劈裂裂縫混凝土在海洋潮汐區的氯離子傳輸

摘 要：研究了不同尺度劈裂裂縫混凝土在海洋潮汐區環境作用下的氯離子濃度分布、氯離子傳輸以及鋼筋銹蝕規律。試驗結果表明：劈裂裂縫在制備過程中存在裂縫回復，裂縫寬度應以卸載后位移傳感器獲得的裂紋寬度值為準。裂縫混凝土氯離子濃度隨深度增加而下降，然后在10 mm深度以下形成穩定段。裂縫區域穩定段氯離子濃度隨裂縫寬度增加而呈指數函數增加，裂縫周邊區域穩定段氯離子濃度則隨裂縫寬度增加而線性增加；但與裂縫區域氯離子增加幅度相比，其增加幅度不明顯。裂縫寬度大于0.05 mm，30 d海洋暴露后混凝土裂縫面氯離子滲透深度近50 mm，沿垂直裂縫面向內平均滲透20 mm左右，鋼筋表面銹蝕率快速增加。裂縫混凝土氯離子擴散系數與混凝土抗氯離子擴散能力、裂縫密度（包括裂縫的基體寬度/裂縫寬度）、裂縫對氯離子結合性能密切相關。當裂縫密度小于70時，裂縫混凝土氯離子擴散系數線性增加；距裂縫位置越近，混凝土氯離子擴散系數增加越大；裂縫越寬，其對混凝土影響范圍越大。

關鍵詞：劈裂裂縫；混凝土；海洋潮汐區；氯離子；裂縫密度

中圖分類號：TU528.33 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2012）02-0052-06

Chloride Transport in Splitting Cracked Concrete at Marine Tidal Zone

JIN Zu-quan1，2， ZHAO Tie-jun1， ZHUANG Qi-chang1， JIANG Jin-yang2

(1.College of Civil Engineering， Qingdao Technological University， Qingdao 266033， Shandong， P.R. China;

2.College of Materials Science and Engineering， Southeast University， Nanjing 211189， P.R. China)

Abstract:The chloride ion transport in concretes with different size of splitting cracks at marine tidal zone is investigated. The splitting crack widths of concrete are about 0.03 mm， 0.05 mm， 0.10 mm， 0.15 mm and 0.30 mm. The cracked concrete and sound concrete are placed at marine tidal zone for 30 d， and the chloride ion content in crack zone and perimeter zone of concrete， chloride ion penetration depth and steel bar corrosion area are quantitatively determined. It is shown that splitting crack will be recovered when the concrete is unloaded in split test. And the splitting crack width of concrete should be characterized by the value of displacement sensor when the concrete is unloaded in split test. The chloride ion content of cracked concrete decreases with increased depth， and then gets to remain steady from 10 mm to the inner. The relationship between chloride ion content and crack width in the steady zone can be regressed as the exponential function and the linear function for the crack zone and the perimeter zone of concrete， respectively. Due to away from the crack zone， the influence of splitting crack width on accelerated chloride ion ingression in the perimeter zone is less than that in the crack zone. When the splitting crack width is more than 0.05 mm， the chloride ion penetration depth in crack plane and in vertical crack plane of concrete is 50 mm and 20 mm， respectively. And the steel corrosion area enlarges with the increasing crack width. And the chloride diffusion coefficient of cracked concrete is closely related to the resistance capacity to chloride penetration of concrete， crack density (matrix width， crack width)， and chloride binding capacity of concrete. When the crack density of concrete is less than 70， the chloride diffusion coefficient of cracked concrete increases with decreased crack density linearly. The chloride penetration will accelerate near the crack zone. And the raised splitting crack width will lead to its influence area in concrete increased quickly.

