彎曲荷載下浪濺區(qū)混凝土中氯離子的擴(kuò)散規(guī)律*

熊建波 蘇達(dá)根 黎鵬平 王勝年

(1.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州510640;2.水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510230)

大量的工程調(diào)查表明，由氯離子侵蝕而導(dǎo)致的混凝土中鋼筋的腐蝕是海洋環(huán)境下交通基礎(chǔ)設(shè)施遭受腐蝕破壞的主要原因.據(jù)調(diào)查，20世紀(jì)90年代前建設(shè)的港口碼頭工程，大部分使用7 ～25年即出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞而需要維修［1-3］.氯離子擴(kuò)散系數(shù)是反應(yīng)混凝土抵抗氯離子滲透性的一個(gè)重要參數(shù)，研究人員對(duì)影響混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的因素開(kāi)展了大量的研究［4-8］，但以往的研究對(duì)象主要是自由狀態(tài)的混凝土試件，較少考慮荷載與氯離子耦合作用下的混凝土構(gòu)件［9-11］(而處于海洋環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)處于多種因素共同作用的環(huán)境，如混凝土結(jié)構(gòu)遭受荷載和氯離子的復(fù)合作用等)，且主要集中在普通混凝土上，缺乏針對(duì)海洋工程普遍采用的海工高性能混凝土的研究［12-15］，使得研究成果不具備工程普遍性，無(wú)法用于指導(dǎo)具體工程的耐久性設(shè)計(jì).針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本研究對(duì)混凝土構(gòu)件施加彎曲荷載，將施加恒定荷載的混凝土構(gòu)件置于海水環(huán)境模擬箱的浪濺區(qū)，研究了彎曲荷載對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥，珠江水泥廠生產(chǎn)的粵秀牌P.Ⅱ42.5R 型硅酸鹽水泥;粉煤灰，黃埔電廠產(chǎn)Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度為2140 kg/m3;礦渣，廣東韶鋼嘉羊S95 礦渣粉，密度為2900 kg/m3;膠凝材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1;砂，廣州產(chǎn)河砂，表觀密度為2 650 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.7，Ⅱ區(qū)級(jí)配;粗骨料，最大粒徑20 mm 的復(fù)合級(jí)配碎石，5 ～10 mm 和10 ～20 mm 的碎石質(zhì)量比為3∶7，表觀密度2 660 kg/m3;拌和用水為自來(lái)水;外加劑，廣州四航材料科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑.

表1 膠凝材料的化學(xué)成分Table1 Chemical composition of cementitious materials %

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

海洋浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)較多采用C50 等級(jí)的海工高性能混凝土，水膠比一般為0.32 ～0.36［16］.本研究采用的水膠比為0.35，并采用純水泥混凝土試件做對(duì)照，混凝土配合比及試件的力學(xué)性能見(jiàn)表2.

表2 混凝土配合比及試件的力學(xué)性能Table2 Mix proportion and mechanical properties of concrete

混凝土構(gòu)件的尺寸為100 mm×100 mm×515 mm，構(gòu)件置于養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d 齡期時(shí)采用恒力加載試驗(yàn)裝置對(duì)構(gòu)件施加恒定荷載，荷載分別為試件抗折強(qiáng)度的0.15、0.30 和0.50 倍.同時(shí)，成型與混凝土中膠凝材料比例相同的凈漿試件，養(yǎng)護(hù)28 d 后加載相應(yīng)的彎曲應(yīng)力，浪濺區(qū)暴露90 d 后取部分樣品進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)定.

構(gòu)件加載后用環(huán)氧樹(shù)脂將構(gòu)件的側(cè)面封閉，將預(yù)處理好的構(gòu)件放置于海水環(huán)境模擬試驗(yàn)箱的浪濺區(qū)開(kāi)展試驗(yàn)，模擬海水的氯離子含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，余同)為1.5%，環(huán)境溫度為25℃.暴露齡期達(dá)到90 d 時(shí)將構(gòu)件取出并卸載加載裝置，再進(jìn)行混凝土的取粉和化學(xué)分析實(shí)驗(yàn).每個(gè)配合比成型9 組混凝土試件，每個(gè)試件的純受彎段取2 個(gè)混凝土粉樣，混凝土粉樣的氯離子含量取多個(gè)數(shù)據(jù)的平均值.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

混凝土試件表面干燥后用金剛石鉆頭磨取距暴露面不同深度處的混凝土粉樣，混凝土的取樣部位僅為試件純彎段的受拉區(qū).

