應力對混凝土中氯離子滲透性的影響

王 濤，裴存棟，韓萬水，陳 峰

（長安大學 公路學院，西安710064）

0 引 言

對于長期處于一定應力水平下的混凝土來說，應力的大小必然會對混凝土中氯離子的滲透性產生影響。國內外學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力作用下氯離子的滲透性進行了研究，發現氯離子的滲透性并不是隨著應力的增大而持續上升，而是存在一個應力臨界值，此時氯離子的滲透性最小。Saito和Ishimori［2］對混凝土在應力先加載后卸載與無應力兩種狀態下，氯離子滲透性的差別進行了研究，結果表明：當應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］對混凝土在持續壓應力作用下氯離子的滲透性作了研究，研究表明壓應力對氯離子的滲透性有很大影響。在應力小于極限應力的60%時，氯離子的滲透性隨著應力比的增大而下降。在應力超過極限應力的70%時，氯離子的滲透性隨著應力比的增大而急劇上升。目前對氯離子滲透性的研究上，學者們主要采用傳統的水滲透法和氣體滲透法進行試驗，使得結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率法，研究在不同應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力的變化規律。

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，強度等級為PI42.5，主要化學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，主要化學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。砂石料由連續級配碎石和Ⅱ區連續級配河砂組成，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果Table 3 Intensity value of concrete specimens MPa

1.3 實驗方法

應力的加載方式對氯離子在混凝土中的滲透性影響較大。目前大部分學者在研究應力對氯離子滲透性影響時［4－9］，通常采用一次預壓應力再卸載的方式，由此得出的結果與應力持續加載下得出的氯離子滲透性規律有所差異。因此，為了使結果更接近于實際工程中混凝土所處的狀態，本文采用持續應力加載方式。

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。而電導率法對于測試離子濃度和擴散性具有快速精確的優點，因此本次試驗采用電導率法，參考《混凝土結構耐久性設計與施工指南》和《水泥氯離子擴散系數檢驗方法》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 實驗結果及分析

2.1 壓應力對混凝土中氯離子滲透性的影響

根據表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力比（施加應力與破壞應力的比值）為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75的壓應力作用下氯離子的滲透性。壓應力水平如表5 所示。C30和C60混凝土在4種不同壓應力水平下，氯離子的擴散系數分別如圖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，氯離子隨應力變化的擴散系數曲線趨勢基本一致。對于C30混凝土來說，當施加的應力小于破壞應力的0.35倍時，氯離子在混凝土中的擴散系數隨著應力的增大呈現明顯的下降趨勢；當混凝土承受的應力為破壞應力的0.35倍時，氯離子在混凝土中的擴散系數最小，即滲透性最差。當混凝土所承受的應力大于破壞應力的0.35倍時，氯離子在混凝土中的擴散系數隨著應力的增大呈上升趨勢。未摻入礦粉和粉煤灰的C30混凝土在應力達到破壞應力的0.65倍后，氯離子的擴散系數隨應力增加而增大的速率更快。當混凝土承受的應力達到破壞應力的0.75倍時，氯離子的擴散系數達到3.95×10－12m2／s，是未施加應力時的氯離子擴散系數的1.35倍。

表5 混凝土試件的壓應力水平Table 5 Stress levels on concrete specimens

圖1 壓應力下混凝土氯離子擴散系數Fig.1 Chloride diffusion coefficient of C30and C60 concrete under pressure

對于C60混凝土來說，當施加的應力小于破壞應力的0.35倍時，氯離子的擴散系數隨著應力的增大雖然有所減小，但是趨勢并不明顯。而當施加的應力超過破壞應力的0.35倍之后，氯離子的擴散系數隨著應力的增大而急劇增大。當混凝土承受的應力達到破壞應力的0.75倍時，氯離子的擴散系數達到5.12×10－12m2／s，是未施加應力時的氯離子擴散系數的2.81倍。

總體上看，C30和C60混凝土中氯離子的擴散系數均隨著施加應力的增大而先增后減。當對混凝土施加0.35倍破壞應力時，氯離子的滲透性最小，此種應力水平下氯離子對混凝土的耐久性影響最小。但是當應力超過0.35倍破壞應力且持續增加時，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，發現C30 混凝土在壓應力作用下，氯離子滲透性均處于Ⅲ級水平。C60混凝土在壓應力比達到0.75時氯離子滲透性均處于Ⅲ級水平，但當壓應力比達到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，一定程度的壓應力將導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。然而隨著壓應力持續增加，與壓應力同方向的空隙將被拉開，從而導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 拉應力對混凝土中氯離子滲透性的影響

根據表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力比（施加應力與破壞應力的比值）為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75的拉應力作用下氯離子的滲透性。拉應力水平如表6 所示。C30和C60混凝土在4種不同拉應力水平下，氯離子的擴散系數分別如圖2所示。

