粗骨料含量对混凝土渗透性影响试验

     作者：虞爱平，吕海波，韦克宇

    （1.广西岩土力学与工程重点实验室桂林理工大学，广西桂林541004；

    2.土木建筑工程学院广西大学，广西南宁530004）

    [摘要]细观结构下，混凝土可看成由水泥砂浆体、骨料及两者的界面区共同组成的三项复合材料。由于三相组成渗透性能的不同，混凝土中骨料含量的变化势必要影响混凝土的渗透性能。研究在水泥砂浆体和四种不同骨料含量混凝土快速渗透试验的基础上，结合混凝土三维骨料分布模型，对快速渗透试验结果进行了对比和模型分析，研究了骨料含量对混凝土渗透性能的影响。结果表明：尽管骨料的增加使界面区也随之增加，但是骨料含量对混凝土渗透性能的影响还是占据了主导作用，骨料含量的增加将减小混凝土的渗透性能；混凝土的骨料三维分布模型可以通过混凝土切片图进行重建，氯离子渗透扩散可采用差分模型进行模拟，其分析结果与试验结果一致。

    [关键词]混凝土；骨料含量；渗透性

    O  引言

    混凝土的渗透性是评价混凝土耐久性的一项重要指标，目前已经有许多研究学者对其进行了大量的研究，取得了较多的研究成果。但从以往的研究结果可以看出，学者们多数是将混凝土看成匀质材料，通过试件的整体渗透性能得到相应的渗透指标，这种渗透性指标在一定程度上解决了工程问题，但没有考虑混凝土的不均匀性和多样性，也忽略了混凝土中骨料对其渗透性能的影响。实际上混凝土并非均质材料，从细观结构来看，混凝土可看成由骨料、界面区及水泥砂浆体组成的复合材料，各组成部分的渗透性能也大不相同。因此，各组成部分的含量也必定影响混凝土的渗透性能。而实际混凝土中，界面区的含量一般较少，所以骨料和水泥砂浆体的含量及渗透性能在很大程度上决定了混凝土的渗透性能。研究通过水泥砂浆体及不同骨料含量混凝土快速渗透试验，结合骨料切片三维重建模型，对混凝土中骨料含量及其氯离子扩散系数关系进行模拟分析，以探求不同骨料含量对混凝土渗透性能的影响。

    1  试验过程

    1.1  试件设计

    为研究不同骨料含量对混凝土渗透性的影响，主要设计了纯水泥砂浆体试件和四种不同粗骨料含量的混凝土渗透试件，对其进行氯离子快速渗透试验。粗骨料选用碎石，最大粒径为16mm，级配如表1所示。

    1.1.1  纯水泥浆体渗透性试验试件

    砂浆试件配合比如表2所示。试件制成φlOOmm×160mm圆柱形，振动密实后24 h拆模，标准养护28 d后切割成咖100mm×50mm快速渗透试件。

    1.1.2  不同骨料含量的混凝土渗透试件

    制作过程如水泥砂浆试件，混凝土水灰比也采用砂浆中水灰比0.42。混凝土配合比详细参数如表3所示。

    根据表3配比，分别配置不同粗骨料含量的混凝土试块。四种试块的骨料含量分别为原含量的40%、60%、80%和100%，与混凝土的体积比分别为0. 192、0.288、0.384和0.48。

    四种不同骨料含量的混凝土试件切片图如图1所示。 

    1.2试验及计算方法

    对成型试件进行ASTM C1202标准的氯离子快速渗透试验，试验主要包括试件真空饱和及氯离子快速渗透两部分，具体过程如文献[7]中所示。

    氯离子浓度测量采用福尔哈德化学滴定法，氯离子扩散系数计算方法采用利用描述电迁移的Nernst-Planck等式。根据文献[8]可知，当电场强度足够大，氯离子渗透深度足够深时，氯离子扩散系数可按下式计算： 