混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試方法按JTS 257-2—2012《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》中的要求進(jìn)行.采用瑞士萬(wàn)通公司的785DMP 型自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定混凝土粉樣的中的氯離子含量.

混凝土界面的微觀形貌及組成采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM6490 型掃描電鏡和能譜儀進(jìn)行測(cè)定.

硬化漿體的孔隙結(jié)構(gòu)采用麥克公司生產(chǎn)的ASAP2000 系列氮?dú)馕絻x進(jìn)行測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 彎曲荷載對(duì)混凝土內(nèi)氯離子分布的影響

暴露齡期為90 d 時(shí)，彎曲荷載對(duì)混凝土內(nèi)氯離子分布的影響如圖1所示.

由圖1可見(jiàn)，相同配合比混凝土試件在彎曲荷載作用下，受拉區(qū)距表面相同深度處的氯離子含量總體上隨彎曲應(yīng)力水平的增加而增大.同時(shí)，由圖1可見(jiàn)，膠凝材料組成對(duì)混凝土內(nèi)的氯離子分布也有很大的影響，在相同的應(yīng)力水平作用下且距混凝土表面同一深度處，摻合料混凝土試件的氯離子含量顯著地低于純水泥混凝土試件，如彎曲應(yīng)力水平為30%且距混凝土表面4 mm 處，純水泥混凝土試件的氯離子含量為0.349%，而粉煤灰混凝土和復(fù)合摻合料混凝土的氯離子含量分別為 0.195%和0.186%.

圖1 90 d 暴露齡期時(shí)彎曲荷載對(duì)混凝土內(nèi)氯離子分布的影響Fig.1 Influence of flexural load on distribution of chloride ion in concrete exposed in splash zone at 90 d

混凝土在彎曲荷載作用下，特別是在拉應(yīng)力作用下，其內(nèi)部的微裂縫經(jīng)歷一個(gè)張開(kāi)到破壞的過(guò)程.混凝土中水化產(chǎn)物與骨料顆粒之間的粘接力較弱，在拉荷載作用下，基體裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展需要的能量降低，且裂縫擴(kuò)展方向與應(yīng)力方向垂直，每一條新裂縫的產(chǎn)生和生長(zhǎng)都會(huì)減小有效的承載面積，進(jìn)一步增大臨界裂縫尖端處應(yīng)力，促進(jìn)裂縫的彈性變形，會(huì)形成裂縫橋并與其他裂縫聯(lián)通.

2.2 彎曲荷載對(duì)混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

國(guó)內(nèi)外研究表明，氯離子在混凝土內(nèi)的濃度擴(kuò)散可以用Fick 第二擴(kuò)散定律進(jìn)行描述，氯離子擴(kuò)散系數(shù)是反映混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過(guò)建立擴(kuò)散深度和實(shí)測(cè)濃度的關(guān)系，再根據(jù)Fick 定律擬合獲得氯離子的擴(kuò)散系數(shù)［17-18］，彎曲荷載對(duì)浪濺區(qū)混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響如圖2所示.

圖2 彎曲荷載對(duì)混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig.2 Influence of flexural load on chloride diffusion coefficient in concrete

