彎曲荷載作用下混凝土氯離子擴散規(guī)律的試驗研究-趙尚傳貢金鑫水金鋒

1、彎曲荷載作用下混凝土氯離子擴散規(guī)律的試驗研究趙尚傳 貢金鑫 水金鋒（公路交通研究院，北京；大連理工大學結(jié)構工程研究所，大連）摘要：本文通過不同水灰比的混凝土在不同等級持續(xù)彎曲荷載作用下在鹽水中的潮汐循環(huán)試驗，研究了水灰比、彎曲荷載對氯離子在混凝土中的含量、擴散速度的影響；分析了干濕交替條件彎曲荷載作用下氯離子在混凝土中的擴散規(guī)律。試驗研究結(jié)果表明，水灰比，荷載作用都會影響氯離子在混凝土中的擴散速度，氯離子擴散系數(shù)是隨時間而變化的，并基于Fick第二擴散定律給出了彎曲荷載作用下混凝土氯離子擴散系數(shù)。關鍵詞：混凝土；氯離子；荷載；Fick第二定律；氯離子擴散系數(shù)121引言混凝土結(jié)構耐久性已是當今世

2、界的重大問題，1991年在法國召開的第二屆混凝土耐久性會議，Mehta教授在“混凝土耐久性50年的進展”主題報告中指出1，“當今世界混凝土破壞的主要原因為鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境下的物理化學作用”。鋼筋腐蝕破壞被確認為第一因素，而氯離子的侵蝕又是引起鋼筋腐蝕的首要因素。據(jù)此可知，由于氯離子侵蝕引起的混凝土耐久性問題非常嚴重。因此，氯離子在混凝土中的滲透性能特別是氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)，是各國學者普遍研究的方向，并提出了眾多研究成果2。但絕大部分的研究都沒有考慮荷載作用對氯離子滲透性的影響，尤其是沒有考慮荷載引起的微裂縫影響，很少將氯離子滲透性能與荷載引起的微裂縫或者與荷載本身聯(lián)

3、系起來研究，而實際上的工程結(jié)構往往是承受各種荷載作用的，如橋梁結(jié)構可能承受動載、靜載。這其中也有部分學者考慮了荷載作用并進行了相關研究，但也是多集中在試驗室全浸泡條件下，如何世欽3研究了彎曲荷載作用下的氯離子擴散性能，邢鋒等4研究了長期持續(xù)荷載對素混凝土氯離子滲透性的影響，而混凝土構件的實際工作情況并不都是在全浸泡條件下，干濕交替的工作情況普遍存在，鋼筋腐蝕也更為嚴重，如沿海及近海環(huán)境下水位變動區(qū)和浪濺區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構，就受氯離子侵蝕發(fā)生鋼筋銹蝕較大氣區(qū)和水下區(qū)更為嚴重。因此分析研究干濕交替環(huán)境下，荷載作用對氯離子在混凝土中的滲透擴散影響是非常有必要的?；炷猎谟型獠繎Φ臓顟B(tài)下，內(nèi)部微觀結(jié)

4、構會發(fā)生變化，影響氯離子在混凝土中的滲透。本章模擬潮汐循環(huán)，研究了干濕交替環(huán)境下混凝土在不同荷載水平作用下，拉應力和壓應力對氯離子在混凝土中滲透擴散的影響。結(jié)果可以為實際情況下混凝土中氯離子長期擴散預測提供參考和依據(jù)。2. 試驗概況2.1 試件設計試件為100mm´100mm´400mm的混凝土小梁。試驗中考慮了兩種影響因素：水灰比，荷載作用。水灰比是反映混凝土密實度的一個重要指標，水灰比的大小反映了混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力，是影響混凝土中氯離子擴散系數(shù)的主要因素5。試驗中考慮了兩種水灰比：0.58和0.45。試驗中對試件施加的荷載為持續(xù)的三分點加載，采用兩種荷載水平：0

5、.3Pu，0.6Pu，其中Pu為試件的抗折強度。使用環(huán)境條件有兩種：(1)在3.5%的NaCl溶液中潮汐循環(huán)；(2)持續(xù)加載狀態(tài)下在3.5%NaCl溶液中的潮汐循環(huán)。試件的詳細方案見表1。表1試驗方案列表試件編號數(shù)量試件編號數(shù)量說明C25-CX-351C25-CX-701僅NaCl溶液C25-CX -1201C25-CX -1801C25-CXL3-35-T1C25-CXL3-70-T1荷載影響C25-CXL3-120-T1C25-CXL3-180-T1C25-CXL3-35-C1C25-CXL3-70-C1荷載影響C25-CXL3-120-C1C25-CXL3-180-C1C25-CXL6-

6、35-T1C25-CXL6-70-T1荷載影響C25-CXL6-120-T1C25-CXL6-180-T1C25-CXL6-35-C1C25-CXL3-70-C1荷載影響C25-CXL6-120-C1C25-CXL6-180-C1C35-CX-351C35-CX -701僅NaCl溶液C35-CX -1201C35-CX -1801C35-CXL3-35-T1C35-CXL3-70-T1荷載影響C35-CXL3-120-T1C35-CXL3-180-T1C35-CXL3-35-C1C35-CXL3-70-C1荷載影響C35-CXL3-120-C1C35-CXL3-180-C1C35-CXL6-

