氯盐作用下水泥混凝土桥梁结构导电性研究[1]

氯盐作用下水泥混凝土桥梁结构导电性研究[1]

李晓波

济宁市公路管理局微山公路局，山东 济宁 272004

摘要：为得到氯盐环境下混凝土导电性变化特征，本文通过室内试验，研究了不同水灰比、骨料类型、内掺氯离子条件下水泥基材料电阻率的变化规律；分析了不同环境（纯水、饱和NaCl溶液、饱和NaCl溶液+荷载）下混凝土导电特性变化过程。结果表明：水灰比越低电阻率越大；增大骨料粒径可有效改善混凝土导电性，增大电阻率，阻碍有害介质的流通行为；156天养护龄期时，内掺0.1%的氯离子混凝土电阻率较普通混凝土提高71.62%；氯盐养护条件下混凝土导电性增加，抗氯离子扩散性能降低，养护龄期为56天时，其氯离子扩散系数时普通养护条件下的2.12倍；氯盐养护条件下，低荷载作用水平对混凝土电阻率及氯离子渗透性能的影响较小。

关键词：氯盐环境；弯曲荷载；电阻率；氯离子扩散系数

为满足沿海地区经济的发展需求，近年来大量钢筋混凝土桥梁结构正在或即将建设，这些结构服役过程长期遭受海洋环境中氯离子和荷载的双重作用；随着有害介质的侵入钢筋逐渐锈蚀，引起混凝土内部逐渐劣化，微裂缝逐渐演变扩展，氯离子在钢筋表层逐渐富集引起锈蚀发生，加剧了钢筋混凝土结构的损伤[1]。因钢筋锈蚀发生的结构破坏案例众多[1-2]，对社会造成了巨大的经济损失，因此氯离子引起钢筋锈蚀的侵蚀行为已成为目前钢筋混凝土结构服役过程面临的关键问题。研究表明，用电阻率评价混凝土渗透性是一种非常有效且有前途的方法[2]。因此研究荷载作用下混凝土导电特性能够提供有效的测试手段，分析钢筋混凝土结构的损伤破坏过程。

混凝土结构所承受的弯曲荷载类型中，弯曲荷载对混凝土结构损伤较大，更易引起混凝土裂缝的产生和发展[3]，进而导致混凝土内部联通孔隙逐渐增多，形成较强的导电离子通路，加速了混凝土结构的腐蚀。目前，众多学者针对荷载作用下，混凝土内部有害介质的侵蚀过程做了大量研究，Meghdad等[4] 指出荷载水平在30%至80%之间时，混凝土内部微裂缝将持续增加，促进了有害介质的侵入；赵尚传[5]等认为随着荷载的作用，不同荷载类型对混凝土渗透性的影响存在较大差异，弯拉荷载促进裂缝产生及扩展，为有害介质的侵入提供了条件，压缩荷载能够将较大裂缝逐渐细化，减弱了有害介质的侵蚀过程；综上所述，目前关于氯离子对钢筋混凝土结构侵蚀作用的研究成果不一致，相关研究有待深入开展。在对荷载作用下混凝土渗透性的研究中，大多主要集中在弯曲荷载应力水平与氯离子扩散性变化规律，尚鲜有涉及弯曲荷载作用下混凝土导电性变化以及荷载作用下导电性与氯离子渗透性关系的相关研究。

为探讨氯盐作用混凝土导电性变化特征，本文通过设置不同实验条件（水泥掺量，混凝土组成成分、氯离子含量），分析混凝土电阻特性变化规律。获得不同水泥掺量、骨料类型及氯离子含量对电阻率的影响过程，分析混凝土电阻率变化机理。

1试验研究

1.1 试验材料和试件制作

试验用水泥为小野田P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，砂子为大河中砂，石子为5-25mm碎石。具体试件编号及水泥基材料配合比详见表表1。

表1试验条件及配合比

Table 1 Test conditions and mix proportion

1.2试验方法及过程

试件制备养护完成后，在规定试验龄期内进行混凝土电阻率测试，于试件表面均匀选取3个位置进行测试，得到电阻率变化规律。测试仪器为Resitest-400电阻率测试仪，参照混凝土导电性测试方法进行试验及数据处理。为模拟氯盐与荷载耦合作用，按照图1所示在试件上表面施加混凝土极限抗拉强度1%的荷载Pu，整个实验过程中试件浸泡于饱和氯化钠溶液中，溶液液面高于试件上表面。

