应力作用下混凝土的氯离子渗透性.pdf

孙继成等 ： 应力 作用下混凝土的氯离子 渗透性 应 力作用 下混凝土 的氯 离子渗透 性 孙继成， 姚燕 ， 王玲 ， 吴浩 ( 中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑 材料国家重点 实验 室。 北京1 0 0 0 2 4) 【 摘要】 研制了一套应力作用下混凝土渗透性装置， 用于评价应力状态下混凝土的氯离子渗透性。结果 表明： 压应力作用下， 混凝土的氯离子扩散系数随着应力 比( 妄0 ． 3时) 的增大而减小， 而当应力比 >0 ． 3时， 氯离 子扩散系数则逐渐增大。而弯曲应力作用下， 氯离子扩散系数则均呈增大趋势。混凝土强度等级和胶凝材料组 成对压应力作用下混凝土的氯离子扩散系数影响不大。 【 关键词】 应力； 氯离子扩散系数； 渗透性装置 【 中图分类号】 T U 5 2 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 — 0 0 0 1 — 0 3 CHLoRI DE PE NETRATI oN oF CoNCRET E UNDER S T RES S S TATES S UN J i — e h e n g ， YAO ra n， W ANG L i n g ， WU t t a o ( S t a t e K e y L a b o f G r e e n B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， C h i n a B u i l d i n g Ma t e r i a l s A c a d e my ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A n o v e l pe r me a bi l i t y me a s u r e me nt de v i c e f o r c o nc r e t e u n d e r s t r e s s s t a t e s wa s d e v e l o pe d t o s t u d y c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n o f c o n c r e t e u n d e r c o mp r e s s i v e a n d b e n d i n g s t r e s s a t d i f f e r e n t s t r e s s r a — t i o n s i n t hi s p a p e r ． Th e r e s u l t s s h o w t ha t c h l o rid e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f c o n c r e t e r e d u c e s a s c o mpr e s s i v e s t r e s s r a t i o s i n c r e a s i ng whe n c o mp r e s s i v e s t r e s s l e v e l 0 ． 3． c h l o ride d i ffu s i o n c o e ffi c i e n t g r a du a l l y i n c r e a s e s ．Ho we v e r ， c h l o rid e di f f u s i o n c o e ffi c i e n t g r a d u a l l y i n c r e a s e s wi t h s t r e s s l e v e l u n d e r b e n d i n g s tr e s s ． Be s i d e s ， c o n c r e t e s t r e n g t h a n d c o mp o s i t i o n o f c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s h a v e a s l i g h t e f f e c t o n c h l o ri d e d i f f u s i o n c o e ffic i e n t u n d e r c o mp r e s s i v e s t r e s s s t a t e s ． Ke y wo r d s： c h l o rid e d i f f us i o n c o e ffic i e n t ； p e rm e a b i l i t y me a s ur e me n t d e v i c e 实 际工 程 中， 混凝 土 的破 坏 常常 是 各种 物理 、 化 学和力学多因素耦合作用的结果， 各种 因素相互促 进、 加速混凝土的劣化和失效过程。