7、35-T1C35-CXL6-70-T1荷載影響C35-CXL6-120-T1C35-CXL6-180-T1C35-CXL6-35-C1C35-CXL3-70-C1荷載影響C35-CXL6-120-C1C35-CXL6-180-C1注：CX表示在3.5%NaCl溶液中潮汐循環(huán)；CXL3為3.5%NaCl溶液與荷載（Load=0.3）同時作用；CXL6為3.5%NaCl溶液與荷載（Load=0.6）同時作用；后面的數(shù)字35，70，120，180為分別試驗時間（天）。2.2試驗材料使用普通強度混凝土，試驗中考慮兩種水灰比，0.58和0.45。水泥選用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥，砂為

8、大連地區(qū)河砂，粗骨料的最大粒徑為20mm碎石，混凝土的配合比和28天抗折強度列于表2。表2 材料性能詳細列表混凝土等級水灰比水水泥 砂子石子28天抗折強度/MPaC250.5819533671611694.55C350.4519543060911815.67注：混凝土中各材料的單位均為kg/m3。2.3試件加載裝置加載裝置參照文獻4，示意圖如圖1所示，試件為三分點加載，通過擰緊螺栓對混凝土試件施加荷載，在每個鋼筋拉桿的加載端都有一個壓力環(huán)。荷載的大小通過與靜態(tài)電阻應變儀相連接的壓力環(huán)來控制。壓力環(huán)為自制的全橋線路，在使用前先進行標定，得到每個壓力環(huán)的荷載應變關系式。施加荷載時根據(jù)試件上要施加的

9、荷載大小，由其荷載應變關系確定每個壓力環(huán)需要的應變大小，然后由靜態(tài)電阻應變儀上的讀數(shù)控制。1螺栓 2壓力環(huán) 3輥軸 4混凝土試件 5鋼筋拉桿 6槽鋼圖1 試驗加載裝置示意圖2.4 試件制作及試驗過程試件分批澆注，每次預留150mm´150mm´150 mm的立方體試塊來確定混凝土的28天抗壓強度，預留100mm´100 mm´400 mm棱柱體試件做抗折試驗，測定抗折強度，來確定這批試件的持荷標準。在鋼模中澆注，一天后（24小時）拆模，然后放到試驗室，在試驗室條件下每天灑水養(yǎng)護28天。在試件潮汐循環(huán)前，先將每個試件的兩個正方形截面和三個長方形截面的表面浮

10、漿磨去，然后用酒精清洗干凈，最后用環(huán)氧樹脂涂刷，只留出其中一個長方形截面作為滲透面。對于持續(xù)三分點加載作用的一組兩個試件，受拉面和受壓面均為滲透面。每批試件在試驗前，取3根試件進行抗折試驗，測定抗折強度，來確定該批試件的加荷值。施加的應力P/Pu分別取0.3，0.6（Pu為混凝土試件的極限抗折強度），加載示意圖如圖2-1所示。兩個試件為一組，將每個試件留出的兩個滲透面分別作為受拉面和受壓面，置于加力裝置中，加力裝置事先進行防腐處理，鋼筋拉桿和槽鋼用環(huán)氧樹脂涂刷，螺栓和鋼筋拉桿的螺絲口處涂上黃油。通過螺栓和鋼筋拉桿來對試件施加荷載，由壓力環(huán)測定施加的荷載大小。施加到設計的荷載后，將試件放入鹽水中

11、進行潮汐循環(huán)。所有的試件都同時進行模擬潮汐條件下的干濕交替試驗，試件放置在一個2 m´1.5 m´0.5 m的鐵箱中，鐵箱事先用防銹漆和環(huán)氧樹脂涂刷，做防銹處理。濕循環(huán)時，NaCl溶液的水平面應淹沒試件的上表面。試驗期間定期檢測NaCl溶液濃度，保持其濃度在3.5%左右，定期加入NaCl溶液，保持在濕循環(huán)時溶液的水平面浸沒試件。試驗時間分別為35天，70天，120天，180天。2.5 試件取樣分析2.5.1試件取樣每到預定的試驗時間35，70，120，180天后，取出相應的試件，在暴露面從中間100mm區(qū)段位置分層取出粉末試樣，對持續(xù)彎曲荷載作用試件分別從受拉面和受壓面的純

12、彎段取樣。研磨面與暴露面平行，分層深度為：03mm，36mm，69mm，912mm，1215mm，1520mm。將取出的混凝土粉末試樣每層都通過0.63mm篩取，分別裝入鋁土盒中，置于105±5烘箱中烘2小時，取出后放入干燥器冷卻至室溫。然后測定混凝土中的氯離子總含量。2.5.2氯離子總含量的測定按水運工程混凝土試驗規(guī)程（TJT270-98）的標準方法測試混凝土中的氯離子總含量6。用感量0.01g的電子天平稱取1020g（精確到0.01g）（本試驗均取13.0 g）的混凝土粉樣，重量為G，置于三角燒瓶中。然后用容量瓶盛100mL 稀硝酸（按體積比為濃硝酸：蒸餾水=15:85）倒入盛有

