荷載和干濕循環(huán)共同作用下混凝土中氯離子擴散特性研究

黃德崖 劉靜靜

摘 要：以混凝土水膠比、干濕循環(huán)比和壓應(yīng)力比為試驗參數(shù)，研究不同水膠比和不同壓應(yīng)力下混凝土中氯離子含量的分布規(guī)律，并擬合出5～10 mm深度區(qū)域中氯離子含量隨水膠比和壓應(yīng)力比變化的擬合公式，以及同一水膠比下氯離子含量隨侵蝕齡期變化的公式。分析不同干濕循環(huán)比（1∶1、3∶1以及5∶1）下氯離子在混凝土中的輸運規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混凝土中氯離子含量隨干濕比的增加呈增長趨勢。當干濕比為5∶1時，5～10 mm深度區(qū)域氯離子含量最大。通過對比不同侵蝕齡期5～10 mm深度區(qū)域氯離子含量隨壓應(yīng)力變化的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著施加壓應(yīng)力的增加，氯離子含量不斷減少。此外，侵蝕齡期越長，氯離子減少越明顯。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu);氯離子;干濕循環(huán);荷載

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0084-04

Abstract： In the chloride ion corrosion， wetting and drying cycle zone is often the position of the most serious corrosion of steel bars. Therefore， research on diffusion characteristics of chloride ions in concrete under wet and dry cycles is particularly important. In this study， the effect of water cement ratio， dry-wet ratio and compressive stress ratio on chloride ions diffusion of concrete under wet and dry cycles was investigated. The experimental results indicated that with the increase of water cement ratio and drying process， the chloride concentration in concrete increases. With the increase of compressive stress， the chloride concentration decreases， and with the growth of erosion age， the chloride concentration decreases more obviously with the increase of compressive stress.

Keywords： concrete structure;chloride ion;dry-wet cycle;load

海洋環(huán)境中，氯化物污染引起的鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對氯離子在混凝土中的傳輸機理做了大量研究[1-5]。韓學(xué)強等[6]認為，干濕循環(huán)粗化了混凝土試件的表層孔結(jié)構(gòu)，顯著提高了自由氯離子和總氯離子的濃度。羅大明等[7]分析了荷載對混凝土抗?jié)B性能、抗氯離子侵蝕性能等方面的影響。

工程結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中往往要承受各種荷載[8]，但對在荷載和干濕循環(huán)共同作用下混凝土中氯離子擴散的研究很少。本文通過在干濕循環(huán)和全浸泡兩種條件下進行氯離子的滲透試驗，研究混凝土水膠比、干濕循環(huán)比和壓應(yīng)力比對干濕循環(huán)下氯離子擴散規(guī)律的影響，分析在壓力荷載和干濕循環(huán)共同作用下混凝土中氯離子的侵蝕機理。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥采用42.5RⅡ型硅酸鹽水泥。粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰（密度為2.27 g/cm3，比表面積為405 m2/kg）。磨細礦粉選取S95級礦渣（密度為2.90 g/cm3，比表面積為402 m2/kg）。細集料采用中砂，細度模數(shù)[Mx]=2.44，表觀密度為2 600 kg/m3，級配良好（Ⅱ區(qū)）。粗集料采用5～25 mm連續(xù)級配的碎石，其表觀密度為2 690 kg/m3。減水劑采用聚羧酸高效減水劑。拌和水為飲用自來水。氯鹽采用工業(yè)用鹽。

1.2 試驗設(shè)計

干濕循環(huán)試驗主要考慮混凝土水膠比、干濕循環(huán)比和壓應(yīng)力比3個影響因素。試驗試件設(shè)計為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，澆注成型后放置1 d再進行拆模。將試塊放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后晾干，選擇其中一面為工作面，其余5面刷上防銹漆，固化后將試件放置在清水中浸泡1 d取出擦干。干濕循環(huán)試驗中，為加快氯離子的擴散速度，NaCl溶液濃度取5.0%。

1.2.1 混凝土水膠比試驗設(shè)計。試驗中混凝土為20%粉煤灰+40%礦粉雙摻，水膠比分別為0.33、0.39和0.45，混凝土配合比見表1，以水膠比為參數(shù)的試驗設(shè)計見表2，其中G表示干濕循環(huán)，P表示混凝土配比。此外，全浸泡試件編號未列出，用Q表示全浸泡試驗。

1.2.2 干濕循環(huán)比試驗設(shè)計。干濕循環(huán)試驗選擇以干燥時間和濕潤時間比值為1∶1的干濕循環(huán)制度為基準，采用干濕循環(huán)比分別為1∶1、3∶1和5∶1這3種干濕循環(huán)制度。不同干濕循環(huán)制度下，試件浸泡時間均為8 h。干濕循環(huán)比試驗設(shè)計見表3，其中B表示干濕比。

1.2.3 壓應(yīng)力比試驗設(shè)計。加載試驗考慮0（無荷載）、0.3[Fmax]、0.5[Fmax]以及0.7[Fmax]這4種荷載水平。[Fmax]為混凝土抗壓強度，混凝土28 d立方體抗壓強度為43 MPa。壓應(yīng)力比試驗設(shè)計見表4。

1.2.4 加載試驗設(shè)計。試件加載裝置示意圖如圖1所示。混凝土試件所受荷載由上至下分別為70%、50%和30%的混凝土的抗壓強度。經(jīng)計算，每個受壓試件的尺寸分別為45 mm×100 mm×50 mm、60 mm×100 mm×50 mm以及100 mm×100 mm×50 mm。試塊加載前，將混凝土試塊粘結(jié)固定在架子上放置0.5 d。加載時，用千斤頂進行加載，通過壓力傳感器和應(yīng)變儀控制加載力的大小。