荷载作用下混凝 土内部产生的微裂缝扩展， 为氯离子渗透创造了有利 条件， 导致钢筋锈蚀加速混凝土胀裂破坏， 使混凝土 构件的安全性和耐久性下降。应力状态下混凝土的 渗透性 国内外 做 了大 量研 究 ， 如 V i n c e n t P i c a n d e t ⋯等 采用压力机施加压缩荷载引起微裂缝 ， 研究卸载后混 凝土芯样的氮气渗透性能。黄素辉 采用切片的方 式对混凝土试件在无应力、 压应力和拉应力三种应力 状态下抗氯离子侵蚀 的耐久性进行了测试。但 因实 验装置的制约， 大都限于荷载作用下混凝土气体渗透 性 、 或是有裂缝试件的渗透性研究， 而对持续荷载作 用下 混凝 土 中氯离 子 渗 透 性 的研 究 仅 有极 少 报 道 。因此， 本文研发 了一套新型压应力混凝 土氯 离子渗透性快速测试装置， 并研究不同应力比作用下 不同强度等级混凝土的氯离子扩散系数。 [ 基金项 目] 国家重点 基础研究发展计划 ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 1 0 6 ) 资助项 目 1 应 力作用下混凝土渗透性装置 国内外在研究混凝土的应力腐蚀性能和其它与 荷载或裂缝有关的性能时， 设计 了很多种加载装置， 各有特点， 有些加载装置特别复杂， 无法进行应力状 态下氯离 子扩散性测试 ， 有些装置 无法对 试件 所受 的 应力进行稳定的保持， 并且对试件尺寸的限制较大。 本文在研究前 人加载装 置的基础 上进 行 了改进 ， 如图 1 所示， 装置带有两根大吨位螺纹杆对称布置， 通过对 每组 4 5对碟簧施加应力。碟簧形状为圆锥碟状， 与传 统弹簧不同， 主要具有负荷大， 行程短 ， 所需空间小， 组合使用方便， 维修换装容易， 经济安全性高等特点。 适用于空间小， 负荷大之精密重机械。其压缩行程最 佳使用范围在其最大压缩行程的 1 0 ％ ～ 7 5 ％之间， 本 装置在弹性范围内可承受最大应力设计为3 0 t ， 实际换 算成混凝土试块的抗压强度约为6 0 M P a 。 弯曲应力试件采用与压应力试件类似的装置 ， 仅 加宽了左右螺纹杆之间的距离， 在上下承压板与试件 2 低温建筑技术 2 0 1 1 年第3 期( 总第 1 5 3期) ( a ) 压应力 1 六角螺母 2上压板 3碟簧 4压板 5螺纹杆 6底板 口口 ⋯ 卜 ． 一 ‘ ． ． ．{ ． ’ ． 。 ． ‘ 。 ’ ． ． ‘。’ ‘ ‘ ． ‘ ‘ ．一． I 一 0 ， 1 ( b ) 弯 曲应力 图1 加载装置 之间四等份位置放置四根 圆柱形钢条使混凝土试件 承受弯曲应力 ， 实际受力装置见图 1 。 目前测试混凝土 中氯离子扩散系数的主要方法 R C M法和 N E L法。N E L法是清华大学路新瀛教授建 立起来 的混凝 土渗 透性 的快速测 定方 法， 可 以在 l O m i n内快速测定 C 2 0一C 1 0 0混凝土氯离子扩散系 数， 用于钢筋腐蚀寿命的预测 。执行标准为 C C E S 0 1 — 2 0 0 4 (( 混凝土结构耐久性设计与施工指南》 和 J C ／ T 1 0 8 6— 2 0 0 8 { 水泥氯离子扩散系数检验方法》 。由于 N E L法具有测试速度快、 数据准确 ， 对试件尺寸要求 较低等特点 ， 因此 ， 本文 主要采用电导率法 ( N E L 法) 作为应力下混凝土试块氯离子扩散系数试验测试 方法。测试时先将所测试件进行饱盐试验 ， 饱盐后将 试块放在应力夹具上进行加载， 达到所需加载应力后 固定螺母， 测试时无需卸载应力试件， 也无需更换扩 散性试验夹具， 直接将带有应力装置的试件置于扩散 性夹具中即可测试， 试验结果具有较强的对比性。 2实验 ( 1 ) 原材料 ： 水泥为北京兴发水泥有限公司生 产的 P I 4 2 ． 