密实性及损伤对混凝土氯离子渗透性能的影响

税　毅　陈静曦　赵　磊　高倩媛　徐旗强

(武汉理工大学交通学院1)　武汉　430063)　(湖北省建筑设计院2)　武汉　430212)　(湖北省建筑科学研究设计院3)　武汉　430064)



密实性及损伤对混凝土氯离子渗透性能的影响

税毅1)陈静曦1)赵磊2)高倩媛3)徐旗强1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉430063)(湖北省建筑设计院2)武汉430212)(湖北省建筑科学研究设计院3)武汉430064)

对粉煤灰、硅灰掺入比例进行规律性的调整，制作了12组试件，并根据各组试件的极限强度，进行一定比例的单轴受压损伤试验.运用北欧试验方法对12组试件做非稳态氯离子扩散系数试验.通过试验分析，粉煤灰、硅灰分别按20%，7%的掺入比例时，混凝土试件的扩散系数较低，密实度良好，且强度相对较高；同时发现非稳态氯离子扩散系数与吸水率存在一定相关性，相关系数为0.67；试件单轴受压损伤处理后，非稳态氯离子扩散系数在20%损伤前后会有所下降，在60%损伤后，扩散系数快速增加，且扩散系数与损伤程度具有4次多项式的关系.

钢筋混凝土；耐久性；非稳态氯离子扩散系数；单轴受压损伤

0　引　　言

混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害，以及侵蚀环境的物理化学作用.钢筋的锈蚀破坏被确认为第一因素，而氯离子的侵蚀又是引起钢筋锈蚀的重要因素[1].混凝土的抗氯离子侵蚀能力往往与混凝土本身的密实性密切相关.因此对于混凝土密实性改善的研究有利于提高混凝土的耐久性能.研究表明，粉煤灰和硅灰双重掺入混凝土有利于增加混凝土的密实性，提高混凝土抗氯盐侵蚀的能力[2].但诸多研究只提出了粉煤灰和硅灰的掺入有利于降低混凝土的氯离子扩散系数，并没有提出具体的粉煤灰和硅灰掺量最佳比例.混凝土结构在使用过程中会受到各种荷载作用，结构本身存在一定损伤，目前多数学者研究了混凝土在无损状态下，氯离子扩散系数的各种影响因素[3]，对于损伤状态下，混凝土结构的抗氯盐侵蚀能力的研究还不成熟.

基于此，文中根据混凝土配合比设计规范[4-6]，拟定掺入粉煤灰和硅灰的混凝土配合比，依据北欧试验方法RCM对不同掺配比例下的混凝土试件做非稳态氯离子扩撒系数试验，得出粉煤灰与硅灰的最佳掺比；基于水运工程混凝土试验规程中吸水率试验，得到混凝土吸水率与氯离子扩散系数之间的相关性；通过对混凝土做轴心抗压试验，提出试件损伤程度与氯离子扩散系数之间的规律.

1　试验材料及方法

1.1试验材料

试件分为12组，编号为1～12，每组由3个100 mm×100 mm×100 mm，6个直径×高度=100 mm×53 mm共9个试件组成.各组试件，采用PC32.5的华新堡垒牌水泥，水灰比为0.40，粉煤灰、硅灰采用内掺法，依据混凝土配合比设计规范最终确定取硅灰掺量8%、粉煤灰掺量20%为中间值，上下调整掺量比；外加剂采用高效减水剂用外掺法，减水率为25%，掺量为1.6%；砂率32%.对成型的试件养护14 d进行试验.各配合比设计采用固定水、砂、碎石，以及减水剂的用量，其用量分别为150，614.56，1 305.94，4.5 kg/m3，其他材料用量见表1.

表1　混凝土配合比

1.2试验方法及试验结果

1.2.1吸水率试验

依据《水运工程混凝土试验规程》中混凝土吸水率试验方法[7]，对3个100 mm×100 mm×100 mm的试件进行吸水率试验，结果取其平均值.试验结果见表2.

