàn)[10]，將水化度α0表示為水灰比w/c及養(yǎng)護(hù)時(shí)間t的函數(shù)：
(1)
由于實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中溫度、濕度不可能達(dá)到理想狀態(tài)，因此實(shí)際水化度應(yīng)為與養(yǎng)護(hù)時(shí)間、溫度、濕度有關(guān)的函數(shù).為了簡化模型，方便工程應(yīng)用，本文假定水化度α的計(jì)算函數(shù)，其應(yīng)滿足兩個(gè)條件：1)養(yǎng)護(hù)濕度為100%時(shí)混凝土的水化度為α0；2)養(yǎng)護(hù)濕度越大，混凝土的水化度α越大.
由此可采用式(2)來計(jì)算不同養(yǎng)護(hù)濕度下的α：
(2)
式中：H為相對(duì)濕度，α0為H為100%時(shí)混凝土內(nèi)的水化程度，κ為與混凝土自身結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù).
室溫養(yǎng)護(hù)下，混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔隙率fgel、凝膠孔隙率fcap均與混凝土水灰比和水化度有關(guān)[11]：
(3)
氯離子在水泥基中的擴(kuò)散系數(shù)可近似表示為孔隙率fp的函數(shù)[12]：
(4)
(5)
式中μ為小于1的折減系數(shù).
混凝土可看作由水泥砂漿、骨料及界面組成的三相復(fù)合材料.其中骨料自身密實(shí)度較高，可認(rèn)為是不透水材料，因此氯離子在其內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)近似為0.界面為混凝土的薄弱部位，微裂縫較多，因此氯離子擴(kuò)散系數(shù)較大.已有研究表明界面處的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Di與水泥基體內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dcp之比在2～8之間[14].
根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究成果，混凝土內(nèi)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0與在水泥基體內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dcp之間存在如下關(guān)系：
(6)
式中：Va為骨料體積率，Di為砂漿-骨料界面處的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，Dcp為水泥基體內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，ε為界面過渡區(qū)的厚度與所對(duì)應(yīng)的骨料粒徑的比值，可近似取為0.002.
由此可得混凝土內(nèi)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)為
(7)
通過上式(1)～(7)可以得到一定水灰比的混凝土試件在不同養(yǎng)護(hù)濕度下的氯離子擴(kuò)散系數(shù).
作者通過后面的試驗(yàn)來驗(yàn)證這一成果，并對(duì)不同類型的混凝土回歸出其合適的參數(shù).
2 試驗(yàn)方案
2.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)所用原材料：1)水泥：浙江三獅牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；2)水：杭州市自來水；3)細(xì)骨料：河沙，細(xì)度模數(shù)為2.7，粒徑<5 mm；4)粗骨料：碎石，粒徑為5～20 mm；5)纖維：聚丙烯纖維(PPF)為深圳維特耐公司生產(chǎn)的聚丙烯束狀單絲纖維，能起到有效抗裂作用的最小摻量為混凝土體積的0.1%；鋼纖維(SF)為浙江省嘉興市經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn)的DW2-20波紋形鋼纖維，能起到有效抗裂作用的最小摻量為混凝土體積的1%.纖維參數(shù)見表1，試驗(yàn)選用的混凝土配合比見表2，P中摻聚丙烯纖維，S中摻鋼纖維.
表1 聚丙烯纖維和鋼纖維性能
表2 試驗(yàn)混凝土配合比
拌制過程中先加入粗細(xì)骨料和水泥，然后加入纖維干拌1.5 min，待纖維均勻分布后再加水濕拌1.5 min.拌制過程中發(fā)現(xiàn)加入纖維后混凝土流動(dòng)性降低，粘聚性和保水性增強(qiáng).3種混凝土的坍落度見表3.
表3 混凝土試件基本性能
飽水養(yǎng)護(hù)3種試件28 d后按照標(biāo)準(zhǔn)方法測試其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度[16]，結(jié)果見表3.可見，纖維摻入混凝土內(nèi)會(huì)增大混凝土28 d的抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，但對(duì)28 d的抗壓強(qiáng)度無明顯影響.