图1 试件加载方式

Fig.1 The loading mode

2 试验结果分析与讨论

2.1 不同试验条件对水泥基材料电阻率的影响

2.1.1水灰比对水泥净浆电阻率的影响

不同养护龄期，水泥掺量与混凝土电阻率的关系见图2。

图2不同水灰比对水泥净浆电阻率的影响

Fig.2 The influence of w/b about cement resistivity

由图2可以看出，随着养护龄期的增加，混凝土电阻率逐渐增大；混凝土试件养护前期，电阻率增长显著，水灰比越小电阻率增长越快；28天养护龄期后，混凝土电阻率发展较为平缓；当养护龄期达到90天时，混凝土电阻率缓慢提高；低水灰比混凝土试件电阻率较高，说明其导电特性较弱。

2.1.2 混凝土各组份对其电阻率的影响

水泥、不同粒径骨料在混凝土中相互填充形成统一整体，不同颗粒间的间隙组成了混凝土的孔隙结构，因此不同粒径尺寸的各组分将会对混凝土电阻特性产生明显的影响，本文测试了水泥、砂、碎石三种粒径级别的成分对混凝土电阻率的影响，试验结果见图4。

图4 混凝土各组份对其电阻率的影响

Fig.4 The Effects of concrete components on its resistivity

由图4可以看出，混凝土各组份对其导电性的影响显著，骨料粒径增大可显著增加其电阻率；加入粗骨料的混凝土材料电阻率变化程度较大，早龄期混凝土电阻率增长较快，后期随着混凝土的硬化仍会出现小幅度的增长；仅有水泥的净浆电阻率变化范围较小，养护至180天时电阻率仍小于1000kΩ·m；砂浆电阻率与水泥净浆变化趋于一致，电阻率明显低于混凝土；因此为提高混凝土电阻率，减弱离子侵入过程，在设计混凝土配合比时可适当增加粗骨料用量和粒径尺寸，与文献[4-5]的研究结果一致。

2.1.3氯离子对混凝土试件电阻率值的影响

实际混凝土生产过程中，会有较多氯离子吸附于骨料表层，随着拌和过程混入混凝土内部，对混凝土的导电特性产生影响，本文通过模拟氯盐内掺的方式，获得了混凝土内部吸附的氯离子对其电阻率的影响规律，试验结果见图5。

图5 内掺氯离子对混凝土电阻率的影响

Fig.5 The influence of initial chloride content about the resistivity of concrete specimens

由图5可以看出，混凝土原材料吸附的氯离子会显著改变混凝土内部的导电特性，影响有害介质的侵入过程，早龄期时，内掺0.3%氯离子能够导致混凝土电阻率增加，随着养护龄期的增长，内掺氯离子对混凝土电阻率的影响逐渐明显，电阻率显著增加；Meir[16]认为氯离子进入混凝土内部后能够吸附于水化产物表层，并与部分水化产物（Ca(OH)2）发生反应，生成不溶于水的氯盐晶体（C3A·CaCl2·10H2O），并逐渐聚集阻碍孔隙溶液中的离子通路，将混凝土基体的孔结构细化，降低了混凝土的导电性[17]。

3结论

本文通过对比分析水胶比、集料、内掺氯离子、不同养护环境及荷载作用下水泥基材料电阻率及氯离子扩散性的变化规律，主要得到以下结论：

（1）水泥掺量可提高混凝土电阻率，实际混凝土配合比设计中，低水胶比混凝土导电性低，能够有效提高混凝土抗离子侵入过程。调整养护条件，促进水泥水化反应可增加混凝土电阻率。

（2）混凝土中内掺少量氯离子可提高水泥基材料的电阻率，早龄期时，内掺0.3%氯离子能够导致混凝土电阻率增加，随着养护龄期的增长，内掺氯离子对混凝土电阻率的影响逐渐明显

（3）养护于饱和NaCl溶液中的混凝土试件电阻率减小，1%极限荷载对混凝土电阻率的影响较小。

参考文献

[1]方永浩, 余韬, 吕正龙. 荷载作用下混凝土氯离子渗透性研究进展[J]. 硅酸盐学报, 2012,40(11): 1537-1543.

[2]赵尚传, 贡金鑫, 水金锋. 弯曲荷载作用下水位变动区域混凝土中氯离子扩散规律试验[J]. 中国公路学报, 2007,20(4): 76-82.

[3]刘志勇, 张云升, 孙国文. 电阻率法研究早期水泥净浆孔结构的演变过程[J]. 土木建筑与环境工程, 2012, 34(5): 148-153.

[4]李庆玲, 史才军, 何富强等. 水泥基材料中自由氯离子浓缩的影响因素[J]. 硅酸盐学报, 2013, 41(3): 320-327.

[5]施惠生, 王琼. 混凝土中氯离子迁移的影响因素研究[J]. 建筑材料学报, 2004, 7(3): 286-290.