    式中：D为混凝土扩散系数；R为气体常数，R=8. 314J/( mol-k)；T为绝对温度(K)；￡为试块的厚度(m)；Z为离子价；F为法拉第常数，为9.648×104 C/mol;U为施加的有效电压(V)；χ。为氯离子渗透深度(m)；α为试验的参变量；f为试验时间(s)；C。为硝酸银喷洒颜色变化处的自由氯离子浓度值，取0. 07 mol/L；C。为外部溶液自由氯离子浓度，为0. 52mol/L。

    2试验结果及分析

    2.1  纯水泥砂浆氯离子快速渗透试验

    对砂浆试件进行通电快速渗透试验，试验中为了减小温度变化对试验结果的影响，试验时控制试验温度，并计算总的通电量平均值，砂浆试件中总的通电量平均值为3820C。表4为砂浆内距表面不同深度处的氯离子百分含量，氯离子浓度分布图如图2所示。根据试验结果，按式(1)可计算得到砂浆的扩散系数Dm=1. 520×10 -11㎡/S。

    2.2  不同骨料含量混凝土试件渗透性试验

    首先氯离子快速渗透试验通电6h后，观察不同骨料含量混凝土的6h通电量，并按式(1)计算扩散系数，各组试件扩散系数如表5所示，骨料含量及其扩散系数关系曲线如图3所示。

    从以上的试验结果可以看到，随骨料含量从0. 192到0.48，混凝土的渗透性呈现不断减小的趋势，与文献[9]所做试验结果相同。这是由于骨料对氯离子移动的阻碍作用在渗透过程中还是占主导作用。虽然随着骨料的增加，扩散系数很大的界面区的数量也在不断加大，但是由于界面区厚度很小，它的体积比例相对于砂浆来说少得多，所以界面区的增加改变不了混凝土的氯离子扩散系数减小的趋势。

    假设混凝土中的粗骨料含量与混凝土扩散系数之间为线性关系，通过曲线拟合，得：    D= (1.540 - 1.003ra)×10-11㎡／s(2)

    骨料含量与扩散系数关系的拟合如图4所示。

    3数值模拟

    为更好地研究骨料含量对混凝土渗透性能的影响，试验根据混凝土切片图重建的三维骨料模型，分别用氯离子渗透差分模型对不同骨料含量的混凝土进行数值模拟，并计算骨料含量与扩散系数的关系。

    3.1  骨料的三维分布重建

    1)分层打磨试块表面，裸露骨料位置，拍照得到截面上骨料分布照片，从而获得骨料分布及其位置。

    2)结合图像分析软件Image-Pro选取骨料区域，提取边界。

    3)判断相邻界面上的骨料边缘是否是同一骨料。

    4)将同一骨料在不同截面上的边缘进行组合，建立三维骨料集合模型。

    不同骨料含量的骨料分布如图5所示。

    3.2模拟计算

    根据重建后的三维骨料计算模型，按骨料的三维分布对混凝土进行多相网格划分，设每个立方体单元边长为0.5 mm，采用与试验相同的条件进行数值模拟，通电电压为60V，温度为30℃，通电时间为6h。采用试验中砂浆体的氯离子扩散系数为1.52×10 - 11 ㎡/S，界面区的计算厚度采用文献[9]测定的50um。分别取不同的界面区扩散系数D1，用差分模型计算混凝土中的氯离子浓度分布，得到混凝土的扩散系数，如图6所示。根据不同Di值对应的不同骨料含量的混凝土扩散系数，选取与试验结果残差平方和最小的D．值，作为界面区扩散系数。

    从图6中可看出，随着粗骨料含量加大，混凝土中氯离子的人渗路径越曲折，氯离子的浓度越小，计算得到的混凝土扩散系数越小。虽然骨料含量增加会使界面区数量增加，对氯离子渗透有加速作用，但粗骨料的阻碍作用还是占据了主导地位。