2.2 試驗(yàn)過程
氯離子侵蝕試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件.混凝土澆筑后24 h拆模，拆模后對(duì)不同試件采用如表4所示的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，同時(shí)利用濕度計(jì)監(jiān)測其濕度變化，利用養(yǎng)護(hù)期間(28 d)每天的濕度計(jì)算其平均濕度如表4所示.
養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，為保證氯離子的一維傳輸，用防腐涂料封閉5個(gè)面，只留一個(gè)非澆筑面作為試驗(yàn)面，然后浸入8%的NaCl溶液中，分別浸泡60 d和180 d后取出.晾干后用沖擊鉆取樣，對(duì)每一試件用直徑為12 mm的鉆頭取3個(gè)位置，同一位置沿深度每5 mm取一個(gè)粉樣，取至50 mm深，然后將顆粒狀粉樣研磨成粉末狀，將同一深度的試樣混合均勻，用孔徑為0.63 mm的方孔篩篩除較大顆粒，然后取1.5 g進(jìn)行水溶性RCT測試.
表4 養(yǎng)護(hù)方法及濕度
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果
不同環(huán)境下養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)的自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60 d和180 d時(shí)隨深度的變化見圖2.可以看出，在同一深度下，正常澆水養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)的自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于完全飽水養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)的值而小于干燥養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)的值.這說明混凝土早期飽水時(shí)間越長,養(yǎng)護(hù)越充分，抗氯離子侵蝕的能力也越強(qiáng).另外，經(jīng)過180 d浸泡后的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于相同情況下經(jīng)過60 d浸泡后的值，這說明混凝土內(nèi)同一深度處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間增加不斷增大.
3.2 養(yǎng)護(hù)濕度與表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系
飽和狀態(tài)下氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸以擴(kuò)散為主，在一維狀態(tài)下，可采用Fick第二定律計(jì)算，其傳輸方程為
(8)
式中：t為時(shí)間，x為距混凝土表面的距離，D0為混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，C為距混凝土表面x位置處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).
本文試驗(yàn)，初始條件為C(x>0,t=0)=0；由于試驗(yàn)采用的溶液氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，因此表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在開始浸泡后很短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到固定值，因此可假設(shè)其邊界條件為：C(x=0,t>0)=Cs.
由此可得方程(8)的解析解為
(9)
圖2 不同濕度養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)部的自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)
方程(9)即為本試驗(yàn)下計(jì)算氯離子在混凝土內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的公式，同時(shí)也可根據(jù)已有氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度變化的關(guān)系回歸得到混凝土內(nèi)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù).由于氯離子在混凝土表層(0～5 mm)的傳輸方式較為復(fù)雜，除了擴(kuò)散外還有對(duì)流、滲透等，因此為得到較準(zhǔn)確的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，采用式(9)回歸時(shí)，去掉表層0～5 mm的數(shù)據(jù).
根據(jù)上述方法擬合得到的不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)及其相對(duì)值(相對(duì)正常澆水養(yǎng)護(hù)的混凝土)見表5.可以看出，60 d浸泡過程中氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)明顯大于180 d浸泡過程中的值，這說明混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨浸泡時(shí)間增加而減小，與已有結(jié)果一致.相對(duì)于正常澆水養(yǎng)護(hù)，飽水養(yǎng)護(hù)可使混凝土后期的氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小10%～20%，而不養(yǎng)護(hù)將使氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大14%～29%.同等養(yǎng)護(hù)條件下，摻加纖維后混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)要小于不摻纖維的混凝土.這說明纖維的橋聯(lián)作用可使混凝土早期的抗拉強(qiáng)度提高，在濕度不足時(shí)產(chǎn)生裂縫的可能性降低，且這部分作用要大于纖維自身提供的傳輸通道.由于鋼纖維的摻量和彈性模量均大于聚丙烯纖維，使得其抵抗微裂縫的效果要好于聚丙烯纖維，由此造成相同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，3種混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)大小順序?yàn)椋簱郊愉摾w維混凝土<摻加聚丙烯纖維混凝土<不摻纖維混凝土.
表5 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)
Tab.5 Apparent chloride diffusion coefficient under different curing humidity
10-11m2/s
根據(jù)不同試件的水灰比和養(yǎng)護(hù)濕度，對(duì)擬合得到的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)采用式(1)～(4)進(jìn)行回歸(骨料密度為2 700 kg/m3，可求得試驗(yàn)試件的骨料體積率約為1 202/2 700=44.5%)，當(dāng)擬合度R值大于0.99時(shí)，回歸得到的相關(guān)系數(shù)k及μ見表6.