由圖2可見(jiàn)，混凝土試件內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨彎曲應(yīng)力水平的提高而增大，但配合比不同氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化幅度也不同，如試件L01，應(yīng)力水平由0 增加至50% 時(shí)試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)由0.93 ×10-12m2/s 增加至2.85 ×10-12m2/s;試件LF應(yīng)力水平由0 增加至50%時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)由0.85 ×10-12m2/s 增加至1.42 ×10-12m2/s;試件LS應(yīng)力水平由0 增加至50%時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)由0.69×10-12m2/s 增加至1.41 ×10-12m2/s;試件FS應(yīng)力水平由0%增加至50%時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)由0.77 ×10-12m2/s 增加至1.23 ×10-12m2/s.同時(shí)由圖2可見(jiàn)，摻合料混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)要低于同荷載水平的純水泥混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù).對(duì)各試件中氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力水平變化的規(guī)律進(jìn)行擬合，試件L01、LF、LS 和FS 對(duì)應(yīng)的擬合方程分別為y = 1.059e2.06x(r2=0.926 8)、y =0.893e1.04x(r2= 0.922 4)、y = 0.718e1.43x(r2=0.9751)和y = 0.732e1.23x(r2=0.9214);由所得擬合方程可見(jiàn)，混凝土試件內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與混凝土彎曲應(yīng)力水平成指數(shù)函數(shù)關(guān)系.

2.3 混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的恒定荷載影響因子

在我國(guó)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)模型中，氯離子擴(kuò)散系數(shù)的控制指標(biāo)都是以無(wú)荷載的混凝土試件為標(biāo)準(zhǔn)，而上述實(shí)驗(yàn)表明彎曲荷載會(huì)影響混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù).此外，由上述實(shí)驗(yàn)可知，彎曲荷載對(duì)混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律與典型的混凝土配合比無(wú)關(guān)，對(duì)于典型的海工高性能混凝土配合比，彎曲應(yīng)力與混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的恒定荷載影響因子的關(guān)系如圖3所示.

圖3 混凝土彎曲應(yīng)力水平與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的恒定荷載影響因子的關(guān)系Fig.3 Relationship between flexural load and constant load factor of chloride diffusion coefficient for concrete

由圖3可見(jiàn)，對(duì)于典型的海洋工程高性能混凝土配合比，其彎曲應(yīng)力與恒定荷載影響因子之間成近似指數(shù)函數(shù)關(guān)系:

式中，η 為自變量應(yīng)力水平，D0為無(wú)荷載混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，Dη為應(yīng)力水平為η 的彎曲荷載作用下混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù).

與無(wú)荷載混凝土試件相比較，彎曲應(yīng)力水平為50% 的混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加了約1 倍，因此在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮彎曲荷載對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響.

2.4 彎曲荷載對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響

2.4.1 彎曲荷載對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)的影響

漿體與骨料的界面過(guò)渡區(qū)被認(rèn)為是混凝土最薄弱的區(qū)域，也是影響混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)最重要的區(qū)域.不同彎曲荷載作用下的粉煤灰混凝土界面過(guò)渡區(qū)的SEM 圖如圖4所示.

由圖4可見(jiàn)，無(wú)荷載作用時(shí)粉煤灰混凝土的骨料與漿體界面粘結(jié)較緊密，無(wú)明顯的空隙和裂縫，對(duì)界面過(guò)渡區(qū)多點(diǎn)水化產(chǎn)物的能譜分析表明界面處的水化產(chǎn)物主要是C-S-H，承受彎曲荷載后骨料與漿體的界面處出現(xiàn)了裂縫，且混凝土試件應(yīng)力水平為50%時(shí)的裂縫寬度要明顯地高于應(yīng)力水平為15%和30%的試件，荷載水平為30%和50%時(shí)，在裂縫處靠近漿體的方向有了明顯的晶態(tài)物，其原因可能是膠凝材料水化時(shí)離子遷移形成Ca(OH)2［19］，彎曲應(yīng)力在混凝土內(nèi)產(chǎn)生的裂縫為Ca(OH)2在界面過(guò)渡區(qū)結(jié)晶提供了場(chǎng)所.

圖4 不同應(yīng)力水平作用下粉煤灰混凝土界面過(guò)渡區(qū)的SEM 圖Fig.4 SEM images of interfacial transition zone of fly ash concrete under different flexural load levels

2.4.2 彎曲荷載對(duì)漿體試件孔隙結(jié)構(gòu)的影響

孔隙結(jié)構(gòu)不僅包括孔隙率和平均孔徑，還包括孔徑的分布，如凝膠孔(小于10 nm)、過(guò)渡孔(10 ～50 nm)、毛細(xì)孔(50 ～100 nm)和大孔(大于100 nm)等數(shù)類.彎曲應(yīng)力水平對(duì)試件LF 的孔隙結(jié)構(gòu)的影響如表3所示.

