密實性及損傷對混凝土氯離子滲透性能的影響

稅　毅　陳靜曦　趙　磊　高倩媛　徐旗強

(武漢理工大學交通學院1)　武漢　430063)　(湖北省建筑設計院2)　武漢　430212)　(湖北省建筑科學研究設計院3)　武漢　430064)

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密實性及損傷對混凝土氯離子滲透性能的影響

稅毅1)陳靜曦1)趙磊2)高倩媛3)徐旗強1)

(武漢理工大學交通學院1)武漢430063)(湖北省建筑設計院2)武漢430212)(湖北省建筑科學研究設計院3)武漢430064)

對粉煤灰、硅灰摻入比例進行規律性的調整，制作了12組試件，并根據各組試件的極限強度，進行一定比例的單軸受壓損傷試驗.運用北歐試驗方法對12組試件做非穩態氯離子擴散系數試驗.通過試驗分析，粉煤灰、硅灰分別按20%，7%的摻入比例時，混凝土試件的擴散系數較低，密實度良好，且強度相對較高；同時發現非穩態氯離子擴散系數與吸水率存在一定相關性，相關系數為0.67；試件單軸受壓損傷處理后，非穩態氯離子擴散系數在20%損傷前后會有所下降，在60%損傷后，擴散系數快速增加，且擴散系數與損傷程度具有4次多項式的關系.

鋼筋混凝土；耐久性；非穩態氯離子擴散系數；單軸受壓損傷

0　引　　言

混凝土破壞原因，按重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害，以及侵蝕環境的物理化學作用.鋼筋的銹蝕破壞被確認為第一因素，而氯離子的侵蝕又是引起鋼筋銹蝕的重要因素[1].混凝土的抗氯離子侵蝕能力往往與混凝土本身的密實性密切相關.因此對于混凝土密實性改善的研究有利于提高混凝土的耐久性能.研究表明，粉煤灰和硅灰雙重摻入混凝土有利于增加混凝土的密實性，提高混凝土抗氯鹽侵蝕的能力[2].但諸多研究只提出了粉煤灰和硅灰的摻入有利于降低混凝土的氯離子擴散系數，并沒有提出具體的粉煤灰和硅灰摻量最佳比例.混凝土結構在使用過程中會受到各種荷載作用，結構本身存在一定損傷，目前多數學者研究了混凝土在無損狀態下，氯離子擴散系數的各種影響因素[3]，對于損傷狀態下，混凝土結構的抗氯鹽侵蝕能力的研究還不成熟.

基于此，文中根據混凝土配合比設計規范[4-6]，擬定摻入粉煤灰和硅灰的混凝土配合比，依據北歐試驗方法RCM對不同摻配比例下的混凝土試件做非穩態氯離子擴撒系數試驗，得出粉煤灰與硅灰的最佳摻比；基于水運工程混凝土試驗規程中吸水率試驗，得到混凝土吸水率與氯離子擴散系數之間的相關性；通過對混凝土做軸心抗壓試驗，提出試件損傷程度與氯離子擴散系數之間的規律.

1　試驗材料及方法

1.1試驗材料

試件分為12組，編號為1～12，每組由3個100 mm×100 mm×100 mm，6個直徑×高度=100 mm×53 mm共9個試件組成.各組試件，采用PC32.5的華新堡壘牌水泥，水灰比為0.40，粉煤灰、硅灰采用內摻法，依據混凝土配合比設計規范最終確定取硅灰摻量8%、粉煤灰摻量20%為中間值，上下調整摻量比；外加劑采用高效減水劑用外摻法，減水率為25%，摻量為1.6%；砂率32%.對成型的試件養護14 d進行試驗.各配合比設計采用固定水、砂、碎石，以及減水劑的用量，其用量分別為150，614.56，1 305.94，4.5 kg/m3，其他材料用量見表1.

表1　混凝土配合比

1.2試驗方法及試驗結果

1.2.1吸水率試驗

依據《水運工程混凝土試驗規程》中混凝土吸水率試驗方法[7]，對3個100 mm×100 mm×100 mm的試件進行吸水率試驗，結果取其平均值.試驗結果見表2.

表2　吸水率試驗結果

1.2.2孔隙率試驗

根據對目前存在的總孔隙率試驗方法相關論文的調查研究[8-9]，方法很多，但沒有一個標準的統一的方法.在此基礎上，文中受到瀝青混合料最大理論相對密度試驗的啟發，提出運用排開水體積的方法測混凝土試件的孔隙率.通過試件浸水下的質量測定相對體積；通過將試件壓碎，使其骨料與水泥漿體分離，并在3 kPa壓力下測定試件浸水質量，從而測定絕對體積.則孔隙率=(1-絕對體積/相對體積)×100.孔隙率試驗結果見表3.

表3　孔隙率試驗結果

1.2.3單軸抗壓損傷試驗

用3 000 kN電液伺服壓力試驗機進行孔隙率試驗.利用吸水率試驗完成后的3個100 mm×100 mm×100 mm試件進行極限抗壓強度試驗，取得該批試樣極限抗壓強度值，換算成圓形試件的極限抗壓強度值，然后對直徑×高度=100 mm×53 mm的6個試件分別做0%，20%，40%，60%，80%的損傷處理，見圖1.前10組試件做0%，20%，40%的損傷處理，后2組試件做0%，20%，40%，60%，80%的損傷處理，結果見表4.

