混凝土孔隙结构与氯离子扩散性

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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn混凝土孔隙结构与氯离子扩散性陶博，蔡江勇武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉（430070）E-mail:Taobo163com.126.com摘要：混凝土内部孔隙特征对混凝土材料的各种物理、力学性能都有重要影响。了解混凝土孔隙的形成、特性等影响因素，便可采取措施降低孔隙率，提高混凝土的密实性，找到提高混凝土材性的正确途径。进而找到孔隙特征与各种不利因素之间的关系，对混凝土耐久性的研究具有重要意义。本文通过分析混凝土孔隙结构特征和氯离子扩散性的

2、关系，得出氯离子在混凝土中的扩散性与混凝土孔隙结构的分布以及孔隙连通性密切相关的结论。并且通过实验验证了氯离子扩散系数分别与代表孔隙分布规律的各级孔隙率和代表孔隙连通性的孔隙体积存在着相关性较高的线性关系。关键词：混凝土；氯离子；孔隙结构；扩散系数中图分类号：TU5281引言混凝土从本质上来说，是一种成分极其复杂的多孔材料。孔隙的分布错综复杂，而且孔径的分布极广。氯离子在混凝土中的扩散性与其微观孔结构有很强的相关性，而氯离子在混凝土中的的扩散性是影响结构耐久性的一个重要因素。本文在推导氯离子扩散公式的基础

3、上，通过分析混凝土的微观孔结构，包括总孔隙率、毛细孔隙率和孔隙总体积等对氯离子在混凝土中扩散性的影响，从而找出它们之间的相互关系。2菲克第二定律氯离子扩散模型对于氯离子自然扩散试验而言，在假定混凝土材料是各向同性均质材料、氯离子是唯一[1]的渗入混凝土中的离子且不与混凝土发生反应的条件下，用Fick第二定律计算自然扩散试验中的氯离子扩散系数：2dCdC=D(1)p2dtdx式中：C——表示氯离子浓度，为距离混凝土表面x、时间t的功能函数；D——氯离子扩散系数。p[2]根据Climent所假定的半无限介质，

4、m即为开始时沉积在半无限介质表面的扩散离子的总量。扩散离子的总量恒定，计算式为：∞mC=∫dxt≥0(2)0对于自然扩散试验，公式(2)和以下条件均用于对公式(1)的求解：初始条件为：C=0，x>0，t=0；边界条件为：C=0，x=∞，t≥0；无穷极限条件：C=∞，x=0，t=0。对于公式(1)的即时[2]解为：2mx−C=exp()(3)πDt4Dtpp[3]图1反映的是氯离子自然扩散试验中试件所含氯离子总量（用混凝土质量百分比表示）与距离混凝土表面深度的关系。-1-中国科技论文在线http://www

5、.paper.edu.cn0.4C650.35C550.3C45C350.25----回归曲线0.20.150.1氯离子总量（%占混凝土质量百分量）0.05000.511.522.533.54深度（cm）图1自然扩散试验中氯离子含量特征图为了得到扩散系数，将公式(3)与图1中的结果相对应，即可得到相应试件中氯离子总量m和氯离子的扩散系数D。p3孔隙特征对氯离子扩散性的影响机理混凝土是一种非均质固-液-气三相多孔体系。其内部既存在固相的水泥水化产物和骨料，又有水和空气充填于各级孔隙之中。其中任何一相体系的性

6、质发生变化都会影响氯离子在混凝土中的扩散性。而混凝土的孔径尺寸会同时影响混凝土固-液-气三相的物理化学性[7]质。因此，混凝土孔径特征会在多方面明显影响氯离子在混凝土中的扩散性。在影响氯离子在混凝土中扩散性的各类孔隙中，具有不利影响因素最多的是孔径5[4]nm～100nm的微毛细孔。在这种孔隙当中既能发生毛细孔凝结现象，使孔隙的吸湿性增[8]强；又能产生较大的毛细孔压力和毛细孔渗透力，使混凝土的自收缩增大，并使混凝土的表层渗透速率和常压渗透速率同时加快，使得混凝土的表层抗渗性和常压抗渗性全面降低。对混凝土

7、耐久性最有利的孔隙应当是超微孔(主要是凝胶孔，半径r≤5nm)。这种孔隙因孔径较小，不会发生毛细作用，所以不会加剧对混凝土性能不利的自收缩现象和毛细孔渗[6]透现象，也不会产生碳化收缩和结冰（冰点可达－40～－50℃）；同时因其孔径细、孔隙率低，具有较高的抗渗性；所以超微孔对于混凝土的耐久性特别是抗渗性的影响是利远大于-2-中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[7]弊的，在所有孔隙中正面效应最大。随着孔径尺寸的逐渐增大，由微毛细孔变为大毛细孔（即半径为100～1000nm的孔隙）

8、。大毛细孔虽然孔隙率较高，而且强度和抗渗透性较差，但它能降低毛细孔压力和毛[5][8]细孔渗透力，减少混凝土的自收缩裂缝，提高混凝土的表层抗渗性和常压抗渗性；同时，还可以避免孔隙内部的毛细孔凝结现象，这一级孔隙不但不会吸收潮湿空气中的水分，而且[4]混凝土内部原有的水分反而会通过大毛细孔进人空气中，能有效提高混凝土的抗渗性。故大毛细孔对于大多数混凝土的耐久性的影响是利多弊少，属于有利孔级。综上所述，混凝土是在各级孔径协同作用下