13、混凝土粉樣的三角燒瓶內(nèi)，蓋上瓶塞，防止蒸發(fā)。將試樣浸泡一晝夜左右（以水泥全部溶解為度），其間應搖動三角燒瓶，然后用濾紙過濾，除去沉淀；用移液管準確量取濾液20mL兩份，置于三角燒瓶，每份由滴定管加入硝酸銀溶液約20mL（可估算氯離子含量的多少而酌量增減），分別用硫氰酸鉀溶液滴定。滴定時激烈搖動溶液，當?shù)味ㄖ良t色維持510s不褪色時即為終點。氯離子總含量按下式計算：（1）式中：砂漿樣品中氯離子總含量（%）；：硝酸銀標準溶液的濃度(mol/L)；：加入濾液試樣中的硝酸銀標準溶液量(mL)；：硫氰酸鉀標準溶液的濃度(mol/L)； ：滴定時消耗的硫氰酸鉀標準溶液量(mL)；：每次滴定時提取的濾液量(

14、mL)；：浸樣品的水量(mL)；：砂漿樣品重(g)；3 混凝土中的氯離子含量結(jié)果與分析3.1 水灰比的影響圖2為水灰比分別為0.45，0.58的混凝土試件在鹽水中潮汐循環(huán)35天，70天，120天，180天的總氯離子含量，圖中的總氯離子含量均為混凝土重量百分比。從圖2中可以看出，降低水灰比可以減小氯化物在混凝土中的含量，雖然在混凝土表層有一些波動，但總的看來，在同樣的暴露期，水灰比為0.45的混凝土中氯離子的含量低于水灰比為0.58的混凝土中氯離子的含量。氯離子在混凝土中的滲透隨混凝土強度的增加而趨于減小。圖3為不同水灰比的普通混凝土試件在距離圖2不同水灰比混凝土氯離子沿滲透深度的分布混凝土表面

15、4.5mm處的總氯離子含量的比較。如圖3中，在相同的暴露期，C25中氯離子的含量高于C35中氯離子的含量，35天時C25和C35混凝土中總氯離子含量分別為0.2086%和0.1722%，70天時分別為0.2266%和0.1988%，120天時分別為0.3238%和0.2758%，180天時分別為0.3756%和0.2940%。說明隨著水灰比的降低，同一深度處的氯離子含量也在減小，這是由于水灰比減小，混凝土的密實度增大，滲透性降低，因此氯離子在混凝土中的擴散速度也減小，在同樣的滲透時間下相同深度處的氯離子含量就隨之減小。圖3 水灰比對混凝土中氯離子滲透的影響3.2 彎曲荷載的影響3.2.1對受拉

16、區(qū)的影響圖4為加載混凝土試件中的受拉區(qū)與未加載混凝土試件中氯離子總含量沿滲透深度的分布，圖中的氯離子總含量均為混凝土質(zhì)量百分比。從圖4可以看出，彎曲荷載作用對氯離子在受拉區(qū)混凝土中的分布有一定的影響，荷載作用下受拉區(qū)混凝土中的氯離子含量增加。這是由于彎曲荷載作用下，在試件受拉區(qū)產(chǎn)生的拉應力使得混凝土微觀結(jié)構性能逐步劣化，表面及內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋乃至微裂縫損傷，隨著微裂紋或微裂縫的發(fā)展、擴張將使得氯離子在混凝土中的擴散和滲透速度加快，從而使得更多的氯化物滲入混凝土中，導致氯化物含量增加。何世欽3和邢鋒等4都通過對在荷載作用下受彎素混凝土試件受拉區(qū)的研究得出了相似的結(jié)論，另外，Konin和Franco

17、is對普通混凝土和高強混凝土的研究同樣也得到了相似的結(jié)論7,8。(a) C25(b) C35圖5 加載對氯離子在受拉區(qū)混凝土滲透的影響圖4荷載作用下受拉區(qū)的氯離子分布規(guī)律圖5為不同荷載比值作用下加載混凝土試件的受拉區(qū)與未加載混凝土試件在距離混凝土表面4.5mm處的氯離子含量比較。從圖5可以看出， C25和C35的混凝土試件都是隨著荷載的增加，同一深度處的氯離子含量也在增加。當在鹽溶液中潮汐循環(huán)時間較短時（如35天），氯離子含量變化不大，荷載的作用不明顯；隨著潮汐循環(huán)時間的增加，同一深度處氯離子含量隨著荷載的增大而增加。如對潮汐循環(huán)70天的C25混凝土，荷載比（P/Pu）為0（未加載）、0.3、