表6 回歸系數(shù)k及μ
可表6可見：1)無論采用哪種混凝土，60 d回歸得到的k、μ值均大于180 d的值.這說明隨著浸泡時(shí)間的增加，混凝土的水化更充分，氯離子在水泥基體內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)減小，初期養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)后期耐久性的影響減??；2)采用相同濕度養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r，摻加纖維后擬合得到k、μ有所減小，其中摻加鋼纖維后減小的程度稍大于摻加聚丙烯纖維的混凝土.這說明摻加纖維后養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土傳輸性能的影響有所減小.因此實(shí)際工程中若確實(shí)無法保證正常的養(yǎng)護(hù)濕度，可通過摻加纖維來彌補(bǔ)養(yǎng)護(hù)不足對(duì)后期耐久性的影響.
采用上述回歸參數(shù)即可得到不同濕度養(yǎng)護(hù)下混凝土在氯鹽溶液中浸泡60 d和180 d后的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)見圖3.可見，隨養(yǎng)護(hù)濕度的增大，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)近似呈線性減小.
圖3 表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)與早期養(yǎng)護(hù)濕度之間的關(guān)系
Fig.3 Relationship between apparent chloride diffusion coefficient and concrete curing humidity
4 結(jié) 論
本文根據(jù)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)與養(yǎng)護(hù)濕度之間的內(nèi)在規(guī)律建立了表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)與早期養(yǎng)護(hù)濕度之間的關(guān)系，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：
1)早期養(yǎng)護(hù)濕度會(huì)影響混凝土內(nèi)水泥的水化度，進(jìn)而影響孔隙結(jié)構(gòu)及混凝土的耐久性.
2)隨著早期養(yǎng)護(hù)濕度的增大，混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小.相對(duì)于正常澆水養(yǎng)護(hù)，飽水養(yǎng)護(hù)可降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)10%～20%，而不養(yǎng)護(hù)將使氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大14%～29%.
3)一定摻量的聚丙烯纖維及鋼纖維可以減小養(yǎng)護(hù)濕度不足對(duì)混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，其中摻加聚丙烯纖維可以降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)4%～15%，摻加鋼纖維可以降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)5%～29%.
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[16]中華人民共和國建設(shè)部. 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn): GB/T 50081—2002[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2002. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Standard for test method of mechanical properties on ordinary concrete: GB/T 50081—2002 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2002.
(編輯 趙麗瑩)
Impact of curing humidity on chloride transportation in concrete
YAN Yongdong, LIU Ronggui, LU Chunhua, FU Qiaoying
(Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu,China)
To obtain the effects of curing humidity on corrosive medium transporting into concrete, a model between curing humidity and chloride diffusion coefficient was developed according to their relationships with hydration degree and porosity, which was exposed in chloride solution. An experiment was designed to verify the correct of the model, which included ordinary performance concrete and concrete mixed with fibers. All of the specimens were cured in different humidity for 28 days, and then immersed in 8% NaCl solutions for 60 and 180 days respectively. The results showed that reduction of curing humidity could increase the concentration and diffusion coefficient of chloride ions. Saturating curing can reduce the chloride diffusion coefficient by 10～20%, as dry curing increased the value about 14%～29%. This process can be slowed by mixing polypropylene and steel fibers into concrete. The material coefficients were fitted according to the test results and predicted formulas of apparent chloride diffusion coefficient were provided for the concrete after different humidity's curing.
