飽和狀態(tài)下混凝土中氯離子擴(kuò)散試驗研究

程小康，肖林發(fā)，吳婷婷，彭步新

(1. 長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 湖南勞動人事職業(yè)學(xué)院,湖南 長沙 410100；3. 江西省安?？h房產(chǎn)局，江西 安福 343200)

除了受到車輛荷載和風(fēng)荷載的影響外，跨海工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與壽命還會受到海水侵蝕的影響，其表現(xiàn)為混凝土開裂和鋼筋銹脹腐蝕等?；炷潦歉飨虍愋圆牧?，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部會有不同尺寸與不同種類的孔隙，從而給氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸提供了便利條件，氯離子的傳輸除了結(jié)構(gòu)自身的特性，還會受到其他外部因素的影響。水下混凝土除了受到海水侵蝕，還會受到其他外部因素的影響[1-2]。

許多學(xué)者對混凝土中氯離子的分布規(guī)律進(jìn)行了大量試驗研究。楊文武[3]等人研究了水膠比與硅灰摻量對混凝土中氯離子滲透的影響，但未進(jìn)行復(fù)摻混合料對混凝土擴(kuò)散的研究。胡紹振[4]等人發(fā)現(xiàn)粉煤灰對氯離子濃度擴(kuò)散有一定的抑制作用，但未考慮不同水膠比對混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子滲透造成的影響。陸晗[5]等人發(fā)現(xiàn)在同一齡期，水膠比的不同會影響氯離子的進(jìn)一步擴(kuò)散，但沒有比較有、無添加粉煤灰時氯離子濃度的變化規(guī)律?，F(xiàn)在高性能混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)方面大規(guī)模地使用，其添加劑中的粉煤灰等可以有效地增強混凝土的抗氯離子滲透性，因此，有必要研究氯離子在高性能混凝土中擴(kuò)散規(guī)律的影響[6-9]。作者擬開展氯鹽槽侵蝕下的普通混凝土與高性能混凝土相關(guān)試驗，并將試驗值與已有模型的計算值進(jìn)行對比分析，探究飽和混凝土中氯離子擴(kuò)散規(guī)律和不同水灰比及有、無添加摻合料對氯離子的滲透產(chǎn)生何種影響。

1 試驗設(shè)計

本實驗試件采用標(biāo)準(zhǔn)的150 mm 的立方體混凝土試塊。為了方便對比分析，普通混凝土(normal concrete, 簡稱為NC)設(shè)計了3 種混凝土(水灰比分別為 0.40,0.35 和 0.30)，高性能混凝土(high performance concrete, 簡稱為HPC)設(shè)計了4 種混凝土(水膠比分別為0.40,0.35,0.30 和0.25)，每種強度標(biāo)號的混凝土設(shè)計了6 種物質(zhì)的配合比，砂率均為30%。其配合比見表1。

1.1 原材料

水泥：采用湖南長沙某水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5級水泥；粉煤灰：Ⅱ級，岳陽華能電廠；硅灰：天愷牌微硅粉；細(xì)集料：湘江某處的普通河沙，細(xì)度模數(shù)在2.75 左右，屬于中砂，級配為Ⅱ區(qū)；粗集料：長沙瀏陽當(dāng)?shù)貛r漿巖碎石，級配為5～25 mm,連續(xù)級配；減水劑：減水率為22%左右；養(yǎng)護(hù)及拌合：淡水。