Key words:splitting crack; concrete; marine tidal zone; chloride; crack density



海洋工程混凝土由于收縮開裂，受荷過大或腐蝕損傷，常常帶裂縫工作。為探討荷載裂縫對混凝土鋼筋銹蝕的影響關系，Gowripalan，Jaffer和Vidal等對鋼筋混凝土構件施加彎曲荷載，以獲得0.1 mm以上的裂紋，并研究了荷載裂紋對鋼筋銹蝕的影響規律［1-3］。Montes，Marsavina和Poursaee采用薄片在素混凝土或構件上預制了0.25 mm以上的裂紋，耐久性試驗結果表明：氯離子滲透與裂縫深度密切相關，但寬度影響并不明顯；如果裂縫為順筋裂紋，則將大大加速鋼筋銹蝕，但縱筋裂紋的影響并不明顯［4-6］。為獲得裂縫寬度、粗糙度等對混凝土中水傳輸的定量影響。Kanematsu和張鵬利用中子照相進行了研究，結果表明：當裂縫存在時，水分可以迅速遷移至裂紋尖端并向裂紋兩邊擴散，其擴散到裂縫尖端的時間甚至少于1 min［7-8］。Wang 和Aldea通過裂縫混凝土的滲透試驗結果表明：對于水滲透，混凝土臨界裂縫寬度為50~100 μm［9-10］。

針對裂縫對混凝土中氯離子傳輸的影響，Djerbi，金祖權等對不同尺度的劈裂裂縫、收縮裂縫混凝土進行氯離子穩態擴散，并獲得氯離子傳輸的臨界裂縫寬度［11-12］。但Olga對80~680 μm寬裂縫混凝土的非穩態擴散試驗結果表明：混凝土氯離子擴散系數與裂縫寬度和粗糙度無關［13］。而Win對裂縫寬度大于0.1 mm鋼筋混凝土的毛細吸鹽試驗表明：氯離子將沿裂縫方向迅速滲透到混凝土內部，并沿鋼筋方向和和垂直鋼筋方向向混凝土內部滲透［14］。顯然，裂縫影響到混凝土中的水、離子傳輸和鋼筋銹蝕，并存在一個臨界裂縫寬度。但混凝土中氯離子傳輸臨界裂縫寬度因氯離子傳輸模式、混凝土類型不同而不相同。

考慮到海洋潮汐區混凝土中氯離子傳輸機制復雜，且鋼筋混凝土腐蝕最為嚴重。本文通過實海暴露試驗，研究了不同尺度劈裂裂縫對混凝土中氯離子傳輸和鋼筋銹蝕的影響規律，以期獲得海洋潮汐區氯離子傳輸規律，以及裂縫影響規律，從而為海洋工程混凝土結構裂縫寬度設計和防護提供依據。

1 試驗

1.1 原材料及混凝土配合比

山水東岳P·O·42.5水泥（用于S1和S2）和P.I.52.5水泥（用于S3），粗骨料為青島磊鑫5~20 mm的花崗巖碎石，連續級配，壓碎值小于12%。細骨料為青島大沽河砂場的中砂，細度模數為2.7。江蘇博特聚羧酸高效減水劑，通過調整其摻量使得混凝土坍落度達到160~200 mm?；炷僚浜媳燃跋鄳獜姸葴y試結果如表1所示。

1.2 實驗方法

成型Φ100 mm×50 mm的混凝土試件，標準養護28 d后進行劈裂實驗。實驗采用日本津島實驗廠生產的電子拉伸試驗機，將混凝土試件置入自制的固定設備以防止試件受壓時發生偏心移動。利用位移傳感器控制裂縫寬度，當裂縫寬度達到0.03 mm、0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm和0.30 mm左右時停止加載。卸載后再次讀出位移傳感器讀數，并利用裂縫寬度儀測試混凝土表面裂縫寬度。劈裂裂縫制備裝置如圖1（a）所示，帶裂縫混凝土試件如圖1（b）所示。對劈裂裂縫混凝土試件圓周進行環氧樹脂封閉，然后置于青島小麥島海洋暴露站的海洋潮汐區暴露30 d，沿裂縫處（裂縫兩邊5 mm）和裂縫周邊(裂縫兩邊30 mm)均勻取樣，混合后進行氯離子濃度分析。

