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2 0 1 6年 第 1期 (总 第 3 1 5 期) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 6( T o t a l N o ． 3 1 5) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 2 载荷作用后复掺高性能混凝土氯离子渗透性能 李兵 。 刘瑞雪 I _ 。张连英 ， 殷惠光 。 李雁 。 仇培涛 ( 1 ． 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 徐州工程学院 土木工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 1 8 ) 摘要： 采用人工海洋气候模拟试验室 ， 对经过三种等级载荷 ( 5 0 ％、 6 5 ％和 8 0 ％强度极 限( C ) 作用后的 C 6 0复掺高性能混凝土 ( 1 5 ％粉煤灰 + 3 5 ％矿粉 ) 进行了抗氯离子渗透性试验研究( 自然扩散法 ) ， 同时根据 F i c k第二定律求解了不 同载荷等级 、 不 同腐 蚀深度及不同腐蚀时间点下的氯离子扩散系数。 结果表明： 随着距腐蚀面的距离增大， 氯离子浓度值减小 ， 且该值在 O ～ 1 5 IT I I n之 间降低较快 ， 在 2 0 - 4 0 1 1 1 1 1 1 之间趋于稳定 ， 氯离子扩散系数随之线性增大； 表层混凝土中( 0 - 5 m m) 氯离子的浓度随着腐蚀时间 增加而增大， 氯离子扩散系数随着腐蚀时间增加而减小 ； 当载荷等级大于 5 0 ％0 - 时， 随着加载等级增大( 在距腐蚀面相同距离 处) ， 氯离子浓度增大 ， 氯离子扩散系数增大。 关键词： 复掺； 高性能混凝土； 氯离子 ； 扩散系数 中图分类号： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 — 0 0 4 7 — 0 5 P e r me a b i l i t y o f c h l o r i d e I o n i n h i g h—p e ~ o r ma n c e c o n c r e t e wit h c o m p ou n d a d m ix t u r e s a fte r loa d i n g L IBi n g ， L I URu ~u e 一， Z HANG L i a n y i n g ， Y I N Hu i g u a n g ， L IY a h ， Q i uP e i t a o ( 1 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Ge o me c h a n i c s a n d De e p Un d e r g r o u n d En g i n e e ri n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y， Xu z h o u 2 21 0 0 8， China； 2 ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g， Xu z h o u I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y， Xu z h o u 2 2 1 0 1 8 ， Ch i n a ． ) Ab s t r a c t ： Th e e x p e r i me n t a l s t u d y o n p e r me a b i l i t y o f c h l o r i d e i o n i n C 6 0 h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e wi t h c o mp o u n d a d mi x t u r e s ( 1 5 ％ fl y a s h and 3 5 ％s l a g ) a f t e r t h r e e k i n d s o f l o a d l e v e l ( 5 0 ％， 6 5 ％ a n d 8 0 ％ 0- u l t i ma t e s t r e n g t h ) w a s p e r f o r me d ． wh i l e ， c h l o r i d e d i f f u s i o n C O — e ffi c i e n t o f c on c r e t e u n d e r d i f f e r e n t kin d s o f l e v e l 。 