18、0.6的混凝土中氯離子含量分別為0.2266%、0.2447%、0.2886%；對潮汐循環(huán)70天的C35混凝土，荷載比為0、0.3、0.6的混凝土中氯離子含量分別為0.1988%、0.2160%、0.2539%；對潮汐循環(huán)180天的C25混凝土，荷載比為0、0.3、0.6的混凝土中氯離子含量分別為0.3756%、0.3938%、0.4274%；對潮汐循環(huán)180天的C35混凝土，荷載比為0、0.3、0.6的混凝土中氯離子含量分別為0.2940%、0.3005%、0.3445%。這表明在相同的暴露時間，受拉區(qū)混凝土中氯離子的含量隨著荷載的增加而增大，也即對混凝土施加荷載后，氯離子在受拉區(qū)混凝土中的

19、滲透擴散速度比未加荷載的要加快。同時也可以看到，相同情況下C35混凝土中的氯離子含量都低于C25混凝土中的氯離子含量?？梢姡词乖谕缓奢d比值作用下混凝土發(fā)生了微裂縫損傷，水灰比小的還是較水灰比大的混凝土抗?jié)B。3.2.2對受壓區(qū)的影響圖6為加載混凝土試件中的受壓區(qū)與未加載混凝土試件中氯離子總含量沿滲透深度的分布，圖中的氯離子含量均為混凝土質(zhì)量百分比。從圖6可以看出，彎曲荷載作用對氯離子在受壓區(qū)混凝土中的分布有一定的影響，荷載作用下受壓區(qū)混凝土中的氯離子含量減小。這是由于彎曲荷載作用下，在試件受壓區(qū)產(chǎn)生的壓應力使得混凝土中的毛細孔受到壓縮，限制了微裂縫的出現(xiàn)，從而使得氯化物通過毛細孔進行滲透變得

20、更加困難，在一定程度上抑制了氯離子在混凝土中的滲透擴散，相應的滲入到混凝土中的氯離子含量也隨之減小，外部荷載越大這種作用越顯著。(a) C25(b) C35圖7 加載對氯離子在受壓區(qū)混凝土滲透的影響圖6荷載作用下受壓區(qū)的氯離子分布規(guī)律圖7為不同荷載比值作用下加載混凝土試件的受壓區(qū)與未加載混凝土試件在距離混凝土表面4.5mm處的氯離子含量比較。從圖7可以看出，隨著荷載的增加，同一深度處的氯離子含量在減小。當荷載比較小時，受壓區(qū)混凝土中的壓應力也相應較小，其氯離子含量與未加載的混凝土試件相比變化不大，這說明壓應力較小時對抑制氯離子在混凝土中的滲透擴散作用不明顯。隨著潮汐循環(huán)時間的增加，同一深度處氯

21、離子含量隨著荷載的增大而減小。如對潮汐循環(huán)120天的C25混凝土，荷載比為0、0.3、0.6的混凝土中氯離子含量分別為0.3238%、0.2970%、0.1988%；對潮汐循環(huán)120天的C35混凝土，荷載比為0、0.3、0.6的混凝土中氯離子含量分別為0.2758%、0.2629%、0.2408%；對潮汐循環(huán)180天的C25混凝土，荷載比為0、0.3、0.6的混凝土中氯離子含量分別為0.3756%、0.3471%、0.3264%；對潮汐循環(huán)180天的C35混凝土，荷載比為0、0.3、0.6的的混凝土中氯離子含量分別為0.2940%、0.2825%、0.2694%。這表明在相同的暴露時間，受壓區(qū)

22、混凝土中氯離子的含量隨著荷載的增加而減小，也即對混凝土施加荷載后，氯離子在受壓區(qū)混凝土中的滲透擴散速度比未加荷載的要降低。同時也可以看到，相同情況下C35混凝土中的氯離子含量都低于C25混凝土中的氯離子含量。4 氯離子擴散系數(shù)4.1 氯離子擴散系數(shù)的計算在混凝土中氯化物滲透最普遍的傳輸機理是擴散、毛細管吸附和滲透，三個傳輸機理可能同時發(fā)生9。然而，當計算氯化物在混凝土中的侵蝕時，通常采用有關的擴散理論，假設氯化物在混凝土的侵蝕遵循Fick第二擴散原理。假設混凝土是半無限均勻介質(zhì)；氯離子擴散時不與混凝土結(jié)合；氯離子擴散系數(shù)是一個常數(shù)，由此導出的一唯擴散方程為10： （2）式中：t為時間；x為距混

23、凝土表面的距離；Dc為氯離子擴散系數(shù)；C為距混凝土表面x處的氯離子濃度。當初始條件為，時，；邊界條件為，時，。方程（2）的數(shù)學解為： （3）式中：混凝土暴露表面的氯離子濃度,等于暴露環(huán)境介質(zhì)的氯離子濃度；：誤差函數(shù)，。用上式計算各試件的氯離子擴散系數(shù), 去掉第一層，將其余各層實測得到的氯離子濃度代入公式(3)，利用最小二乘法根據(jù)下式通過優(yōu)化得到氯離子擴散系數(shù)、表面氯離子濃度和變異系數(shù)。每個試件的試驗回歸結(jié)果列于表3。 （4） （5） 式中：測量的氯離子的濃度；：計算的氯離子的濃度；：同組試件的數(shù)目；：變異系數(shù)。表3 單個試件的氯離子擴散系數(shù)試件編號時間/天表面濃度CS/%擴散系數(shù)Dc/