表6 混凝土試件的拉應力水平Table 6 Tensile stress levels on concrete specimens

從圖2（a）中可以看出，隨著應力的增大，C30混凝土中氯離子的擴散系數持續增大。當施加的應力小于破壞應力的0.35倍時，氯離子擴散系數增大趨勢很緩，幾乎等同于無應力狀態下氯離子的擴散系數。當施加的應力超過破壞應力的0.55倍時，氯離子擴散系數隨著應力的增大而急劇增大。當施加應力達到破壞應力的0.75倍時，氯離子的擴散系數達到11.25×10－12m2／s，是未施加應力時的氯離子擴散系數的3.91倍。

圖2 拉應力水平下混凝土氯離子擴散系數Fig.2 Chloride diffusion coefficient of C30and C60 concrete under tensile stress

從圖2（b）中可以看出，隨著應力的增大，C60混凝土中氯離子的擴散系數持續增大。當施加的應力小于破壞應力的0.35倍時，氯離子擴散系數增大幅度比C30混凝土中的擴散系數稍大。當施加的應力超過破壞應力的0.55倍時，氯離子擴散系數隨著應力的增大而急劇增大。當施加應力達到破壞應力的0.75倍時，氯離子的擴散系數達到12.33×10－12m2／s，是未施加應力時的氯離子擴散系數的7.75倍。

參照CCES01－2004標準對氯離子滲透性進行評價，發現當拉應力比未超過0.55時，C30混凝土的氯離子滲透性均處于Ⅲ級水平。當拉應力比達到0.55之后，氯離子擴散系數急劇增大，滲透性水平為Ⅱ級。當拉應力比為0.75時，滲透性水平已接近于Ⅰ級。

綜上可知，一定程度的拉應力將使得混凝土內微粒之間的空隙被拉開，為氯離子的滲入提供了通道，導致氯離子在混凝土中不斷擴散。隨著拉應力的不斷增大，氯離子擴散系數并沒有像壓應力作用下那樣產生明顯的轉折點，而是持續增大，且增長速率隨著應力的增大而增大。

3 結 論

（1）在壓應力作用下，氯離子滲透擴散系數隨著應力比的增大先減后增，但均處于Ⅲ級水平，壓應力比為0.35時，氯離子滲透性最小；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）在拉應力作用下，C30混凝土的氯離子滲透性隨應力比的增大持續上升，基本處于Ⅲ級水平。當拉應力比達到0.35后，氯離子擴散系數急劇增大，滲透性水平為Ⅱ級。當拉應力比為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。

［1］Banthia N，Bhargava A.Permeability of stressed concrete and role of fiber reinforcement［J］.ACI Mater，2007，104（1）：70－76.

［2］Saito M，Ishimori H.Chloride permeability of concrete under static and repeated compressive loadings［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（4）：803－808.

［3］方永浩，李志清，張亦濤.持續壓荷載作用下混凝土的滲 透 性［J］.硅 酸 鹽 學 報，2005，33（10）：1281－1286.Fang Yong－hao，Li Zhi－qing，Zhang Yi－tao.Permeability of concrete under continuous stress［J］.Journal of Silicate，2005，33（10）：1281－1286.

［4］Banthia N，Biparva A，Mindess S.Permeability of concrete under stress［J］.Cement Concrete Research，2005，35（9）：1651－1655.

［5］Wang K，Jansen D C，Shah S P，et al.Permeability study of cracked concrete［J］.Cement and Concrete Research，1997，27（3）：381－393.

［6］Omkar Deo，Milani S，Narayanan N.Permeability reduction in pervious concretes due to clogging：experiments and modeling［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22（7）：741－751.

［7］Hutchinson Tara C，Soppe Travis E.Experimentally measured permeability of uncracked and cracked concrete components［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2012，24（5）：548－559.

［8］Vardanega P J.State of the art：permeability of asphalt concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2014，26（1）：54－64.

［9］Das B B，Singh D N，Pandey S P.Rapid chloride ion permeability of opc－and ppc－based carbonated concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2012，24（5）：606－611.

［10］Khoe Chandra，Sen Rajan，Bhethanabotla Venkat R.Oxygen permeability of frp－concrete repair systems［J］.Journal of Composites for Construction，2012，16（3）：277－285.

［11］Tian Zheng－hong，Qiao Pi－zhong.Multiscale performance characterization of concrete formed by controlled permeability formwork liner［J］.Journal of Aerospace Engineering，2013，26（4）：684－697.

［12］Wang H L，Xu W Y.Permeability evolution laws and equations during the course of deformation and failure of brittle rock［J］.Journal of Engineering Mechanics，2013，139（11）：1621－1626.

［13］Assaad Joseph J，Harb Jacques.Use of the fallinghead method to assess permeability of freshly mixed cementitious－based materials［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25（5）：580－588.

［14］Jones Christopher A，Grasley Zachary C.Correlation of radial flow－through and hollow cylinder dynamic pressurization test for measuring permeability［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2009，21（10）：594－600.

［15］Khan M I.Permeation of high performance concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15（1）：84－92.

［16］Masad Eyad，Birgisson Bjorn，Al－Omari Aslam，et al.Analytical derivation of permeability and numerical simulation of fluid flow in hot－mix asphalt［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2004，16（5）：487－496.