a t va r i o us d e p t hs a n d a f t e r d i f f e r e n t c o r r o s i o n t i me s wa s c alc u l a t e d b a s e d o n the s e c — o n d FI c ks La w． The r e s u l t s s h o w t h a t t he c h l o r i de i on d e ns i t y d e c r e a s e s wi m t he d i s t an c e f r o m the e t c h e d s u r f a c e ． T he v a l u e d e c r e a s e s q u i c k l y be t we e n 0 ~2 5 mm ． and i t i s t e n d i n g t o wa r d s s t a b i l i t y b e t we e n 2 0 ～4 O mm ． Ⅵ， l l i l e． the c h l o ride i o n d i f f u s i o n c o e ffic i e n t i nc r e a s e s l i n e arl y wi t h t h e d e p t h s ． T h e c h l o r i d e i o n d e n s i t y i n c o n c r e t e ( O ～ 5 r n l T 1 ) i n c r e a s e s wi t h t i me whil e the c h l o r i d e i o n d i f f u s i o n c o e mc i e n t d e c r e a s e d． Th e c h l or i d e i o n d e ns i t y an d the c h l o r i d e i o n d i f f u s i on c o e ffi c i e n t i nc r e a s e d wi 山 the l oa d f a t the s a me d i s t anc e fro m the e t c h e d f a c e ) wh e n t h e l o a d wa s g r e a t e r t h a n 5 0 ％0- ． Ke y wor d s： c o mp o u n d a d mi x t u r e s ； h i g h—p e r f o rm anc e c o n c r e t e ； c h l o ri d e i o n； d i f f u s i o n c o e ffic i e n 0 引言 混凝土是一种多孑 L 、 多相 的非均质复合 材料 ， 其性 能 不仅与混凝土用料及 制备过程有关 ， 而且 具有时变性 ， 同 时易受外界环境因素的影响⋯。目前 ， 大多数混凝土结构 报废期远远达不到其设计使用寿命， 主要原因是其受到外 界恶劣环境 的影响。 海域及盐湖地区的混凝土结构受盐害腐蚀影响最为 严重 ， 其抗氯离子渗透性 能决定 了混凝土 的耐久性 J 。 国 内外学者针对混凝土 的抗 氯离子渗透性能进行 了大量研 究 ， 结果表 明添加矿物掺合料是 目前 提高混凝土抗氯离子 渗透性能的有效方法之一 J 。 实际工程中， 混凝土结构同 时受到载荷和腐蚀作用的双重影响， 有害盐类侵入并与混 凝土发生化学反应是一个复杂 的物理化学过程 ， 该过程会 影响到混凝土 的结构组织 ， 进而影响其抗渗性能 。 混凝土的渗透性能既具有成型性 ( 由制备原料及载荷 等因素决定) ， 又具有时变性 ( 由腐蚀等因素影响) 。 