荷载作用下氯离子在混凝土中的渗透性研究

曾暖茜

广东省建筑材料研究院有限公司

1 引言

钢筋混凝土由于具备抗压强度高、整体性好、施工操作简便等优点，是目前建筑行业和建筑工程结构中使用最广泛的材料。但是在一些近海地区和盐碱地带中的工程中，混凝土容易受到氯离子的侵蚀或渗透而引起钢筋混凝土产生锈蚀现象，从而影响钢筋混凝土耐久性，过早劣化，带来巨大的经济损失。因此，本文基于实践角度出发，加强对混凝土的抗氯离子渗透性研究，为延长具体工程的混凝土寿命助力。

目前对于评价和测试混凝土氯离子渗透性的方法有很多，如外加电场加速扩散法、自然扩散法和干湿循环加速法等，这些方法都有各自的优缺点，其中外加电场增加氯离子渗透扩散速率的试验方法已经被很多学者和研究人员采用。然而绝大多数混凝土在实际工程应用中都是受到荷载和外部环境介质等众多因素的共同作用，尤其是荷载对影响氯离子在混凝土中的渗透有着十分重要的影响，这与实验室无荷载影响的试验结果相差甚远，导致很多钢筋混凝土在实际工程的持久性远低于试验预测的持久性。因为加强对荷载作用下的混凝土氯离子在混凝土中的渗透性研究有重要现实意义，更加接近工程实际。

2 荷载作用下混凝土中氯离子渗透行为和机理分析

荷载作用下，尤其是疲劳荷载作用下氯离子在混凝土中的渗透是非常复杂的，这主要是由于在疲劳荷载下，混凝土发生疲劳损伤，而疲劳损伤是影响氯离子渗透加剧的主要因素。

2.1 压缩疲劳荷载作用下混凝土氯离子渗透机理

在日常试验中，混凝土中氯离子渗透性能可以通过对混凝土的损伤程度分析和氯离子的扩散系数进行表述。通过分析目前不同学者研究成果，部分学者由于缺乏对压缩疲劳荷载作用下混凝土的损伤机理的认识，同时在对混凝土氯离子渗透性试验方法、测试手段、混凝土损伤的表达形式存在差异，最终测试结果也存在一定的差异。如孙培华等通过将100mm×100mm×200mm的长方体混凝土试件处于不同应力水平下进行循环压缩不同次数，然后使用化学滴定法对这些处于不同应力和压缩不同次数的混凝土试件进行氯离子浓度的测试，测试结果表明：（1）疲劳上限小于0.4 时，混凝土氯离子浓度测试结果变化不明显；（2）疲劳上限处于0.4～0.6之间时，混凝土氯离子浓度稳定提高；（3）疲劳上限大于0.6时，混凝土氯离子浓度快速提高。还有部分学者借助超声波波速变化监测混凝土的损伤，进而分析超声波波速与氯离子渗透的相关性。结果表明：（1）荷载水平低于0.6 时，混凝土中氯离子的渗透性能有所增加，但增幅不大；（2）荷载水平高于0.6时，混凝土氯离子渗透性增加显著提高；（3）荷载水平高于0.7 时，由于混凝土内部受到损伤，导致氯离子渗透性能进一步增加。另外还有些学者对疲劳荷载耦合作用下混凝土氯离子渗透性的变化进行试验研究，研究材料为注入氯化钠溶液的空心混凝土试件，试验过程中通过对试件进行多次循环压缩，最后通过测试记录试件不同深处的氯离子浓度。通过记录的测试结果表明：（1）疲劳上限小于0.6时，测试试件氯离子浓度出现变化，但变化浮动幅度不明显；（2）疲劳上限大于0.6 时，测试混凝土试件氯离子浓度变化快速，变化浮动幅度显著增加。

