結構混凝土吸水率與抗氯離子滲透性能相關性研究

張 敬，張孟霞，謝小元，馬 郁，劉夢喬

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

混凝土材料自 20 世紀以來就已經成為房屋建筑、橋梁、水利、公路等工程結構首選材料，用量巨大、結構形式廣泛。但是由于其結構自身和使用環境的特點，混凝土性能存在一定差異性。如果混凝土配合比合理，施工質量控制得當，此時，混凝土密實度達標，可強化混凝土抗氯離子滲透性的提升。

在科技的影響下，混凝土性能不斷提升，尤其是抗氯離子滲透性成為關鍵性指標，是衡量性能水平、制約耐久性的核心因素。具體講，抗氯離子滲透性能與混凝土材料息息相關，一般涉及膠凝材料組成情況、粉煤灰的摻入量，這些都是影響氯離子滲透性指標的重要參數。除此之外，材料構成與密實度、飽和度以及含水量有著不可分割的關系，同時，氯離子以擴散的模式進入混凝土之中。例如，水侵，混凝土的一些其他因素也能對它產生較大影響。對于混凝土下部位置，尤其是對于飽水地區，氯離子之所以出現入侵，離不開飽水混凝土以外氯離子，以濃度為指標，促使離子出現擴散現象。本文以 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》標準為基礎，依托試驗，實現對混凝土吸水率對混凝土抗氯離子滲透性能的影響研究。

1 結構混凝土抗氯離子滲透性能的影響因素

通過專業調查與研究可以發現，混凝土結構之所以出現質量問題，主要源于氯離子，在濃度達到一定水平之后，鋼筋表面侵蝕出現。鋼筋遭受侵蝕之后，混凝土的粘結力很難維持不變，必然下降，誘發膨脹現象，促使保護層出現開裂現象，導致結構出現破壞。

對于氯離子影響混凝土的方式，一般涉及兩種：一種是混入方式，主要涉及多種含有氯離子的物質，如外加劑、水等。第二種方式是滲入。在環境中，氯化物會在混凝土存在缺陷的前提下，進入到混凝土中，抵達鋼筋表面位置。當前，更多混入現象源于施工管理不足，滲入問題更多與技術關系緊密，與混凝土材料的密實度、工程水平以及鋼筋混凝土厚度有著不可分割的關系［1-2］。

1.1 混凝土自身材料的影響

對于混凝土而言，其主要涉及多種構成，如水泥、集料以及外加劑等，而后進行合理攪拌，將澆筑與振搗作為重點，輔之以合理養護，構成人工復合材料，其性能與結構設計及質量息息相關，是決定混凝土耐久性的核心因素。在混凝土中，其存在多種不足，主要涉及裂縫、氣泡等，誘發水分入侵，進入混凝土內部，與混凝土發生物理化學反應，直接制約混凝土結構中抗氯離子滲透水平。

1.1.1 混凝土水膠比的影響

混凝土水膠比越低其密實程度越高，代表了水泥漿泌水留下的毛細孔道數量降低，氯離子在混凝土內部運輸通道也隨之減少，延緩其在混凝土內部的傳遞速率，這對增強混凝土抗氯離子滲透性有著促進功能。

1.1.2 礦物摻合料影響

礦物摻合料作為水泥的混合材料或者混凝土的摻合料能夠改善或提高混凝土的綜合性能。針對連續級配的顆粒堆積體系，粗集料空隙的填充離不開細集料的填充功能。而細集料又需要借助水泥完成填充需要。礦物摻合料的功能服務于水泥顆粒的填充需要。礦物摻合料的細度比水泥顆粒細，強化對混凝土空隙結構的調整，增強混凝土密實度水平。礦物摻合料對氯離子具有初始固化作用，能夠捕捉混凝土表面的氯離子，這種物理吸附能力減弱了氯離子滲透力，混凝土抗氯離子滲透能力得以增強。

1.1.3 外加劑的影響

減水劑是影響混凝土抗氯離子滲透性的關鍵因素，減水劑的不同影響力也存在差異。減水劑能夠有效調整混凝土孔的結構模式，對其進行細化處理，達到減少有害物的目的，大大提升抗氯離子滲透性。

1.2 混凝土滲透性的影響

滲透性作為評價混凝土材料密實程度和內部孔隙特征的一個重要參數，滲透性的提高有利于改善混凝土的孔隙結構，混凝土密實度增強，阻止混凝土氯離子擴散。其與混凝土抗碳化、抗水滲、抗氯離子擴散有著直接的關系，對于混凝土抗碳化、抗水滲、抗氯離子擴散等性能的評價具有重要意義，是評價混凝土耐久性的重要指標。

1.3 施工質量和外界環境的影響

由于目前國內工程施工質量人員素質參差不齊，混凝土的現場澆筑、振搗、養護不能滿足要求的情況屢見不鮮。因此蜂窩、麻面、裂縫、孔洞現象等頻出。這不僅影響結構安全、可靠性，也對混凝土耐久性產生很大的危害。蜂窩麻面等現象的產生，給了外界有害物質侵入提供了便利條件。

在土壤之中，其 pH 會與混凝土發生中和，促使混凝土酸堿度出現變化，耐久性很難維持不變。一旦二氧化碳與混凝土堿性化合物發生反應，勢必影響耐久性。混凝土環境與條件，尤其是濕度系數，也會影響結構的穩定性。混凝土所處海水等腐蝕環境中，氯化物的侵入直接影響混凝土的耐久性。

