弯曲荷载作用下混凝土氯离子扩散规律的试验研究-赵尚传 贡金鑫 水金锋

1、弯曲荷载作用下混凝土氯离子扩散规律的试验研究赵尚传 贡金鑫 水金锋（公路交通研究院，北京；大连理工大学结构工程研究所，大连）摘要：本文通过不同水灰比的混凝土在不同等级持续弯曲荷载作用下在盐水中的潮汐循环试验，研究了水灰比、弯曲荷载对氯离子在混凝土中的含量、扩散速度的影响；分析了干湿交替条件弯曲荷载作用下氯离子在混凝土中的扩散规律。试验研究结果表明，水灰比，荷载作用都会影响氯离子在混凝土中的扩散速度，氯离子扩散系数是随时间而变化的，并基于Fick第二扩散定律给出了弯曲荷载作用下混凝土氯离子扩散系数。关键词：混凝土；氯离子；荷载；Fick第二定律；氯离子扩散系数121引言混凝土结构耐久性已是当今世

2、界的重大问题，1991年在法国召开的第二届混凝土耐久性会议，Mehta教授在“混凝土耐久性50年的进展”主题报告中指出1，“当今世界混凝土破坏的主要原因为钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用”。钢筋腐蚀破坏被确认为第一因素，而氯离子的侵蚀又是引起钢筋腐蚀的首要因素。据此可知，由于氯离子侵蚀引起的混凝土耐久性问题非常严重。因此，氯离子在混凝土中的渗透性能特别是氯离子在混凝土中的扩散系数，是各国学者普遍研究的方向，并提出了众多研究成果2。但绝大部分的研究都没有考虑荷载作用对氯离子渗透性的影响，尤其是没有考虑荷载引起的微裂缝影响，很少将氯离子渗透性能与荷载引起的微裂缝或者与荷载本身联

3、系起来研究，而实际上的工程结构往往是承受各种荷载作用的，如桥梁结构可能承受动载、静载。这其中也有部分学者考虑了荷载作用并进行了相关研究，但也是多集中在试验室全浸泡条件下，如何世钦3研究了弯曲荷载作用下的氯离子扩散性能，邢锋等4研究了长期持续荷载对素混凝土氯离子渗透性的影响，而混凝土构件的实际工作情况并不都是在全浸泡条件下，干湿交替的工作情况普遍存在，钢筋腐蚀也更为严重，如沿海及近海环境下水位变动区和浪溅区的钢筋混凝土结构，就受氯离子侵蚀发生钢筋锈蚀较大气区和水下区更为严重。因此分析研究干湿交替环境下，荷载作用对氯离子在混凝土中的渗透扩散影响是非常有必要的。混凝土在有外部应力的状态下，内部微观结

4、构会发生变化，影响氯离子在混凝土中的渗透。本章模拟潮汐循环，研究了干湿交替环境下混凝土在不同荷载水平作用下，拉应力和压应力对氯离子在混凝土中渗透扩散的影响。结果可以为实际情况下混凝土中氯离子长期扩散预测提供参考和依据。2. 试验概况2.1 试件设计试件为100mm100mm400mm的混凝土小梁。试验中考虑了两种影响因素：水灰比，荷载作用。水灰比是反映混凝土密实度的一个重要指标，水灰比的大小反映了混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力，是影响混凝土中氯离子扩散系数的主要因素5。试验中考虑了两种水灰比：0.58和0.45。试验中对试件施加的荷载为持续的三分点加载，采用两种荷载水平：0.3Pu，0.6Pu，其

5、中Pu为试件的抗折强度。使用环境条件有两种：(1)在3.5%的NaCl溶液中潮汐循环；(2)持续加载状态下在3.5%NaCl溶液中的潮汐循环。试件的详细方案见表1。表1试验方案列表试件编号数量试件编号数量说明C25-CX-351C25-CX-701仅NaCl溶液C25-CX -1201C25-CX -1801C25-CXL3-35-T1C25-CXL3-70-T1荷载影响C25-CXL3-120-T1C25-CXL3-180-T1C25-CXL3-35-C1C25-CXL3-70-C1荷载影响C25-CXL3-120-C1C25-CXL3-180-C1C25-CXL6-35-T1C25-CXL

6、6-70-T1荷载影响C25-CXL6-120-T1C25-CXL6-180-T1C25-CXL6-35-C1C25-CXL3-70-C1荷载影响C25-CXL6-120-C1C25-CXL6-180-C1C35-CX-351C35-CX -701仅NaCl溶液C35-CX -1201C35-CX -1801C35-CXL3-35-T1C35-CXL3-70-T1荷载影响C35-CXL3-120-T1C35-CXL3-180-T1C35-CXL3-35-C1C35-CXL3-70-C1荷载影响C35-CXL3-120-C1C35-CXL3-180-C1C35-CXL6-35-T1C35-CXL