concrete; durability; curing humidity; chloride ions; fiber
10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.021
2015-08-28
國家自然科學(xué)基金(51278230, 51378241, 51541802, 51608233)
延永東(1982—)，男，副教授； 劉榮桂(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師
延永東，yand@ujs.edu.cn
TU528.1
A
0367-6234(2016)12-0148-05
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延永東,劉榮桂,陸春華,傅巧瑛
(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)
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養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土內(nèi)氯離子傳輸?shù)挠绊?/p>
延永東,劉榮桂,陸春華,傅巧瑛
(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)
為得出早期養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土內(nèi)腐蝕介質(zhì)傳輸?shù)亩坑绊?，以氯鹽侵蝕為例，從水化度及孔隙率角度分析了混凝土養(yǎng)護(hù)濕度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的相互關(guān)系，建立了不同養(yǎng)護(hù)濕度下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型.對(duì)制作的普通混凝土及摻纖維混凝土試件采用不同濕度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后將試件在NaCl溶液中分別浸泡60 d和180 d，測試得到的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)表明，早期養(yǎng)護(hù)濕度越大，混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)越小.相對(duì)于正常澆水養(yǎng)護(hù)，飽水養(yǎng)護(hù)可降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)10%～20%，而不養(yǎng)護(hù)將使氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大14%～29%.纖維的加入能減弱不正常養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土耐久性的影響.最終利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得出了模型中不同材料所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，給出了不同濕度養(yǎng)護(hù)后混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式.關(guān)鍵詞: 混凝土；耐久性；養(yǎng)護(hù)濕度；氯離子；纖維
早期養(yǎng)護(hù)是混凝土能正常發(fā)揮作用的一個(gè)關(guān)鍵步驟，養(yǎng)護(hù)質(zhì)量對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有重要影響[1].為此，工程界均對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)條件提出了一定要求，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn).然而由于施工條件的復(fù)雜性，實(shí)際工程中混凝土很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).由此造成混凝土內(nèi)初始缺陷增多，進(jìn)而對(duì)混凝土的力學(xué)性能及耐久性產(chǎn)生不利影響[2].文獻(xiàn)[3]研究表明，增大養(yǎng)護(hù)濕度可以有效減小混凝土的總孔隙率和大孔的體積；文獻(xiàn)[4]研究了不同濕度養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土水化物的組成，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)硅酸三鈣的形成影響較小，而對(duì)硅酸二鈣的形成有較大影響，但在混凝土內(nèi)加入粉煤灰后此影響有所減小；文獻(xiàn)[5]研究表明初始養(yǎng)護(hù)濕度及其持續(xù)時(shí)間對(duì)混凝土后期的滲水、透氣均有影響，其中對(duì)摻加粉煤灰等添加劑的高性能混凝土影響更大；文獻(xiàn)[6]指出，濕養(yǎng)護(hù)比干燥養(yǎng)護(hù)可以增大混凝土的抗壓強(qiáng)度;文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)條件與暴露環(huán)境耦合作用下氯離子傳輸性能研究，發(fā)現(xiàn)早期養(yǎng)護(hù)時(shí)水分不足會(huì)使后期暴露過程中氯離子在混凝土淺層富集;文獻(xiàn)[8]研究了高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)下再生混凝土的干燥收縮性能和抗碳化性能，發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)減小了試件的干燥收縮變化率，增大了試件的碳化速度.
上述研究從定性上分析了養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土耐久性的影響，不同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)參數(shù)與耐久性宏觀參數(shù)(如水分滲透系數(shù)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等)之間的實(shí)用計(jì)算方法還較為缺乏，因此無法通過早期養(yǎng)護(hù)條件來預(yù)測混凝土后期的耐久性壽命.
本文首先利用養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及氯離子傳輸?shù)挠绊憴C(jī)理來建立相關(guān)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗氯離子滲透試驗(yàn)，利用回歸得到的氯離子擴(kuò)散系數(shù)來驗(yàn)證模型的正確性及適用性.
1 養(yǎng)護(hù)濕度與氯離子傳輸之間的關(guān)系
混凝土澆筑成型后內(nèi)部存在一定數(shù)量的孔隙與微裂縫，這些孔隙的體積及直徑與養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫濕度有重要聯(lián)系，在常溫下，濕度越高，水泥水化越充分，混凝土內(nèi)部越密實(shí)；濕度越低，水泥不能完全水化，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生大量連通孔隙及微裂縫等初始缺陷[9].這些初始缺陷會(huì)加快有害物質(zhì)在混凝土內(nèi)的侵蝕速度，造成結(jié)構(gòu)提前失效，如圖1所示.
