动载_环境耦合作用下氯离子在混凝土中的扩散性能研究_王彩辉

1. 5. 3 氯离子扩散测试 耦合作用结束 时，将 试 件 放 置 试 验 室 环 境 中 一
天，然后采用钻粉的 方 式 从 混 凝 土 的 受 弯 面 向 下 取 样，并间隔 5 mm 取样一次，共 6 次，取至 30 mm 处。 将 所取粉末放入烘箱，温度设为 105 ℃ ，保持 2 h；然 后按照 JTJ 270—98《水 运 工 程 混 凝 土 试 验 规 程 》［7］ 进行水溶性氯离子含量的测定。
编 者 按 ：高 速 铁 路 作 为 一 种 先 进 的 轨 道 交 通 方 式 ，其 重 要 性 在 我 国 经 济 高 速 发 展 的 背 景 下 日 益 突出。为解决高速铁路建造中的材料问题，国家科技部在 2008 年立 项 了 863 计 划 重 点 项 目《轨 道 交通用关键材料》，其中课题之一为“高速铁路用钢筋混凝土”。该课题目的是针对时速 350 km 的 高速铁路，研究强度 500 MPa 级的细晶粒钢筋、高耐久混凝土的材料及应用技术。本刊针对这一课 题取得的最新研究成果，诸如：高铁无渣轨道板混凝土材料、高铁预应力箱梁混凝土、500 MPa 细晶 粒钢筋混凝土梁疲劳性能、动载 － 温度耦合作用下氯离子在混凝土中扩散、疲劳载荷与环境因素耦 合 作 用 下 结 构 混 凝 土 的 耐 久 性 研 究 等 进 行 报 道 ，以 飨 读 者 。
应力水平 S，即 循 环 荷 载 产 生 的 应 力 与 静 载 强 度的比值即 S = σ /f 是非 常 重 要的 参 数。本试 验 中，循环荷载的波形 为 正 弦 波，频 率 为 10 Hz。 温 度
2
1—试件；2—密封层；3 —NaCl 溶液 图 1 试件与 NaCl 溶液耦合示意 Fig. 1 Diagram of specimen coupled with NaCl solution
（ t 或 T） ，t 为 华 氏 温 度； T 为 开 尔 文 温 度 或 绝 对 温
度。氯离子扩散 系 数 D，表 征 氯 离 子 在 混 凝 土 中 的 传输能力，单位为平方米每秒（ m2 / s） 。
1. 5 试验方法
1. 5. 1 饱水度检测
将试件在 105 ℃ 烘 箱 内 烘 至 恒 重，记 为 M0 ，然 后将试件放置于实验室环境自然冷却至室温；再将
动载 － 环境耦合作用下氯离子在混凝土中的 扩散性能研究*
王 彩 辉1，2 孙 伟1，2 蒋 金 洋1，2 孙 国 文1，2 叶 邦 土1，2 韩 建 德1，2
（1. 江苏省土木工程材料重点实验室，南京 211189； 2. 东南大学材料科学与工程分院，南京 211189）
摘 要： 为了研究动荷载与环境因素（ 温度、氯盐） 耦合 作 用 下 氯 离 子 在 混 凝 土 中 的 传 输 行 为 ，设 计 出 一 套试验机制，以研究此工况下混凝土的饱水性能、不同应力 水 平 下 氯 离 子 的 传 输 行 为 及 动 载 与 温 度 耦 合 作 用 下氯离子的传输行为。试验结果显示，此工况下混凝土的饱水度均在 99% 以上，可 认 为 氯 离 子 在 混 凝 土 中 的 传 输 以 扩 散 为 主 ；氯 离 子 的 扩 散 系 数 随 应 力 水 平 和 温 度 的 提 高 而 加 快 ；并 得 到 此 条 件 下 氯 离 子 扩 散 的 活 化 能 为 19. 9 kJ / mol；通过寿命预测模型得到常温下钢筋混凝土大桥的寿命为 89. 1a。
本 研 究 正 是 基 于 以 上 情 况 ，从 实 际 考 虑 ，设 计 了 耦 合 试 验 装 置 ，有 效 地 将 动 载 、温 度 及 氯 离 子 扩 散 耦 合在一起，研究氯 离 子 在 混 凝 土 中 的 扩 散 规 律。 此 方法可为进一步研究耦合情况下钢筋混凝土损伤劣 化及其寿命预测提供有效途径。
目前，跨海工程 已 经 发 展 到 了 跨 越 海 湾 和 连 岛 工程的建设时代，在 国 际 上 有 规 划 中 的 直 布 罗 陀 海 峡 、白 令 海 峡 等 跨 海 工 程 ；在 我 国 有 规 划 中 的 粤 港 澳 大桥工程等。这些处于海洋环境中的大型工程对耐 久性有着非常高的 要 求，抗 氯 离 子 侵 蚀 是 其 混 凝 土 结构耐 久 性 的 重 点 内 容［1］。 跨 海 桥 梁 工 程 不 仅 遭 受 环 境 因 素 如 温 度 变 化 、氯 离 子 侵 蚀 ，而 且 承 受 包 括 风 荷 载 、车 辆 荷 载 以 及 波 浪 荷 载 等 荷 载 作 用 ，因 此 保
试件外围加一环境 箱，即 可 实 现 动 载、温 度、氯 盐 的
三重耦合。
1 试验设计 1. 1 原材料
水泥采用 863 项 目 专 用 水 泥，砂 子 细 度 模 数 为 2. 4。级配Ⅱ区；粗 骨 料 采 用 最 大 粒 径 为 20 mm 的 石灰岩碎石；氯化钠浓度为 10% 。 1. 2 主要试验设备
2. Department of Materials Science and Engineering of South East University，Nanjing 211189，China）
