不同(W/C)混凝土的变形性能与氯离子渗透特性研究
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摘 要： 设计了水灰比0.30、0.35、0.40和0.45的4种混凝土，研究了最大压应力分别为40% fcy和80% fcy，加载速度为5kN/s，重复5次时的重复压应力作用下，混凝土轴向变形性能，以及重复压应力作用后混凝土的氯离子渗透性能，探讨了水灰比对混凝土的工作性能和氯离子渗透性的影响作用。
关键词： 水灰比； 混凝土； 变形性能； 渗透特性
中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）（11-12）-0041-02
我国正处于经济飞速发展阶段，经济建设对混凝土的需求量十分巨大，混凝土的生产已直接影响着我国经济的飞速发展。当今，混凝土的商品化进一步提出了提高混凝土经济性的必要性。影响混凝土经济性最重要因素是水泥用量，要求在混凝土性能不变前提下，用较少水泥生产出符合要求的混凝土[1]。因此，水泥混凝土的水灰比就显得尤为重要。混凝土的水灰比决定了混凝土强度和密实性，影响混凝土抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗碳化性等。捷克的J.詹姆鲍尔作过水灰比与混凝土之间关系的实验，结果表明，水灰比不仅影响硬化混凝土的强度、耐久性，还影响硬化浆体总空袭率和物理力学性能，胶结性水化产物的组成和性质，以及硬化浆体的耐久性等综合性能[2]。所以，水灰比对混凝土来说至关重要。本文针对混凝土的水灰比，系统研究了不同水灰比的混凝土在重复压应力作用下的混凝土轴向变形性能，以及重复压应力作用后混凝土的氯离子渗透性能，探讨了水灰比对混凝土的工作性能和氯离子渗透性的影响作用，从而为进一步推动混凝土的广泛应用提供技术支持。
1试验过程
1.1 原材料。水泥使用的P.O 42.5型硅酸盐水泥，基本物理力学性能见表1。其它原料包括：天然江砂，细度模数为2.65，属中砂，颗粒级配良好；辉绿岩碎石，粒径5～20mm，连续级配，压碎指标为5.3%；减水剂采用上海花王化学有限公司的Mighty 100萘系高效减水剂；引气剂采用上海麦斯特公司生产的MICRO-AIR202混凝土引气剂；缓凝剂采用葡萄糖酸钠缓凝剂。
1.2 混凝土配合比。本试验中，设计了水灰比0.30、0.35、0.40和0.45的4种混凝土W1、W2、W3、W4，配合比如表2所示。所有混凝土都采用强制型搅拌机搅拌，机械振动，钢模成型。新拌混凝土都具有较好的和易性，混凝土的塌落度控制在70～120mm左右。振动密实以后在试件表面覆盖塑料薄膜，24h以后脱模，标准养护。
1.3试验方法。利用WHY系列全自动应力试验机，分别研究水灰比0.30、0.35、0.40和0.45时，最大压应力分别为40% fcy和80% fcy，加载速度为5kN/s，重复5次时的重复压应力作用下，混凝土的轴向变形性能。混凝土氯离子渗透试验方法按ASTMC1202-97试验方法进行。试验仪器采用实验室自制的混凝土渗透性智能测定仪[3]。具体做法为：将试件切割成直径l00mm，厚度50mm的圆形试块，侧面用玻璃胶密封，待玻璃胶干燥后进行自然饱水，将饱水后的试件安装于有机玻璃试验腔体内，使其一端接触阳极电解质（质量分数为3% NaCl溶液），另一端接触阴极电解质（0.3mo1.L-1NaOH），并将装有这两种电解质的试验腔体中的阴极和阳极分别连接直流电源的正极和负极，施加60V电压，测量持续通电6h期间通过的电量。
2 试验结果与讨论
2.1 混凝土变形性能。1919年，美国D.Abrams通过大量的混凝土强度试验，提出了著名的水灰比定则，即当混凝土充分密实时，其抗压强度与水灰比成反比。而混凝土的强度又与其变形性能息息相关，因此，水灰比对混凝土的变形性能有较大影响[4]。
加载过程中混凝土的最大变形分别为279×10-6和332×10-6，卸载后混凝土的残余变形分别为23×10-6和38×10-6。混凝土的最大变形和残余变形取决于第1次加卸载，即应力水平；第2～5次加卸载重复过程中混凝土的变形与第1次加卸载过程中混凝土的变形相比未有明显增加。最大压应力为40%fcy和80%fcy时，0.35水灰比混凝土应力-应变曲线，由图可知，加载过程中混凝土的最大变形分别为307×10-6和408×10-6，卸载后混凝土的残余变形分别为25×10-6和54×10-6。混凝土的最大变形和残余变形仍取决于应力。最大压应力为40%fcy和80%fcy时，0.40水灰比混凝土，加载过程中混凝土的最大变形分别为380×10-6和886×10-6，卸载后混凝土的残余变形分别为38×10-6和116×10-6。最大压应力为40%fcy时混凝土的最大变形和残余变形仍取决于应力水平。最大压应力为80%fcy时混凝土的残余变形仍取决于应力水平，第2～5次加卸载重复过程中混凝土的最大变形与第1次加卸载过程中混凝土的最大变形相比有明显增加。最大压应力为40%fcy和80%fcy时，0.45水灰比混凝土，加载过程中混凝土的最大变形分别为428×10-6和1196×10-6，卸载后混凝土的残余变形分别为44×10-6和217×10-6。最大压应力为40%fcy时混凝土的最大变形和残余变仍取决于应力水平。最大压应力为80%fcy时，第2～5次加卸载重复过程中混凝土的最大变形和残余变形与第1次加卸载过程中混凝土的变形相比均有明显增加。
