王 濤，裴存棟，韓萬水，陳 峰

（長安大學(xué) 公路學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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??；C60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。

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