7、6-70-T1荷载影响C35-CXL6-120-T1C35-CXL6-180-T1C35-CXL6-35-C1C35-CXL3-70-C1荷载影响C35-CXL6-120-C1C35-CXL6-180-C1注：CX表示在3.5%NaCl溶液中潮汐循环；CXL3为3.5%NaCl溶液与荷载（Load=0.3）同时作用；CXL6为3.5%NaCl溶液与荷载（Load=0.6）同时作用；后面的数字35，70，120，180为分别试验时间（天）。2.2试验材料使用普通强度混凝土，试验中考虑两种水灰比，0.58和0.45。水泥选用大连小野田水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥，砂为大连地区河砂，粗骨料的最

8、大粒径为20mm碎石，混凝土的配合比和28天抗折强度列于表2。表2 材料性能详细列表混凝土等级水灰比水水泥 砂子石子28天抗折强度/MPaC250.5819533671611694.55C350.4519543060911815.67注：混凝土中各材料的单位均为kg/m3。2.3试件加载装置加载装置参照文献4，示意图如图1所示，试件为三分点加载，通过拧紧螺栓对混凝土试件施加荷载，在每个钢筋拉杆的加载端都有一个压力环。荷载的大小通过与静态电阻应变仪相连接的压力环来控制。压力环为自制的全桥线路，在使用前先进行标定，得到每个压力环的荷载应变关系式。施加荷载时根据试件上要施加的荷载大小，由其荷载应变关

9、系确定每个压力环需要的应变大小，然后由静态电阻应变仪上的读数控制。1螺栓 2压力环 3辊轴 4混凝土试件 5钢筋拉杆 6槽钢图1 试验加载装置示意图2.4 试件制作及试验过程试件分批浇注，每次预留150mm150mm150 mm的立方体试块来确定混凝土的28天抗压强度，预留100mm100 mm400 mm棱柱体试件做抗折试验，测定抗折强度，来确定这批试件的持荷标准。在钢模中浇注，一天后（24小时）拆模，然后放到试验室，在试验室条件下每天洒水养护28天。在试件潮汐循环前，先将每个试件的两个正方形截面和三个长方形截面的表面浮浆磨去，然后用酒精清洗干净，最后用环氧树脂涂刷，只留出其中一个长方形截面

10、作为渗透面。对于持续三分点加载作用的一组两个试件，受拉面和受压面均为渗透面。每批试件在试验前，取3根试件进行抗折试验，测定抗折强度，来确定该批试件的加荷值。施加的应力P/Pu分别取0.3，0.6（Pu为混凝土试件的极限抗折强度），加载示意图如图2-1所示。两个试件为一组，将每个试件留出的两个渗透面分别作为受拉面和受压面，置于加力装置中，加力装置事先进行防腐处理，钢筋拉杆和槽钢用环氧树脂涂刷，螺栓和钢筋拉杆的螺丝口处涂上黄油。通过螺栓和钢筋拉杆来对试件施加荷载，由压力环测定施加的荷载大小。施加到设计的荷载后，将试件放入盐水中进行潮汐循环。所有的试件都同时进行模拟潮汐条件下的干湿交替试验，试件放置

11、在一个2 m1.5 m0.5 m的铁箱中，铁箱事先用防锈漆和环氧树脂涂刷，做防锈处理。湿循环时，NaCl溶液的水平面应淹没试件的上表面。试验期间定期检测NaCl溶液浓度，保持其浓度在3.5%左右，定期加入NaCl溶液，保持在湿循环时溶液的水平面浸没试件。试验时间分别为35天，70天，120天，180天。2.5 试件取样分析2.5.1试件取样每到预定的试验时间35，70，120，180天后，取出相应的试件，在暴露面从中间100mm区段位置分层取出粉末试样，对持续弯曲荷载作用试件分别从受拉面和受压面的纯弯段取样。研磨面与暴露面平行，分层深度为：03mm，36mm，69mm，912mm，1215mm

