密實(shí)性及損傷對(duì)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(qiáng)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)　武漢　430063)　(湖北省建筑設(shè)計(jì)院2)　武漢　430212)　(湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院3)　武漢　430064)

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密實(shí)性及損傷對(duì)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(qiáng)1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢430063)(湖北省建筑設(shè)計(jì)院2)武漢430212)(湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院3)武漢430064)

對(duì)粉煤灰、硅灰摻入比例進(jìn)行規(guī)律性的調(diào)整，制作了12組試件，并根據(jù)各組試件的極限強(qiáng)度，進(jìn)行一定比例的單軸受壓損傷試驗(yàn).運(yùn)用北歐試驗(yàn)方法對(duì)12組試件做非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn).通過(guò)試驗(yàn)分析，粉煤灰、硅灰分別按20%，7%的摻入比例時(shí)，混凝土試件的擴(kuò)散系數(shù)較低，密實(shí)度良好，且強(qiáng)度相對(duì)較高；同時(shí)發(fā)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與吸水率存在一定相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.67；試件單軸受壓損傷處理后，非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)在20%損傷前后會(huì)有所下降，在60%損傷后，擴(kuò)散系數(shù)快速增加，且擴(kuò)散系數(shù)與損傷程度具有4次多項(xiàng)式的關(guān)系.

鋼筋混凝土；耐久性；非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)；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(huán)境的物理化學(xué)作用.鋼筋的銹蝕破壞被確認(rèn)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(shí)性密切相關(guān).因此對(duì)于混凝土密實(shí)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?fù)饺牖炷劣欣谠黾踊炷恋拿軐?shí)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(kuò)散系數(shù)，并沒(méi)有提出具體的粉煤灰和硅灰摻量最佳比例.混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中會(huì)受到各種荷載作用，結(jié)構(gòu)本身存在一定損傷，目前多數(shù)學(xué)者研究了混凝土在無(wú)損狀態(tài)下，氯離子擴(kuò)散系數(shù)的各種影響因素[3]，對(duì)于損傷狀態(tài)下，混凝土結(jié)構(gòu)的抗氯鹽侵蝕能力的研究還不成熟.

基于此，文中根據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范[4-6]，擬定摻入粉煤灰和硅灰的混凝土配合比，依據(jù)北歐試驗(yàn)方法RCM對(duì)不同摻配比例下的混凝土試件做非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)撒系數(shù)試驗(yàn)，得出粉煤灰與硅灰的最佳摻比；基于水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程中吸水率試驗(yàn)，得到混凝土吸水率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的相關(guān)性；通過(guò)對(duì)混凝土做軸心抗壓試驗(yàn)，提出試件損傷程度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的規(guī)律.

1　試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試件分為12組，編號(hào)為1～12，每組由3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm，6個(gè)直徑×高度=100 mm×53 mm共9個(gè)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(nèi)摻法，依據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范最終確定取硅灰摻量8%、粉煤灰摻量20%為中間值，上下調(diào)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(duì)成型的試件養(yǎng)護(hù)14 d進(jìn)行試驗(yàn).各配合比設(shè)計(jì)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(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

1.2.1吸水率試驗(yàn)

依據(jù)《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中混凝土吸水率試驗(yàn)方法[7]，對(duì)3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的試件進(jìn)行吸水率試驗(yàn)，結(jié)果取其平均值.試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2　吸水率試驗(yàn)結(jié)果

1.2.2孔隙率試驗(yàn)

根據(jù)對(duì)目前存在的總孔隙率試驗(yàn)方法相關(guān)論文的調(diào)查研究[8-9]，方法很多，但沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一的方法.在此基礎(chǔ)上，文中受到瀝青混合料最大理論相對(duì)密度試驗(yàn)的啟發(fā)，提出運(yùn)用排開水體積的方法測(cè)混凝土試件的孔隙率.通過(guò)試件浸水下的質(zhì)量測(cè)定相對(duì)體積；通過(guò)將試件壓碎，使其骨料與水泥漿體分離，并在3 kPa壓力下測(cè)定試件浸水質(zhì)量，從而測(cè)定絕對(duì)體積.則孔隙率=(1-絕對(duì)體積/相對(duì)體積)×100.孔隙率試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3　孔隙率試驗(yàn)結(jié)果

1.2.3單軸抗壓損傷試驗(yàn)

用3 000 kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行孔隙率試驗(yàn).利用吸水率試驗(yàn)完成后的3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm試件進(jìn)行極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取得該批試樣極限抗壓強(qiáng)度值，換算成圓形試件的極限抗壓強(qiáng)度值，然后對(duì)直徑×高度=100 mm×53 mm的6個(gè)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(jié)果見表4.