表1 混凝土的配合比Table 1 Mix proportion of concrete

1.2 試塊制作

將制作好的混凝土試塊統(tǒng)一放置在設(shè)定溫度為(20±2) ℃、相對濕度為90%±5%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試驗箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。待養(yǎng)護(hù)28 d 后，取出所有的試件。不同配合比的多類型混凝土取出3 個試塊，每個試塊對其中5 個面涂抹環(huán)氧樹脂，另一面不涂環(huán)氧樹脂，作為侵蝕面，如圖1 所示。頂面作為考慮氯離子滲透的一維侵蝕面；待環(huán)氧樹脂在混凝土的表面凝結(jié)后，將圖1 中的侵蝕面用砂帶打磨機(jī)磨平，將混凝土試塊放在真空飽水機(jī)直至達(dá)到飽水狀態(tài)，然后將NC 試塊與HPC 試塊分別放置于配有3.5% NaCl 溶液的腐蝕槽內(nèi)浸泡2 個月。為了減少外部干擾對試驗造成的影響，溶液每7 d 更換一次。待浸泡結(jié)束后，取出混凝土試塊(NC 試塊和HPC 試塊)，并擦去試塊侵蝕面的結(jié)晶鹽。用鉆孔機(jī)對侵蝕面鉆孔取粉?；炷列緲影疵看魏穸葹? mm 從混凝土向內(nèi)部鉆孔取粉，并且保持每個鉆孔保持在一條直線上，以此往復(fù)取到30 mm 的粉末為止。取完粉末后，為了減小向下取粉帶來的誤差，利用刷子和吹風(fēng)機(jī)將表面清理干凈，鉆粉取樣如圖2 所示。將研磨好的粉末通過0.63 mm 方孔篩除去粗顆粒，每個混凝土試塊的每一層保留3 袋10 g 的粉末，將粉末袋分開收集包裝，并置于(105±5) ℃烘箱中烘2 h。待烘干后，取出粉末，冷卻至室溫。利用快速氯離子濃度測試儀，對冷卻至室溫的粉末逐一測量氯離子濃度。每測一組數(shù)據(jù)都要進(jìn)行氯離子的標(biāo)定，以防止由于測試時間過長而帶來的不必要誤差。

對氯離子濃度進(jìn)行換算的公式為：

式中：C為氯離子濃度，mol/L；ρ為NaCl 溶液密度，取1.035 g/cm3[10]；w為氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M為氯離子摩爾質(zhì)量，35.5 g/mol。

圖1 氯離子侵蝕面Fig.1 Chloride attack surface

圖2 混凝土取粉Fig.2 Concrete powder

2 試驗結(jié)果分析

為了驗證試驗結(jié)果的合理性，將文獻(xiàn)[11]中的模型作為參照物進(jìn)行了對比分析。采用Matlab 程序，將試驗數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[12]中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得到不同類型混凝土的擴(kuò)散分布規(guī)律。由于混凝土表面會出現(xiàn)對流，需要研究的參數(shù)較多，本研究以侵蝕深度為2.5 mm 處的氯離子濃度作為表面氯離子濃度Cs進(jìn)行分析[13]，并與試驗研究得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析。

浸泡試驗是混凝土自然環(huán)境下進(jìn)行的。對于普通混凝土，氯離子擴(kuò)散的時間衰減系數(shù)m取0.3[14]；對于高性能混凝土，氯離子時間衰減系數(shù)m[14]的計算公式為：

式中：F為粉煤灰的摻入量，kg；K為礦渣的摻入量，kg。

在本研究中，對于HPC30，m取0.51；對于HPC40，m取0.56；對于HPC50，m取0.62；對于HPC60，m取0.70。

對于普通混凝土，劣化效應(yīng)系數(shù)k為2；對于高性能混凝土，劣化效應(yīng)系數(shù)k為4[11]。

對于普通混凝土，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0=10-12.06+2.4(w/c)，其中：w/c是水膠比[15]。在本研究中，若使用NC30，D0取7.943×10-12m2/s；若使用NC40，D0取5.151×10-12m2/s；若使用NC50，D0取4.571×10-12m2/s。

對于高性能混凝土，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)[14]為D0=10-12.06+2.4(w/c)·e-0.1646SF，其中：SF是硅粉占膠凝材料的百分含量。在本研究中，若使用HPC30，D0取2.510×10-12m2/s；若使用HPC40，D0取1.904×10-12m2/s；若使用HPC50，D0取1.441×10-12m2/s；若使用HPC60，D0取1.096×10-12m2/s。

本研究中，由于未考慮溫度和濕度的影響，依據(jù)文獻(xiàn)[14]，氯離子濃度的計算公式改寫為：

式中：t0為養(yǎng)護(hù)時間，s；t為暴露在NaCl 溶液的時間，s；x為侵蝕深度，mm；Cs為表面氯離子濃度，本試驗中取侵蝕深度為2.5 mm 處的氯離子濃度。