24、0;108cm2/s變異系數(shù)d說明C25-CX-35350.330012.65960.0382C25 C25-CX-70700.42886.80710.0648C25-CX-1201200.44676.40710.0658C25-CX-1801800.50555.23380.0198C25-CXL3-35-C350.27449.07640.1403C25 0.3Pu受壓面C25-CXL3-70-C700.32997.45690.0620C25-CXL3-120-C1200.49523.79710.0644C25-CXL3-180-C1800.56573.72860.1100C25-CXL3-3

25、5-T350.265622.72600.0997C25 0.3Pu受拉面C25-CXL3-70-T700.36978.00840.0496C25-CXL3-120-T1200.57614.95850.0734C25-CXL3-180-T1800.54156.21130.0355C25-CXL6-35-C350.34118.92680.0785C25 0.6Pu受壓面C25-CXL6-70-C700.32955.83980.0413C25-CXL6-120-C1200.29096.40670.1053C25-CXL6-180-C1800.48884.60420.1054C25-CXL6-35-T

26、350.387912.91850.1119C25 0.6Pu受拉面C25-CXL6-70-T700.363715.36650.0488C25-CXL6-120-T1200.54816.28140.0544C25-CXL6-180-T1800.58307.76740.0332C35-CX-35350.36136.36170.1605C35 C35-CX-70700.42534.65780.1860C35-CX-1201200.50493.74920.1207C35-CX-1801800.52383.02970.0746C35-CXL3-35-C350.27855.65640.0079C35 0.

27、3Pu受壓面C35-CXL3-70-C700.32924.03240.1218C35-CXL3-120-C1200.43203.71310.0134C35-CXL3-180-C1800.50302.39910.1841C35-CXL3-35-T350.43517.75910.1163C35 0.3Pu受拉面C35-CXL3-70-T700.37366.54280.0505C35-CXL3-120-T1200.54043.61410.0508C35-CXL3-180-T1800.50294.39950.0458C35-CXL6-35-C350.48233.60760.0512C35 0.6Pu受

28、壓面C35-CXL6-70-C700.37124.72000.0071C35-CXL6-120-C1200.43184.03650.1134C35-CXL6-180-C1800.53572.91790.1809C35-CXL6-35-T350.40909.56320.0722C35 0.6Pu受拉面C35-CXL6-70-T700.43366.04380.0132C35-CXL6-120-T1200.48286.20100.0380C35-CXL6-180-T1800.42525.92620.0545從表3可以發(fā)現(xiàn)一些基本規(guī)律。對相同情況下的試件，隨著時間的增長，氯離子擴散系數(shù)在減小；隨著作用

29、在試件上的荷載增加，試件受拉區(qū)中的氯離子擴散系數(shù)在相應的增大，而受壓區(qū)中的氯離子擴散系數(shù)在相應的減?。浑S著水灰比的減小，氯離子擴散系數(shù)減小。但是由于每個試件的表面濃度不同，因此對同一組試件進行比較時，擴散系數(shù)的這種規(guī)律不太確切。如果對同一組試件的擴散系數(shù)通過優(yōu)化確定，即同一組試件回歸得到在相同的表面濃度下，每個試件的氯離子擴散系數(shù)，如表4所示。表4 同組試件表面濃度相同的氯離子擴散系數(shù)試件編號時間/天表面濃度CS/%擴散系數(shù)Dc/´10-8cm2/s變異系數(shù)d說明C25-CX-35350.464912.68810.0490C25 C25-CX-70706.4770C25-CX-120

30、1206.2492C25-CX-1801805.7991C25-CXL3-35-C350.46808.74280.1192C25 0.3Pu受壓面C25-CXL3-70-C706.0179C25-CXL3-120-C1203.9631C25-CXL3-180-C1804.5861C25-CXL3-35-T350.511422.66930.0939C25 0.3Pu受拉面C25-CXL3-70-T706.4532C25-CXL3-120-T1205.5431C25-CXL3-180-T1806.7425C25-CXL6-35-C350.37458.92680.1169C25 0.6Pu受壓面C2

31、5-CXL6-70-C705.2708C25-CXL6-120-C1205.2033C25-CXL6-180-C1806.6271C25-CXL6-35-T350.510217.78600.1169C25 0.6Pu受拉面C25-CXL6-70-T7010.7477C25-CXL6-120-T1206.7920C25-CXL6-180-T1809.9372C35-CX-35350.50526.39210.1118C35C35-CX-70704.4342C35-CX-1201203.8245C35-CX-1801803.3593C35-CXL3-35-C350.40155.65640.1393C