2 試驗方法和數據

2.1 試驗原材料

1）水泥為某水泥廠生產的 P.O 42.5 水泥，試驗指標如表 1 所示。

表1 水泥性能指標

2）砂子為某地生產的二區中砂性能指標如表2 所示。

表2 砂性能指標

3）石子為某地生產的 5～25 mm 碎石，性能指標如表 3 所示。

表3 碎石性能指標

4）外加劑為某 csp13 型聚羧酸高效減水劑，性能指標如表 4 所示。

表4 外加劑性能指標

5）粉煤灰為某地生產的 F 類Ⅱ級粉煤灰，試驗指標如表 5 所示。

表5 粉煤灰性能指標

6）礦渣粉為某地生產的 s95 級礦粉，性能指標如表 6 所示。

表6 礦粉性能指標

2.2 混凝土配合比

試驗所用混凝土配合比如表 7 所示。

2.3 吸水率測定方法

將 10 0 m m×10 0 m m×10 0 m m 試件養護至28 d 后取出在 75 ℃～80 ℃ 溫度下進行烘干，時間為 48 h±0.5 h，再進行稱量，隨后將試件侵入水槽。具體講，試件需要保證成型的一面處于朝下的位置，下部借助鋼筋進行墊起處理。一般情況下，試件在水下的高度需要控制在 50 mm，循序漸進進行加水處理，將溢水孔設置在水槽上，保證與水面高度一致，維持恒定不變，再使用蓋子，置于溫度為 20±3 ℃ 的環境，相對濕度在 80 % 以上。同時，試件表面不允許出現水滴。在時間達到 48 h±0.5 h 之后進行取出，使用濕布擦去表面的水，進行稱量之后并記錄。

2.4 氯離子擴散系數測定方法

首先，需要在養護池取出試件，對其表面進行清潔處理，避免出現碎屑，除去水分。而后，借助卡尺進行試件的測量，對精度進行控制，一般控制在 0.1 mm。應將試件在飽和面干狀態下置于真空容器中進行處理。將試件安裝在 RCM 試驗裝置上，試驗結束后點開電源取出試件，擦拭干凈，將試件在壓力基礎上，將其劈成兩個半圓柱體使用硝酸銀溶液顯色劑進行噴涂。而后，結合顏色情況，明確分界線與試件底面距離。計算氯離子擴散系數。

2.5 吸水率與氯離子擴散系數相關性

對于結構抗力下降問題以及耐久性不足，源于多種因素，如水侵蝕、鋼筋侵蝕等，而這些現象又與混凝土滲透性息息相關。混凝土在侵蝕性環境中，可能遭受化學侵蝕而破壞，如：硫酸鹽侵蝕、氯離子腐蝕，而水在這些侵蝕過程中充當著主要的介質。侵蝕現象是誘發混凝土滲透性的重要因素，與侵蝕速度息息相關。混凝土密實度與滲透性以及侵蝕速度呈現反比關系。一般情況下，如果混凝土處于干燥狀態，很難受到凍融現象的影響。鑒于混凝土含水量存在臨界飽和度，一旦超出范圍，混凝土必將處于低溫環境，裂縫很難避免，發生物質入侵。在養護之后，含水量處于臨界值之下，但是，滲透性處于較高水平，一旦處于濕潤環境，可以再次達到或超過臨界飽和度。

表7 混凝土配合比

由此可見，混凝土鋼筋之所以遭受侵蝕，與水因素不可分割。另外，侵蝕都會誘發結構破壞，引發混凝土膨脹，開裂現象是最終體現。一旦出現開裂，侵蝕速度更快，耐久性出現惡化現象。其中，鋼筋腐蝕影響最突出，鋼筋腐蝕與混凝土的碳化、氯鹽的侵蝕以及水份氧氣的存在等是分不開的。

對于氯離子擴散系數，其主要代表的是混凝土內部氯離子遷移情況，是物理量的一種，與諸多因素關系緊密，如濃度梯度、穿透距離以及時間等。

一旦出現水滲透，混凝土凍融極易發生，同時，水又承擔侵蝕離子的載體作用，諸多離子在混凝土運輸中以水作為載體。一般環境下，混凝土呈部分飽水狀態。在實際應用中，混凝土結構暴露環境和時間各不相同，其內部含水程度有差異。因此混凝土吸水性將影響其氯離子擴散系數，影響混凝土耐久性。

3 試驗結果及機理分析

3.1 試驗結果分析

混凝土試件吸水率與抗壓強度及混凝土氯離子滲透系數試驗數據如表 8 所示。

由表 8 可知，混凝土氯離子擴散系數隨吸水率的增大而增大，氯離子擴散系數與抗壓強度呈現反比關系，為此，混凝土耐久性與吸水率也呈現反比關系。

3.2 機理分析

混凝土滲透性最為關鍵的影響因素為密實性與孔隙結構。一旦吸水率提升，其骨料表面狀態較為疏松，滲透性下降，為介質侵入創造條件，導致混凝土抗氯離子滲透性能下降，耐久性很難維護。如果混凝土硬化初期的吸水率較大，水分會發揮濕度驅動力功能，提供大部分水分，孔隙收縮速度變慢，在一定程度上降低混凝土的干燥收縮情況。

表8 吸水率與抗壓強度及氯離子擴散系數對比

在后期的時候，混凝土干燥環境時間較長，隨著混凝土水分的蒸發，其水分含量降低，加之自身內部相對較大孔隙等原因，導致后期干燥收縮率變大。吸水率大的混凝土，硬化后其內部空隙缺陷較多，給自由水留有充足的儲存空間，更容易出現耐久性問題。

4 結論

根據以上分析，不難看出，混凝土耐久性隨著吸水率的增大而降低。混凝土的吸水率可以作為一項分析混凝土耐久性的手段。特別是針對目前普遍使用的商品混凝土具有很好的參考價值。