圖1 劈裂裂縫混凝土制備及氯離子深度測試方向

同時成型100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件，其表面放置Φ10 mm經除銹處理的圓面鋼筋。用環氧樹脂將帶不同尺度裂縫的Φ100 mm×50 mm圓臺(S2系列)按照裂縫與鋼筋平行方式粘結于帶鋼筋的混凝土的試件上。混凝土組合體在海洋潮汐區暴露30 d，采用硝酸銀噴涂測試裂縫面、垂直裂縫面各點的變色深度，取平均值視為氯離子滲透深度，如圖1（c）所示。裂縫混凝土沿交界面劈開，測試鋼筋表面的銹斑面積。

2 試驗結果與討論

2.1 混凝土劈裂裂縫尺度表述

混凝土在劈裂加載以及卸載后，通過位移傳感器讀出混凝土試件中間部位的變形，其結果如圖2所示。在混凝土卸載后采用裂縫寬度儀測試混凝土表面裂縫寬度，并將其與位移傳感器測試結果對照，其結果如圖3所示。

由圖2可知，混凝土在卸載后，裂縫將發生明顯的回復。裂縫回復值隨裂縫寬度增加而增加，其最大回復值為0.034 mm。由圖3可知：混凝土表面裂縫寬度明顯大于位移傳感器測試的裂縫寬度值，其最大差值在0.19 mm左右?；炷令愋蛯ι鲜鼋Y果影響不明顯。綜合裂縫回復及試件上下表面的影響，劈裂裂縫尺度以卸載后位移傳感器獲得的裂紋寬度值為準。

2.2 裂縫混凝土氯離子濃度分布

將混凝土試件在海洋潮汐區腐蝕30 d后，采用水溶法測試裂縫處及其周邊區域自由氯離子，其結果如圖4所示。由圖4可知，除了S1系列非裂紋混凝土在表層存在對流區外，其它裂縫混凝土氯離子濃度均隨深度的增加而降低，大致在10 mm深度之后趨于穩定，其傳輸規律仍可用擴散定律進行描述。

求出裂縫混凝土穩定段氯離子平均值，并與非裂縫混凝土穩定段氯離子濃度相減，從而建立穩定段氯離子濃度差與裂縫寬度的關系，其結果如圖5所示。顯然，混凝土裂縫區域穩定段的氯離子濃度隨裂縫寬度增加而呈指數函數增加，其關系可表示為C=a(1－bw)，其中C為穩定段氯離子濃度差，w為裂縫寬度。而裂縫周邊區域穩定段氯離子濃度則隨裂縫寬度增加而線性增加，但與裂縫區域氯離子增加幅度相比，其增加幅度并不明顯。

圖5 混凝土穩定段氯離子濃度差與裂縫寬度的關系

2.3 裂縫混凝土的氯離子傳輸

依據裂縫混凝土氯離子濃度分布，按照Fick第二定律計算出裂縫混凝土的表觀氯離子擴散系數，其結果如表2所示。顯然，隨裂縫寬度增加，混凝土裂縫區和裂縫周邊區域的氯離子擴散系數相應增加。但相比于裂縫區域，裂縫周邊混凝土氯離子擴散系數增加幅度相對較小，也即是離裂縫面越遠，裂縫對氯離子傳輸影響越小。

2.4 裂縫混凝土氯離子擴散系數預測

混凝土劈裂裂縫為貫穿線性分布，其氯離子傳輸方向與裂紋方向一致，作者在前期研究中建立了裂紋混凝土氯離子擴散系數與裂紋寬度的關系，如式1所示［15］。

D=（1+DC·LCDm·Lm）Dm（1）

其中：D、Dm、DC分別為裂縫混凝土氯離子擴散系數，無裂縫混凝土氯離子擴散系數和氯離子在裂縫中擴散系數，LC、Lm分別為裂縫寬度和整個基體寬度。

作者在收縮裂紋對氯離子傳輸影響研究中發現，裂紋對氯離子具有一定的吸附作用，假設其線性結合能力為R。因而，裂縫中氯離子擴散系數為：DC=D水1+R。其中，氯離子在25 ℃水中的擴散系數D水=1.25×10－5cm2/s。