早在 2 0世 纪 8 0年 代 ， A r o d e r s e n J 、 S m o l z c y k 。 。 、 T a k e m o o t o 等已经初步研究 了高炉矿渣及粉煤 灰对混凝土渗透性 能 的影响， 但载荷和腐蚀作用共同影响下混凝土的渗透性能 研究一直是 国内外专家研究的热点 。 本试验对经三种等级载荷作用后 ( 5 0 ％、 6 5 ％和 8 0 ％ 强 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 3 — 1 7 基金 项 目 ： 江苏省产学研前瞻性联合研究项 目( B Y 2 0 1 2 0 8 5) ； 住房和城乡建设部科学 技术项 目( 2 0 1 3一K 4—2 2 ， 2 0 1 4一K 4— 0 4 2 ) ； 国家建筑材料 行 业科技创新计划——面上研究项目( 2 0 1 3 一 M 5 — 7 ) ； 徐州市科技计划项目( X Z Z D 1 3 2 0 ) ； 江苏省“ 青蓝工程” 项 目； 江苏省高校 自然科学研究项 目 ( 1 1 K J D 1 3 0 0 0 2 ) ； 国家建筑材料行业科技创新计划——面上研究项 目( 2 0 1 4一M5—2 ) ； 国家建筑材料行 业科技创新计 划—— 面上 研究项 目( 2 0 1 4一 M 5—1 ) 47 ， m m f d 1 2 7 0 d 图 3 氯离子浓度 C 随距试样表面深度 ／ 的变化曲线 图3中的( a ) 、 ( b ) 、 ( C ) 和( d ) 四幅图分别为腐蚀 t = 3 0 、 1 1 0 、 1 9 0 、 2 7 0 d时 ， 混凝土 中氯离子浓度随深度 z 的变 化规 曲线。 从图中可以看 出 ， 载荷 等级对混凝土 中氯离子 浓度 的分布规律是有影 响的 ， 具体分析如下 ： ( 1 ) 随着距腐蚀面的距离增大 ， 氯离子浓度值减小 ， 且 该值在 0 ~ 2 0 n 2 m之间降低较快‘ ， 在 2 0 - 4 0 m l T l 之间该值趋 于稳定。 这是因为本试验 中采用盐雾 劣化腐蚀机制 ， 氯 离 子侵入动力 主要是 由毛细力 和浓度 梯度提 供。 距 表层 越 近 ， 局部氯离子浓度梯度越大 ， 氯离子积累较多 ； 距表层越 远 ， 局部浓度梯度越小 ， 氯离子积累较少。 ( 2 ) 当载荷等 级 大于 5 0 ％0- 时， 随着加载等级增大， 在距腐蚀面相同距离 处 ， 氯离 子浓 度 增大 。 如 ， 腐蚀 3 0 d时 ， 对 应 于 5 0 ％ 。 、 6 5 ％0 - 。 、 8 0 ％0- 。 三个载荷等级， 在距离腐蚀面5 m n l 处的氯 离子浓度 分别 为 0 ． 0 5 8 0 ％、 0 ． 0 7 2 0 ％、 0 ． 0 7 9 6 ％； 腐 蚀2 7 0 d 时 ， 对应 值分别 为 0 ． 1 3 1 7 ％、 0 ． 2 0 9 6 ％、 0 ． 2 3 2 9 ％， 说 明随着 载荷等级增大 ， 外 界环境 中的氯离 子更容 易进 入混凝 土 中。 这是因为当混凝土受外部载荷作用时， 其内部孔隙结 构会发生改变 ， 当载荷等级大于 5 0 ％0 - 时 ， 其 内部孔结构 遭到破坏 ， 产 生微裂纹 ， 甚至 出现裂纹贯通现象 ， 因此混凝 土中具有更多的孔隙空间和流动通道 ， 这些导致了混凝土的 抗渗性能减弱， 使氯离子更容易进入和储存在混凝土内部。 2 ．2 不同加载等级下氯 离子浓度随腐蚀时间的变 化 规 律 表 3为不 同加载等级不 同腐蚀时间下 ， 距表层混凝土 0 ~ 5 m m 处氯离 子浓度值 。 根据表 3中的数据 ， 绘 制出不 同加载等级下 ， 氯离子浓度 C 随腐蚀时间 t 的变化曲线 ， 如 图 4所示。 表 3氯离子浓度 C随侵蚀时间 t 的变化规律 t ／ d 图 4 氯离子浓度 C随侵蚀时间 t 的变化 曲线 图 4 表示不同加载等级下， 混凝土中0 - 5 1 T I 1 T I 层的氯离 子浓度 C 随腐蚀时间 t 的变化曲线。 对图4进行分析可得 ： ( 1 ) 该层混凝土中( 0 - 5 m m) 氯离子的浓度随腐蚀时 间增加而增大 ， 这是 氯离子不 断积累 的结果 。 ( 2 ) 随着载 荷等级不同， 氯离子浓度随腐蚀时间的变化规律而不同。 