表2　吸水率试验结果

1.2.2孔隙率试验

根据对目前存在的总孔隙率试验方法相关论文的调查研究[8-9]，方法很多，但没有一个标准的统一的方法.在此基础上，文中受到沥青混合料最大理论相对密度试验的启发，提出运用排开水体积的方法测混凝土试件的孔隙率.通过试件浸水下的质量测定相对体积；通过将试件压碎，使其骨料与水泥浆体分离，并在3 kPa压力下测定试件浸水质量，从而测定绝对体积.则孔隙率=(1-绝对体积/相对体积)×100.孔隙率试验结果见表3.

表3　孔隙率试验结果

1.2.3单轴抗压损伤试验

用3 000 kN电液伺服压力试验机进行孔隙率试验.利用吸水率试验完成后的3个100 mm×100 mm×100 mm试件进行极限抗压强度试验，取得该批试样极限抗压强度值，换算成圆形试件的极限抗压强度值，然后对直径×高度=100 mm×53 mm的6个试件分别做0%，20%，40%，60%，80%的损伤处理，见图1.前10组试件做0%，20%，40%的损伤处理，后2组试件做0%，20%，40%，60%，80%的损伤处理，结果见表4.

图1　电液伺服压力试验机轴心抗压试验

表4　试件极限抗压强度

1.2.4非稳态氯离子扩散系数试验

依据北欧试验方法RCM，用武汉港湾工程设计研究院有限公司制作的非稳态氯离子扩散系数试验仪(见图2)，对处理后的12组试样做非稳态氯离子试验[10].非稳态氯离子扩散系数用如下公式计算.

式中：Dnssm为非稳态下的扩散系数，×10-12m2/s；

图2　非稳态氯离子扩散系数试验

U为实验中使用的电压，V；θ为θ0与θ1的平均值，℃；L为试件的厚度，mm；Xd为渗透深度的平均值，mm；t为通电时间，h.

在对前10组试件做损伤20%，40%程度后扩散系数试验时，发现损伤处理后的试件在20%损伤下其扩散系数呈现下降的现象，为了进一步研究损伤程度与扩散系数之间的关系，故增加了11，12组试件.扩散系数试验结果见表5.

表5　非稳态氯离子扩散系数试验结果

2　试验数据分析

通过对试验数据采集，对12组试样的非稳态氯离子扩散系数进行对比分析，其损伤程度与扩散系数关系图，见图3.

图3　11～12组损伤程度与扩散系数对比图

由表5及图3可知，在20%损伤程度下，12组试件的氯离子扩散系数整体呈现略微下降的趋势，随着损伤程度增加，氯离子扩散系数逐渐增加，当达到60%损伤后，曲线加速上升.损伤程度与扩散系数两者呈现4次多项式的关系.由于本次试验试件养护时间为14天，时间较短，混凝土的氯离子扩散系数整体偏大.对12组无损伤试件的氯离子扩散系数、吸水率、极限强度及孔隙率做横向对比，见图4～6.

图4　各组试件无损伤状态下扩散系数对比图

图5　各组试件吸水率对比图

图6　各组试件孔隙率对比图

由图4可知，第7组粉煤灰掺量20%、硅灰掺量7%的试件，其氯离子扩散系数最小，为8.7.吸水率与非稳态氯离子扩散系数两条曲线的变化趋势相似，成一定相关性，通过MATLAB数据分析，得出其两者的相关系数为0.67.

综合以上各图可得，按粉煤灰掺量20%、硅灰掺量7%的比例，配合的混凝土试件孔隙率小，密实性良好，且强度较高.

3　结　　论

1) 混凝土试件在单轴受压损伤处理下，其对应的非稳态氯离子扩散系数呈现出先下降，再逐渐上升的变化趋势，损伤程度与其扩散系数基本成4次多项式的关系.试验显示，12组试件损伤程度小于20%时，扩散系数呈降低趋势，损伤程度超过20%，扩散系数逐渐增加，在60%损伤后，扩散系数加速增加.