12、，1520mm。将取出的混凝土粉末试样每层都通过0.63mm筛取，分别装入铝土盒中，置于1055烘箱中烘2小时，取出后放入干燥器冷却至室温。然后测定混凝土中的氯离子总含量。2.5.2氯离子总含量的测定按水运工程混凝土试验规程（TJT270-98）的标准方法测试混凝土中的氯离子总含量6。用感量0.01g的电子天平称取1020g（精确到0.01g）（本试验均取13.0 g）的混凝土粉样，重量为G，置于三角烧瓶中。然后用容量瓶盛100mL 稀硝酸（按体积比为浓硝酸：蒸馏水=15:85）倒入盛有混凝土粉样的三角烧瓶内，盖上瓶塞，防止蒸发。将试样浸泡一昼夜左右（以水泥全部溶解为度），其间应摇动三角烧瓶，

13、然后用滤纸过滤，除去沉淀；用移液管准确量取滤液20mL两份，置于三角烧瓶，每份由滴定管加入硝酸银溶液约20mL（可估算氯离子含量的多少而酌量增减），分别用硫氰酸钾溶液滴定。滴定时激烈摇动溶液，当滴定至红色维持510s不褪色时即为终点。氯离子总含量按下式计算：（1）式中：砂浆样品中氯离子总含量（%）；：硝酸银标准溶液的浓度(mol/L)；：加入滤液试样中的硝酸银标准溶液量(mL)；：硫氰酸钾标准溶液的浓度(mol/L)； ：滴定时消耗的硫氰酸钾标准溶液量(mL)；：每次滴定时提取的滤液量(mL)；：浸样品的水量(mL)；：砂浆样品重(g)；3 混凝土中的氯离子含量结果与分析3.1 水灰比的影响图

14、2为水灰比分别为0.45，0.58的混凝土试件在盐水中潮汐循环35天，70天，120天，180天的总氯离子含量，图中的总氯离子含量均为混凝土重量百分比。从图2中可以看出，降低水灰比可以减小氯化物在混凝土中的含量，虽然在混凝土表层有一些波动，但总的看来，在同样的暴露期，水灰比为0.45的混凝土中氯离子的含量低于水灰比为0.58的混凝土中氯离子的含量。氯离子在混凝土中的渗透随混凝土强度的增加而趋于减小。图3为不同水灰比的普通混凝土试件在距离图2不同水灰比混凝土氯离子沿渗透深度的分布混凝土表面4.5mm处的总氯离子含量的比较。如图3中，在相同的暴露期，C25中氯离子的含量高于C35中氯离子的含量，3

15、5天时C25和C35混凝土中总氯离子含量分别为0.2086%和0.1722%，70天时分别为0.2266%和0.1988%，120天时分别为0.3238%和0.2758%，180天时分别为0.3756%和0.2940%。说明随着水灰比的降低，同一深度处的氯离子含量也在减小，这是由于水灰比减小，混凝土的密实度增大，渗透性降低，因此氯离子在混凝土中的扩散速度也减小，在同样的渗透时间下相同深度处的氯离子含量就随之减小。图3 水灰比对混凝土中氯离子渗透的影响3.2 弯曲荷载的影响3.2.1对受拉区的影响图4为加载混凝土试件中的受拉区与未加载混凝土试件中氯离子总含量沿渗透深度的分布，图中的氯离子总含量均

16、为混凝土质量百分比。从图4可以看出，弯曲荷载作用对氯离子在受拉区混凝土中的分布有一定的影响，荷载作用下受拉区混凝土中的氯离子含量增加。这是由于弯曲荷载作用下，在试件受拉区产生的拉应力使得混凝土微观结构性能逐步劣化，表面及内部产生微裂纹乃至微裂缝损伤，随着微裂纹或微裂缝的发展、扩张将使得氯离子在混凝土中的扩散和渗透速度加快，从而使得更多的氯化物渗入混凝土中，导致氯化物含量增加。何世钦3和邢锋等4都通过对在荷载作用下受弯素混凝土试件受拉区的研究得出了相似的结论，另外，Konin和Francois对普通混凝土和高强混凝土的研究同样也得到了相似的结论7,8。(a) C25(b) C35图5 加载对氯离

17、子在受拉区混凝土渗透的影响图4荷载作用下受拉区的氯离子分布规律图5为不同荷载比值作用下加载混凝土试件的受拉区与未加载混凝土试件在距离混凝土表面4.5mm处的氯离子含量比较。从图5可以看出， C25和C35的混凝土试件都是随着荷载的增加，同一深度处的氯离子含量也在增加。当在盐溶液中潮汐循环时间较短时（如35天），氯离子含量变化不大，荷载的作用不明显；随着潮汐循环时间的增加，同一深度处氯离子含量随着荷载的增大而增加。如对潮汐循环70天的C25混凝土，荷载比（P/Pu）为0（未加载）、0.3、0.6的混凝土中氯离子含量分别为0.2266%、0.2447%、0.2886%；对潮汐循环70天的C35混凝

