曾暖茜

廣東省建筑材料研究院有限公司

1 引言

鋼筋混凝土由于具備抗壓強(qiáng)度高、整體性好、施工操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，是目前建筑行業(yè)和建筑工程結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的材料。但是在一些近海地區(qū)和鹽堿地帶中的工程中，混凝土容易受到氯離子的侵蝕或滲透而引起鋼筋混凝土產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，從而影響鋼筋混凝土耐久性，過早劣化，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文基于實(shí)踐角度出發(fā)，加強(qiáng)對混凝土的抗氯離子滲透性研究，為延長具體工程的混凝土壽命助力。

目前對于評價(jià)和測試混凝土氯離子滲透性的方法有很多，如外加電場加速擴(kuò)散法、自然擴(kuò)散法和干濕循環(huán)加速法等，這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中外加電場增加氯離子滲透擴(kuò)散速率的試驗(yàn)方法已經(jīng)被很多學(xué)者和研究人員采用。然而絕大多數(shù)混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用中都是受到荷載和外部環(huán)境介質(zhì)等眾多因素的共同作用，尤其是荷載對影響氯離子在混凝土中的滲透有著十分重要的影響，這與實(shí)驗(yàn)室無荷載影響的試驗(yàn)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致很多鋼筋混凝土在實(shí)際工程的持久性遠(yuǎn)低于試驗(yàn)預(yù)測的持久性。因?yàn)榧訌?qiáng)對荷載作用下的混凝土氯離子在混凝土中的滲透性研究有重要現(xiàn)實(shí)意義，更加接近工程實(shí)際。

2 荷載作用下混凝土中氯離子滲透行為和機(jī)理分析

荷載作用下，尤其是疲勞荷載作用下氯離子在混凝土中的滲透是非常復(fù)雜的，這主要是由于在疲勞荷載下，混凝土發(fā)生疲勞損傷，而疲勞損傷是影響氯離子滲透加劇的主要因素。

2.1 壓縮疲勞荷載作用下混凝土氯離子滲透機(jī)理

在日常試驗(yàn)中，混凝土中氯離子滲透性能可以通過對混凝土的損傷程度分析和氯離子的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行表述。通過分析目前不同學(xué)者研究成果，部分學(xué)者由于缺乏對壓縮疲勞荷載作用下混凝土的損傷機(jī)理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在對混凝土氯離子滲透性試驗(yàn)方法、測試手段、混凝土損傷的表達(dá)形式存在差異，最終測試結(jié)果也存在一定的差異。如孫培華等通過將100mm×100mm×200mm的長方體混凝土試件處于不同應(yīng)力水平下進(jìn)行循環(huán)壓縮不同次數(shù)，然后使用化學(xué)滴定法對這些處于不同應(yīng)力和壓縮不同次數(shù)的混凝土試件進(jìn)行氯離子濃度的測試，測試結(jié)果表明：（1）疲勞上限小于0.4 時(shí)，混凝土氯離子濃度測試結(jié)果變化不明顯；（2）疲勞上限處于0.4～0.6之間時(shí)，混凝土氯離子濃度穩(wěn)定提高；（3）疲勞上限大于0.6時(shí)，混凝土氯離子濃度快速提高。還有部分學(xué)者借助超聲波波速變化監(jiān)測混凝土的損傷，進(jìn)而分析超聲波波速與氯離子滲透的相關(guān)性。結(jié)果表明：（1）荷載水平低于0.6 時(shí)，混凝土中氯離子的滲透性能有所增加，但增幅不大；（2）荷載水平高于0.6時(shí)，混凝土氯離子滲透性增加顯著提高；（3）荷載水平高于0.7 時(shí)，由于混凝土內(nèi)部受到損傷，導(dǎo)致氯離子滲透性能進(jìn)一步增加。另外還有些學(xué)者對疲勞荷載耦合作用下混凝土氯離子滲透性的變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究材料為注入氯化鈉溶液的空心混凝土試件，試驗(yàn)過程中通過對試件進(jìn)行多次循環(huán)壓縮，最后通過測試記錄試件不同深處的氯離子濃度。通過記錄的測試結(jié)果表明：（1）疲勞上限小于0.6時(shí)，測試試件氯離子濃度出現(xiàn)變化，但變化浮動(dòng)幅度不明顯；（2）疲勞上限大于0.6 時(shí)，測試混凝土試件氯離子濃度變化快速，變化浮動(dòng)幅度顯著增加。

通過以上對不同學(xué)者的研究成果分析可知，0.6的疲勞上限為一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，疲勞上限大于0.6時(shí)，混凝土的損傷明顯，混凝土氯離子滲透性增加。

2.2 彎曲疲勞荷載作用下混凝土氯離子滲透機(jī)理

在實(shí)際工程中，對于混凝土橋梁的梁、板等構(gòu)件受到的荷載主要為彎曲荷載，彎曲荷載相對于軸向受壓，更容易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，從而改變氯離子的擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)致氯離子滲透問題更為嚴(yán)重。對于彎曲疲勞作用下混凝土中氯離子的滲透性研究，目前國內(nèi)外學(xué)者主要將疲勞損傷后混凝土與未損傷混凝土進(jìn)行對比分析，從而對疲勞損傷后混凝土的氯離子的滲透性能進(jìn)行分析。如一些學(xué)者通過將100mm×100mm×400mm的棱柱體混凝土試件處于于彎曲荷載作用下進(jìn)行多次循環(huán)壓縮，完成加載后選取混凝土試件端部和中間大小分別為100mm×50mm的試塊，并通過電通量進(jìn)行結(jié)果測試。測試結(jié)果表明：混凝土中部試塊電通量增加量是端部試塊電通量的40%。還有部分學(xué)者通過對砂漿試件進(jìn)行了疲勞、氯離子滲透以及溫度的耦合試驗(yàn)。在完成混凝土試件的飽水試驗(yàn)后，混凝土的飽水度在3d內(nèi)疲勞荷載作用下都能高達(dá)99%，混凝土氯離子主要滲透方式為擴(kuò)散。同時(shí)讓砂漿試件處于不同應(yīng)力下，然后對在不同應(yīng)力下受到不同水平疲勞損傷的氯離子進(jìn)行濃度測試，最終測試結(jié)果表明：砂漿試件中的氯離子擴(kuò)散受到不同荷載水平的影響，荷載水平與砂漿試件中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系為二次函數(shù)關(guān)系。