32、35 0.3Pu受壓面C35-CXL3-70-C703.6772C35-CXL3-120-C1202.9992C35-CXL3-180-C1802.8721C35-CXL3-35-T350.51147.53520.2300C35 0.3Pu受拉面C35-CXL3-70-T705.0663C35-CXL3-120-T1203.5579C35-CXL3-180-T1804.3288C35-CXL6-35-C350.45033.57480.1245C35 0.6Pu受壓面C35-CXL6-70-C703.9460C35-CXL6-120-C1203.9929C35-CXL6-180-C1803.43

33、32C35-CXL6-35-T350.44919.44780.0518C35 0.6Pu受拉面C35-CXL6-70-T705.8818C35-CXL6-120-T1206.6818C35-CXL6-180-T1805.5528從表4看出，對同一組試件而言，表面濃度相同時，其規(guī)律比較明顯。例如，對C25和C35只在鹽水中進行潮汐循環(huán)的一組試件，氯離子擴散系數(shù)隨著時間的增長而減小；對C25和C35有荷載作用的一組試件也有相同的規(guī)律，即隨著時間的增加，氯離子擴散系數(shù)減小。為了更確切地比較荷載作用對混凝土中氯離子滲透的影響,將同一組試件的氯離子擴散系數(shù)作為常量用上面的優(yōu)化方法確定，得到的結(jié)果如表5所

34、示。表5 多個試件回歸的氯離子擴散系數(shù)試件編號表面濃度CS/%擴散系數(shù)Dc/´108 cm2/s變異系數(shù)dC25-CX0.348210.58570.2209C25-CXL3-C7.4944C25-CXL6-C7.1508C25-CX0.356310.35480.2207C25-CXL-C7.2510C25-CX0.44048.76850.2643C25-CXL3-T13.9870C25-CXL6-T14.2130C25-CX0.48828.18350.2939C25-CXL-T12.7461C35-CX0.43975.47370.2116C35-CXL3-C3.4921C35-CXL

35、6-C3.8878C35-CX0.46555.33430.2293C35-CXL-C3.5933C35-CX0.38625.84660.2396C35-CXL3-T7.7481C35-CXL6-T9.0127C35-CX0.40565.69530.2499C35-CXL-T8.1490C25-CX0.37489.89380.2159C35-CX5.9465表5中，C25-CX和C35-CX分別為C25和C35在鹽水中進行潮汐循環(huán)的一組試件；C25(C35)-CXL3-C 和C25(C35)-CXL6-C分別為荷載比0.3，0.6的一組C25(C35)試件的受壓面；C25(C35)-CXL3-T

36、 和C25(C35)-CXL6-T分別為荷載比0.3，0.6的一組C25(C35)試件的受拉面；C25(C35)-CXL-C和C25(C35)-CXL-T分別為C25(C35)加載的一組試件（將0.3Pu和0.6Pu兩組數(shù)合并起來）的受壓面和受拉面。從表5看到，荷載作用下的混凝土試件，其受拉區(qū)C25-CXL-T和C35-CXL-T中的氯離子擴散系數(shù)分別為12.7461´10-8和8.1490´10-8，分別大于無荷載作用的混凝土試件C25-CX和C35-CX的氯離子擴散系數(shù)8.1835´10-8、5.6953´10-8。分析不同荷載水平作用對受拉區(qū)混凝土

37、的影響，對C35-CX，C35-CXL3-T和C35-CXL6-T進行比較，荷載作用產(chǎn)生的拉應力加大了混凝土中的氯離子擴散系數(shù)，作用的荷載越大，產(chǎn)生的拉應力就越大，相應的氯離子擴散系數(shù)也增加越多。與未加載一組試件C35-CX相比，荷載比為0.3的一組試件C35-CXL3-T擴散系數(shù)增加1.32倍，荷載比為0.6的一組試件C35-CXL6-T擴散系數(shù)增加1.54倍，說明當作用在混凝土上的荷載較小時，在受拉區(qū)產(chǎn)生的拉應力也較小，微裂縫和缺陷增加不多，對氯離子在混凝土的滲透影響也較??；當作用在混凝土中的荷載較大時，產(chǎn)生的拉應力較大，原始微裂縫和缺陷增加也較多，對氯離子在混凝土的滲透影響也較大。因此，

38、當作用在混凝土上的荷載達到一定值時，拉應力對氯離子在混凝土中的擴散有一定促進作用。同樣對受壓區(qū)來說，C25-CXL-C和C35-CXL-C中的氯離子擴散系數(shù)分別為7.2510´10-8和3.5933´10-8，分別小于無荷載作用的混凝土試件C25-CX和C35-CX的氯離子擴散系數(shù)10.3548´10-8、5.3343´10-8。分析不同荷載水平作用對受壓區(qū)混凝土的影響，對C25-CX，C25-CXL3-C和C25-CXL6-C進行比較，荷載作用產(chǎn)生的壓應力降低了混凝土中的氯離子擴散系數(shù)，作用的荷載越大，產(chǎn)生的壓應力就越大，相應的擴散系數(shù)也降低越多。與未