加载等级为5 0 ％ 0- 时， 混凝土中氯离子浓度值持续增大， 且从 3 0 d到 1 2 0 d增长较慢 ， 从 1 2 0 d到 2 7 0 d 增长较快 ， 呈线性增长， 这是因为经5 0 ％0- 。 等级加载作用后的混凝土 试件中孑 L 隙变化程 度较小 ， 氯离子侵入较慢 ， 随着 腐蚀时 间增大 ， 其孔 隙结构不会 发生较大 的变化 ， 因此在 较长时 间内， 其呈增长趋势 ； 对于加载等级为 6 5 ％0 - 和 8 0 ％ 0- 。 的 混凝土 ， 氯 离子浓 度 随腐蚀 时 间增加 而持 续增 大 ， 且 从 3 0 d到 1 9 0 d增长较快 ， 从 1 9 0 d到 2 7 0 d增长较慢 。 这是 因为， 在前期混凝土中孔裂隙较多 ， 氯离子进入较快 ， 随着 腐蚀时间增加， 氯离子与混凝土中其他化合物发生反应， 新生成物填充 了孔隙 ， 同时表层 ( 0 - 5 m 1 T 1 ) 混凝 土 中的浓 度梯度随着腐蚀时间降低 ， 使氯离子进入速率度和氯离子 积累速度降低。 2 ． 3 不同加载等级下氯离子扩散 系数随深度的变 化规 律 目前 国内外对氯离子在混凝 土 中的迁移规律有 多种 描述方法 ， 其 中扩散是较 为认可 的一种 方式 。 氯离子扩 散系数能够较好 的表征氯离子扩散 的快慢 ， 因此本文对氯 ．49 ． 离子扩散系数进行研究 。 本试 验应用 F i c k第二定律对氯 离子扩散进行描述 ， F i c k第二定律可以表示为 ： ： D ( 1 ) df af 。 当为一维扩散时 ， 扩散边界条件可 以表示为 ： C( Z ， f = 0)=C o 0<Z C( 1 =0 ， t )=C 0<t <∞ 式 中： C 。 ——混凝土任意截面处初始氯离子质量浓度值 ； c ——任意时刻 t 时混凝土表面氯离子质量浓度 。 根据边界条件， 求解并简化得到扩散方程的解析解为： c ( ， ) =C o +( c —C o ) ( 一P 矿 ( ) 式 中： ( b ——氯离子扩散系数 ； f ——时间 ； z ——氯盐侵蚀截面距混凝土表面的距离 ； P 矿一误差 函数。 。 = rf 一 [ 一 】 『 ㈩ 混凝土表 面氯离子质量浓度 C 的计算式为： c s = 5 81 0 0 ％ ( 5 ) J D + 却 ． 5 式 中： 西——混凝土的孔隙度 ； p —— 氯化钠溶液密度 ； p ——混凝土密度 ； ∞——氯化钠溶液 中的氯化钠质量百分 比。 这里取论文所在项 目涉及测量的宏观孔隙度值 ， 对应加载等 级 5 0 ％~r 。 、 6 5 ％ 0 - 。 、 8 0 ％0 - 的孔 隙度分别 为 3 ． 4 9 ％、 3 ． 8 3 ％、 4 ． 7 1 ％； p 为 2 4 2 0 ． 6 7 k g ／ m ； p 为 1 1 4 0 g ／ m ； 0 2 为5 ％。 根据式 ( 4 ) ， 利用 Ma t l a b计算 出不 同腐蚀时刻下 ， 复 掺混凝土中不 同腐蚀深度 的氯离子扩散系数值 ， 见表 4 。 图 5中( a ) 、 ( b ) 、 ( C ) 、 ( d ) 分别 为腐蚀 时间 t = 3 0 、 1 1 0 、 1 9 0 、 2 7 0 d时 ， 混凝土 中的氯离子扩散系数 D随深度 f 的变化 曲线 ， 对 图 5进行分析可得 ， 载荷等级对氯 离子扩 对式 ( 3 ) 进行反解 ， 可得氯离子扩散 系数的计算式 ： 散系数 的变化规律是有影 响的， 具体分析如下 ： 表4 氯离子扩散系数 D随加载等级、 侵蚀时间 t 和距表面深度 ／ 的变化规律 5 0 l ／ mm l ／ mm ( C ) 1 9 0 d ( d ) 2 7 0 d 图 5 氯离子扩散系数 D随距试样表面深度 ／ 的变化曲线 ( 1 ) 随着距混凝土腐蚀面距离 的增大 ， 氯离子扩散 系 数增大 ， 且呈线性增大趋势 ， 这跟扩散系数 的计算 式有关 ， 根据式( 4 ) ， 在其他参数不变 的情况下 ， 扩散系数的大小 随 深度 z 和该距离下 的氯离子浓度值 C( z ， t ) 有关 ， 且 随着 c ( f ， t ) 减 小而增大 ， 随着 x增大而增大 ， 因此该值 随深度 呈 增大趋势。 ( 2 ) 当载荷等级大于 5 0 ％0- 时， 随着加载等级 增大， 氯离子扩散系数增大 ( 在距腐蚀面相同距离处) 。 