圖1　電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)軸心抗壓試驗(yàn)

表4　試件極限抗壓強(qiáng)度

1.2.4非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)

依據(jù)北歐試驗(yàn)方法RCM，用武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司制作的非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)儀(見圖2)，對(duì)處理后的12組試樣做非穩(wěn)態(tài)氯離子試驗(yàn)[10].非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)用如下公式計(jì)算.

式中：Dnssm為非穩(wěn)態(tài)下的擴(kuò)散系數(shù)，×10-12m2/s；

圖2　非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)

U為實(shí)驗(yàn)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(shí)間，h.

在對(duì)前10組試件做損傷20%，40%程度后擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)損傷處理后的試件在20%損傷下其擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)下降的現(xiàn)象，為了進(jìn)一步研究損傷程度與擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系，故增加了11，12組試件.擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5　非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，對(duì)12組試樣的非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，其損傷程度與擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系圖，見圖3.

圖3　11～12組損傷程度與擴(kuò)散系數(shù)對(duì)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(kuò)散系數(shù)整體呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)，隨著損傷程度增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸增加，當(dāng)達(dá)到60%損傷后，曲線加速上升.損傷程度與擴(kuò)散系數(shù)兩者呈現(xiàn)4次多項(xiàng)式的關(guān)系.由于本次試驗(yàn)試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14天，時(shí)間較短，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)整體偏大.對(duì)12組無(wú)損傷試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)、吸水率、極限強(qiáng)度及孔隙率做橫向?qū)Ρ龋妶D4～6.

圖4　各組試件無(wú)損傷狀態(tài)下擴(kuò)散系數(shù)對(duì)比圖

圖5　各組試件吸水率對(duì)比圖

圖6　各組試件孔隙率對(duì)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(kuò)散系數(shù)最小，為8.7.吸水率與非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)兩條曲線的變化趨勢(shì)相似，成一定相關(guān)性，通過(guò)MATLAB數(shù)據(jù)分析，得出其兩者的相關(guān)系數(shù)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(shí)性良好，且強(qiáng)度較高.

3　結(jié)　　論

1) 混凝土試件在單軸受壓損傷處理下，其對(duì)應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出先下降，再逐漸上升的變化趨勢(shì)，損傷程度與其擴(kuò)散系數(shù)基本成4次多項(xiàng)式的關(guān)系.試驗(yàn)顯示，12組試件損傷程度小于20%時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)呈降低趨勢(shì)，損傷程度超過(guò)20%，擴(kuò)散系數(shù)逐漸增加，在60%損傷后，擴(kuò)散系數(shù)加速增加.

2) 試件的吸水率與非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)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(nèi)部連通孔隙的多少，間接反映混凝土的密實(shí)程度，因此吸水率與擴(kuò)散系數(shù)存在著一定的相關(guān)性，但兩者不是線性相關(guān)，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(shí)性良好，氯離子擴(kuò)散系數(shù)較低.硅灰的活性較高，需水量大，使混凝土的早起強(qiáng)度高，但價(jià)格較高,較大摻量會(huì)造成混凝土在養(yǎng)護(hù)期間產(chǎn)生裂紋，而粉煤灰的價(jià)格較低，活性較高.因此通過(guò)粉煤灰與硅灰的雙重?fù)饺胩岣呋炷恋拿軐?shí)性，同時(shí)摻加減水劑解決硅灰的需水量大的問(wèn)題.

混凝土的密實(shí)性與混凝土抗氯鹽侵蝕能力大小密切相關(guān)，因此如何提高混凝土的密實(shí)性尤為重要，通過(guò)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(shí)性能，為以后的工程實(shí)踐提供試驗(yàn)支撐.受損狀態(tài)下混凝土抵抗氯鹽的侵蝕是常態(tài).通過(guò)單軸抗壓受損試驗(yàn)與非穩(wěn)態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)合，得出混凝土受損程度與擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系曲線.在今后的研究工作中，作者著重研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土受損程度與擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系，以及如何進(jìn)一步的提高混凝土的密實(shí)性.

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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(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程