混凝土抗压强度对氯离子在裂缝中扩散速率的影响

混 凝 土
理论研究THEORETICAL RESEARCH
2021年第4期(总第378期)
Number 4 in 2021(Total No.378"
doi ：10.3969/j.issn.1002-3550.2021.04.005
混凝土抗压强度对氯离子在裂缝中扩散速率的影响
陈士龙1,顾春平1'2,杨 杨 叫 刘金涛1'2,倪彤元112
0.浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310023； 2•浙江省工程结构与防灾灾技术研究重点实验室，浙江杭州310023)
摘要：通过氯离子稳态扩散试验，研究了混凝土强度(C30、C50、C80)、裂缝宽度(50〜600 !：)对氯离子在裂缝中扩散速率的 影响。

结果表明，氯离子在C30裂缝中
速 远小于在C50和C80裂缝中，其原 由于C30中裂缝的 折程度 于C50 1
C80； 裂缝 度的
，混凝土裂缝中的氯离子 快速增大， 当裂缝 度 于150 !：后，氯离子在裂缝中的扩散
基本保持
U
关键词：抗压强度；氯离子扩散系数；裂缝宽度
中图分类号：TU528.07 文献标志码：A 文章编号：1002-3550(2021)04-0016-04
Effect of concrete compressive strength on the diffusion rate of chloride ions in cracks
CHENShilonf , GUChunpingX , YANG Yang ,LlUJintao 1>1r NITongyuan 112
(1 .College of Civil Engineering & Architecture , Zhejiang University of Technology , Hangzhou 310023, China ；
2.Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology
of Zhejiang Province , Hangzhou 310023, China )
Abstract: The effects of concrete strength (C30,C50,andC80)and crack width (50〜600 |±m ) on the diffusion behavior of chloride ions
in cracks were studied with chloride steady-state diffusion tests.The results showed that the diffusion rate of chloride ions in C30 cracks
was much lower than that in C50 and C80 cracks.The reason was that the tortuosity of cracks in C30 was higher than that in C50 and C80 cracks.As the crack width increases , the chloride diffusion coefficient increases rapidly , but when the crack width is bigger than 150 |±m ,
the diffusion coefficient of chloride ions in the crack stayed almost constant.
Key words: compressive strength ； chloride diffusion coefficient ； crack width
0引言
在海洋环境中服役的钢筋混凝土结构构件,必须考虑 由于氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀问题。

钢筋锈蚀会导致混
凝土保护层发生胀裂,使建筑结构提前失效U 当混凝土保护 层出现裂缝时，裂缝可作为氯离子、水、氧气等物质快速向 混凝土内部传输的通道，加速钢筋锈蚀。

近年来，氯离子在混凝土裂缝中的传输行为已有相关 研究Zi u Aldea 等人,7/研究了裂缝对混凝土透水性和氯离
子透性的。

在 作 使 裂
宽度为50-250 !m 的裂缝。

采用快速氯离子渗透试验冋进 行氯离子透性评价，结果明裂混凝土氯离子透
裂缝度的 ，水透 明 于氯离
子透。

等人9研究了向 裂缝对混凝土内氯离子侵蚀作用的影响，发现当表面裂缝宽度小于0.3 mm 时，等效氯离子扩散系数平稳增大;当裂缝宽度大于0.3 mm 后，等效氯离子 快速，氯离子侵 对作用
的 加大。

穆松等人问结了混凝土裂缝特征对氯离子收稿日期：2020-01-13
基金项目：国家自然科学基金（51708502）传输行为影响的研究进展。

总体而言,裂缝宽度小于100 !m 时，裂缝宽度对裂缝中氯离子传输速的 当裂
缝宽度大于100 !m 时，裂缝中氯离子的传输速率变化较小。

， 的裂缝深度水 对裂混凝土中氯离子传
输速的加有明 进作， 加水 加适
物 ，可 已裂混凝土中氯离子的传输速U
裂缝深度对氯离子的传输也具有明显的 u Audenaert 等[11] 采 发现氯离子透度随着裂缝深
度
的加 加。

问研究了 作
氯离子在 裂混凝土中的输 ，发现裂缝 度对
超出裂缝部 的氯离子质 C
研究 于裂缝性质对 裂混凝土氯离子传
输性 的 ,对于氯离子在裂缝中传输行为的研究。