18、土，荷载比为0、0.3、0.6的混凝土中氯离子含量分别为0.1988%、0.2160%、0.2539%；对潮汐循环180天的C25混凝土，荷载比为0、0.3、0.6的混凝土中氯离子含量分别为0.3756%、0.3938%、0.4274%；对潮汐循环180天的C35混凝土，荷载比为0、0.3、0.6的混凝土中氯离子含量分别为0.2940%、0.3005%、0.3445%。这表明在相同的暴露时间，受拉区混凝土中氯离子的含量随着荷载的增加而增大，也即对混凝土施加荷载后，氯离子在受拉区混凝土中的渗透扩散速度比未加荷载的要加快。同时也可以看到，相同情况下C35混凝土中的氯离子含量都低于C25混凝土中的氯

19、离子含量。可见，即使在同一荷载比值作用下混凝土发生了微裂缝损伤，水灰比小的还是较水灰比大的混凝土抗渗。3.2.2对受压区的影响图6为加载混凝土试件中的受压区与未加载混凝土试件中氯离子总含量沿渗透深度的分布，图中的氯离子含量均为混凝土质量百分比。从图6可以看出，弯曲荷载作用对氯离子在受压区混凝土中的分布有一定的影响，荷载作用下受压区混凝土中的氯离子含量减小。这是由于弯曲荷载作用下，在试件受压区产生的压应力使得混凝土中的毛细孔受到压缩，限制了微裂缝的出现，从而使得氯化物通过毛细孔进行渗透变得更加困难，在一定程度上抑制了氯离子在混凝土中的渗透扩散，相应的渗入到混凝土中的氯离子含量也随之减小，外部荷载

20、越大这种作用越显著。(a) C25(b) C35图7 加载对氯离子在受压区混凝土渗透的影响图6荷载作用下受压区的氯离子分布规律图7为不同荷载比值作用下加载混凝土试件的受压区与未加载混凝土试件在距离混凝土表面4.5mm处的氯离子含量比较。从图7可以看出，随着荷载的增加，同一深度处的氯离子含量在减小。当荷载比较小时，受压区混凝土中的压应力也相应较小，其氯离子含量与未加载的混凝土试件相比变化不大，这说明压应力较小时对抑制氯离子在混凝土中的渗透扩散作用不明显。随着潮汐循环时间的增加，同一深度处氯离子含量随着荷载的增大而减小。如对潮汐循环120天的C25混凝土，荷载比为0、0.3、0.6的混凝土中氯离子

21、含量分别为0.3238%、0.2970%、0.1988%；对潮汐循环120天的C35混凝土，荷载比为0、0.3、0.6的混凝土中氯离子含量分别为0.2758%、0.2629%、0.2408%；对潮汐循环180天的C25混凝土，荷载比为0、0.3、0.6的混凝土中氯离子含量分别为0.3756%、0.3471%、0.3264%；对潮汐循环180天的C35混凝土，荷载比为0、0.3、0.6的的混凝土中氯离子含量分别为0.2940%、0.2825%、0.2694%。这表明在相同的暴露时间，受压区混凝土中氯离子的含量随着荷载的增加而减小，也即对混凝土施加荷载后，氯离子在受压区混凝土中的渗透扩散速度比未加

22、荷载的要降低。同时也可以看到，相同情况下C35混凝土中的氯离子含量都低于C25混凝土中的氯离子含量。4 氯离子扩散系数4.1 氯离子扩散系数的计算在混凝土中氯化物渗透最普遍的传输机理是扩散、毛细管吸附和渗透，三个传输机理可能同时发生9。然而，当计算氯化物在混凝土中的侵蚀时，通常采用有关的扩散理论，假设氯化物在混凝土的侵蚀遵循Fick第二扩散原理。假设混凝土是半无限均匀介质；氯离子扩散时不与混凝土结合；氯离子扩散系数是一个常数，由此导出的一唯扩散方程为10： （2）式中：t为时间；x为距混凝土表面的距离；Dc为氯离子扩散系数；C为距混凝土表面x处的氯离子浓度。当初始条件为，时，；边界条件为，时，

