施珂文，周欣竹，鄭建軍

（浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310014）

養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

施珂文，周欣竹，鄭建軍

（浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310014）

基于NEL法研究了不同水灰比和骨料體積含量混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小，但118d后減小速率變緩。進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析表明，水灰比越大或骨料體積含量越小，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期增大而減小的趨勢(shì)越明顯。

混凝土； 氯離子擴(kuò)散系數(shù)； 養(yǎng)護(hù)齡期； NEL法

混凝土結(jié)構(gòu)與材料耐久性是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)課題?；炷磷鳛橐环N水硬性材料，它的水化過(guò)程需要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，時(shí)間越久，水化反應(yīng)越充分，內(nèi)部的密實(shí)度越高，氯離子擴(kuò)散系數(shù)越小，抗侵蝕能力就越強(qiáng)［1，2］。氯離子引起鋼筋銹蝕作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的耐久性破壞形式，會(huì)嚴(yán)重地影響結(jié)構(gòu)的使用壽命［3］。長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究表明，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間增加而減小。因此，研究混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與時(shí)間之間的定量關(guān)系對(duì)于氯鹽環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)和材料的耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)估具有較大的參考價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了一定的研究。Tang和Mangat等人［4，5］在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了不同類(lèi)型混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與暴露時(shí)間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。張俊芝等人通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了暴露時(shí)間和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散性能的影響，結(jié)果表明，暴露時(shí)間對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散性能的影響更加顯著［6］。王東方利用分子運(yùn)動(dòng)學(xué)建立了鋼筋初銹時(shí)間的實(shí)用計(jì)算方法，并對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算模型進(jìn)行了修正［7］。劉俊龍等人通過(guò)自然擴(kuò)散法研究了礦物摻合料對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散行為的時(shí)間依賴性影響，結(jié)果表明，就長(zhǎng)期抗氯離子侵蝕能力而言，摻加粉煤灰效果較好［8］。

上面的文獻(xiàn)綜述表明，關(guān)于骨料體積含量和水灰比對(duì)長(zhǎng)齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響方面的研究還不充分。因此，在前人工作基礎(chǔ)上，該文采用NEL法測(cè)定了不同配合比、不同骨料體積含量和不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，定量分析了混凝土氯離子擴(kuò)散隨時(shí)間的變化規(guī)律，為混凝土結(jié)構(gòu)和材料的耐久性設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料、混凝土配合比和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用浙江錢(qián)潮水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其初凝時(shí)間、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如表1所示。骨料尺寸服從富勒級(jí)配［9］，其中粗骨料為天然河卵石，最大尺寸和表觀密度分別為19mm和2 520kg／m3，細(xì)骨料為天然河砂，最小尺寸、表觀密度和吸水率分別為0.15mm、2 630kg／m3和1.6%?；炷琉B(yǎng)護(hù)水及拌和用水均采用pH值為6.5的自來(lái)水。

表1 水泥物理力學(xué)性能

混凝土試樣的骨料體積含量分別為55%、65%和75%，對(duì)于每種骨料體積含量，水灰比分別為0.4、0.5和0.6，共制作了9種試樣。為了盡可能消除試驗(yàn)結(jié)果的離散性，每種試樣同時(shí)制作不少于3個(gè)試樣。各種試樣的配合比如表2所示。

表2 混凝土試樣的配合比

首先根據(jù)表2所示的配合比制作上述9組混凝土試樣，每個(gè)試樣澆筑成100mm×100mm的圓柱體，同一齡期的混凝土試樣個(gè)數(shù)不少于3個(gè)。試樣澆筑24h后拆模，放在溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為90%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。28d天后切去所有試樣上下表面各25mm，制成100mm×50mm的圓柱體。除28d齡期混凝土需要初次測(cè)量外，將其他所有預(yù)設(shè)齡期的試樣重新放回養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，直至該編號(hào)試樣達(dá)到預(yù)定的齡期后取出測(cè)量。

采用NEL法測(cè)定混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)［10］，測(cè)試前先配置4mol／L的NaCl溶液，將混凝土試樣靜置在溶液中真空飽鹽24h，然后將擦去表面鹽水后的混凝土試樣置于試驗(yàn)裝置兩極進(jìn)行測(cè)定，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)由著名的Nernst－Einstein方程確定［10］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土試樣的養(yǎng)護(hù)齡期分別為28d、58d、118d和208d，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖1～圖3所示，其中圖1試樣的骨料體積含量為55%，圖2試樣的骨料體積含量為65%，圖3試樣的骨料體積含量為75%。

從上述3圖可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈下降趨勢(shì)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從28d到118d時(shí)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)幾乎直線下降，而當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從118d到208d時(shí)，出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，下降速率減緩，這與周勝兵［11］等人的結(jié)論一致。這是因?yàn)樗嗨且粋€(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過(guò)程，在水化初期，水泥顆粒之間的平均間隙較大，水化反應(yīng)充分，氯離子也很容易滲透。隨著水化凝膠的逐步生成，相鄰水泥顆粒之間不斷連接，毛細(xì)孔水消耗也不斷增加，使得原來(lái)聯(lián)通的充水毛細(xì)孔變成孤立的空氣層，阻礙氯離子擴(kuò)散，降低水化反應(yīng)速率［12］，如圖4所示，這可能是養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)118d后，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降速率減小的主要原因。