39、加載一組試件C25-CX相比，荷載比為0.3的一組試件C25-CXL3-C擴散系數(shù)降低0.71倍，荷載比為0.6的一組試件C25-CXL6-C擴散系數(shù)降低0.68倍，兩者相比較，荷載比為0.6的氯離子擴散系數(shù)與荷載比為0.3的相差不大，并沒有顯著降低，這說明受壓區(qū)的氯離子擴散系數(shù)并不是隨著荷載增大而無限制的降低，而是達到一定值時趨于穩(wěn)定，再增加荷載對抑制氯離子在混凝土中的擴散影響不大。因此，當作用在混凝土上的荷載達到一定值時，壓應力對氯離子在混凝土中的擴散有一定抑制作用。4.2 考慮時間的氯離子擴散系數(shù)從表4中可以看出，對每一試件根據(jù)實測的氯離子濃度用式（3）確定擴散系數(shù)Dc，計算的結(jié)果并不是

40、常數(shù)，而是時間的函數(shù)，在其他條件相同時，基本規(guī)律是隨時間增長擴散系數(shù)降低，如試件C25-CX-180潮汐循環(huán)180天時的氯離子擴散系數(shù)均小于35、70和120天時的擴散系數(shù)，這是因為混凝土是一種水硬性材料，隨時間變化，混凝土內(nèi)部結(jié)構發(fā)生了變化的緣故11。混凝土的成熟度對氯離子的擴散有很大的影響，水化越充分，混凝土內(nèi)部越密實，抗侵蝕的能力則越強，擴散系數(shù)是一個時間的函數(shù)。因此用公式（3）預測氯離子長期濃度是不切實際的，需要考慮時間因素的影響。以Fick第二定律為基礎，考慮氯離子擴散系數(shù)隨時間變化12： （6）式中：:暴露時間時的擴散系數(shù)；:暴露1年的擴散系數(shù)（如果以年計）；:經(jīng)驗系數(shù)。代入公式（

41、4），可以得到： （7）按式（7）計算得到的各組氯離子擴散系數(shù)列于表6。表6 考慮時間的氯離子擴散系數(shù)試件編號考慮時間的回歸結(jié)果表面濃度CS/%擴散系數(shù)D1/´108cm2/sm變異系數(shù)dC25-CX0.45637.8982´1020.32390.1119C25-CXL3-C0.42942.7341´1020.26410.1779C25-CXL3-T0.46321.4929´1040.51620.2371C25-CXL6-C0.39481.2380´1020.20730.1791C25-CXL6-T0.48092.2607´1020.

42、20800.1686C35-CX0.47863.4316´1020.29840.1296C35-CXL3-C0.39203.6197´1010.15470.1768C35-CXL3-T0.46386.4001´1020.32560.2546C35-CXL6-T0.43413.4559´1020.26540.1025未考慮時間的回歸結(jié)果試件編號表面濃度CS/%擴散系數(shù)Dc/´108cm2/s變異系數(shù)dC25-CX0.37889.70990.1961C25-CXL3-C0.37027.12130.2186C25-CXL3-T0.350416.350

43、30.2969C25-CXL6-C0.34827.10850.2143C25-CXL6-T0.440412.84270.1821C35-CX0.37485.90860.2239C35-CXL3-C0.36943.92190.1917C35-CXL3-T0.37947.84260.3029C35-CXL6-T0.37779.17490.1648從表6可以看出，考慮氯離子擴散系數(shù)隨時間變化時，變異系數(shù)小于未考慮時間的情況，因此在進行氯離子擴散長期預測時考慮隨時間變化是合理的。將表6中的表面濃度CS，擴散系數(shù)D1和m代入公式（7），可以得到混凝土在有荷載作用下的氯離子擴散模型公式，列于表2-7。其中

44、D1的單位為mm2/年，x的單位為mm，t的單位為年。5荷載作用對氯離子擴散系數(shù)影響機理分析分析表5可以看出，對受拉區(qū)而言，荷載比為0、0.3、0.6的氯離子擴散系數(shù)依次增大，而對受壓區(qū)來說，荷載比為0、0.3、0.6的氯離子擴散系數(shù)依次降低，說明對有荷載作用的受彎試件，拉應力可以加快氯離子在混凝土中的擴散速度，而壓應力可以降低氯離子在混凝土中的擴散速度，因此在有荷載作用時要考慮拉應力和壓應力對氯離子在混凝土中滲透的影響。表7 各種條件下氯離子擴散模型公式試件編號模型公式C25-CXC25-CXL3-CC25-CXL3-TC25-CXL6-CC25-CXL6-TC35-CXC35-CXL3-C