且在 中，为建筑 的需要，以在
结构设计时会配制 强度的混凝土。

混凝土强度的不
，会导致裂裂缝的粗糙度、折度的 ， 目前
基于混凝土强度对氯离子在裂缝中 行为的研究 U
因此，本研究通过 ，探究混凝土强度及裂缝
-16 -
宽度对氯离子在裂缝中扩散速率的影响。

1原材料及试验方法
1.1原材料及配合比
本研究胶凝材料采用P-042.5和P-052.5级水泥，比表面积为358、397m2/kg；标准稠度用为262%、28.2%。

细集料由机制砂和天然砂混合而成,机制砂细度模数为3.3,天然砂细度模为0.8；粗集料是含泥为0.2%
表1减水剂参数表
型号外观干燥失重/%堆积密度/（kgm3）
Melfax4930F黄色粉末！2300~600 6.5~8.5的碎，粒径为5〜20mm。

减剂采用巴斯夫公司生产的Melfux4930F型号减水剂,基础参表1。

在混凝土配制程中，通调节外加剂的用，控制新拌混凝土的
度在（160±20）mm。

本试验配制了3度等级的混凝土:C30、C50、C80,配合比28d度见表2。

表2混凝土配合比及28d抗压强度
组别
材料用量/（kgm3）度
/MPa 泥P-042.5泥P[052.5粗骨料（5〜20mm）天然砂机制砂水减剂掺
C30371-11255511382150.4536.8 C50500-10984941231850.7559.2 C80-5501113479120138 1.9389.6
1.2试件制备
采用直径100mm,高为50mm的圆饼形塑料模具浇筑稳态试验所需的混凝土试件。

浇筑100mm x100mm x 100mm的试件，经振动台振捣密实后，对试件进行覆膜养护。

试件在成型24h后拆模放置在温度（20±1））和相对湿度（95±5）%条件下养护至28d龄期。

1.3裂缝预制
本研究采用劈裂试验在混凝土试件中预制裂缝。

劈裂试验采用电液伺服万能试验机，控制加载速度为0.1mm/min 荷载施加于圆饼形混凝土试件的侧部，通加载形成劈,在混凝土试件内部裂缝。

试验时通过置于混凝土试件加载平台的Y宽约为20mm,厚度约为5mm）,将所施加荷载传递至混凝土试件。

当混凝土试件出现一条的裂缝时，加载。

将圆形的裂缝试件侧用进行密,用形在试件的裂缝度
中置,用裂缝裂缝宽度,对6
置的裂缝宽度为试件的实裂缝宽度（见图1）。

图1完成裂缝预制的试件1.4氯离子稳态扩散试验
稳态试验采用制的试验置（2）。

将成裂缝预制的混凝土试件在置的中,用中进行密,后,试件试验的密能。

置的中
为3.5%的NaCl液，中。

试验温度控制为（20±1）8。

图2氯离子扩散装置
于的在度，所中的
混凝土的裂缝速中。

,通混凝土,是于在混凝土中的速率远低于在裂缝中，且试验持续仅为14d,因此在本研究假设试验过程中氯离子全部是通混凝土中的裂缝至中。

的程经历阶段，第一阶段为非稳态,通混凝土中的裂缝，但是还未达到稳的状态。

第二阶段为稳态，在此期，随的增加，中度单的增恒定，如36示。

中！a为非稳态阶段到稳态扩散阶段转折点所对的。

试验程中，每隔12h中取出约20mL溶液装入透明的塑料瓶，此同时在中用注射器注入20mL 的，维持液面的衡。

液中度基于选择电极法，采用RCT含速。

根据图3可知，在稳状态下，至的子
-17
-
C i d )、鰹
擀』械M
(
l
/
bo)
、g■
烽*
極«
-0.2-------------------------------------------------------------
050100150200250300350
扩散时间/h
(a)C30
5r
■56pum
―•—72|un
—a—91|xm
▼120pm
♦136|im
——221
—►~317pm
•531pm
1.0
的通量为
戶r⑴
#At
式中："—
—右槽溶液的体积,％3;
&—裂缝的横截面积,％';
A C ct-----定时间内右槽氯离子浓度的增量,mol/m3;
At—扩散时间的增量,h;
AC a-/A t——图3中直线段斜率。