3 試驗(yàn)部分

通過以上對荷載作用下混凝土中氯離子滲透行為和機(jī)理分析和通過對國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對荷載作用下氯離子的滲透性能相關(guān)測試方法調(diào)研基礎(chǔ)上。下面結(jié)合自身工程實(shí)踐利用海洋環(huán)境對載荷作用下氯離子在混凝土中滲透性進(jìn)行實(shí)際測試，具體分析在荷載作用下混凝土中氯離子的滲透能力，試驗(yàn)過程和結(jié)果分析如下。

3.1 試驗(yàn)材料的選擇

本次試驗(yàn)的混凝土試塊配合比如表1所示。

表1 試驗(yàn)混凝土試塊的配合比

3.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的測試的材料選取養(yǎng)護(hù)到齡期的混凝土試塊，同時(shí)應(yīng)力的水平值設(shè)定為抗壓強(qiáng)度平均值的30%和60%，并結(jié)合這兩個(gè)應(yīng)力水平數(shù)值下對試塊彎曲荷載進(jìn)行測量，并確定彎曲荷載數(shù)值。完成測量后將試塊分別放在海邊的大氣區(qū)、氯化鈉溶液和潮汐區(qū)三個(gè)不同的測試位置中，并在固定環(huán)境中達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間。最后對試塊進(jìn)行取樣墨粉，對不同混凝土試塊中氯離子的含量進(jìn)行測試，并對不同位置中的氯離子含量分布進(jìn)行計(jì)算，并分析結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，大氣區(qū)暴露的混凝土試塊中的氯離子的含量明顯低于潮汐區(qū)中混凝土中氯離子的含量。另外，通過試驗(yàn)觀察到，在潮汐區(qū)的混凝土由于受到對流區(qū)的作用影響，出現(xiàn)一定量氯離子聚集情況，同時(shí)在鹽水帶動(dòng)下，氯離子容易出現(xiàn)在一些較為干燥的混凝土中，并隨著水分的蒸發(fā)而出現(xiàn)聚集。

在混凝土的表面區(qū)域，由于表面區(qū)域的變化環(huán)境不可控，含水量變化大，試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差，而在混凝土的內(nèi)部區(qū)域，含水量受環(huán)境影響不大，在氯離子的擴(kuò)散能力試驗(yàn)上結(jié)果較為準(zhǔn)確。結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果分析，處于同一環(huán)境相同時(shí)間的混凝土試塊，其中有摻合料的混凝土試塊的氯離子含量低于沒有摻合料的混凝土試塊，滲透深度也小于沒有摻合料的混凝土試塊。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果表明，通過增加粉煤粉類物質(zhì)可以提高混凝土的抗氯離子滲透能力目的。

為了分析在載荷作用下氯離子的滲透能力，本次試驗(yàn)通過對同種試驗(yàn)條件下的海洋潮汐下暴露的加載土、海洋潮汐下暴露的不加載、試驗(yàn)室環(huán)境下暴露的加載、試驗(yàn)室環(huán)境下暴露的不加載四種混凝土試塊氯離子的含量分布進(jìn)行對比分析。見圖1和圖2。

圖1 氯離子分布情況（受壓區(qū)）

圖2 氯離子分布情況（受拉區(qū)）

結(jié)合圖中試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：無論處于何種環(huán)境，混凝土試塊受到的荷載力對氯離子的含量影響很大，受荷載影響的混凝土氯離子含量越大，氯離子的擴(kuò)散系數(shù)和受拉力是成正比的。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果還顯示，混凝土的不同配合比設(shè)計(jì)也會(huì)導(dǎo)致混凝土氯離子含量存在差異，影響氯離子的滲透性，如含有礦質(zhì)摻合料混凝土的受拉區(qū)和受力區(qū)的氯離子含量滲透性低于不摻加礦質(zhì)摻合料混凝土。另外，試驗(yàn)結(jié)果還表明，海洋潮汐環(huán)境中暴露的混凝土試塊的氯離子滲透性低于試驗(yàn)室條件下暴露的混凝土試塊。

4 結(jié)語

載荷下混凝土氯離子的滲透性較為復(fù)雜，在現(xiàn)有的一些研究中都是通過試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，但由于不同的試驗(yàn)環(huán)境、不同的試驗(yàn)方法和不同的試驗(yàn)裝置，導(dǎo)致最終測試結(jié)果存在一定的差異性。但在具體的工程實(shí)踐中，混凝土都是處于荷載作用環(huán)境下，通過對荷載作用下混凝土的滲透性研究對于實(shí)際工程更有指導(dǎo)意義。本文通過試驗(yàn)得出含有礦質(zhì)摻合料混凝土的受拉區(qū)和受力區(qū)的氯離子含量滲透性低于不摻加礦質(zhì)摻合料混凝土。同時(shí)，氯離子的擴(kuò)散系數(shù)和受拉力是成正比的。希望這些試驗(yàn)結(jié)果對工程實(shí)踐中具有一定的指導(dǎo)意義。