2.1 普通混凝土強度對氯離子濃度的影響

不同強度下普通混凝土的氯離子濃度如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在混凝土的侵蝕深度為2.5～12.5 mm 之間，NC30 的氯離子濃度比NC40 和NC50 的分別高51.0%和63.1%。其原因是：①NC30混凝土的水灰比較大，粗骨料中碎石所占的體積分?jǐn)?shù)較大，細(xì)骨料成分較多，導(dǎo)致與水泥砂漿的粘結(jié)不夠緊密，形成了氯離子向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的通道，使得NC30 的氯離子濃度均大于NC40 和NC50的。②水灰比小的混凝土，除了能提高混凝土強度外，還能改善混凝土的顆粒級配，更有效地抵抗氯離子滲透[16-18]。從圖3 中還可以看出，NC30 的試驗值與文獻(xiàn)[13]所用模型的計算值相吻合，NC40 和NC50 在侵蝕深度為7.5 mm 處的試驗值與文獻(xiàn)[12]所用模型的計算值相差較大。其原因是：當(dāng)氯離子進(jìn)入混凝土?xí)r，混凝土試塊內(nèi)的氯離子濃度與浸泡溶液中NaCl 的有些差距，形成了濃度差，混凝土表面會吸附NaCl 溶液內(nèi)的氯離子，直至內(nèi)、外溶液氯離子的濃度達(dá)到平衡為止。當(dāng)NC40 和NC50的侵蝕深度均為7.5 mm 時，其氯離子濃度較文獻(xiàn)[11]模型的小一些。隨著侵蝕深度的增加，氯離子擴(kuò)散速度逐漸減小，且氯離子濃度最終趨向于0 mol/L。

圖3 不同強度下普通混凝土的氯離子濃度Fig.3 Chloride ion concentration of ordinary concrete at different strength

2.2 高性能混凝土強度對氯離子濃度的影響

不同強度下高性能混凝土的氯離子濃度如圖4所示。從圖4 中可以看出，HPC30 的氯離子濃度比HPC40,HPC50 和HPC60 的分別高25.2%,47.4%和51.6%。在復(fù)摻合料比例一致的情況下，水膠比小，結(jié)構(gòu)孔隙數(shù)量少，使得結(jié)構(gòu)致密，提高了高性能混凝土的抗?jié)B性[16-18]。從圖4 中還可以看出，在混凝土的侵蝕深度為7.5 mm 處的試驗值與文獻(xiàn)[19]所用模型的計算值相差較大。其原因是：在混凝土表面，水化反應(yīng)還未完全，粉煤灰與硅灰所產(chǎn)生的二次水化還未完全進(jìn)行，一定程度上阻礙了氯離子滲透能力的降低。當(dāng)混凝土的侵蝕深度為12.5 mm 時，氯離子濃度逐漸下降并趨向于0 mol/L。

圖4 不同強度下高性能混凝土的氯離子濃度Fig.4 Chloride ion concentration of high-performance concrete at different strength

2.3 摻合料對氯離子濃度的影響

圖5 摻合料對氯離子濃度的影響Fig.5 The effect of admixture on chloride ions

摻合料對氯離子濃度的影響如圖5 所示。從圖5 中可以看出，當(dāng)侵蝕深度為2.5～12.5 mm 時，NC30 的氯離子濃度比HPC30 的高51.6%，NC40的氯離子濃度比HPC40 的高43.0%，NC50 的氯離子濃度比HPC50 的高54.8%。表明：水灰比一致的情況下，高性能混凝土更能抵抗氯離子的滲透。其原因是：粉煤灰與硅粉等膠凝材料的尺寸較小，可以填充混凝土材料中粗骨料的大孔隙，也能促進(jìn)二次水化反應(yīng)的進(jìn)行。即高性能混凝土中的粉煤灰的SiO2會結(jié)合部分氯離子，產(chǎn)生C—S—H，減小了孔隙數(shù)量比例[20-21]。而粉煤灰的摻入在一定程度上與表面積更小的硅粉互為補充，填補了混凝土的孔隙。同時，也能促進(jìn)表層結(jié)構(gòu)的致密性，阻礙了氯離子進(jìn)一步的擴(kuò)散。當(dāng)高性能混凝土的侵蝕深度為17.5 mm 以后，混凝土的水化反應(yīng)逐步完全，有、無添加摻合料對氯離子的傳輸影響不大，因此兩者的氯離子濃度趨于一致。

3 結(jié)論

1) 普通混凝土和高性能混凝土在飽和狀態(tài)下的浸泡氯鹽試驗表明：不管是普通混凝土還是高性能混凝土，氯離子含量的擴(kuò)散規(guī)律與水膠比相關(guān)。

2) 在自然環(huán)境下浸泡且混凝土的侵蝕深度處于2.5～12.5 mm 時，相較于普通混凝土，高性能混凝土由于摻和料的添加，加速了混凝土的二次水化，使得結(jié)構(gòu)更加密實，更能抵抗氯離子的侵蝕。

3) 隨著混凝土侵蝕深度為17.5 mm 以后，普通混凝土與高性能混凝土的濃度趨于一致。表明：侵蝕深度越深，混凝土的水化越完全，摻合料的摻入對氯離子滲透的影響不大。