氯离子在裂缝中的扩散系数则可通过菲克扩散第一定律计算得到：
T占-⑵
A C ct
式中:'+—氯离子在裂缝中的扩散系数,％'/s;
L---混凝土试件的厚度50mm;
ACa------右槽氯离子浓度的增量,m o l/m3;
J---氯离子通量,mol/(m'-s)o
此处所得氯离子扩散系数实际为等效的氯离子扩散系数，这是由于在试验过程中，氯离子在裂缝中除以扩散的方式进行传输外,必然会存在一定的对流作用。

2结果与分析
2.1不同混凝土强度和裂缝宽度条件下右槽中氯离子浓度变化
由图4可，氯离子在度的裂缝中扩散，
个阶段。

在350h内，随着裂缝度的增大，装置右槽中氯离子浓度增长加，氯离子在度更大的裂缝中扩散。

此外，对图4(a)图4(b)、(c)可，在的裂缝度下,C30混凝土试件右槽中的氯离子浓度于C50C80o这是由于度的混凝土裂试验,试件裂缝面的程度o图5所,C30凝土裂时，裂缝 于面过，集,此裂缝面大,裂缝的程度C80凝土由于度，面过度，裂时裂缝直过，此C80的裂缝面为，程度C50中的裂缝则处于间,裂时裂缝过,,
,此C50中裂缝的程度处于C30C80间
由于C30的裂缝程度,氯离子在裂缝中的实际扩散离,氯离子扩散过程中到裂缝面的,此氯离子在C30裂缝中的扩散率
(
T
/
已
、^
操*
褴M
-050100150200250300350
扩散时间/h
(b)C50
4r
—■—64
—•—94|xm
▲1126|im
▼190|im
—♦—262pm
一—322|xm
►406|im
—•—602p.m
3
2
1
(
T
/
已
、^
烽
用
褴M
■77|JLm
•138jim
—a—144pn
▼239pm
♦273|xm
—346pm
—►—353
—•—390jim
*508p-m 050100150200250300350
扩散时间/h
(c)C80
图4混凝土试件右槽中氯离子浓度随时间变化
图5C30、C50、C80试件断裂面图
在C50和C80的裂缝中,氯离子的扩散速率均快于在C30,为然C80中裂缝的程度，是C80
凝土由于，在试验过程中可会
.氯离子的扩散速率此氯离子在C80裂缝中的扩散率于在C50
此外，当裂缝宽度小于150"%时,3组混凝土试件右槽中氯离子浓度随时间的线为，△$『/△%的大;然裂缝宽度大于150"%，氯离子浓度随时间增加，即ACcr/A%的值变大，曲线岀更大的斜率;在C30、C50和C80中呈现一致的趋势。

22氯离子扩散系数
氯离子在混凝土裂缝中传输的速率可以用氯离子扩
18
・
散系数D a表示。

由图6可知，当裂缝宽度小于150时,随着裂缝宽度的减小，氯离子扩散系数急剧减小;从1.33! 10-7m2/s下降至2.64X10-10m-/s;当裂缝宽度大于150时，氯离子的扩散系数较为稳定地介于10』〜10-7m2/s之间。

当裂缝宽度小于150时,随着裂缝宽度的减小，曲折的裂缝面对于氯离子扩散的阻碍越大，氯离子扩散的路径也越长，因此氯离子在裂缝中的扩散系数减小。

但是当裂缝宽度大于150!m,裂缝表面的曲折程度对氯离子扩散的影响不再明显，氯离子扩散系数D a趋于稳定。

10"
10“
10-' 10_, 1O-10
■C30
•C50
a C80
---C30ffl合曲线
--C50>C80ffi合曲线
100200300400500600裂缝宽度/pm
图6氯离子在混凝土裂缝中的扩散系数
C30、C50、C80混凝土氯离子扩散系数D a随裂缝宽度变化表现出相似的趋势:即使裂缝面的曲折程度不同问,随着裂缝宽度的增大,氯离子扩散系数都是先增大后逐渐趋于不变。