圖1　電液伺服壓力試驗機軸心抗壓試驗

表4　試件極限抗壓強度

1.2.4非穩態氯離子擴散系數試驗

依據北歐試驗方法RCM，用武漢港灣工程設計研究院有限公司制作的非穩態氯離子擴散系數試驗儀(見圖2)，對處理后的12組試樣做非穩態氯離子試驗[10].非穩態氯離子擴散系數用如下公式計算.

式中：Dnssm為非穩態下的擴散系數，×10-12m2/s；

圖2　非穩態氯離子擴散系數試驗

U為實驗中使用的電壓，V；θ為θ0與θ1的平均值，℃；L為試件的厚度，mm；Xd為滲透深度的平均值，mm；t為通電時間，h.

在對前10組試件做損傷20%，40%程度后擴散系數試驗時，發現損傷處理后的試件在20%損傷下其擴散系數呈現下降的現象，為了進一步研究損傷程度與擴散系數之間的關系，故增加了11，12組試件.擴散系數試驗結果見表5.

表5　非穩態氯離子擴散系數試驗結果

2　試驗數據分析

通過對試驗數據采集，對12組試樣的非穩態氯離子擴散系數進行對比分析，其損傷程度與擴散系數關系圖，見圖3.

圖3　11～12組損傷程度與擴散系數對比圖

由表5及圖3可知，在20%損傷程度下，12組試件的氯離子擴散系數整體呈現略微下降的趨勢，隨著損傷程度增加，氯離子擴散系數逐漸增加，當達到60%損傷后，曲線加速上升.損傷程度與擴散系數兩者呈現4次多項式的關系.由于本次試驗試件養護時間為14天，時間較短，混凝土的氯離子擴散系數整體偏大.對12組無損傷試件的氯離子擴散系數、吸水率、極限強度及孔隙率做橫向對比，見圖4～6.

圖4　各組試件無損傷狀態下擴散系數對比圖

圖5　各組試件吸水率對比圖

圖6　各組試件孔隙率對比圖

由圖4可知，第7組粉煤灰摻量20%、硅灰摻量7%的試件，其氯離子擴散系數最小，為8.7.吸水率與非穩態氯離子擴散系數兩條曲線的變化趨勢相似，成一定相關性，通過MATLAB數據分析，得出其兩者的相關系數為0.67.

綜合以上各圖可得，按粉煤灰摻量20%、硅灰摻量7%的比例，配合的混凝土試件孔隙率小，密實性良好，且強度較高.

3　結　　論

1) 混凝土試件在單軸受壓損傷處理下，其對應的非穩態氯離子擴散系數呈現出先下降，再逐漸上升的變化趨勢，損傷程度與其擴散系數基本成4次多項式的關系.試驗顯示，12組試件損傷程度小于20%時，擴散系數呈降低趨勢，損傷程度超過20%，擴散系數逐漸增加，在60%損傷后，擴散系數加速增加.

2) 試件的吸水率與非穩態氯離子擴散系數呈現出相關性，其相關系數為0.67.試件的吸水率，反映著混凝土的開口孔隙以及混凝土內部連通孔隙的多少，間接反映混凝土的密實程度，因此吸水率與擴散系數存在著一定的相關性，但兩者不是線性相關，還存在其他因素的影響.

3) 粉煤灰摻量20%、硅灰摻量7%的配合比例為最佳，其混凝土的密實性良好，氯離子擴散系數較低.硅灰的活性較高，需水量大，使混凝土的早起強度高，但價格較高,較大摻量會造成混凝土在養護期間產生裂紋，而粉煤灰的價格較低，活性較高.因此通過粉煤灰與硅灰的雙重摻入提高混凝土的密實性，同時摻加減水劑解決硅灰的需水量大的問題.

混凝土的密實性與混凝土抗氯鹽侵蝕能力大小密切相關，因此如何提高混凝土的密實性尤為重要，通過提出摻加2種摻合料的具體摻量比的方法增加混凝土的密實性能，為以后的工程實踐提供試驗支撐.受損狀態下混凝土抵抗氯鹽的侵蝕是常態.通過單軸抗壓受損試驗與非穩態氯離子擴散系數試驗的結合，得出混凝土受損程度與擴散系數之間的關系曲線.在今后的研究工作中，作者著重研究復雜應力狀態下混凝土受損程度與擴散系數之間的關系，以及如何進一步的提高混凝土的密實性.

[1]蔣冬蕾.混凝土氯離子擴散系數快速測定RCM法的研究[D].杭州:浙江大學,2008.

[2]郝曉麗.氯腐蝕環境混凝土結構耐久性與壽命預測[D].西安：西安建筑科技大學,2004.

[3]延永東.氯離子在損傷及開裂混凝土內的運輸機理及作用效應[D].杭州:浙江大學,2011.

[4]交通部公路科學研究院.公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南[M].北京：人民交通出版社,2006.

[5]中華人民共和國水利部.粉煤灰混凝土應用技術規范:GB/T 50146-2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部.普通混凝土配合比設計規程:JGJ 55-2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[7]中華人民共和國交通部.水運工程混凝土試驗規程:JTJ 270-98[S].北京：人民交通出版社，1999.

[8]時嘯林，扈惠敏.隧道高性能多孔水泥混凝土孔隙率特性的試驗研究[J].合肥工業大學學報，2012,35(5):664-665.

[9]連艷霞.多孔改性混凝土的配合比設計和孔隙率的測定[J].交通標準化,2010(218):44-45.

[10]中華人民共和國住房和城鄉建設部.普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準:GB/T 50082-2009[S].北京：中國建筑工業出版社，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

稅毅(1991- )：男，碩士生，主要研究領域為結構工程