5硅酸盐水泥， 其力学性能见表 I 。粉煤 灰采用北京石景山电厂 的 I级粉煤灰。细骨料采用 河砂 ， 细度模数 2 ． 7 。粗骨料为 5～ 2 0 ra m的石灰石质 碎石。减水剂为天津雍阳减水剂厂的 U N F一5 A S T型 聚羧酸高效减水剂 ， 浓度 2 2 ． 5 ％。水为 自来水。 ( 2 ) 样 品制 备： 分 别制备 l O O m ml O O m m l O O m m立方体和 l O O mml O O m m 4 0 0 m m棱柱体试 件， 混凝土配合 比见表 2 。C 3 、 C 3 F设计强度为 C 3 0 ， C 4 、 C 4 F设计强度为 C 4 0 ， 其 中 C 3 F和 C 4 F粉煤灰掺 量 3 0 ％ 。 表 1 水泥物理力学性能 。 ． 。 标 度安 定 性 编 水 泥 粉煤 灰 砂 石 水 减 水 剂 2 8 d 强 度 ／ M P a 号 ／ k g B 1 一 ／ k g m ／ k g m 一 ／ k g m 一 ／ k g n l 一 ／ ％ 抗压抗折 c 3 3 6 0 8 1 0 1 0 7 5 1 5 1 ． 2 1 ． 0 3 5 ． 6 4 ． 4 0 C 3 F 2 5 2 1 0 8 8 1 0 1 0 7 5 1 5 1 ． 2 0 ． 9 3 4 ． 2 4 ． 3 6 CA 3 7 5 8 2 6 1 0 6 9 1 4 9 1 ． 1 4 4 ． 3 5 ． 0 3 C 4 F 2 6 3 1 1 2 8 2 6 1 0 6 9 1 4 9 1 ． 0 4 2 ． 1 4 ． 9 6 ( 3 ) 试验方法 ： 将混凝土试件分别切割成 5 O m m Xl O O m m X l O O m m和 5 0 ra m X l O O m m X 4 0 0 m m试件 ， 应力比设计为 0 ． 1 、 0 ． 3 、 0 ． 5和0 ． 7 。将试件 固定在加 载装置中后放在液压伺服压力机下 ， 压力试验机对碟 簧上垫板进行加压， 压力值大小则由输入压力机的数 值来控制， 到达规定压力值并保持稳定时立即将螺栓 上紧并关闭压力机， 此时试件所受的外部压应力就 由 碟簧来提供了。由于碟簧弹力受混凝土变形等因素 的影响很小、 保压性能 良好并且应力损失小、 不受外 部断电等干扰因素的影响， 故可以进行较长时间的应 力状态下混凝土扩散系数试验 的研究。混凝土试件 的受压应力、 弯曲应力工况见表 3 。 表 3 应 力作用下混凝土试件荷载 工况 M P a 3结果与分析 混凝土试件在不同应力水平下的氯离子扩散系 数测试结果见表4和图2 。 由表4和图2可知， 各强度等级混凝土试件的氯 离子扩散系数随压应力 比的变化规律基本一致。压 应力作用下， 当应力比较小时( 0 ． 3时) ， 氯离子扩散系数反而增 大。而弯曲应力作用下， 氯离子扩散系数则一直增 大， 应力比较小时( 0 ． 3时， 增长速率显著加快。究其原 因在于， 压应力 孙继成等 ： 应力作用下 混凝土的氯离子渗透性 3 状态下， 混凝土在成型、 养护过程中由于泌水、 收缩、 温湿度梯度等原因形成的大量微小原始裂缝在承受 较低应力水平时， 垂直于压应力方 向的初始横 向裂纹 会出现一定闭合的现象 ， 因而混凝土在此阶段 的渗透 性与无荷载时略低。当所受应力增加到一定程度时， 混凝土中原始裂缝尖端产生很大的应力集中， 且此应 垂 篷 应力 比 ( a ) 压应力 力超过混凝土抗拉强度， 因而混凝土中原始裂缝出现 稳定扩展 ， 并导致新 的微裂缝产生， 混凝土渗透性增 大， 从而导致氯离子扩散系数增大。而在弯曲应力作 用下 ， 裂纹均处于扩展状态 ， 随着应力的增大， 裂纹进 一 步扩张， 因此氯离子扩散系数迅速增大。 +C3 C 3 F 一 ．-C4 C 4 F 图2 应力作用下混凝土氯离子扩散系数 表4 压应力下混凝土氯离子扩散系数( 1 0 ) m z ． s 一 0 0 ． 1 0． 3 0 ． 5 O ． 7 应力 比 ( b 1 弯曲应力 子扩散系数影响不大。 ( 2 ) 弯曲应力下， 混凝土的氯离子扩散系数随 应力比的增大而增大 ， 且当应力比 > 0 ． 3时， 增长速率 显著加快。因此 ， 对弯曲拉应力下的混凝土试件应采 取必要的预防氯离子侵蚀措施 ， 从而提高其耐久性。 表 5 弯曲应力下混凝土氯离子扩散系数( 1 0 )m 2 ． s - [ 1 ] 无应力状态下 ， 掺粉煤灰混凝土试件的氯离子扩 散系数小于不掺粉煤灰的空 白样。