Abstract ： The diffusion performance of chloride ion in concrete under the coupling action of dynamic load and environment was researched by a new set of experimental mechanism. The experiment was composed of study on saturated performance of concrete，diffusion performance of chloride ion with different stress levels and under coupling action of dynamic load and temperature. The results showed that the transport mechanism of chloride ion in concrete accounted with diffusion due to the 99% of degree of saturation of concrete； diffusion coefficient of chloride ion was increased with the stress level and temperature increase； and the activation energy for chloride diffusion was 19. 9 kJ / mol； life of reinforced concrete bridge was 89. 1 years obtained by the model of life prediction of reinforced concrete. Keywords ： Coupled； dynamic load； stress level； temperature； chloride ion； diffusion
关键词： 耦合； 动载； 应力水平； 温度； 氯离子； 扩散
THE STUDY ON DIFFUSION PERFORMANCE OF CHLORIDE ION IN CONCRETE UNDER COUPLING ACTION OF DYNAMIC LOAD AND ENVIRONMENT
Wang Caihui1，2 Sun Wei1，2 Jiang Jinyang1，2 Sun Guowen1，2 Ye Bangtu1，2 Han Jiande1，2 （1. Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials，Nanjing 211189，China；
美国 MTS810 材 料 试 验 机，实 现 疲 劳 载 荷 即 动 荷 载 ；环 境 箱 ，模 拟 温 度 的 变 化 。 1. 3 试件
试件尺寸统一采用 70 mm × 70 mm × 280 mm， 搅拌振捣后置于实验室环境下，静置 24 h，并用 PVC 薄 膜 将 成 型 面 覆 盖 ，防 止 试 件 失 水 收 缩 ；然 后 转 移 至 养护室，养护温度 （ 25 ± 1 ） ℃ ，湿 度 大 于 95% ，养 护 3 个月；每种应力水平测试三个试件，取其平均值。 1. 4 主要试验参数
试件置于真空饱水仪中饱水至恒重；饱水后将试件
用高空硅胶脂密封，厚 度 约 1 mm，再 用 透 明 胶 带 单
层轻附于硅胶脂上，记下 此 时 试 件 质 量 为 M∞ ，定 义 试件的饱水度为：
ξs
=
Mi － M0 M∞ － M0
× 100%（1） Nhomakorabea式中：Wi 为间隔一定时间后试件的质量。
1. 5. 2 耦合方法
工业建筑 2010 年第 40 卷第 11 期 1
国内外众多优秀学者已对荷载作用下氯离子在 混凝土中的扩散性能做了大量有意义的研究。法国 学者 R. Francois 和 J. C. MASO［2］，采用三 点 弯 曲 方 式加载，两个应力 水 平，喷 洒 盐 雾，结 果 显 示 应 力 与 氯离子的扩散存在 幂 函 数 关 系，其 研 究 一 方 面 只 考 虑 静 载 情 况 ，而 未 考 虑 动 载 情 况 ；二 是 未 考 虑 环 境 因 素的作 用 如 温 度 的 影 响。 W. Alex Gontar，Joseph P. Martin，和 John S［3］采 用 两 种 疲 劳 控 制 方 式 （ 荷 载和位移） ，研究了 混 凝 土 扩 散 与 疲 劳 荷 载 的 关 系， 单轴抗压 作 用 下，荷 载 值 达 到 其 极 限 强 度 的 70% 时 ，对 其 扩 散 性 能 几 乎 没 有 影 响 ，但 在 抗 弯 试 验 中 却 十 分 明 显 ，其 研 究 的 方 式 为 交 替 式 ，即 先 加 载 后 进 行 氯离子扩散，没有将 荷 载 与 氯 离 子 扩 散 同 时 耦 合 在 一 起 来 研 究 ，这 可 能 与 实 际 有 所 差 别 。 陈 拴 发 ，廖 卫 东，郑木 莲［4］从 实 际 情 况 出 发 研 究 了 在 疲 劳 腐 蚀 下 ，氯 离 子 在 混 凝 土 中 的 扩 散 性 能 ，但 未 考 虑 环 境 因 素如 温 度 对 扩 散 性 能 的 影 响。 Nobuaki Otsuki［5］， page［6］等人分别研究了不同温度下氯 离 子 在 水 泥 砂 浆和混凝土中的扩 散 规 律，并 通 过 氯 离 子 扩 散 的 活 化能角度来表征其 扩 散 性 能，但 对 温 度 对 氯 离 子 在 混凝土中的传输没有涉及。