表3 彎曲應(yīng)力水平對(duì)試件LF 孔隙結(jié)構(gòu)的影響Table3 Influence of flexural load level on pore structure of specimen LF

由表3可見(jiàn)，硬化漿體的總孔體積和平均孔徑均隨彎曲應(yīng)力水平的提高而增大，相比于無(wú)荷載時(shí)漿體的平均孔徑，應(yīng)力水平為50%時(shí)試件的平均孔徑增大了28%.同時(shí)由表3可見(jiàn)，凝膠孔和過(guò)渡孔的比例隨荷載水平提高而降低，毛細(xì)孔和大孔的比例隨荷載水平提高而增大，表明彎曲荷載不僅會(huì)引起漿體的孔體積和平均孔徑的增大，還會(huì)改變硬化漿體的孔徑分布，使毛細(xì)孔和大孔的比例增加.

綜上研究可知，當(dāng)混凝土構(gòu)件承受彎曲荷載時(shí)，會(huì)在骨料和漿體界面過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生微裂縫，同時(shí)，彎曲荷載會(huì)改變混凝土中砂漿或漿體的孔隙結(jié)構(gòu)，且總孔體積和平均孔徑等參數(shù)均隨應(yīng)力水平的提高而增大，通常在混凝土的孔徑分布中，凝膠孔和過(guò)渡孔的比例越高，混凝土的耐久性能越好［20］.所以提高混凝土構(gòu)件的彎曲應(yīng)力水平會(huì)降低混凝土的抗氯離子滲透性能.

3 結(jié)論

通過(guò)采用恒定彎曲荷載試驗(yàn)方法，研究了彎曲應(yīng)力水平對(duì)浪濺區(qū)海工高性能混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散規(guī)律的影響，得出以下主要結(jié)論:

(1)浪濺區(qū)混凝土試件的純受彎段內(nèi)距暴露面相同深度處的氯離子濃度隨著彎曲應(yīng)力水平的提高而增大，彎曲荷載會(huì)加速氯離子在混凝土中的滲透.

(2)對(duì)于典型的海工高性能混凝土配合比，混凝土試件的彎曲應(yīng)力與其恒定荷載影響因子之間成近似指數(shù)函數(shù)關(guān)系，應(yīng)力水平為50%的試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)約為無(wú)荷載試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)的2倍，在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮彎曲荷載對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響.

(3)彎曲荷載不僅會(huì)導(dǎo)致混凝土骨料和漿體的界面過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生微裂縫，還會(huì)增加硬化漿體中毛細(xì)孔和大孔的比例，并最終引起總孔體積和平均孔徑的增大，從而降低混凝土的抗氯離子滲透性能.

［1］金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2002，36(4):371-380.Jin Wei-liang，Zhao Yu-xi.State-of-the art on durability of concrete structures ［J］.Journal of Zhejiang University:Engineering Science，2002，36(4):371-380.

［2］金偉良，呂清芳，潘仁泉.東南沿海公路橋梁耐久性現(xiàn)狀［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，28(3):254-258.Jin Wei-liang，Lü Qing-fang，Pan Ren-quan.Current durability situation of concrete highway bridge structures in southeast coastal areas［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2007，28(3):254-258.

［3］Diego Fernando Aponte，Marilda Barra.Durability and cementing efficiency of fly ash in concretes［J］.Construction and Building Materials，2012，30(5):537-546.

［4］Hasan Yildirim，Tolga Ilica，Ozkan Sengul.Effect of cement type on the resistance of concrete against chloride penetration ［J］.Construction and Building Materials，2011，25(3):1282-1288.

［5］Chen How-Ji，Huang Shao-Siang，Tang Chao-Wei.Effect of curing environments on strength，porosity and chloride ingress resistance of blast furnace slag cement concretes:a construction site study ［J］.Construction and Building Materials，2012，35(6):1063-1070.

