结构混凝土吸水率与抗氯离子渗透性能相关性研究

张 敬，张孟霞，谢小元，马 郁，刘梦乔

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

混凝土材料自 20 世纪以来就已经成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等工程结构首选材料，用量巨大、结构形式广泛。但是由于其结构自身和使用环境的特点，混凝土性能存在一定差异性。如果混凝土配合比合理，施工质量控制得当，此时，混凝土密实度达标，可强化混凝土抗氯离子渗透性的提升。

在科技的影响下，混凝土性能不断提升，尤其是抗氯离子渗透性成为关键性指标，是衡量性能水平、制约耐久性的核心因素。具体讲，抗氯离子渗透性能与混凝土材料息息相关，一般涉及胶凝材料组成情况、粉煤灰的掺入量，这些都是影响氯离子渗透性指标的重要参数。除此之外，材料构成与密实度、饱和度以及含水量有着不可分割的关系，同时，氯离子以扩散的模式进入混凝土之中。例如，水侵，混凝土的一些其他因素也能对它产生较大影响。对于混凝土下部位置，尤其是对于饱水地区，氯离子之所以出现入侵，离不开饱水混凝土以外氯离子，以浓度为指标，促使离子出现扩散现象。本文以 GB/T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》标准为基础，依托试验，实现对混凝土吸水率对混凝土抗氯离子渗透性能的影响研究。

1 结构混凝土抗氯离子渗透性能的影响因素

通过专业调查与研究可以发现，混凝土结构之所以出现质量问题，主要源于氯离子，在浓度达到一定水平之后，钢筋表面侵蚀出现。钢筋遭受侵蚀之后，混凝土的粘结力很难维持不变，必然下降，诱发膨胀现象，促使保护层出现开裂现象，导致结构出现破坏。

对于氯离子影响混凝土的方式，一般涉及两种：一种是混入方式，主要涉及多种含有氯离子的物质，如外加剂、水等。第二种方式是渗入。在环境中，氯化物会在混凝土存在缺陷的前提下，进入到混凝土中，抵达钢筋表面位置。当前，更多混入现象源于施工管理不足，渗入问题更多与技术关系紧密，与混凝土材料的密实度、工程水平以及钢筋混凝土厚度有着不可分割的关系［1-2］。

1.1 混凝土自身材料的影响

对于混凝土而言，其主要涉及多种构成，如水泥、集料以及外加剂等，而后进行合理搅拌，将浇筑与振捣作为重点，辅之以合理养护，构成人工复合材料，其性能与结构设计及质量息息相关，是决定混凝土耐久性的核心因素。在混凝土中，其存在多种不足，主要涉及裂缝、气泡等，诱发水分入侵，进入混凝土内部，与混凝土发生物理化学反应，直接制约混凝土结构中抗氯离子渗透水平。

1.1.1 混凝土水胶比的影响

混凝土水胶比越低其密实程度越高，代表了水泥浆泌水留下的毛细孔道数量降低，氯离子在混凝土内部运输通道也随之减少，延缓其在混凝土内部的传递速率，这对增强混凝土抗氯离子渗透性有着促进功能。

1.1.2 矿物掺合料影响

矿物掺合料作为水泥的混合材料或者混凝土的掺合料能够改善或提高混凝土的综合性能。针对连续级配的颗粒堆积体系，粗集料空隙的填充离不开细集料的填充功能。而细集料又需要借助水泥完成填充需要。矿物掺合料的功能服务于水泥颗粒的填充需要。矿物掺合料的细度比水泥颗粒细，强化对混凝土空隙结构的调整，增强混凝土密实度水平。矿物掺合料对氯离子具有初始固化作用，能够捕捉混凝土表面的氯离子，这种物理吸附能力减弱了氯离子渗透力，混凝土抗氯离子渗透能力得以增强。

1.1.3 外加剂的影响

减水剂是影响混凝土抗氯离子渗透性的关键因素，减水剂的不同影响力也存在差异。减水剂能够有效调整混凝土孔的结构模式，对其进行细化处理，达到减少有害物的目的，大大提升抗氯离子渗透性。

1.2 混凝土渗透性的影响

渗透性作为评价混凝土材料密实程度和内部孔隙特征的一个重要参数，渗透性的提高有利于改善混凝土的孔隙结构，混凝土密实度增强，阻止混凝土氯离子扩散。其与混凝土抗碳化、抗水渗、抗氯离子扩散有着直接的关系，对于混凝土抗碳化、抗水渗、抗氯离子扩散等性能的评价具有重要意义，是评价混凝土耐久性的重要指标。

1.3 施工质量和外界环境的影响

由于目前国内工程施工质量人员素质参差不齐，混凝土的现场浇筑、振捣、养护不能满足要求的情况屡见不鲜。因此蜂窝、麻面、裂缝、孔洞现象等频出。这不仅影响结构安全、可靠性，也对混凝土耐久性产生很大的危害。蜂窝麻面等现象的产生，给了外界有害物质侵入提供了便利条件。

在土壤之中，其 pH 会与混凝土发生中和，促使混凝土酸碱度出现变化，耐久性很难维持不变。一旦二氧化碳与混凝土碱性化合物发生反应，势必影响耐久性。混凝土环境与条件，尤其是湿度系数，也会影响结构的稳定性。混凝土所处海水等腐蚀环境中，氯化物的侵入直接影响混凝土的耐久性。