但是从图中可以明显看出，当裂缝宽度为150-500!m, C30混凝土的氯离子扩散系数比C50h C80大数量级。

因为在相宽度裂缝的情况下,C30混凝土的裂缝表面的度与曲折度相对较大图5示）。

C50、C80混凝土试件它的裂缝面比C30更平整，对氯离子扩散的阻碍更小，以扩散系数更大。

23氯离子扩散达到稳态所需时间"％
图3示，右中氯离子随时间变化，浓度发展经
的变化;折对的时间即是氯离子从稳扩散稳扩散对的时现了氯离子在裂缝中的扩散速率。

％与裂缝宽度混凝土度的系图7,不是C30、C50是C80的"裂缝宽度混凝土度的系曲相同的趋势。

随着裂缝宽度的增，""逐渐减小渐渐趋于稳定。

混凝土的度越，在相宽度裂缝宽度下，稳扩散的时间越&
140 120 100
■C30•C50 |A C80
60 40
20图7100200300400500600裂缝宽度/»m
与裂缝宽度和混凝土强度的关系
对于C30混凝土试件，当裂缝宽度为50!皿左右时,达到稳态扩散阶段的时间"为120h左右；当裂缝宽度在150-500!m时,"降至约50h。

而对于C50、C80混凝土,裂缝宽度小于200!m时,""值略低于C30，而当裂缝宽度大于200^m后，其"为逐渐稳定于20h左右，远低于同件下C30的"&
在裂混凝土试件中，％于氯离子在裂缝中的扩散系数。

当裂缝宽度为150!m以下时，氯离子在C50和C80裂缝中的扩散系数于C30中，因此相的"也略于C30的"。

当裂缝宽度较大(150〜500!m)时,C50 C80裂缝中氯离子扩散系数较大，其值也相更小。

3结论
稳扩散试混凝土度裂缝宽度对氯离子在裂缝中的扩散的影响,下:
(1)当裂缝宽度小于150!m时，随着裂缝宽度的增大,氯离子在裂缝中的扩散系数增大，当裂缝宽度大于150!m时，氯离子在裂缝中的扩散系数趋于稳定。

2在相裂缝宽度件下,氯离子在C30裂缝中的扩散系数最低,C50之,C80&
(3)随着裂缝宽度的增加，氯离子扩散稳
的时间逐渐下降，渐渐趋于稳定。

由于裂缝的，在C50C80裂缝中氯离子扩散稳的时间于在C30裂缝中。

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•下转第24页
19
表3承载力试验值与计算值、模拟值之比
柱构件扎f"试验值计算值模拟值试验值试验值
编号/MPa/(N/mm2)/kN/kN/kN/计算值/模拟值SC-135.03301430.31:394.71:539.1 1.030.93
SC-235.03521:580.31:623.21:659.10.970.95
SC-335.03771:693.21:769.31:759.30.960.96
SC-435.03901:890.52:002.11:959.10.940.96
SC-541.43301:428.11:359.81:601.1 1.050.89
SC-645.43301:350.21:325.01:459.1 1.020.93
SC-751.93301:260.21:290.11:409.10.970.89
s
-
-R
無
版
寢
虑
SCLC混凝土强度等级
(a)不同SCLC混凝土强度等级
§
长细比
(b)不同长细比
图10试验值、计算值和模拟值对比
(2)随着SCLC30轴压短柱长细比从4增大至625,开裂荷载与极限荷载均呈下降趋势，当长细比为6.25时，降低幅度最大分别为25.3%和11.89%,位移和轴向应变值显著提升。

(3)本研究通过ABAQUS对SCLC轴压短柱进行有限元模拟分析，所得SCLC轴压短柱荷载-位移曲线与试验 得出的曲线趋势相同，且数值吻合度较高。

(4)采用线性回归分析，引入SCLC短柱轴压的
数，通过提出SCLC轴压短柱的计算，采用•上接第！9页
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联系地址：大道268号广西科技大学(545006)联系电话：137****1171
通讯作者：贾松林(1971-),男，硕士，高级工程师。

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联系地址：浙江省杭州市西湖区留和路288号浙江工业大学建筑工程学院(310023)
联系电话：178****4882
通讯作者：顾春平(1986-),男,副教授，研究方向：高性能混凝土体积变形及性能。

联系电话：152****6532
・。