圖1 養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土耐久性的影響
由此可看出，水泥水化度(已完全水化水泥的質(zhì)量與初始水泥質(zhì)量之比)與混凝土孔隙結(jié)構(gòu)之間具有一定的相關(guān)性，一定范圍內(nèi)可用水化度α來表征混凝土服役時(shí)的整體孔隙結(jié)構(gòu).由于一般情況下水泥不能完全水化，且水化程度與初始水灰比及養(yǎng)護(hù)齡期有關(guān),因此根據(jù)文獻(xiàn)[10]，將水化度α0表示為水灰比w/c及養(yǎng)護(hù)時(shí)間t的函數(shù)：
(1)
由于實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中溫度、濕度不可能達(dá)到理想狀態(tài)，因此實(shí)際水化度應(yīng)為與養(yǎng)護(hù)時(shí)間、溫度、濕度有關(guān)的函數(shù).為了簡化模型，方便工程應(yīng)用，本文假定水化度α的計(jì)算函數(shù)，其應(yīng)滿足兩個(gè)條件：1)養(yǎng)護(hù)濕度為100%時(shí)混凝土的水化度為α0；2)養(yǎng)護(hù)濕度越大，混凝土的水化度α越大.
由此可采用式(2)來計(jì)算不同養(yǎng)護(hù)濕度下的α：
(2)
式中：H為相對(duì)濕度，α0為H為100%時(shí)混凝土內(nèi)的水化程度，κ為與混凝土自身結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù).
室溫養(yǎng)護(hù)下，混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔隙率fgel、凝膠孔隙率fcap均與混凝土水灰比和水化度有關(guān)[11]：
(3)
氯離子在水泥基中的擴(kuò)散系數(shù)可近似表示為孔隙率fp的函數(shù)[12]：
(4)
(5)
式中μ為小于1的折減系數(shù).
混凝土可看作由水泥砂漿、骨料及界面組成的三相復(fù)合材料.其中骨料自身密實(shí)度較高，可認(rèn)為是不透水材料，因此氯離子在其內(nèi)部的擴(kuò)散系數(shù)近似為0.界面為混凝土的薄弱部位，微裂縫較多，因此氯離子擴(kuò)散系數(shù)較大.已有研究表明界面處的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Di與水泥基體內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dcp之比在2～8之間[14].
根據(jù)文獻(xiàn)[15]的研究成果，混凝土內(nèi)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0與在水泥基體內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dcp之間存在如下關(guān)系：
(6)
式中：Va為骨料體積率，Di為砂漿-骨料界面處的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，Dcp為水泥基體內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，ε為界面過渡區(qū)的厚度與所對(duì)應(yīng)的骨料粒徑的比值，可近似取為0.002.
由此可得混凝土內(nèi)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)為
(7)
通過上式(1)～(7)可以得到一定水灰比的混凝土試件在不同養(yǎng)護(hù)濕度下的氯離子擴(kuò)散系數(shù).
作者通過后面的試驗(yàn)來驗(yàn)證這一成果，并對(duì)不同類型的混凝土回歸出其合適的參數(shù).
2 試驗(yàn)方案
2.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)所用原材料：1)水泥：浙江三獅牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；2)水：杭州市自來水；3)細(xì)骨料：河沙，細(xì)度模數(shù)為2.7，粒徑<5 mm；4)粗骨料：碎石，粒徑為5～20 mm；5)纖維：聚丙烯纖維(PPF)為深圳維特耐公司生產(chǎn)的聚丙烯束狀單絲纖維，能起到有效抗裂作用的最小摻量為混凝土體積的0.1%；鋼纖維(SF)為浙江省嘉興市經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn)的DW2-20波紋形鋼纖維，能起到有效抗裂作用的最小摻量為混凝土體積的1%.纖維參數(shù)見表1，試驗(yàn)選用的混凝土配合比見表2，P中摻聚丙烯纖維，S中摻鋼纖維.
表1 聚丙烯纖維和鋼纖維性能
表2 試驗(yàn)混凝土配合比
拌制過程中先加入粗細(xì)骨料和水泥，然后加入纖維干拌1.5 min，待纖維均勻分布后再加水濕拌1.5 min.拌制過程中發(fā)現(xiàn)加入纖維后混凝土流動(dòng)性降低，粘聚性和保水性增強(qiáng).3種混凝土的坍落度見表3.