通过以上对不同学者的研究成果分析可知，0.6的疲劳上限为一个重要转折点，疲劳上限大于0.6时，混凝土的损伤明显，混凝土氯离子渗透性增加。

2.2 弯曲疲劳荷载作用下混凝土氯离子渗透机理

在实际工程中，对于混凝土桥梁的梁、板等构件受到的荷载主要为弯曲荷载，弯曲荷载相对于轴向受压，更容易导致混凝土产生开裂现象，从而改变氯离子的扩散系数，导致氯离子渗透问题更为严重。对于弯曲疲劳作用下混凝土中氯离子的渗透性研究，目前国内外学者主要将疲劳损伤后混凝土与未损伤混凝土进行对比分析，从而对疲劳损伤后混凝土的氯离子的渗透性能进行分析。如一些学者通过将100mm×100mm×400mm的棱柱体混凝土试件处于于弯曲荷载作用下进行多次循环压缩，完成加载后选取混凝土试件端部和中间大小分别为100mm×50mm的试块，并通过电通量进行结果测试。测试结果表明：混凝土中部试块电通量增加量是端部试块电通量的40%。还有部分学者通过对砂浆试件进行了疲劳、氯离子渗透以及温度的耦合试验。在完成混凝土试件的饱水试验后，混凝土的饱水度在3d内疲劳荷载作用下都能高达99%，混凝土氯离子主要渗透方式为扩散。同时让砂浆试件处于不同应力下，然后对在不同应力下受到不同水平疲劳损伤的氯离子进行浓度测试，最终测试结果表明：砂浆试件中的氯离子扩散受到不同荷载水平的影响，荷载水平与砂浆试件中的氯离子扩散系数关系为二次函数关系。

3 试验部分

通过以上对荷载作用下混凝土中氯离子渗透行为和机理分析和通过对国内外相关学者对荷载作用下氯离子的渗透性能相关测试方法调研基础上。下面结合自身工程实践利用海洋环境对载荷作用下氯离子在混凝土中渗透性进行实际测试，具体分析在荷载作用下混凝土中氯离子的渗透能力，试验过程和结果分析如下。

3.1 试验材料的选择

本次试验的混凝土试块配合比如表1所示。

表1 试验混凝土试块的配合比

3.2 试验方法

本次试验抗压强度的测试的材料选取养护到龄期的混凝土试块，同时应力的水平值设定为抗压强度平均值的30%和60%，并结合这两个应力水平数值下对试块弯曲荷载进行测量，并确定弯曲荷载数值。完成测量后将试块分别放在海边的大气区、氯化钠溶液和潮汐区三个不同的测试位置中，并在固定环境中达到规定的试验时间。最后对试块进行取样墨粉，对不同混凝土试块中氯离子的含量进行测试，并对不同位置中的氯离子含量分布进行计算，并分析结果。

3.3 试验结果分析

试验数据结果显示，大气区暴露的混凝土试块中的氯离子的含量明显低于潮汐区中混凝土中氯离子的含量。另外，通过试验观察到，在潮汐区的混凝土由于受到对流区的作用影响，出现一定量氯离子聚集情况，同时在盐水带动下，氯离子容易出现在一些较为干燥的混凝土中，并随着水分的蒸发而出现聚集。

在混凝土的表面区域，由于表面区域的变化环境不可控，含水量变化大，试验结果存在较大偏差，而在混凝土的内部区域，含水量受环境影响不大，在氯离子的扩散能力试验上结果较为准确。结合本次试验结果分析，处于同一环境相同时间的混凝土试块，其中有掺合料的混凝土试块的氯离子含量低于没有掺合料的混凝土试块，渗透深度也小于没有掺合料的混凝土试块。这个试验结果表明，通过增加粉煤粉类物质可以提高混凝土的抗氯离子渗透能力目的。

为了分析在载荷作用下氯离子的渗透能力，本次试验通过对同种试验条件下的海洋潮汐下暴露的加载土、海洋潮汐下暴露的不加载、试验室环境下暴露的加载、试验室环境下暴露的不加载四种混凝土试块氯离子的含量分布进行对比分析。见图1和图2。

图1 氯离子分布情况（受压区）

图2 氯离子分布情况（受拉区）

结合图中试验数据分析表明：无论处于何种环境，混凝土试块受到的荷载力对氯离子的含量影响很大，受荷载影响的混凝土氯离子含量越大，氯离子的扩散系数和受拉力是成正比的。同时，试验结果还显示，混凝土的不同配合比设计也会导致混凝土氯离子含量存在差异，影响氯离子的渗透性，如含有矿质掺合料混凝土的受拉区和受力区的氯离子含量渗透性低于不掺加矿质掺合料混凝土。另外，试验结果还表明，海洋潮汐环境中暴露的混凝土试块的氯离子渗透性低于试验室条件下暴露的混凝土试块。

4 结语

载荷下混凝土氯离子的渗透性较为复杂，在现有的一些研究中都是通过试验进行总结，但由于不同的试验环境、不同的试验方法和不同的试验装置，导致最终测试结果存在一定的差异性。但在具体的工程实践中，混凝土都是处于荷载作用环境下，通过对荷载作用下混凝土的渗透性研究对于实际工程更有指导意义。本文通过试验得出含有矿质掺合料混凝土的受拉区和受力区的氯离子含量渗透性低于不掺加矿质掺合料混凝土。同时，氯离子的扩散系数和受拉力是成正比的。希望这些试验结果对工程实践中具有一定的指导意义。