如， 腐蚀 3 0 d时， 对应于 5 0 ％0 - 6 5 ％ 0- 8 0 ％0- 三个载荷 等级 ， 在距离腐蚀面 0 ～ 5 m l T l 处的氯离子扩散系数分别 为 0 ． 5 2 4 3 X 1 0 、 0． 5 8 0 4 X 1 0 。 、0 ． 6 1 2 3 X 1 0 m ／ s ， 说 明 随着载荷 等级增大 ， 氯 离子更 容易进入混凝土 中。 这是 因 为当混凝土试件受到外部载荷时 ， 其 内部孑 L 隙结 构会发生 改变 ， 混凝土 的渗透性增强。 2 ． 4 不同加载等级下氯 离子扩散 系数随腐蚀 时间 的 变化 规 律 表 5为不同加载等级和不 同腐蚀时间下 ， 距表层混凝 土 0 ～ 5 I ／ l l T I 处氯离子扩散 系数 D。 根据表 5中的数据 ， 绘 制出不同加载等级下 ， 氯离子扩散系数 D 随腐蚀 时间 t 的 变化曲线 ， 如图 6所示 。 表 5氯离子扩散系数 D随侵蚀时间 t 的变化规律 加载 等级 — —— — — 童 墨墼 — — 一 t=3 0 d t = 1 1 0 d t=1 9 0 d t =2 7 0 d i =吕 懈 衽 褪 时 f 司t ／ d 图 6氯离 子扩 散 系数 D 随侵蚀 时 间 r 的变化 曲线 图 6为不 同加 载等级 和不 同腐 蚀 时间下 ， 混凝 土 中 0 ～ 5 mm层氯离子扩散系 D数随腐蚀时问 t 的变化规律 图。 对 图6分析可得 ： 该层混凝土( 0 - 5 m l T 1 ) 的氯离子扩散 系数随着腐蚀时间增加 而减小 。 分析其原 因 ， 主要 有 以下 几点 ： 随着氯离子从浓度较高 的混 凝土腐蚀 面向内部不断 扩散 ， 该距离 内的氯离子含量增大 ， 而浓度梯度减小 ； 氯离 上接第 4 6页 [ 1 1 ] 张学兵 ， 邓寿昌 ， 邓旭华 ， 等． 影响再生混凝土强度几个主要因 素的试验研究[ J 1 ． 湘潭大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 2 9— 1 3 3 ． [ 1 2 3 王学兵， 方志， 匡成钢， 等． 制备工艺对再生混凝土性能的影响[ J ] ． 2 0 1 2 ， 4 2 ( 2 ) ： 1 0 1 —1 0 5 ． [ 1 3 ] 崔正龙， 大芳贺羲喜， 北迁政文， 田中礼治． 再生混凝土耐久性 的试验研究 I I I 再生混凝土的干燥收缩试验[ J ] ． 科学技术与 工程， 2 0 0 6 ， 6 ( 2 3 ) ： 4 8 0 1 — 4 8 0 5 ． [ 1 4 ] 崔正龙 ， 庄宇 ， 汪振双． 再 生骨料 混凝土干燥 收缩裂 缝试验 [ J ] ． 四川大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 5 ) ： 1 6 0 —1 6 3 ． 子与混凝土 中的成分反应生成难以溶解 的大 晶体盐类 ， 填 充了孔隙结构 ； 混凝土缓慢水化作用使得混凝土的孔隙度 降低等。 这些都导致了氯离子的扩散速率降低， 即扩散系 数减小。 3 结 论 ( 1 ) 对于不 同载荷等级 和腐 蚀时间点下 的 C 6 0复 掺 高性能混凝土， 随着距腐蚀面的距离增大， 氯离子浓度值 减小 ， 且该值在 0 ～ 2 0 mm之间降低较快 ， 在 2 0 ~ 4 0 m m 之 间趋于稳定 ； 而氯离子扩散 系数 随之增 大 ， 且 呈线性增 大 趋势。 ( 2 ) 表层混凝土 中( 0 ~ 5 n l n 1 ) 氯 离子的浓度 随着腐蚀 时间增加而增大 ， 这是 由氯离子不 断积 累的结果 ； 而氯离 子扩散系数随之减小。 ( 3 ) 当载荷等级大于 5 0 ％0- 时， 随着 加载等级增 大 ， 在距腐蚀面相同距离处， 氯离子浓度增大， 氯离子扩散系 数增大。 参 考文 献 ： [ 1 ]金伟 良， 赵羽习． 混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[ J ] ． 浙 江大学学报( 工业版) ， 2 0 0 2 ， 3 6 ( 4 ) ： 3 7 1 - 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