氯盐荷载作用下掺合料对混凝土性能的影响
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摘要：采用人工海洋气候模拟实验室，本文对经50%强度极限σc的等级载荷作用后的四种C60混凝土（无掺合料、50%粉煤灰、50%矿粉、15%粉煤灰+35%矿粉）进行了抗氯离子渗透性试验研究（自然扩散法）。结果表明：对于掺合料不同的混凝土和腐蚀时间点下的C60混凝土，随着深度的增加，氯离子浓度值减少，且该值在0～20 mm之间降低较快，在20～40 mm之间趋于稳定；表层混凝土中（0～10 mm）氯离子的浓度，随着腐蚀时间增加而增大；在30～110天，浓度升高速度较快，在110～190天上升速度较慢；复掺混凝土C3-3中的氯离子浓度最小，无掺合料的混凝土中氯离子浓度最大，掺合料可以降低侵入氯离子的浓度值，增加混凝土的抗渗性。
Abstract： Using the artificial marine climate simulation laboratory， this paper takes a research of resistance to chloride ion permeability test （natural diffusion method） on four kinds of C60 concrete （no mixed material， 50% fly ash， 50%slag ， 15% fly ash + 35% slag） with 50% ultimate strength σc level load effect. The results show that for the concrete with different admixtures and C60 concrete under the corrosion time， with the increase of the depth， chloride ion concentration value decreased and between 0～20 mm rapidly， and in the range of 20～40 mm tended to be stable； the concentration of chloride ion in 0～10 mm concrete increased with the increase of corrosion time； in 30～110 days， the concentration increased faster， and the rising speed was slower in 110～190 days； the chloride ion concentration in C3-3 concrete with compound admixtures was the least， and the largest in concrete with no admixtures， so admixtures could reduce the concentration of chloride ion in the concrete and increase the anti-permeability of concrete.
关键词：高性能混凝土；氯离子；掺合料；载荷作用
Key words： high performance concrete；the chloride ion；admixture；loading
中图分类号：TU528.33 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0136-03
0 引言
钢筋混凝土作为大量应用的工程材料，其耐久性人们最为关心。但大量实践表明，暴露在室外环境或者应用在腐蚀环境下的混凝土结构，有时只有一二十年，甚至仅有短短几年，没有人们预想的那么耐久[1]。钢筋腐蚀、混凝土碳化、冻融循环等都会使混凝土的耐久性降低。其中，混凝土结构中钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的重要问题，而氯离子在混凝土中的渗透入侵又是造成钢筋锈蚀的主要原因[2]。
为提高基材的胶结强度和混凝土的密实性，仅靠高强度等级水泥和提高水泥用量是不够的，而且水泥用量过大对混凝土的耐久性并不完全有利。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[3]。在工程应用中，混凝土不单单受腐蚀作用影响，还受到各种载荷作用，因而，混凝土内部结构可能会受影响，从而影响到抗渗性和耐久性[5]。
本文对经50%强度极限σc的等级载荷作用后的四种C60高性能混凝土（无掺合料、50%粉煤灰、50%矿粉、15%粉煤灰+35%矿粉）进行人工海洋气候环境模拟劣化实验，得到了氯离子侵蚀规律随掺合料不同及腐蚀时间的变化规律。
1 试验原材料及方法
试验原材料和混凝土配合比：
本试验采用的水泥为徐州中联水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，粉煤灰为徐州茅村电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，矿粉则由徐州铸本混凝土公司提供。本实验混凝土基础配合比如表1所示，其中C3-0表示无掺合料的普通混凝土。
2 试验方法
