橫向彎曲裂縫對(duì)混凝土內(nèi)氯離子侵蝕作用的影響

陸春華　張邵峰　劉榮桂　崔釗瑋

摘要：分析了橫向開裂混凝土內(nèi)氯離子的侵入機(jī)理及其主要影響因素，建立了基于雙重孔隙介質(zhì)模型的修正Fick定律氯離子擴(kuò)散模型，并對(duì)持續(xù)加載下的開裂鋼筋混凝土梁構(gòu)件進(jìn)行了氯鹽干濕循環(huán)侵蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)采用濃度為5%的NaCl溶液，在進(jìn)行15個(gè)干濕循環(huán)后，借助快速氯離子含量檢測(cè)RCT（Rapid Chloride Testing）法，對(duì)各裂縫處不同深度的氯離子含量進(jìn)行了測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：1）干濕循環(huán)侵蝕作用下，開裂混凝土表層0～20 mm范圍內(nèi)氯離子含量出現(xiàn)峰值，故可取表層對(duì)流區(qū)深度為15～20 mm左右；2）當(dāng)表面裂縫寬度小于0.3 mm時(shí)，等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)平穩(wěn)增大，模型的預(yù)測(cè)精度較高；當(dāng)裂縫寬度大于0.3 mm后，等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速增大，氯離子侵入受對(duì)流作用的影響加大；3）受彎開裂混凝土等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)的劣化因子與裂縫寬度有直接關(guān)系，建議采用二次冪函數(shù)或分段函數(shù)來進(jìn)行描述。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；受彎裂縫寬度；干濕循環(huán)；等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)

中圖分類號(hào)：TU528.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2013）06012407

沿?；炷两Y(jié)構(gòu)在服役期間面臨著各種耐久性問題，其中氯離子侵蝕造成的鋼筋銹蝕及混凝土保護(hù)層開裂問題最為嚴(yán)重，不容忽視[12]。與此同時(shí)，服役中的混凝土結(jié)構(gòu)，在使用荷載、環(huán)境等因素的共同作用下，通常都是帶裂縫工作的；規(guī)范規(guī)定的裂縫寬度限值通常在0.1 mm（CEBFIP Model Code 1990）到0.4 mm（ACI Committee 222）之間[3]。因此，研究荷載作用下裂縫對(duì)氯離子在混凝土結(jié)構(gòu)中輸運(yùn)產(chǎn)生的影響是很有必要的[45]。

關(guān)于裂縫對(duì)混凝土滲透性能的影響，一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究。Djerbi等[6]、Ismail等[7]、Jang等[8]將圓柱體混凝土（或砂漿）試件橫向加載產(chǎn)生劈裂裂縫后進(jìn)行氯離子滲透/擴(kuò)散性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)裂縫對(duì)混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散性能的影響隨著裂縫寬度的變化而變化，并給出了氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度之間的定量關(guān)系。金祖權(quán)等[9]、Kwon等[10]研究了早期收縮裂縫對(duì)混凝土氯離子的滲透性能的影響，得出裂縫處的氯離子含量以及對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)隨裂縫寬度增加而呈二次函數(shù)增大。Ishida等[11]提出了開裂混凝土氯離子擴(kuò)散性能的計(jì)算模型，并采用有限元程序?qū)δＰ偷倪m用性（主要針對(duì)預(yù)制裂縫）進(jìn)行了驗(yàn)證分析。以上研究主要針對(duì)的是一類貫穿裂縫（如劈裂裂縫、收縮裂縫、預(yù)制裂縫等），而對(duì)橫向受彎裂縫（梁構(gòu)件主要受力裂縫）的研究并不多。Gowripalan等[12]通過三點(diǎn)受彎加載試驗(yàn)使梁構(gòu)件產(chǎn)生橫向受彎裂縫，研究了受壓區(qū)、受拉區(qū)以及裂縫位置處的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的差異，發(fā)現(xiàn)裂縫處的“等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)”最大，并建議用比值w/c（裂縫寬度/保護(hù)層厚度）作為評(píng)價(jià)開裂混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要參數(shù)。但是，文獻(xiàn)[12]也同時(shí)指出，裂縫處的氯離子侵入過程及其相應(yīng)的計(jì)算模型仍有待于進(jìn)一步研究。