23、。方程（2）的数学解为： （3）式中：混凝土暴露表面的氯离子浓度,等于暴露环境介质的氯离子浓度；：误差函数，。用上式计算各试件的氯离子扩散系数, 去掉第一层，将其余各层实测得到的氯离子浓度代入公式(3)，利用最小二乘法根据下式通过优化得到氯离子扩散系数、表面氯离子浓度和变异系数。每个试件的试验回归结果列于表3。 （4） （5） 式中：测量的氯离子的浓度；：计算的氯离子的浓度；：同组试件的数目；：变异系数。表3 单个试件的氯离子扩散系数试件编号时间/天表面浓度CS/%扩散系数Dc/108cm2/s变异系数d说明C25-CX-35350.330012.65960.0382C25 C25-CX-70

24、700.42886.80710.0648C25-CX-1201200.44676.40710.0658C25-CX-1801800.50555.23380.0198C25-CXL3-35-C350.27449.07640.1403C25 0.3Pu受压面C25-CXL3-70-C700.32997.45690.0620C25-CXL3-120-C1200.49523.79710.0644C25-CXL3-180-C1800.56573.72860.1100C25-CXL3-35-T350.265622.72600.0997C25 0.3Pu受拉面C25-CXL3-70-T700.36978.0

25、0840.0496C25-CXL3-120-T1200.57614.95850.0734C25-CXL3-180-T1800.54156.21130.0355C25-CXL6-35-C350.34118.92680.0785C25 0.6Pu受压面C25-CXL6-70-C700.32955.83980.0413C25-CXL6-120-C1200.29096.40670.1053C25-CXL6-180-C1800.48884.60420.1054C25-CXL6-35-T350.387912.91850.1119C25 0.6Pu受拉面C25-CXL6-70-T700.363715.366

26、50.0488C25-CXL6-120-T1200.54816.28140.0544C25-CXL6-180-T1800.58307.76740.0332C35-CX-35350.36136.36170.1605C35 C35-CX-70700.42534.65780.1860C35-CX-1201200.50493.74920.1207C35-CX-1801800.52383.02970.0746C35-CXL3-35-C350.27855.65640.0079C35 0.3Pu受压面C35-CXL3-70-C700.32924.03240.1218C35-CXL3-120-C1200.43

27、203.71310.0134C35-CXL3-180-C1800.50302.39910.1841C35-CXL3-35-T350.43517.75910.1163C35 0.3Pu受拉面C35-CXL3-70-T700.37366.54280.0505C35-CXL3-120-T1200.54043.61410.0508C35-CXL3-180-T1800.50294.39950.0458C35-CXL6-35-C350.48233.60760.0512C35 0.6Pu受压面C35-CXL6-70-C700.37124.72000.0071C35-CXL6-120-C1200.43184.

28、03650.1134C35-CXL6-180-C1800.53572.91790.1809C35-CXL6-35-T350.40909.56320.0722C35 0.6Pu受拉面C35-CXL6-70-T700.43366.04380.0132C35-CXL6-120-T1200.48286.20100.0380C35-CXL6-180-T1800.42525.92620.0545从表3可以发现一些基本规律。对相同情况下的试件，随着时间的增长，氯离子扩散系数在减小；随着作用在试件上的荷载增加，试件受拉区中的氯离子扩散系数在相应的增大，而受压区中的氯离子扩散系数在相应的减小；随着水灰比的减小，

29、氯离子扩散系数减小。但是由于每个试件的表面浓度不同，因此对同一组试件进行比较时，扩散系数的这种规律不太确切。如果对同一组试件的扩散系数通过优化确定，即同一组试件回归得到在相同的表面浓度下，每个试件的氯离子扩散系数，如表4所示。表4 同组试件表面浓度相同的氯离子扩散系数试件编号时间/天表面浓度CS/%扩散系数Dc/10-8cm2/s变异系数d说明C25-CX-35350.464912.68810.0490C25 C25-CX-70706.4770C25-CX-1201206.2492C25-CX-1801805.7991C25-CXL3-35-C350.46808.74280.1192C25 0

30、.3Pu受压面C25-CXL3-70-C706.0179C25-CXL3-120-C1203.9631C25-CXL3-180-C1804.5861C25-CXL3-35-T350.511422.66930.0939C25 0.3Pu受拉面C25-CXL3-70-T706.4532C25-CXL3-120-T1205.5431C25-CXL3-180-T1806.7425C25-CXL6-35-C350.37458.92680.1169C25 0.6Pu受压面C25-CXL6-70-C705.2708C25-CXL6-120-C1205.2033C25-CXL6-180-C1806.6271C