［6］Fan Ying-fang，Zhang Shi-yi，Kawashima Shiho.Influence of kaolinite clay on the chloride diffusion property of cement-based materials ［J］.Cement and Concrete Composite，2014，45(1):117-124.

［7］Majid Safehian，Ali Akbar Ramezanianpour.Assessment of service life models for determination of chloride penetration into silica fume concrete in the severe marine environmental condition［J］.Construction and Building Materials，2013，48(7):287-294.

［8］MohamedAbd Elrahman，Bernd Hillemeier.Combined effect of fine fly ash and packing density on the properties of high performance concrete:an experimental approach［J］.Construction and Buildaing Materials，2014，58:225-233.

［9］Zhang Wu-man，Ba Heng-jing，Chen Shang-jiang.Effect of fly ash and repeated loading on diffusion coefficient in chloride migration test ［J］.Construction and Building Materials，2011，25(5):2269-2274.

［10］方永浩，余韜，呂正龍.荷載作用下混凝土氯離子滲透性研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2012，40(11):7-13.Fang Yong-hao，Yu Tao，Lü Zheng-long.Recent developments on chloride penetration of concrete subjected to loading［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2012，40(11):7-13.

［11］Lim C C，Gowripalan N，Sirivivatnanon V.Microcracking and chloride permeability of concrete under uniaxial compression ［J］.Cement and Concrete Composites，2000，22(5):353-360.

［12］殷素紅，郭高峰，張二猛.彎曲荷載下腐蝕介質(zhì)SO42-、Cl-在混凝土中的分布規(guī)律［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，28(6):20-25.Yin Su-hong，Guo Gao-feng，Zhang Er-meng.Distribution regularity of corrosive media SO42-and Cl-in concrete under flexural load［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2013，28(6):20-25.

［13］趙尚傳，貢金鑫，水金鋒.彎曲荷載作用下水位變動(dòng)區(qū)域混凝土中氯離子擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2007，20(4):76-82.Zhao Shang-chuan，Gong Jin-xin，Shui Jin-feng.Test of chloride diffusion rules in concrete at tidal zone under flexural load［J］.China Journal of Highway and Transport，2007，20(4):76-82.

［14］Zhang Yunsheng，Sun Wei，Liu Zhiyong.One and two dimensional chloride ion diffusion of fly ash concrete under flexural stress ［J］.Journal of Zhejiang University-Science A (Applied Physics ＆ Engineering)，2011，12(9):692-701.

［15］Djerbi Tegguer A，Bonnet S，Khelidj A.Effect of uniaxial compressive loading on gas permeability and chloride diffusion coefficient of concrete and their relationship［J］.Cement and Concrete Research，2013，52(2):131-139.

［16］王勝年，潘德強(qiáng).港珠澳大橋主體工程初步設(shè)計(jì)耐久性評(píng)估及耐久性混凝土試驗(yàn)專題研究總報(bào)告［R］.廣州:中交四航工程研究院有限公司，2010.

［17］Dang Vu Hiep，F(xiàn)rancois Raoul.Influence of long-term corrosion in chloride environment on mechanical behavior of RC beam［J］.Engineering Structures，2013，48(3):558-568.

［18］Zhu Wen-jun，F(xiàn)rancois Rraoul.Corrosion of the reinforcement and its influence on the residual structural performance of a 26-year-old corroded RC beam ［J］.Construction and Building Materials，2014，51:461-472.

［19］陳惠蘇，孫偉，Stroeven Piet.水泥基復(fù)合材料集料與漿體界面研究綜述(二):界面微觀結(jié)構(gòu)的形成、劣化積累及其影響因素［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2004，32(1):70-79.Chen Hui-su，Sun Wei，Stroeven Piet.Interfacial transition zone between aggregate and paste in cemetitious composites (Ⅱ):mechanism of formation and degradation of interfacial transition zone microstructure，and its influence factors ［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2004，32(1):70-79.

［20］Li Peng-ping，Su Da-gen，Wang Sheng-nian.Influence of binder composition and concrete pore structure on chloride diffusion coefficient in concrete［J］.Journal of Wuhan University of Technology:Materials Science，2011，26(1):160-164.