因此，不论最大压应力为40%fcy还是80%fcy，混凝土的最大变形和残余变形随着水灰比的增大而增大。这是由于水灰比越大，混凝土的强度越低，总孔隙率越大，弹性模量越小，应力作用下水泥凝胶的粘性流动就越大。
2.2混凝土氯离子渗透性。水灰比对混凝土的孔结构影响最大。水泥石结构形成初期，水泥浆乃是由被拌合水包围的水泥颗粒组成的浓悬浮体（膏）。当其他条件相同时，则初始水灰比越大，包围水泥颗粒的水层越厚。拌合水在水泥浆中形成相互连通的毛细孔系统，无规则地分布在整个水泥石体积中。水泥不断水化时，随着龄期的延长水泥石的总孔隙率和毛细孔孔隙率减少，因为水泥水化生成物充填了一部分初始拌合水占据的体积[5]。有研究表明：水泥材料在任何龄期、任何养护条件下，随着水灰比的增大，总孔隙率、开口孔孔隙率和孔径都增加[6]。水泥材料中的孔隙是外界介质进入其内部的通道，因此，随着水灰比的增大，其渗透性势必增大。
图5a）， b）， c）， d）分别为水灰比0.30， 0.35， 0.40和0.45时，重复压应力作用后混凝土的氯离子渗透性能。由图可知，阳极溶液中氯离子与时间的关系均分为两个阶段，第一阶段为非线性渗透；第二阶段为线性渗透，即阳极溶液中氯离子浓度随时间的延长而线性的增大。并且，未施加重复荷载的混凝土中，随着水灰比的增大，阳极溶液中氯离子与时间关系的非线性阶段持续时间越短；达到线性阶段后，相同时间内，水灰比越大，阳极溶液中氯离子浓度越高。当水化程度相同时，水灰比决定了混凝土中毛细孔的体积，同时影响骨料和水泥石的粘结强度及界面性质[7]。随着水灰比的增大，混凝土中生成了较多的孔隙和介质侵入的通道，因此，混凝土的氯离子渗透性增大。
对混凝土施加最大压应力为40%fcy重复5次的荷载后，不同水灰比混凝土氯离子渗透试验中，阳极溶液中氯离子与时间的关系仍为非线性和线性为两个阶段，但相同时间内，阳极溶液中氯离子浓度均比未施加重复荷载的混凝土高，而且最大压应力提高到80%fcy后，阳极溶液中氯离子浓度又进一步增大。全部卸载后混凝土的残余变形，由微裂纹和粘性流动变形组成，而微裂纹的产生和扩展将引起毛细孔的网络进一步连通，从而导致混凝土氯离子渗透性的增大。
3 结论
综上所述，可以得出以下结论：
（1）相同应力水平作用下，混凝土的变形随水灰比的增大而增大，最大压应力为40% fcy时，混凝土的变形取决于应力水平。最大压应力为80% fcy时，0.30和0.35水灰比混凝土的变形仍取决于应力水平，0.40和0.45水灰比混凝土的变形除取决于应力水平外，第2-5次加卸载重复过程中混凝土的变形明显增加。
（2）水灰比越大，混凝土的强度越低，总孔隙率越大，弹性模量越小，应力作用下水泥凝胶的粘性流动就越大。
（3）氯离子渗透分为非线性和线性两个阶段。未加载混凝土中，水灰比越大，非线性渗透阶段越短，混凝土氯离子渗透性越高。这是由于全部卸载后混凝土的残余变形，由微裂纹和粘性流动变形组成，而微裂纹的产生和扩展将引起毛细孔的网络进一步连通，从而导致混凝土氯离子渗透性的增大。
参考文献：
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[2] M. I. Khan. Permeation of High Performance Concrete. Journal of Materials in Civil Engineering， 2003，15（1）.
[3] 路新赢，王晓睿，张华新.ASTM C 1202试验方法评述.工业建筑，2004，34（4）.
[4] N. BanthiaT， A. Biparva， S. Mindess. Permeability of concrete under stress. C.C.R.. 2005，35.
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[6] 吴瑾，吴胜兴.氯离子环境下钢筋混凝土结构耐久性寿命评估[J].土木工程学报，2005，38（2）.
[7] 夏才初，杨林德，朱素平.不同应力水平下混凝土渗透性的试验研究[J].西部探矿工程，1996，8（6）.