王 祥,范 宏,杨海川,万小梅,王洪全,牛宝乐

(青岛理工大学 土木工程学院,青岛 266525)

氯离子对混凝土侵蚀的研究大多数忽略了粗骨料的影响,并且只采用一种试验方法,这就导致试验方法本身的缺点对试验结果造成一定影响。工程中常用的混凝土粗骨料体积分数为20%～70%,最大粒径为20～40 mm,改变粗骨料体积分数或最大粒径必会引起混凝土孔隙率及孔隙分布变化,从而引起混凝土抗氯离子渗透性变化[1]。目前,国内外常用的氯离子渗透性测试方法有很多,其中发展最快的是电化学测试方法,其代表性的方法有电通量法、RCM法、交流电测量法等[2-6]。电通量法具有速度快、方便等优点,但在长期电流的作用下容易发生极化反应和溶液升温,测试数据容易受到干扰;RCM法能真实反映混凝土中氯离子的迁移过程,但与其他电测方法相比,测试时间较长,忽略了对流的影响,测试结果容易受到人为干扰[7-8];交流电测量法的最大优点是改进了ASTM C1202方法,解决了在长期直流电流作用下容易发生极化反应和溶液温升,使测试数据受到干扰的问题[9],但在具体使用电阻率测量装置的过程中,试验槽的密封效果、导体、试验结构之间的连接等装置细节对测试结果的稳定性和准确性具有潜在影响。为了既可以有效地对氯离子的渗透性做出准确的评价,又可以减少测试时间、极化反应、装置细节等因素的影响,本文以交流电测量法(采用优化的试验装置)为主,以国家现行标准中的RCM法、电通量法为辅,研究不同粗骨料体积分数及粗骨料最大粒径对混凝土抗氯离子渗透性的影响。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料和试件的制备

1.1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥;细骨料采用最大粒径为5 mm的河砂;粗骨料选用表观密度为2610 kg/m3的花岗岩;试验用水为普通自来水。

1.1.2 试件配合比

为研究粗骨料体积分数和粗骨料最大粒径对混凝土渗透性的影响,本试验参照规范[10]采用连续级配粗骨料,由于骨料形状对氯离子扩散影响很小[11-12],形状可随机选取。试验配置了粗骨料体积分数分别为0,10%,20%,30%,40%,50%,60%(编号为0—6)的7种混凝土。在相同的粗骨料体积分数(50%)下,配置了最大粗骨料粒径分别为16,20,25和31.5 mm(编号为A5,B5,C5和D5)4种混凝土,详细配比见表1。

表1 混凝土配合比

1.1.3 试件的制备与养护

根据试验设计,每个编号混凝土制作2种不同规格的试件,分别为φ100 mm×50 mm的圆柱体试件和边长为100 mm的立方体试件。试件制备完成后,放置在室内(温度(20±5) ℃,相对湿度>50%)静置1 d,然后放入标准养护室养护至规定龄期。

1.2 试验方法

本文以交流电测量法为主,以国家现行的RCM法和电通量法为辅,确保试验的可靠性。

1.2.1 交流电测量法

试验方法按照规范[13]相关规定进行,采用青岛理工大学自主研发优化的混凝土电阻率测试仪和试验槽(图1),该电阻率测试装置的优化包括:①采用一种新的导线连接方式,即导线与测试仪端的连接方式不变,与铜板连接端的接头采用纯铜材质的鳄鱼夹直接夹在铜板上,不再使用接线柱;②试验槽上部中间增加了一个用于排气的开孔;③密封方式采用双面胶密封;④采用新型夹持固定装置。

图1 交流电测量法试验装置的主体结构原理示意1—混凝土电阻率测试仪(1000 Hz,1 V);2—导线;3—试验槽;4—铜网片;5—混凝土试件;6—3.0%NaCl溶液;7—注液孔

试件经真空饱水处理后,测量其高度与直径,结果精确到0.1 mm。然后以硅胶密封材料涂刷试件圆柱侧面,试验前采用强力双面胶带密封试块,用新型夹持固定装置固定后,按上述规范进行测试。

1.2.2 RCM试验

试验方法按照规范[14]中7.1节中的相关规定进行。

1.2.3 电通量试验

试验方法按照规范[14]中7.2节中的相关规定进行。

2 粗骨料对抗氯离子渗透试验结果的影响

2.1 粗骨料体积分数对抗氯离子渗透性的影响

对龄期为28 d的试件进行测试,得到不同粗骨料体积分数试件的电阻率(图2)、氯离子扩散系数(图3)、电通量(图4)。

从上述3种试验结果(图2—4)均可看出,当粗骨料体积分数从0逐渐增加到60%时,混凝土的抗氯离子渗透能力增强,与其他学者的研究规律[15-16]相吻合。从粗骨料对氯离子在混凝土中扩散的影响来看,一方面粗骨料本身具有很大的密度,会极大地阻碍氯离子在其内部的传递,因此可以认为氯离子不会在粗骨料内部扩散[17];另一方面氯离子传输主要依赖于水泥砂浆,随着粗骨料体积分数的增加,混凝土中水泥砂浆的相对含量会降低,氯离子的传输距离增加,从而混凝土的抗渗透阻力增加。