本试验采用的荷载等级为强度极限σc的50%，所使用的混凝土试块尺寸为100×100×400mm，取3块进行试验，然后取其平均值。具体的试验步骤如下：①以强度极限σc的50%作为加载等级对混凝土试块进行加载处理并编号；②保留一个100×400mm的长方形面，其他面使用环氧树脂密封；③将混凝土试块放入人工海洋气候环境模拟室中进行盐雾-光照劣化，盐雾浓度为5%NaCl溶液。然后分别在30天、110天和190天后取出混凝土试块，并钻取混凝土试块深度0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm、25～30mm、30～35mm和35～40mm范围的混凝土粉末存入密封袋中；④称取4g粉末放入装有40g蒸馏水的试剂瓶中，密封后放在震动台上振荡30分钟并静置24小时；⑤用DY-2501A氯离子浓度快速测定仪测量氯离子浓度，将标定好的电极插入处理好的待测试剂瓶中，等读数稳定后读取氯离子含量值。
3 实验结果及分析
3.1 荷载作用下不同掺合料混凝土氯离子浓度随深度的变化规律
根据强度极限σc的50%的荷载作用，在不同深度l、不同腐蚀时间t所测得的氯离子浓度c的数据，如表2所示（C3-1、C3-2、C3-3试验数据略），绘制不同腐蚀时间t时，混凝土中氯离子浓度随深度l的变化曲线，如图1所示。
图1中的（a）、（b）、（c）四幅图分别为腐蚀t=30d、110d和190d时，混凝土中氯离子浓度随深度c随深度l的变化曲线。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随着距试样表面深度l的增加，氯离子浓度值减少，并且浓度值在0～20mm的减少量最大，但当深度为20～40mm时，浓度值趋于稳定。因为本文设计的实验包含盐雾劣化腐蚀机制，毛细力和浓度梯度向氯离子提供了侵入动力。距表层越近，局部氯离子浓度梯度就会越大，氯离子积累量较多；距表层越远，局部浓度梯度越小，氯离子积累较少。②在腐蚀时间相同、距试样表面相同深度的地方，C3-0中氯离子的浓度值最大，复掺混凝土C3-3试样氯离子的浓度最小。例如，当腐蚀时间为30天，在距离腐蚀面10mm处，C3-0，C3-1、C3-2、C3-3中氯离子浓度分别为0.0948%（最大），0.0180%，0.0449%、0.0108%（最小）；又例如，腐蚀时间是190天时，四种混凝土中氯离子浓度对应为0.2383%（最大）、0.0554%、0.2125%、0.0441%（最小），说明掺入了矿粉和粉煤灰的混凝土，具有一定的抗氯离子腐蚀性。这是因为粉煤灰、矿粉等在混凝土中增加混凝土的和易性，增加混凝土的干缩性、抗裂性[4]，相对于C3-0混凝土，内部空隙空间和流动通道较少，使氯离子难以进入和储存在混凝土内部。
3.2 不同矿物掺合料混凝土氯离子浓度随腐蚀时间的变化规律
表3为不同掺合料、不同腐蚀时间下，距试样表面0～10mm处氯离子浓度值，基于表3的数据（10mm试验数据略），绘制出掺入不同掺合料的混凝土中氯离子浓度c随腐蚀时间t的变化图，见图2。
图2表示混凝土在掺入不同掺合料情况下，混凝土中5～10mm层的氯离子浓度c随腐蚀时间t的变化曲线。对图2进行分析：
①表面层混凝土中（0～10mm）氯离子的浓度随腐蚀时间增加而增大，这是因为氯离子不断堆积在混凝土中。②混凝土的掺合料不同，氯离子浓度随腐蚀时间的变化规律大致相同，复掺混凝土抗氯离子侵入性能更好些。在当载荷等级为50%σc下，C3-0、C3-1、C3-2、C3-3中氯离子浓度值从30天到110天升高速度较慢，从110天到190天升高速度较快。这是因为混凝土初期受外部载荷作用时，其内部空隙结构很容易受到改变，产生微裂纹，裂隙较多，氯离子能够很快进入混凝土中，浓度值上升也就快。从110天到190天，混凝土由于凝固时间较长，结构相对稳定些，空隙结构不易遭破坏，新增裂隙数量较少；另外，由于腐蚀时间增加，前期混凝土空隙增多，氯离子进入混凝土内部，氯离子和混凝土中其他化合物发生反应，新生物填充了空隙，而且，混凝土中的浓度梯度随着腐蚀时间降低，使氯离子侵入速率和累积的速率降低，浓度值上升较慢。
4 结论
①对于掺合料不同的混凝土和腐蚀时间点下的C60混凝土，随着深度的增加，氯离子浓度值减少，且该值在0～20mm之间降低较快，在20～40mm之间趋于稳定。②表层混凝土中（0～10mm）氯离子的浓度，随着腐蚀时间增加而增大；在30～110天，浓度值的升高速度较快，在110～190天上升速度较慢。③复掺混凝土C3-3中的氯离子浓度最小，无掺合料的混凝土中氯离子浓度最大，复掺掺合料可以更好地增加混凝土的抗渗性，降低侵入氯离子的浓度值。④根据不同的应用环境采取不同掺合料的混凝土，有效地缓解氯盐荷载环境下混凝土腐蚀的问题，为实际工程应用提供理论依据。
参考文献：
[1]易成，谢和平，等.混凝土抗渗性能研究的现状与发展[J].混凝土，2003（2）：7-11，34.
[2]路新瀛，武建伟.钢筋混凝土桥梁的耐久性与高性能混凝土[J].公路，2002（4）：89-93.
[3]金伟良，薛文，陈驹.海岸及近海混凝土材料耐久性设计指标的影响参数分析[J].建筑结构学报，2011，32（12）：86-87.
[4]陈月顺，刘莉，吴宏伟.粉煤灰掺量对混凝土抗渗性影响的研究[J].新型建筑材料，2007（03）.
[5]Brodersen， H. A.， ‘Zur Abhangigkiet der Transportvorgange verschiedener Ionen im Beton von Strukrur und Zusammensetzung des Zementsteins’， Dissertation RWTH Achen，1982.