本文對(duì)持續(xù)加載開裂狀態(tài)下鋼筋混凝土梁構(gòu)件進(jìn)行了鹽溶液干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究了裂縫截面處的氯離子侵蝕分布規(guī)律，建立了考慮裂縫寬度影響的等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型。

1.2開裂混凝土內(nèi)氯離子侵入分析

開裂混凝土內(nèi)的氯離子侵入方式與完好混凝土內(nèi)的侵入方式有所不同，除去環(huán)境條件因素外，主要受到混凝土材料自身的影響，具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：1）裂縫的存在破壞了混凝土的完整性，將為氯離子的侵入提供了一個(gè)理想通道，侵入方式由原來的以擴(kuò)散為主轉(zhuǎn)變成擴(kuò)散、對(duì)流以及毛細(xì)作用等綜合的輸運(yùn)模式，并受到裂縫開展參數(shù)（表面寬度、深度以及開裂路徑等）的綜合影響；2）裂縫的存在也加快了水分的滲入，可使周圍混凝土的水化作用更加充分，其產(chǎn)物將填充一部分裂縫空間（裂縫自愈合效應(yīng)），對(duì)氯離子的侵入有一定的阻礙作用[3]；3）構(gòu)件開裂后，裂縫周圍的混凝土將回縮，同時(shí)拉應(yīng)力減小（靠近裂縫處的混凝土拉應(yīng)力為零），可使該處混凝土的抗?jié)B性能有所提高。

對(duì)于試驗(yàn)梁，由于裂縫間距較大（100～ 150 mm左右），可以忽略裂縫間氯離子侵蝕的相互影響。另外，在試驗(yàn)過程中，由于錨桿松弛、混凝土收縮等因素可能導(dǎo)致裂縫寬度和深度有所變化；因此，試驗(yàn)中我們通過監(jiān)測(cè)錨桿應(yīng)力以及定期檢測(cè)構(gòu)件表面裂縫寬度來實(shí)時(shí)監(jiān)控裂縫開展參數(shù)的變化。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，錨桿應(yīng)力有所降低，但主要裂縫的寬度和深度變化不大，這可能是試驗(yàn)周期相對(duì)較短（共210 d左右），遠(yuǎn)沒有實(shí)際長(zhǎng)期作用的影響明顯，故在本文中沒有考慮裂縫寬度和深度的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

4結(jié)論

1）對(duì)于受彎開裂的混凝土構(gòu)件，氯離子在裂縫處的侵入過程可以采用修正的Fick第二定律來進(jìn)行描述；試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)表面裂縫寬度在0.1～03 mm內(nèi)時(shí)，修正模型的預(yù)測(cè)結(jié)果十分理想。

2）在氯鹽干濕交替侵蝕作用下，開裂混凝土的表層同樣存在一個(gè)對(duì)流區(qū)；當(dāng)表面裂縫寬度小于03 mm時(shí)，表面對(duì)流區(qū)深度可取為15 mm；當(dāng)裂縫寬度大于0.3 mm后，對(duì)流區(qū)深度增大至20 mm，且氯離子侵入受對(duì)流作用的影響變大。

3）受彎開裂混凝土等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)的劣化因子可采用裂縫寬度的冪函數(shù)來進(jìn)行描述（文中給出了二次冪函數(shù)式（8）和分段函數(shù)式（9）兩種模型），并呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：當(dāng)表面裂縫寬度在0.1～0.3 mm內(nèi)時(shí)，等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)增長(zhǎng)較平穩(wěn)；當(dāng)裂縫寬度大于0.3 mm，該值快速增大。

4）影響氯離子在混凝土內(nèi)傳輸?shù)囊蛩剌^多，除了荷載和侵蝕條件外，還有混凝土配合比、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境溫濕度以及環(huán)境氯化物濃度等。此外，在長(zhǎng)期荷載作用下，橫向裂縫開展寬度與深度會(huì)不斷發(fā)生變化，再加上裂縫自愈合效應(yīng)的影響，實(shí)際氯離子的侵蝕作用是一個(gè)時(shí)變的復(fù)雜過程，相關(guān)內(nèi)容有待于進(jìn)一步的深入研究。

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（編輯王秀玲）