2.2 粗骨料最大粒径对抗氯离子渗透性的影响

对龄期为28 d的试块进行测试,得到不同粗骨料最大粒径试件的电阻率(图5)、氯离子扩散系数(图6)、电通量(图7)。

从理论上讲,骨料粒径的增大会减少界面过渡区的数量,限制氯离子在混凝土中的迁移,使抗氯离子渗透性提高。但由上述3种试验结果(图5—7)可以看出,随着骨料粒径的增大,试件的氯离子渗透阻力先增大,当最大骨料粒径超过25 mm后再减小。出现转折的原因可能为:试件高度为50 mm,而骨料最大粒径为31.5 mm,此时的边壁效应愈加明显,因为在试件振捣过程中,大粒径骨料受重力影响快速沉到试件底部,且大粒径骨料对其他小粒径骨料的流动有阻碍作用,使得试件内骨料分布不均匀;同时,大粒径骨料占比的增加,导致骨料数量减少,相邻骨料的间距增大,而氯离子是通过砂浆传递的,因此试件的氯离子渗透性增加。并且根据现行国家标准[14]第7.1.4条的要求,RCM法和电通量法对粗骨料最大粒径的要求也适用于交流电测量法。

2.3 不同测试方法的相关性分析

为了便于建立交流电测量法与RCM法和电通量法试验结果的线性关系,将测得的电阻率转化为电导率后与氯离子扩散系数和电通量汇总成表2,线性拟合采用最小二乘法,得到氯离子扩散系数与电通量随电导率变化的线性模型(图8)。

表2 3种试验结果汇总

由图8可以看出,交流电测量法与RCM法和电通量法有很好的相关性,R2分别为0.8392,0.93427。因此,RCM法和电通量法对最大骨料粒径的要求也适用于交流电测量法。交流电测量法的渗透性评价中有20%比电通量法的高,80%相一致。因此交流电测量法(采用优化的装置)的渗透性评价较电通量法更加严格,并且在测试过程中更加简单高效。

2.4 粗骨料最大粒径对边界效应的影响

由前文可知,在粗骨料最大粒径为25 mm时,混凝土抗氯离子渗透性出现了转折,原因还可能为骨料对边界效应层厚度产生影响,因为混凝土浇筑成型后一定会存在混凝土-模板等两相界面,界面处骨料分布不均导致边界效应层结构不均,主要体现在该层的浆体变多[17],而氯离子主要通过砂浆传输,边界效应层的厚度对混凝土抗氯离子渗透性的影响不容忽视[16],为方便研究,采用100 mm×100 mm×100 mm的试块,具体为通过测量不同粗骨料最大粒径下的混凝土截面骨料分布情况来研究最大粒径的边界效应的影响。利用打磨机对试块以1 mm的间距从待测面进行逐层打磨并拍照,利用MATLAB软件对图片进行处理,获得二值图像,然后统计分析区域内骨料面积分数(不能将试块的整体截面作为分析区域),具体分析区域如图9阴影部分,阴影区域距离各边25 mm[18-19]。

图9 分析区域

试验得出的不同最大粒径的骨料体积分数与平均骨料体积分数,如图10—11所示,其中Dmax为骨料最大粒径。从图中可以看出,不同最大粒径骨料的体积分数趋势大致相同,距表面0～15,16～30 mm的不同最大粗骨料平均骨料体积分数相差不大,因此,骨料的最大粒径对试块的边界效应影响较小。

3 结论

本文使用我校自主研发并优化的装置,以交流电测量法为主,RCM法和电通量法为辅,共同研究粗骨料体积分数和最大粒径对混凝土抗氯离子渗透性的影响,结果如下:

1) 水胶比相同的情况下,3种测试方法均表明随着粗骨料体积分数的增加混凝土试件的抗氯离子渗透性也增加。

2) 试验表明单一增加粗骨料最大粒径,试样的抗氯离子渗透性不再单调增加,而是在骨料最大粒径为25 mm时出现明显的转折点,其主要原因为边界效应增强导致粗骨料分布不均。骨料最大粒径对边界效应层的厚度影响较小。

3) 3种测试方法得到的测试结果之间的相关性良好,RCM法和电通量法对最大骨料粒径的要求也适用于交流电测量法。相比其他两种方法,交流电测量法(使用优化后的装置)在使用上更加简单、高效,试验结果更加严格。