2) 试件的吸水率与非稳态氯离子扩散系数呈现出相关性，其相关系数为0.67.试件的吸水率，反映着混凝土的开口孔隙以及混凝土内部连通孔隙的多少，间接反映混凝土的密实程度，因此吸水率与扩散系数存在着一定的相关性，但两者不是线性相关，还存在其他因素的影响.

3) 粉煤灰掺量20%、硅灰掺量7%的配合比例为最佳，其混凝土的密实性良好，氯离子扩散系数较低.硅灰的活性较高，需水量大，使混凝土的早起强度高，但价格较高,较大掺量会造成混凝土在养护期间产生裂纹，而粉煤灰的价格较低，活性较高.因此通过粉煤灰与硅灰的双重掺入提高混凝土的密实性，同时掺加减水剂解决硅灰的需水量大的问题.

混凝土的密实性与混凝土抗氯盐侵蚀能力大小密切相关，因此如何提高混凝土的密实性尤为重要，通过提出掺加2种掺合料的具体掺量比的方法增加混凝土的密实性能，为以后的工程实践提供试验支撑.受损状态下混凝土抵抗氯盐的侵蚀是常态.通过单轴抗压受损试验与非稳态氯离子扩散系数试验的结合，得出混凝土受损程度与扩散系数之间的关系曲线.在今后的研究工作中，作者着重研究复杂应力状态下混凝土受损程度与扩散系数之间的关系，以及如何进一步的提高混凝土的密实性.

[1]蒋冬蕾.混凝土氯离子扩散系数快速测定RCM法的研究[D].杭州:浙江大学,2008.

[2]郝晓丽.氯腐蚀环境混凝土结构耐久性与寿命预测[D].西安：西安建筑科技大学,2004.

[3]延永东.氯离子在损伤及开裂混凝土内的运输机理及作用效应[D].杭州:浙江大学,2011.

[4]交通部公路科学研究院.公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南[M].北京：人民交通出版社,2006.

[5]中华人民共和国水利部.粉煤灰混凝土应用技术规范:GB/T 50146-2014[S].北京：中国计划出版社，2014.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.普通混凝土配合比设计规程:JGJ 55-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[7]中华人民共和国交通部.水运工程混凝土试验规程:JTJ 270-98[S].北京：人民交通出版社，1999.

[8]时啸林，扈惠敏.隧道高性能多孔水泥混凝土孔隙率特性的试验研究[J].合肥工业大学学报，2012,35(5):664-665.

[9]连艳霞.多孔改性混凝土的配合比设计和孔隙率的测定[J].交通标准化,2010(218):44-45.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准:GB/T 50082-2009[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

The Influence of Compactness and Damage on the Chloride Ion Permeability of Concrete

SHUI Yi1)CHEN Jingxi1)ZHAO Lei2)GAO Qianyuan2)XU Qiqiang1)

(Schooloftransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(HubeiProvincialArchitecturalDesignInstitute,Wuhan430212,China)2)(HubeiProvincialAcademyofBuildingResearchandDesign,Wuhan430064,China)3)

In this paper, 12 sets of specimens are made by adjusting the proportion of the Fly ash and Silica fume. According to the ultimate strength of the specimens, the 12 sets of specimens are tested using the uniaxial compression damage test method. Furthermore, the Nordic Test for the unsteady chloride ion diffusion coefficient is conducted for all specimens. The experiment concludes that the concrete specimens have lower diffusion coefficient, good compactness and relatively high strength when the Fly ash incorporated by 20% and Silica fume incorporated by 7%. At the same time, there is a certain relationship between unsteady chloride ion diffusion coefficient and absorption, and the correlation coefficient is 0.67. After the uniaxial compression damage test, the unsteady chloride ion diffusion coefficients of the specimens are found to decline when the damage is around 20% and to increase rapidly while the damage is over 60%. In addition, the diffusion coefficient and damage degree have the relationship of polynomial with four orders.

reinforced concrete; durability; unsteady chloride ion diffusion coefficient; uniaxial compression injury

2016-06-10

TU528.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.034

税毅(1991- )：男，硕士生，主要研究领域为结构工程