31、25-CXL6-35-T350.510217.78600.1169C25 0.6Pu受拉面C25-CXL6-70-T7010.7477C25-CXL6-120-T1206.7920C25-CXL6-180-T1809.9372C35-CX-35350.50526.39210.1118C35C35-CX-70704.4342C35-CX-1201203.8245C35-CX-1801803.3593C35-CXL3-35-C350.40155.65640.1393C35 0.3Pu受压面C35-CXL3-70-C703.6772C35-CXL3-120-C1202.9992C35-CXL3-18

32、0-C1802.8721C35-CXL3-35-T350.51147.53520.2300C35 0.3Pu受拉面C35-CXL3-70-T705.0663C35-CXL3-120-T1203.5579C35-CXL3-180-T1804.3288C35-CXL6-35-C350.45033.57480.1245C35 0.6Pu受压面C35-CXL6-70-C703.9460C35-CXL6-120-C1203.9929C35-CXL6-180-C1803.4332C35-CXL6-35-T350.44919.44780.0518C35 0.6Pu受拉面C35-CXL6-70-T705.88

33、18C35-CXL6-120-T1206.6818C35-CXL6-180-T1805.5528从表4看出，对同一组试件而言，表面浓度相同时，其规律比较明显。例如，对C25和C35只在盐水中进行潮汐循环的一组试件，氯离子扩散系数随着时间的增长而减小；对C25和C35有荷载作用的一组试件也有相同的规律，即随着时间的增加，氯离子扩散系数减小。为了更确切地比较荷载作用对混凝土中氯离子渗透的影响,将同一组试件的氯离子扩散系数作为常量用上面的优化方法确定，得到的结果如表5所示。表5 多个试件回归的氯离子扩散系数试件编号表面浓度CS/%扩散系数Dc/108 cm2/s变异系数dC25-CX0.348210

34、.58570.2209C25-CXL3-C7.4944C25-CXL6-C7.1508C25-CX0.356310.35480.2207C25-CXL-C7.2510C25-CX0.44048.76850.2643C25-CXL3-T13.9870C25-CXL6-T14.2130C25-CX0.48828.18350.2939C25-CXL-T12.7461C35-CX0.43975.47370.2116C35-CXL3-C3.4921C35-CXL6-C3.8878C35-CX0.46555.33430.2293C35-CXL-C3.5933C35-CX0.38625.84660.2396

35、C35-CXL3-T7.7481C35-CXL6-T9.0127C35-CX0.40565.69530.2499C35-CXL-T8.1490C25-CX0.37489.89380.2159C35-CX5.9465表5中，C25-CX和C35-CX分别为C25和C35在盐水中进行潮汐循环的一组试件；C25(C35)-CXL3-C 和C25(C35)-CXL6-C分别为荷载比0.3，0.6的一组C25(C35)试件的受压面；C25(C35)-CXL3-T 和C25(C35)-CXL6-T分别为荷载比0.3，0.6的一组C25(C35)试件的受拉面；C25(C35)-CXL-C和C25(C35)-

36、CXL-T分别为C25(C35)加载的一组试件（将0.3Pu和0.6Pu两组数合并起来）的受压面和受拉面。从表5看到，荷载作用下的混凝土试件，其受拉区C25-CXL-T和C35-CXL-T中的氯离子扩散系数分别为12.746110-8和8.149010-8，分别大于无荷载作用的混凝土试件C25-CX和C35-CX的氯离子扩散系数8.183510-8、5.695310-8。分析不同荷载水平作用对受拉区混凝土的影响，对C35-CX，C35-CXL3-T和C35-CXL6-T进行比较，荷载作用产生的拉应力加大了混凝土中的氯离子扩散系数，作用的荷载越大，产生的拉应力就越大，相应的氯离子扩散系数也增加越

37、多。与未加载一组试件C35-CX相比，荷载比为0.3的一组试件C35-CXL3-T扩散系数增加1.32倍，荷载比为0.6的一组试件C35-CXL6-T扩散系数增加1.54倍，说明当作用在混凝土上的荷载较小时，在受拉区产生的拉应力也较小，微裂缝和缺陷增加不多，对氯离子在混凝土的渗透影响也较小；当作用在混凝土中的荷载较大时，产生的拉应力较大，原始微裂缝和缺陷增加也较多，对氯离子在混凝土的渗透影响也较大。因此，当作用在混凝土上的荷载达到一定值时，拉应力对氯离子在混凝土中的扩散有一定促进作用。同样对受压区来说，C25-CXL-C和C35-CXL-C中的氯离子扩散系数分别为7.251010-8和3.59