而应力状态下 ， 掺 粉煤灰混凝土试件 的氯离子扩散系数变化规律与空 白样相同。粉煤灰的微集料效应使得混凝土内部密 实程度高于不掺粉煤灰 的混凝土， 随着应力 比的增 加， 两种混凝土对裂缝的扩展程度具有一致性 ， 掺粉 煤灰对混凝土裂缝扩展限制作用不大。 4结语 ( 1 ) 压应力 作用下 ， 当应力较小 时( 0 ． 3时， 混凝土材料 内部孔隙和微裂纹得 到扩展 ， 导致氯 离子扩 散系数 逐渐 增大 。混 凝 土强度 等级和胶凝材料组成对压应力作用下混凝土的氯离 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 参考文献 P i e V， K h e l i d j A， B a s t i a n G E ff e c t o f a x i a l c o mp r e s s i v e d a ma g e o n g a s p e r m e a b i l i t y o f o r d i n a r y a n d h i g h — p e r f o rma n c e c o n c r e t e[ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 8 ) ： 1 5 2 5—1 5 3 2 ． S a i t o M ， Ls h i mo r i H． Ch l o r i d e P e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e un d e r s t a t i c a n d r e p e a t e d c o m p re s s i v e l o a d i n g [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c re t e R e ． s e a r c h ， 1 9 9 5， 2 5 ( 4 ) ： 8 0 3—8 0 8 ． 黄 素辉 ．应力状态下混凝土结构抗 氯离子 侵蚀的耐久性 试验 研究【 j ] ． 四川建筑， 2 0 0 9 ， ( 1 2 ) ： 1 7 0 — 1 7 3 ． 卞雷， 方永浩， 杨辑 ． 应力环境下混凝土氯离子侵蚀规律的试 验研究[ J ] ． 水运工程， 2 0 0 9 ， ( 4 3 3 ) ： 2 0 — 2 4 ． 邓宏卫 ． 轻质高强粉煤灰陶粒的制备及其混凝土性能[ D ] ． 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 9 ： 2 9 — 3 4 ． L i m C C， Go wr i p ala n N，S i fiv i v a t n a n o n V．Mic r o c r a c k i n g a n d c h l o r i d e p e rme a b i l i t y of c o n c r e t e u n d e r u n ia x i a l c o m p r e s s i o n[ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0， 2 2 ( 6 ) ： 3 5 3— 3 6 0 ． 路新瀛 ．混凝土渗透性快速评 价方法 [ P ] ．中国专利： 9 9 1 1 9 5 3 3 ． 7， 1 9 9 9 —0 9— 1 0 ． Tang L P ． Gu i d e l i n e f o r p r a c t i c a l us e of me t h o d s f o r t e s t i n g t h e re— s i s t a n c e of c o n c ret e t o c h l o ri d e i n g r e s s ． E U — P r o j e c t C H L OR I T E S T ( RD— CT- 2 0 0 2- 0 0 8 55 ． [ 收稿日期】 2 0 1 0 一 l l 一 2 5 [ 作者简介 ] 孙继 成( 1 9 7 6一) ， 男 ， 安徽 黄山人 ， 工程 师 ， 博 士 研究 生 ， 从 事水 泥基 复合材料 的研究 。 m 8 6 4 2 卜 s ． ￡ I 卜 o _【 啜 衽 褪厩