45、C35-CXL3-TC35-CXL6-T氯離子在混凝土中的擴散速度與各種孔的性質(zhì)和數(shù)量以及孔隙飽水程度有密切關系4。在干濕交替環(huán)境下，凡是表層風干到某種程度，氯離子的侵入主要依靠混凝土毛細管的吸收作用，風干程度愈高，毛細管吸收作用就愈大?；炷撩毠艿奈漳芰θQ于混凝土孔結(jié)構和混凝土孔隙中游離水的含量13。風干時水分向外遷移，而鹽分向內(nèi)遷移，再次潤濕時又由更多的鹽分以溶液的形式帶進混凝土的毛細管孔隙中。對于一定的水灰比和水化程度，只要體系中的毛細孔孔隙率達到一定數(shù)值，體系中就會出現(xiàn)連通毛細孔網(wǎng)絡14,15，由此可見，毛細孔孔隙率在臨界值以下時，主要受孔隙連通性的影響；當臨界值以上時，主要受孔

46、隙率大小的影響4。另外，當混凝土在荷載作用下，荷載對氯離子滲透性的影響，主要是與混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構（微裂縫、毛細孔數(shù)量和連通程度）的變化發(fā)生聯(lián)系4。當混凝土在荷載作用下，特別是在拉應力作用下，其內(nèi)部的微裂縫經(jīng)歷一個張開到破壞的過程16。對于本文所示的素混凝土受彎試件，在其中間部位（純彎段）各截面承受的彎矩大小相同且為最大值，截面應力沿試件高度由拉應力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯Ατ诩儚澏蔚氖芾瓍^(qū)而言，拉應力會促進激發(fā)混凝土表面及內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生與開展，由于微裂縫的張開，使得毛細孔的網(wǎng)絡進一步連通，引起滲透性增大。由于連通毛細孔對滲透性的影響呈加速的關系（斜率逐漸增大），所以，連通毛細孔增加到一定程度后，

47、對應的毛細孔連通性達到了滲透性所需要的臨界值，引起滲透性增大4，相應的氯離子在混凝土中的擴散速度就加快，氯離子擴散系數(shù)就增大，從而使侵入到混凝土中的氯化物含量也增大。但由于混凝土并非均質(zhì)材料，截面性質(zhì)不均勻，微裂縫張開的程度也就不盡相同，所以侵入到混凝土中各個滲透深度處的氯化物含量也迥異不同。隨著荷載水平的提高，受拉區(qū)的微裂縫進一步張開，這種作用更加明顯，對氯離子在混凝土中的擴散影響就更大。因此，混凝土在有外部荷載作用時，要考慮拉應力對氯離子在混凝土中擴散的影響。而對受彎試件純彎段的受壓區(qū)來說，由于外部荷載使混凝土截面產(chǎn)生的是壓應力，壓應力會使混凝土中的毛細孔壓縮變形，以致氯化物在混凝土中的滲

48、透擴散受到抑制，另外壓應力還會抑制裂縫的誘發(fā)與發(fā)展，這就限制了混凝土毛細孔網(wǎng)絡不能進一步連通，甚至部分隔斷，在一定程度上削弱減少了氯化物在混凝土中的滲透擴散通道，這幾方面共同作用從而使得氯化物在混凝土中的滲透擴散變得更加困難，導致滲透擴散速度降低，氯離子擴散系數(shù)減小，以致使得侵入到混凝土中的氯化物含量減小。又由于截面上的壓應力大小不同，再加上混凝土并非均質(zhì)材料，這種抑制阻礙作用也并非均勻變化，從而使侵入到混凝土中各個滲透深度處的氯化物含量也大小不一。荷載較小時，這種作用不明顯。在一定范圍內(nèi)隨著荷載加大，這種作用越趨顯著。因此在有外部荷載作用產(chǎn)生壓應力的情況下，氯離子在混凝土中的擴散速度降低，相

49、應的氯離子擴散系數(shù)減小，荷載較大時對氯離子在混凝土中的擴散影響較大。綜上所述，混凝土在荷載作用下所處的應力狀態(tài)對氯離子在混凝土中的擴散有一定的影響。處于壓應力狀態(tài)下的混凝土中氯離子擴散系數(shù)將比處于無應力狀態(tài)下的小，而處于拉應力狀態(tài)下的混凝土中氯離子擴散系數(shù)則較無應力狀態(tài)下的大。李偉文等17通過對荷載作用下混凝土氯離子滲透性研究也得出了相似的結(jié)論。5結(jié)論1. 水灰比是影響氯離子在混凝土中擴散速度的一個重要因素。隨著水灰比的增大，氯離子在混凝土中的擴散速度增加，相同滲透時間相同滲透深度處的氯離子含量增大。2. 混凝土在持續(xù)彎曲荷載作用下所處的應力狀態(tài)對氯離子在混凝土中的滲透擴散有一定的影響。與無應力狀態(tài)相比，拉應力加快了氯離子在混凝土中的擴散速度，增加了混凝土中的氯離子含量，相應的氯離子擴散系數(shù)增大；而壓應力降低了氯離子在混凝土中的擴散速度，減少了混凝土中的氯離子含量，相應的氯離子擴散系數(shù)降低。荷載越大影響越顯著。3. 氯離子擴散系數(shù)并不是一個常數(shù)，而是隨