1.3 滴定樣品中氯離子含量

每個試件分0～5 mm、5～l0 mm、10～15 mm以及15～20 mm這4層。每種條件下對試件平行取樣，并將同一深度的粉末收集到一起作為該層的代表樣品，研磨至全部通過0.60 mm的篩子。將研磨好的粉末樣品放入烘箱中，溫度調(diào)整為l05 ℃±5 ℃，2 h后取出樣品，室溫放置，然后用AgNO3滴定法測定各粉末試樣中的氯離子含量，以占混凝土質(zhì)量的百分比計。

2 試驗結(jié)果與分析

張奕等[9]研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)過程中氯離子的對流和擴散耦合主要發(fā)生在淺層混凝土內(nèi)，其余區(qū)域以氯離子濃度擴散行為為主導(dǎo)，與試驗結(jié)果相符。因此，下面以5～10 mm深度區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)為主對干濕循環(huán)試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 不同水膠比下混凝土內(nèi)氯離子含量

干濕循環(huán)試件內(nèi)5～10 mm深度區(qū)域氯離子含量隨水膠比的變化如圖2所示。從圖2可以看出，氯離子含量隨著水膠比的增大而增大，說明干濕循環(huán)下氯離子的擴散速度與混凝土水膠比有關(guān)。水膠比越小，混凝土越密實，毛細孔隙體積越小，導(dǎo)致在相同侵蝕齡期內(nèi)混凝土內(nèi)部氯離子含量隨之減少。對以上數(shù)據(jù)進行擬合，得到在一定齡期下氯離子含量與水膠比之間的關(guān)系式，如表5所示，擬合效果良好。

2.2 不同干濕循環(huán)制度下混凝土內(nèi)氯離子含量

在混凝土表面蒸發(fā)速率相同的情況下，混凝土試件內(nèi)5～10 mm深度區(qū)域的氯離子含量隨干濕比變化如圖3所示。

從圖3可以看出，混凝土中氯離子含量隨干濕比的增加呈增長趨勢，且隨著侵蝕齡期的增加，增長趨勢愈加明顯。當干濕比為5（即5∶1）時，混凝土中氯離子的含量最大，說明在干濕循環(huán)制度中，隨著干燥時間所占比例的增大，毛細和對流在整個傳輸機制中占有主導(dǎo)地位，導(dǎo)致在相同的侵蝕齡期內(nèi)有更多的氯化物被帶入混凝土。

2.3 不同壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土中氯離子含量

圖4為5～10 mm深度區(qū)域不同侵蝕齡期下氯離子含量隨壓應(yīng)力比的變化。從圖4可以看出，隨壓應(yīng)力的增加，混凝土中氯離子含量不斷減少，且侵蝕齡期越長，氯離子含量隨壓應(yīng)力減少越明顯，即干濕循環(huán)下氯離子的輸運過程明顯受荷載影響。這種影響主要是因為荷載能夠改變混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，影響混凝土本身的滲透性，而混凝土本身的滲透性能對干濕循環(huán)下氯離子輸運機理有較大影響。對以上數(shù)據(jù)進行擬合，得到在一定齡期下氯離子含量與壓應(yīng)力比的關(guān)系式，如表6所示，擬合效果良好。

2.4 不同侵蝕齡期混凝土中氯離子含量

圖5為氯離子含量與侵蝕齡期的關(guān)系曲線。對比侵蝕不同齡期氯離子含量變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著侵蝕齡期的增加，所有配比混凝土內(nèi)氯離子的含量增加。表7為氯離子含量隨齡期變化的擬合關(guān)系式，可以看出擬合效果良好。

3 結(jié)論

干濕循環(huán)試件中，隨著水膠比的增大和侵蝕齡期的增加，混凝土內(nèi)氯離子含量增加;干濕循環(huán)條件下，隨著干燥過程時間增加，混凝土中氯離子含量增加，其中，干濕比為5（即5∶1）的混凝土試件氯離子含量增加最明顯;干濕循環(huán)條件下，混凝土試件中氯離子含量隨著壓應(yīng)力比的增加而減小，而壓力荷載對干濕循環(huán)下混凝土中氯離子輸運的影響明顯。

參考文獻：

[1]LIU Q F，EASTERBROOK D，YANG J，et al.A three-phase，multi-component ionic transport model for simulation of chloride penetration in concrete[J].Engineering Structure，2015（3）：122-133.

[2]CHENG X K，PENG J X，CAI C S，et al.Experimental study on chloride ion diffusion in concrete under uniaxial and biaxial sustained stress[J].Materials，2020（24）：5717.

[3]PENG J X，TANG H，XIAO L F，et al.Chloride diffusion and time to corrosion initiation of reinforced concrete structures[J].Magazine of Concrete Research，2020（15）：757-770.

[4]GLASS G K，BUENFELD N R.The presentation of the chloride threshold level for corrosion of steel in concrete[J].Corrosion Science，1997（5）：1001-1013.

[5]鮑玖文，魏佳楠，張鵬，等.海洋環(huán)境下混凝土抗氯離子侵蝕的相似性研究進展[J]. 硅酸鹽學(xué)報，2020（5）：689-704.

[6]韓學(xué)強，詹樹林，徐強，等.干濕循環(huán)作用對混凝土抗氯離子滲透侵蝕性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報，2020（1）：198-204.

[7]羅大明，牛荻濤，蘇麗.荷載與環(huán)境共同作用下混凝土耐久性研究進展[J].工程力學(xué)，2019（1）：1-14.

[8]鄭宏偉，秦曉川，石亮，等.荷載與混凝土耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗研究進展[J].混凝土，2020（2）：38-44.

[9]張奕.氯離子在混凝土中的輸運機理研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008：1-143.

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