2 试验方法和数据

2.1 试验原材料

1）水泥为某水泥厂生产的 P.O 42.5 水泥，试验指标如表 1 所示。

表1 水泥性能指标

2）砂子为某地生产的二区中砂性能指标如表2 所示。

表2 砂性能指标

3）石子为某地生产的 5～25 mm 碎石，性能指标如表 3 所示。

表3 碎石性能指标

4）外加剂为某 csp13 型聚羧酸高效减水剂，性能指标如表 4 所示。

表4 外加剂性能指标

5）粉煤灰为某地生产的 F 类Ⅱ级粉煤灰，试验指标如表 5 所示。

表5 粉煤灰性能指标

6）矿渣粉为某地生产的 s95 级矿粉，性能指标如表 6 所示。

表6 矿粉性能指标

2.2 混凝土配合比

试验所用混凝土配合比如表 7 所示。

2.3 吸水率测定方法

将 10 0 m m×10 0 m m×10 0 m m 试件养护至28 d 后取出在 75 ℃～80 ℃ 温度下进行烘干，时间为 48 h±0.5 h，再进行称量，随后将试件侵入水槽。具体讲，试件需要保证成型的一面处于朝下的位置，下部借助钢筋进行垫起处理。一般情况下，试件在水下的高度需要控制在 50 mm，循序渐进进行加水处理，将溢水孔设置在水槽上，保证与水面高度一致，维持恒定不变，再使用盖子，置于温度为 20±3 ℃ 的环境，相对湿度在 80 % 以上。同时，试件表面不允许出现水滴。在时间达到 48 h±0.5 h 之后进行取出，使用湿布擦去表面的水，进行称量之后并记录。

2.4 氯离子扩散系数测定方法

首先，需要在养护池取出试件，对其表面进行清洁处理，避免出现碎屑，除去水分。而后，借助卡尺进行试件的测量，对精度进行控制，一般控制在 0.1 mm。应将试件在饱和面干状态下置于真空容器中进行处理。将试件安装在 RCM 试验装置上，试验结束后点开电源取出试件，擦拭干净，将试件在压力基础上，将其劈成两个半圆柱体使用硝酸银溶液显色剂进行喷涂。而后，结合颜色情况，明确分界线与试件底面距离。计算氯离子扩散系数。

2.5 吸水率与氯离子扩散系数相关性

对于结构抗力下降问题以及耐久性不足，源于多种因素，如水侵蚀、钢筋侵蚀等，而这些现象又与混凝土渗透性息息相关。混凝土在侵蚀性环境中，可能遭受化学侵蚀而破坏，如：硫酸盐侵蚀、氯离子腐蚀，而水在这些侵蚀过程中充当着主要的介质。侵蚀现象是诱发混凝土渗透性的重要因素，与侵蚀速度息息相关。混凝土密实度与渗透性以及侵蚀速度呈现反比关系。一般情况下，如果混凝土处于干燥状态，很难受到冻融现象的影响。鉴于混凝土含水量存在临界饱和度，一旦超出范围，混凝土必将处于低温环境，裂缝很难避免，发生物质入侵。在养护之后，含水量处于临界值之下，但是，渗透性处于较高水平，一旦处于湿润环境，可以再次达到或超过临界饱和度。

表7 混凝土配合比

由此可见，混凝土钢筋之所以遭受侵蚀，与水因素不可分割。另外，侵蚀都会诱发结构破坏，引发混凝土膨胀，开裂现象是最终体现。一旦出现开裂，侵蚀速度更快，耐久性出现恶化现象。其中，钢筋腐蚀影响最突出，钢筋腐蚀与混凝土的碳化、氯盐的侵蚀以及水份氧气的存在等是分不开的。

对于氯离子扩散系数，其主要代表的是混凝土内部氯离子迁移情况，是物理量的一种，与诸多因素关系紧密，如浓度梯度、穿透距离以及时间等。

一旦出现水渗透，混凝土冻融极易发生，同时，水又承担侵蚀离子的载体作用，诸多离子在混凝土运输中以水作为载体。一般环境下，混凝土呈部分饱水状态。在实际应用中，混凝土结构暴露环境和时间各不相同，其内部含水程度有差异。因此混凝土吸水性将影响其氯离子扩散系数，影响混凝土耐久性。

3 试验结果及机理分析

3.1 试验结果分析

混凝土试件吸水率与抗压强度及混凝土氯离子渗透系数试验数据如表 8 所示。

由表 8 可知，混凝土氯离子扩散系数随吸水率的增大而增大，氯离子扩散系数与抗压强度呈现反比关系，为此，混凝土耐久性与吸水率也呈现反比关系。

3.2 机理分析

混凝土渗透性最为关键的影响因素为密实性与孔隙结构。一旦吸水率提升，其骨料表面状态较为疏松，渗透性下降，为介质侵入创造条件，导致混凝土抗氯离子渗透性能下降，耐久性很难维护。如果混凝土硬化初期的吸水率较大，水分会发挥湿度驱动力功能，提供大部分水分，孔隙收缩速度变慢，在一定程度上降低混凝土的干燥收缩情况。

表8 吸水率与抗压强度及氯离子扩散系数对比

在后期的时候，混凝土干燥环境时间较长，随着混凝土水分的蒸发，其水分含量降低，加之自身内部相对较大孔隙等原因，导致后期干燥收缩率变大。吸水率大的混凝土，硬化后其内部空隙缺陷较多，给自由水留有充足的储存空间，更容易出现耐久性问题。

4 结论

根据以上分析，不难看出，混凝土耐久性随着吸水率的增大而降低。混凝土的吸水率可以作为一项分析混凝土耐久性的手段。特别是针对目前普遍使用的商品混凝土具有很好的参考价值。