38、3310-8，分别小于无荷载作用的混凝土试件C25-CX和C35-CX的氯离子扩散系数10.354810-8、5.334310-8。分析不同荷载水平作用对受压区混凝土的影响，对C25-CX，C25-CXL3-C和C25-CXL6-C进行比较，荷载作用产生的压应力降低了混凝土中的氯离子扩散系数，作用的荷载越大，产生的压应力就越大，相应的扩散系数也降低越多。与未加载一组试件C25-CX相比，荷载比为0.3的一组试件C25-CXL3-C扩散系数降低0.71倍，荷载比为0.6的一组试件C25-CXL6-C扩散系数降低0.68倍，两者相比较，荷载比为0.6的氯离子扩散系数与荷载比为0.3的相差不大，并没

39、有显著降低，这说明受压区的氯离子扩散系数并不是随着荷载增大而无限制的降低，而是达到一定值时趋于稳定，再增加荷载对抑制氯离子在混凝土中的扩散影响不大。因此，当作用在混凝土上的荷载达到一定值时，压应力对氯离子在混凝土中的扩散有一定抑制作用。4.2 考虑时间的氯离子扩散系数从表4中可以看出，对每一试件根据实测的氯离子浓度用式（3）确定扩散系数Dc，计算的结果并不是常数，而是时间的函数，在其他条件相同时，基本规律是随时间增长扩散系数降低，如试件C25-CX-180潮汐循环180天时的氯离子扩散系数均小于35、70和120天时的扩散系数，这是因为混凝土是一种水硬性材料，随时间变化，混凝土内部结构发生了变

40、化的缘故11。混凝土的成熟度对氯离子的扩散有很大的影响，水化越充分，混凝土内部越密实，抗侵蚀的能力则越强，扩散系数是一个时间的函数。因此用公式（3）预测氯离子长期浓度是不切实际的，需要考虑时间因素的影响。以Fick第二定律为基础，考虑氯离子扩散系数随时间变化12： （6）式中：:暴露时间时的扩散系数；:暴露1年的扩散系数（如果以年计）；:经验系数。代入公式（4），可以得到： （7）按式（7）计算得到的各组氯离子扩散系数列于表6。表6 考虑时间的氯离子扩散系数试件编号考虑时间的回归结果表面浓度CS/%扩散系数D1/108cm2/sm变异系数dC25-CX0.45637.89821020.3239

41、0.1119C25-CXL3-C0.42942.73411020.26410.1779C25-CXL3-T0.46321.49291040.51620.2371C25-CXL6-C0.39481.23801020.20730.1791C25-CXL6-T0.48092.26071020.20800.1686C35-CX0.47863.43161020.29840.1296C35-CXL3-C0.39203.61971010.15470.1768C35-CXL3-T0.46386.40011020.32560.2546C35-CXL6-T0.43413.45591020.26540.1025未考

42、虑时间的回归结果试件编号表面浓度CS/%扩散系数Dc/108cm2/s变异系数dC25-CX0.37889.70990.1961C25-CXL3-C0.37027.12130.2186C25-CXL3-T0.350416.35030.2969C25-CXL6-C0.34827.10850.2143C25-CXL6-T0.440412.84270.1821C35-CX0.37485.90860.2239C35-CXL3-C0.36943.92190.1917C35-CXL3-T0.37947.84260.3029C35-CXL6-T0.37779.17490.1648从表6可以看出，考虑氯离子扩

43、散系数随时间变化时，变异系数小于未考虑时间的情况，因此在进行氯离子扩散长期预测时考虑随时间变化是合理的。将表6中的表面浓度CS，扩散系数D1和m代入公式（7），可以得到混凝土在有荷载作用下的氯离子扩散模型公式，列于表2-7。其中D1的单位为mm2/年，x的单位为mm，t的单位为年。5荷载作用对氯离子扩散系数影响机理分析分析表5可以看出，对受拉区而言，荷载比为0、0.3、0.6的氯离子扩散系数依次增大，而对受压区来说，荷载比为0、0.3、0.6的氯离子扩散系数依次降低，说明对有荷载作用的受弯试件，拉应力可以加快氯离子在混凝土中的扩散速度，而压应力可以降低氯离子在混凝土中的扩散速度，因此在有荷载作

44、用时要考虑拉应力和压应力对氯离子在混凝土中渗透的影响。表7 各种条件下氯离子扩散模型公式试件编号模型公式C25-CXC25-CXL3-CC25-CXL3-TC25-CXL6-CC25-CXL6-TC35-CXC35-CXL3-CC35-CXL3-TC35-CXL6-T氯离子在混凝土中的扩散速度与各种孔的性质和数量以及孔隙饱水程度有密切关系4。在干湿交替环境下，凡是表层风干到某种程度，氯离子的侵入主要依靠混凝土毛细管的吸收作用，风干程度愈高，毛细管吸收作用就愈大。混凝土毛细管的吸收能力取决于混凝土孔结构和混凝土孔隙中游离水的含量13。风干时水分向外迁移，而盐分向内迁移，再次润湿时又由更多的盐分以