因此，裂縫混凝土氯離子擴散系數與裂縫寬度的關系如式2所示。

D=（1+D水·LC（1+R)·Dm·Lm）Dm（2）

依據式（2）計算出不同裂縫寬度混凝土氯離子擴散系數，并與測試結果進行比較，其結果如圖6所示。

圖6 裂縫混凝土氯離子擴散系數模擬

由圖6可知，采用式（2）可以較好的模擬裂縫混凝土氯離子擴散系數與裂縫寬度的關系。顯然，隨裂縫寬度增加，無論是裂縫周邊還是裂縫區域，其氯離子擴散系數均隨之線性增加。此外，在裂縫區域內，混凝土裂縫對氯離子結合影響明顯大于裂縫周邊區域，裂縫寬度對混凝土氯離子擴散系數的影響也更明顯。

依據式（2），我們可以看出裂縫混凝土氯離子擴散系數與混凝土抗氯離子擴散能力、裂縫密度（包括裂縫的基體寬度/裂縫寬度）、裂縫對氯離子結合性能密切相關。根據該式，建立S1系列裂縫混凝土氯離子擴散系數與裂縫密度的關系，以及S1混凝土不同區域的氯離子擴散系數預測結果如圖7所示。顯然，當裂縫密度小于70時，裂縫混凝土的氯離子擴散系數將線性增加。此外，距裂縫位置越近，混凝土氯離子擴散系數增加越大；裂縫越寬，其對混凝土影響范圍越大，氯離子擴散系數增加速度也越快。

圖7 裂縫混凝土氯離子擴散系數預測

2.5 裂縫混凝土氯離子滲透深度及鋼筋銹蝕

采用硝酸銀噴涂測試裂縫混凝土裂縫面和垂直裂縫面的氯離子平均滲透深度如圖8（a）所示，測試不同劈裂裂縫混凝土鋼筋表面銹蝕率，其結果如圖8（b）所示。

由圖8（a）可知，經過30 d海洋潮汐區暴露試驗，當裂縫寬度大于0.05 mm時，氯離子沿裂縫面已將混凝土全部滲透，并沿裂縫向混凝土內部平均滲透了20 mm左右。與未開裂混凝土相比，混凝土裂縫面氯離子滲透深度增加了1.5倍，且具有二維擴散的特征，這與氯離子擴散系數模擬計算結果相符。由圖8（b）可知，潮汐區裂縫混凝土中的鋼筋均發生了不同程度的銹蝕，當裂縫寬度大于0.05 mm時，鋼筋銹蝕率將發生快速增長。此外，比較圖8（a）和圖8（b）可知，當裂縫寬度小于等于0.05 mm時，雖然氯離子滲透深度未達到鋼筋表面，但鋼筋依然發生了少量銹蝕，這表明鋼筋表面氯離子濃度已達到鋼筋銹蝕臨界濃度。因此，使用硝酸銀噴涂法不能測試臨界氯離子濃度，僅能測試大致的氯離子滲透深度。

圖8 裂縫對氯離子滲透及鋼筋銹蝕率的影響

3 結 論

1)混凝土劈裂裂縫制備過程中將發生裂縫回復現象，混凝土表面裂縫寬度大于位移傳感器測試的裂縫寬度值，建議以卸載后位移傳感器獲得的裂紋寬度值表征劈裂裂縫尺度。

2）海洋潮汐區裂縫混凝土氯離子傳輸仍可用擴散定律進行描述。但裂縫混凝土穩定段氯離子濃度隨裂縫寬度增加而呈指數函數增加。裂縫周邊區域穩定段氯離子濃度則隨裂縫寬度增加而線性增加，但與裂縫區域氯離子增加幅度相比，其增加幅度并不明顯。