    加入界面单元会使氯离子渗透模型得到扩散系数提高，这是因为界面区的扩散系数比砂浆大很多倍，较大的扩散系数使界面区成为氯离子渗透的捷径，但界面区的加入并没有改变扩散系数随着骨料含量增加而减小的趋势。骨料的阻碍对混凝土扩散系数还是起着决定作用，这也与试验结果相符。

当界面区扩散系数D．取60×10 -l'fn2/S~80×10 -11㎡/S时，模拟得到混凝土的扩散系数与试验结果较接近。改变D1的取值，使模拟结果与试验结果之间的残差平方和最小（见图7），得D．= 66×10-11㎡／s，为水泥砂浆体扩散系数的43倍，这与文献[9]测定的界面区扩散系数也较为一致。

    取界面区的扩散系数66 x10。11m2／s，用差分模型计算得到这四种骨料含量的混凝土中的氯离子浓度分布如图8。从图中可以看出，骨料含量小的混凝土中，骨料对氯离子渗透的阻碍小，渗透深度大；骨料较多的混凝土中，骨料对氯离子渗透的阻碍大，渗透深度小。

    计算混凝土中沿电场方向的氯离子平均浓度分布，得到不同骨料含量的混凝土中氯离子浓度分布的对比图见图9。

    从图9中可知，骨料含量大的混凝土中的氯离子含量小，这除了骨料对氯离子渗透的阻碍作用外，骨料对氯离子也起了稀释浓度的作用。

根据氯离子浓度分布计算得到混凝土的扩散系数如表6和图10。其整体的趋势与试验结果相同，这也证明了计算模型的准确性。

    4  结论

    混凝土材料可以看成砂浆体、骨料及界面区组成的复合材料。在渗透过程中，一方面，由于界面区富集了定向排列的氢氧化钙晶体，其结构疏松，而成为渗透的薄弱部位，因此，界面区的增加将增大混凝土的渗透性能，另一方面，由于骨料的渗透性能远远小于水泥砂浆体，离子扩散渗透时将绕过骨料颗粒，延长扩散的路径。因此，单纯骨料的增加将降低混凝土的渗透性能。实际上，当混凝土骨料增加时，不可避免也将增加砂浆体与骨料间的界面区。因此，要研究混凝土骨料含量对其渗透性能的影响，就需要考虑骨料含量增加的同时，界面区的增加对混凝土渗透的影响。

    本文在分析以往研究中界面特性的基础上，结合试验数据，选用与试验接近的界面区特性作f为模型模拟参数，模拟分析骨料含量对混凝土渗透性的影响，得出了以下结论：

    1)混凝土中骨料含量较高时，尽管骨料的增加使界面区也随之增加，但是骨料含量对混凝土渗透性能的影响还是占主导作用，表现为：随着骨料含量的增加，混凝土渗透试件的氯离子扩散系数减小；当混凝土骨料减少到原骨料的40%时，氯离子扩散系数将增加33. 86%。根据对扩散系数与骨料含量关系的分析，拟合出了相应的关系式，为进一步的工程应用提供依据。

    2)将混凝土视为由水泥浆体、骨料及界面区的三相材料，通过混凝土切片重建三维骨料分布模型，并对混凝土渗透扩散进行模拟；对比分析试验及模拟结果，发现当界面区扩散系数_D．取60 xl0-11 m2/s~ 80×10-11m2/s时，模拟得到混凝土的扩散系数与试验结果较接近。界面区的扩散系数D166×10 -11 m2/s时，其模拟结果与试验结果之间的残差平方和最小。说明通过混凝土切片进行混凝土三维骨料重建是可行的，其重建模型可以用于相应的混凝土渗透性能研究。

    3)采用差分模型，对不同骨料含量混凝土的氯离子渗透进行了数值模拟及计算。结果表明：骨料含量小的混凝土中，骨料对氯离子渗透的阻碍小，渗透深度大；骨料较多的混凝土中，骨料对氯离子渗透的阻碍大，渗透深度小；根据氯离子浓度分布计算得到混凝土的扩散系数，其整体的趋势与试验结果一致，表明计算模型的正确性。