圖1～圖3表明，對(duì)于給定的骨料體積含量，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著水灰比的增大而增大，而且水灰比越大，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間增加減小得越明顯。由于混凝土是由骨料、水泥石和界面三部分組成，相對(duì)于水泥石和界面來(lái)說(shuō)，骨料幾乎不可滲透，對(duì)于給定的骨料體積含量，水泥石和界面成為氯離子擴(kuò)散的主要途徑。水化初期，高水灰比混凝土中水泥所占的空間較小，水分所占的體積較大［13］，氯離子擴(kuò)散系數(shù)也較大，隨著水化的不斷進(jìn)行，高水灰比混凝土中的水泥顆粒水化更加充分，水化反應(yīng)速率較大，更容易生成水化凝膠填充毛細(xì)孔，切斷氯離子擴(kuò)散路徑，氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小越明顯［14］。

對(duì)比圖1、圖2和圖3可以看出，對(duì)于給定的水灰比，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著骨料體積含量的增大而減小，并且骨料體積含量越低，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間減小越明顯。在混凝土三相材料模型中，骨料本身的不可滲透性和骨料邊界的曲折性都會(huì)阻礙氯離子擴(kuò)散［15］，因而骨料體積含量越大，水泥石和界面體積含量越小，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)也越小。由于水化過(guò)程中，骨料體積含量始終保持不變，水化凝膠體積含量不斷增大，孔隙不斷較小，使得低骨料體積含量混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小更明顯。

3 結(jié)論

a.混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著齡期的延長(zhǎng)而減小，但118d后減小程度變緩。

b.對(duì)于給定的骨料體積含量，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著水灰比的增大而增大，且水灰比越大，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間減小效應(yīng)越明顯。

c.對(duì)于給定的水灰比，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著骨料體積含量的增大而減小，且骨料體積含量越大，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間減小的效應(yīng)越明顯。

［1］Bentz D P.Three－dimensional Computer Simulation of Cement Hydration and Microstructure Development［J］.Journal of the American Ceramic Society，1997，80（1）：3－21.

［2］Jennings H M，Johnson S K.Simulation of Microstructure Development During the Hydration of a Cement Compound［J］.Journal of the American Ceramic Society，1986，69（11）：790－795.

［3］施惠生，郭曉潞，張 賀.氯離子含量對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕的影響［J］.水泥技術(shù)，2009（5）：21－25.

［4］Tang Lu－ping，Nilsson L O.Chloride Diffusivity in High Strength Concrete at Different Ages［J］.Nordic Concrete Research，1992，11（1）：162－170.

［5］Mangat P S，Molloy B T.Prediction of Long Term Chloride Concentration in Concrete［J］.Materials and Structures，1994，27（170）：338－346.

［6］張俊芝，周 劍，魯 列.暴露與養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散性能的影響［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011（1）：1－5.

［7］王東方.鋼筋砼構(gòu)件氯離子侵蝕下鋼筋初始銹蝕時(shí)間的計(jì)算方法［D］.北京工業(yè)大學(xué)，2003.

［8］劉俊龍，麻海燕，胡 蝶，等.礦物摻合料對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散行為的時(shí)間依賴性的影響［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）：279－282.

［9］Zheng Jian－jun，Zhou Xin－zhu.Percolation of ITZs in Concrete and Effects of Attributing Factors［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19（9）：784－790.

［10］Lu Xin－ying.Application of the Nernst－Einstein Equation to Concrete［J］.Cement and Concrete Research，1997，27（2）：293－302.

［11］周勝兵，周 劍，張俊芝，等.混凝土氯離子擴(kuò)散性能與時(shí)間關(guān)系的試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2011（4）：46－47.

［12］袁 慶，鄭建軍，邢鴻燕.水泥水化二維模擬的數(shù)值方法及其應(yīng)用［J］.水利水電科技進(jìn)展，2012（1）：30－33.

［13］Zheng Jian－jun，Zhou Xin－zhu.Analytical Solution for the Chloride Diffusivity of Hardened Cement Paste［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2008，20（5）：384－391.

［14］楊小明，鄭建軍，邢鴻燕.早齡期混凝土氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)研究［J］.建材世界，2011（3）：42－45.

［15］彭國(guó)軍，鄭建軍，周穎瓊.考慮骨料形狀時(shí)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)的數(shù)值方法［J］.水利水電科技進(jìn)展，2009（6）：13－16.

Effects of the Curing Time on the Chloride Diffusivity of Concrete

SHI Ke－wen，ZHOU Xin－zhu，ZHENG Jian－jun
（School of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China）

Based on the NEL method，the variation of the chloride diffusivity of concrete with time is studied for different water／cement ratios and aggregate volume contents.It is found that the chloride diffusivity of concrete decreases with the increase of the curing time，but the rate of decrease becomes smaller after 118days.Further data analysis shows that，the larger the water／cement ratio is and／or the smaller the aggregate volume content is，the chloride diffusivity of concrete decreases with time more evidently.

concrete； chloride diffusivity； curing time；NEL method

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.006

2014－01－07.

浙江省自然科學(xué)基金（LY12E08022）.

施珂文（1987－），碩士生.E－mail：shikw1987＠sina.com