45、溶液的形式带进混凝土的毛细管孔隙中。对于一定的水灰比和水化程度，只要体系中的毛细孔孔隙率达到一定数值，体系中就会出现连通毛细孔网络14,15，由此可见，毛细孔孔隙率在临界值以下时，主要受孔隙连通性的影响；当临界值以上时，主要受孔隙率大小的影响4。另外，当混凝土在荷载作用下，荷载对氯离子渗透性的影响，主要是与混凝土内部微观结构（微裂缝、毛细孔数量和连通程度）的变化发生联系4。当混凝土在荷载作用下，特别是在拉应力作用下，其内部的微裂缝经历一个张开到破坏的过程16。对于本文所示的素混凝土受弯试件，在其中间部位（纯弯段）各截面承受的弯矩大小相同且为最大值，截面应力沿试件高度由拉应力逐渐转变为压应力。对

46、于纯弯段的受拉区而言，拉应力会促进激发混凝土表面及内部微裂缝的产生与开展，由于微裂缝的张开，使得毛细孔的网络进一步连通，引起渗透性增大。由于连通毛细孔对渗透性的影响呈加速的关系（斜率逐渐增大），所以，连通毛细孔增加到一定程度后，对应的毛细孔连通性达到了渗透性所需要的临界值，引起渗透性增大4，相应的氯离子在混凝土中的扩散速度就加快，氯离子扩散系数就增大，从而使侵入到混凝土中的氯化物含量也增大。但由于混凝土并非均质材料，截面性质不均匀，微裂缝张开的程度也就不尽相同，所以侵入到混凝土中各个渗透深度处的氯化物含量也迥异不同。随着荷载水平的提高，受拉区的微裂缝进一步张开，这种作用更加明显，对氯离子在混凝

47、土中的扩散影响就更大。因此，混凝土在有外部荷载作用时，要考虑拉应力对氯离子在混凝土中扩散的影响。而对受弯试件纯弯段的受压区来说，由于外部荷载使混凝土截面产生的是压应力，压应力会使混凝土中的毛细孔压缩变形，以致氯化物在混凝土中的渗透扩散受到抑制，另外压应力还会抑制裂缝的诱发与发展，这就限制了混凝土毛细孔网络不能进一步连通，甚至部分隔断，在一定程度上削弱减少了氯化物在混凝土中的渗透扩散通道，这几方面共同作用从而使得氯化物在混凝土中的渗透扩散变得更加困难，导致渗透扩散速度降低，氯离子扩散系数减小，以致使得侵入到混凝土中的氯化物含量减小。又由于截面上的压应力大小不同，再加上混凝土并非均质材料，这种抑制

48、阻碍作用也并非均匀变化，从而使侵入到混凝土中各个渗透深度处的氯化物含量也大小不一。荷载较小时，这种作用不明显。在一定范围内随着荷载加大，这种作用越趋显著。因此在有外部荷载作用产生压应力的情况下，氯离子在混凝土中的扩散速度降低，相应的氯离子扩散系数减小，荷载较大时对氯离子在混凝土中的扩散影响较大。综上所述，混凝土在荷载作用下所处的应力状态对氯离子在混凝土中的扩散有一定的影响。处于压应力状态下的混凝土中氯离子扩散系数将比处于无应力状态下的小，而处于拉应力状态下的混凝土中氯离子扩散系数则较无应力状态下的大。李伟文等17通过对荷载作用下混凝土氯离子渗透性研究也得出了相似的结论。5结论1. 水灰比是影响氯离子在混凝土中扩散速度的一个重要因素。随着水灰比的增大，氯离子在混凝土中的扩散速度增加，相同渗透时间相同渗透深度处的氯离子含量增大。2. 混凝土在持续弯曲荷载作用下所处的应力状态对氯离子在混凝土中的渗透扩散有一定的影响。与无应力状态相比，拉应力加快了氯离子在混凝土中的扩散速度，增加了混凝土中的氯离子含量，相应的氯离子扩散系数增大；而压应力降低了氯离子在混凝土中的扩散速度，减少了混凝土中的氯离子含量，相应的氯离子扩散系数降低。荷载越大影响越显著。3. 氯离子扩散系数并不是一个常数，而是随时间变化，随着时间的增长，氯离子扩散