表3 混凝土試件基本性能
飽水養(yǎng)護(hù)3種試件28 d后按照標(biāo)準(zhǔn)方法測試其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度[16]，結(jié)果見表3.可見，纖維摻入混凝土內(nèi)會(huì)增大混凝土28 d的抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，但對(duì)28 d的抗壓強(qiáng)度無明顯影響.
2.2 試驗(yàn)過程
氯離子侵蝕試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件.混凝土澆筑后24 h拆模，拆模后對(duì)不同試件采用如表4所示的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，同時(shí)利用濕度計(jì)監(jiān)測其濕度變化，利用養(yǎng)護(hù)期間(28 d)每天的濕度計(jì)算其平均濕度如表4所示.
養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，為保證氯離子的一維傳輸，用防腐涂料封閉5個(gè)面，只留一個(gè)非澆筑面作為試驗(yàn)面，然后浸入8%的NaCl溶液中，分別浸泡60 d和180 d后取出.晾干后用沖擊鉆取樣，對(duì)每一試件用直徑為12 mm的鉆頭取3個(gè)位置，同一位置沿深度每5 mm取一個(gè)粉樣，取至50 mm深，然后將顆粒狀粉樣研磨成粉末狀，將同一深度的試樣混合均勻，用孔徑為0.63 mm的方孔篩篩除較大顆粒，然后取1.5 g進(jìn)行水溶性RCT測試.
表4 養(yǎng)護(hù)方法及濕度
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果
不同環(huán)境下養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)的自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60 d和180 d時(shí)隨深度的變化見圖2.可以看出，在同一深度下，正常澆水養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)的自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于完全飽水養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)的值而小于干燥養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)的值.這說明混凝土早期飽水時(shí)間越長,養(yǎng)護(hù)越充分，抗氯離子侵蝕的能力也越強(qiáng).另外，經(jīng)過180 d浸泡后的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于相同情況下經(jīng)過60 d浸泡后的值，這說明混凝土內(nèi)同一深度處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間增加不斷增大.
3.2 養(yǎng)護(hù)濕度與表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系
飽和狀態(tài)下氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸以擴(kuò)散為主，在一維狀態(tài)下，可采用Fick第二定律計(jì)算，其傳輸方程為
(8)
式中：t為時(shí)間，x為距混凝土表面的距離，D0為混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，C為距混凝土表面x位置處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù).
本文試驗(yàn)，初始條件為C(x>0,t=0)=0；由于試驗(yàn)采用的溶液氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，因此表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在開始浸泡后很短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到固定值，因此可假設(shè)其邊界條件為：C(x=0,t>0)=Cs.
由此可得方程(8)的解析解為
(9)
圖2 不同濕度養(yǎng)護(hù)后混凝土內(nèi)部的自由氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)
方程(9)即為本試驗(yàn)下計(jì)算氯離子在混凝土內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的公式，同時(shí)也可根據(jù)已有氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度變化的關(guān)系回歸得到混凝土內(nèi)的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù).由于氯離子在混凝土表層(0～5 mm)的傳輸方式較為復(fù)雜，除了擴(kuò)散外還有對(duì)流、滲透等，因此為得到較準(zhǔn)確的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，采用式(9)回歸時(shí)，去掉表層0～5 mm的數(shù)據(jù).
根據(jù)上述方法擬合得到的不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)及其相對(duì)值(相對(duì)正常澆水養(yǎng)護(hù)的混凝土)見表5.可以看出，60 d浸泡過程中氯離子的表觀擴(kuò)散系數(shù)明顯大于180 d浸泡過程中的值，這說明混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨浸泡時(shí)間增加而減小，與已有結(jié)果一致.相對(duì)于正常澆水養(yǎng)護(hù)，飽水養(yǎng)護(hù)可使混凝土后期的氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小10%～20%，而不養(yǎng)護(hù)將使氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大14%～29%.同等養(yǎng)護(hù)條件下，摻加纖維后混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)要小于不摻纖維的混凝土.這說明纖維的橋聯(lián)作用可使混凝土早期的抗拉強(qiáng)度提高，在濕度不足時(shí)產(chǎn)生裂縫的可能性降低，且這部分作用要大于纖維自身提供的傳輸通道.由于鋼纖維的摻量和彈性模量均大于聚丙烯纖維，使得其抵抗微裂縫的效果要好于聚丙烯纖維，由此造成相同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，3種混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)大小順序?yàn)椋簱郊愉摾w維混凝土<摻加聚丙烯纖維混凝土<不摻纖維混凝土.