3）裂縫混凝土氯離子擴散系數隨裂縫寬度增加而線性增加；并當裂縫密度小于70時，裂縫混凝土氯離子擴散系數線性增加。距裂縫位置越近，混凝土氯離子擴散系數增加越大；裂縫越寬，其對混凝土影響范圍越大。

4）劈裂裂縫寬度大于0.05 mm時，經過30 d海洋潮汐區暴露，氯離子沿混凝土裂縫面滲透50 mm，沿垂直裂縫面向內平均滲透20 mm左右，鋼筋表面銹蝕面積快速增加。

參考文獻：

［1］GOWRIPALANA N， SIRIVIVATNANONB V， LIM C C. Chloride diffusivity of concrete cracked in flexure［J］.Cement and Concrete Research，2000，30: 725-30.

［2］SHAHZMA J JAFFER， CAROLYN M， HANSSON. Chloride-induced corrosion products of steel in cracked-concrete subjected to different loading conditions［J］. Cement and Concrete Research， 2009，39: 116-125.

［3］VIDAL T， CASTEL A， FRANOIS R. Corrosion process and structural performance of a 17 year old reinforced concrete beam stored in chloride environment［J］. Cement and Concrete Research， 2007，37: 1551-1561.

［4］PEDRO MONTES， THEODORE W， BREMNER， et al. Influence of calcium nitrite inhibitor and crack width on corrosion of steel in high performance concrete subjected to a simulated marine environment［J］. Cement Concrete Composites， 2004，26: 243-253.

［5］MARSAVINA L， AUDENAERT K， SCHUTTER G DE， et al. Experimental and numerical determination of the chloride penetration in cracked concrete［J］. Construction and Building Materials， 2009，23: 264-274.

［6］AMIR POURSAEE， CAROLYN M HANSSON. The influence of longitudinal cracks on the corrosion protection afforded reinforcing steel in high performance concrete［J］. Cement and Concrete Research， 2008，38: 1098-1105.

［7］KANEMATSU M， MARUYAMA I， NOGUCHI T， et al. Quantification of water penetration into concrete through cracks by neutron radiography［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A， 2009，605: 154-158.

［8］ 張鵬，趙鐵軍，WITTMANN F H.開裂混凝土中水分侵入過程的可視化追蹤及其特征分析［J］.硅酸鹽學報，2010，38（4）：659-665.

ZHANG PENG， ZHAO TIE-JUN， WITTMANN F H， et al. Visualization tracing and characteristic analysis of water invasion into cracked concrete［J］. Journal of the Chinese Ceramic Society， 2010， 38(4): 659-665.

［9］WANG K， JANSEN D C， SHAH S P. permeability study of cracked concrete［J］. Cement and Concrete Reaserch， 1997，27(3):381-393.

［10］ALDEA C M， SHAH S P， KARR A. Permeability of cracked concrete［J］. Rilem Material Structure， 1999，32: 370-376.

［11］DJERBI A， BONNET S， KHELIDJ A. Influence of traversing crack on chloride diffusion into concrete［J］. Cement and Concrete Research， 2008(38):877-883.

［12］金祖權，侯保榮，趙鐵軍，等.收縮裂縫對混凝土氯離子滲透及碳化的影響［J］.土木建筑與環境工程，2011，33（1）：7-11.

JIN ZU-QUAN，HOU BAO-RONG，ZHAO TIE-JUN，et al.Influence of shrinkage cracks on chloride penetration and crabonation of concrete［J］.Journal of Civil，ArchitecturalEnvironmental Engineering，2011，33(1):7-11.

［13］OLGA G R， HOOTON R D. Influence of cracks on chloride ingress into concrete［J］. Journal of ACI Materials， 2003，100(2):120-126.

［14］PA PA WIN， MAKIKO WATANABE， ATSUHIKO MACHIDA. Penetration profile of chloride ion in cracked reinforced concrete［J］. Cement and Concrete Research， 2004，34:1073-1079.

［15］金祖權.西北地區嚴酷環境下混凝土的耐久性與壽命預測［D］.南京：東南大學，2006.

（編輯 王秀玲）