表5 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)
Tab.5 Apparent chloride diffusion coefficient under different curing humidity
10-11m2/s
根據(jù)不同試件的水灰比和養(yǎng)護(hù)濕度，對(duì)擬合得到的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)采用式(1)～(4)進(jìn)行回歸(骨料密度為2 700 kg/m3，可求得試驗(yàn)試件的骨料體積率約為1 202/2 700=44.5%)，當(dāng)擬合度R值大于0.99時(shí)，回歸得到的相關(guān)系數(shù)k及μ見表6.
表6 回歸系數(shù)k及μ
可表6可見：1)無論采用哪種混凝土，60 d回歸得到的k、μ值均大于180 d的值.這說明隨著浸泡時(shí)間的增加，混凝土的水化更充分，氯離子在水泥基體內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)減小，初期養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)后期耐久性的影響減??；2)采用相同濕度養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r，摻加纖維后擬合得到k、μ有所減小，其中摻加鋼纖維后減小的程度稍大于摻加聚丙烯纖維的混凝土.這說明摻加纖維后養(yǎng)護(hù)濕度對(duì)混凝土傳輸性能的影響有所減小.因此實(shí)際工程中若確實(shí)無法保證正常的養(yǎng)護(hù)濕度，可通過摻加纖維來彌補(bǔ)養(yǎng)護(hù)不足對(duì)后期耐久性的影響.
采用上述回歸參數(shù)即可得到不同濕度養(yǎng)護(hù)下混凝土在氯鹽溶液中浸泡60 d和180 d后的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)見圖3.可見，隨養(yǎng)護(hù)濕度的增大，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)近似呈線性減小.
圖3 表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)與早期養(yǎng)護(hù)濕度之間的關(guān)系
Fig.3 Relationship between apparent chloride diffusion coefficient and concrete curing humidity
4 結(jié) 論
本文根據(jù)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)與養(yǎng)護(hù)濕度之間的內(nèi)在規(guī)律建立了表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)與早期養(yǎng)護(hù)濕度之間的關(guān)系，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：
1)早期養(yǎng)護(hù)濕度會(huì)影響混凝土內(nèi)水泥的水化度，進(jìn)而影響孔隙結(jié)構(gòu)及混凝土的耐久性.
2)隨著早期養(yǎng)護(hù)濕度的增大，混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小.相對(duì)于正常澆水養(yǎng)護(hù)，飽水養(yǎng)護(hù)可降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)10%～20%，而不養(yǎng)護(hù)將使氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大14%～29%.
3)一定摻量的聚丙烯纖維及鋼纖維可以減小養(yǎng)護(hù)濕度不足對(duì)混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，其中摻加聚丙烯纖維可以降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)4%～15%，摻加鋼纖維可以降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)5%～29%.
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(編輯 趙麗瑩)
Impact of curing humidity on chloride transportation in concrete
YAN Yongdong, LIU Ronggui, LU Chunhua, FU Qiaoying
(Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu,China)
To obtain the effects of curing humidity on corrosive medium transporting into concrete, a model between curing humidity and chloride diffusion coefficient was developed according to their relationships with hydration degree and porosity, which was exposed in chloride solution. An experiment was designed to verify the correct of the model, which included ordinary performance concrete and concrete mixed with fibers. All of the specimens were cured in different humidity for 28 days, and then immersed in 8% NaCl solutions for 60 and 180 days respectively. The results showed that reduction of curing humidity could increase the concentration and diffusion coefficient of chloride ions. Saturating curing can reduce the chloride diffusion coefficient by 10～20%, as dry curing increased the value about 14%～29%. This process can be slowed by mixing polypropylene and steel fibers into concrete. The material coefficients were fitted according to the test results and predicted formulas of apparent chloride diffusion coefficient were provided for the concrete after different humidity's curing.
concrete; durability; curing humidity; chloride ions; fiber
10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.021
2015-08-28
國家自然科學(xué)基金(51278230, 51378241, 51541802, 51608233)
延永東(1982—)，男，副教授； 劉榮桂(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師
延永東，yand@ujs.edu.cn
TU528.1
A
0367-6234(2016)12-0148-05
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