干濕交替環(huán)境下氯離子在承壓混凝土內(nèi)的傳輸特性

徐 港，李運攀，王誼敏，王 青

（1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

海洋氣候環(huán)境下，處于海水干濕交替區(qū)的鋼筋混凝土結構較水下或陸上結構更容易引起鋼筋銹蝕，其耐久性問題更為突出.學者們針對鋼筋銹蝕誘因就干濕交替作用下混凝土中氯離子傳輸特性進行了一定的試驗及理論研究［1－10］，但多數(shù)未考慮荷載存在對氯離子在混凝土中傳輸特性的影響，既有成果也多集中于彎曲荷載下混凝土內(nèi)的氯離子傳輸［11－14］，對于受軸壓作用下鋼筋混凝土柱中氯離子傳輸特性的研究甚少，鮮有的公開文獻中混凝土壓應力的施加也是通過預拉試件內(nèi)鋼筋實現(xiàn)的［15］，試件受力狀態(tài)與在役混凝土柱有一定差別，而且持載時間較短，故所得結論的適用性尚待進一步驗證.因此本文采用了更為合理的試驗方法，通過為期1a的試驗，研究了干濕交替環(huán)境下在役鋼筋混凝土柱中氯離子的傳輸進程，探究了不同應力水平對混凝土中氯離子傳輸深度、氯離子含量分布、表面氯離子含量、對流區(qū)深度、峰值氯離子含量以及氯離子擴散系數(shù)的影響規(guī)律.

1 試驗設計

試件尺寸為150mm×150mm×300mm，內(nèi)配4根直徑為14mm 的HRB335縱筋，保護層厚度為25mm；混凝土設計強度為C25，配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石）＝188∶384∶640∶1 189，實測28d標準立方體試件抗壓強度平均值為34.76MPa.

采用徐變儀對試件進行長期加載，應力水平分別為試件承載力設計值的0%，20%，40%和60%（對應試件分別記為F0，F(xiàn)2，F(xiàn)4和F6）.試件置于可伸縮式儲水袋中，通過向水袋中注、抽NaCl溶液（NaCl質(zhì)量分數(shù)為3%）來模擬干濕交替環(huán)境，干濕時間比為2∶1，試驗總周期為1a，期間分別在120，240，360d時采用Profile Grinder PF－1100混凝土磨削工具，對試件鉆粉取樣（粉樣可全部通過0.63mm篩），取粉間隔為1mm，最大深度為25mm，從每層粉樣中稱取5g粉樣加入裝有50mL去離子水的試瓶中劇烈搖晃3～5min，靜置48h后采用BY－2501B氯測儀測量氯離子含量.

2 試驗結果及分析

2.1 氯離子傳輸深度

沿傳輸路徑，繪制不同深度處氯離子含量分布圖，見圖1.由圖1 可知，120，240，360d時，試件內(nèi)氯離子的傳輸深度（xp）分別約為11，15，18mm，隨著試驗周期的延長，氯離子的傳輸深度逐漸增大，且同一深度處的氯離子含量（wa）也逐漸增加；不同深度處的氯離子含量分布具有明顯的干濕循環(huán)侵蝕特征，即氯離子含量峰值出現(xiàn)在距試件表面一定距離處，對流區(qū)顯著，這與文獻［16］的結論類似.

2.2 表面氯離子含量

本文以距試件表面0～1mm 深度處鉆取的粉樣氯離子含量作為表面氯離子含量（ws），不同應力水平下混凝土的表面氯離子含量見圖2.由圖2 可知，應力水平對混凝土表面氯離子含量具有明顯影響，相同試驗周期內(nèi)混凝土應力水平越高，其表面氯離子含量越低，兩者基本呈線性關系，且隨試驗周期增長，應力水平對表面氯離子含量的影響程度加大，表面氯離子含量的降幅增大.

圖1 不同深度處氯離子含量分布Fig.1 Distribution of chloride ion concentration at different depths

圖2 不同應力水平下混凝土的表面氯離子含量Fig.2 Surface chloride ion concentration in concrete under different stress levels

由圖2還可知，隨著干濕循環(huán)周期的增長，在無應力的情況下，表面氯離子含量逐漸增加并趨于平穩(wěn)，這與文獻［16］的描述一致；在壓應力作用下，應力水平一定時，試件表面氯離子含量隨試驗周期增長而先增大后減小，且隨著應力水平的增加其變化幅度減小.

2.3 對流區(qū)特征

由圖1可見：試件F0，F(xiàn)2 和F4 的對流區(qū)深度主要集中在2mm 附近；而試件F6的對流區(qū)深度基本在3mm 以上.這說明應力水平較高時，對流區(qū)深度受到一定影響，但具體影響規(guī)律尚待進一步研究.

圖3為不同應力水平下混凝土的峰值氯離子含量（wp）.由圖3 可見，峰值氯離子含量隨應力水平和試驗周期的變化規(guī)律與表面氯離子含量的變化規(guī)律十分類似.

圖3 不同應力水平下混凝土的峰值氯離子含量Fig.3 Peak value of chloride ion concentration in concrete under different stress levels

2.4 氯離子擴散系數(shù)

沿傳輸路徑，取峰值點后不同深度處的氯離子含量，由Fick第二定律可求得試件的氯離子擴散系數(shù).計算表明，取不同深度處氯離子含量值求得的氯離子擴散系數(shù)值雖有差異，但波動不大，故取傳輸區(qū)平穩(wěn)段內(nèi)氯離子擴散系數(shù)的平均值作為承壓混凝土的氯離子擴散系數(shù)（D），D 值隨應力水平的變化如圖4所示.由圖4可見，在應力水平較低（20%以內(nèi)）時，壓應力的存在會使氯離子擴散系數(shù)減小；但隨著應力水平的增加，氯離子擴散系數(shù)反而增大.這與文獻［17］對承壓素混凝土內(nèi)氯離子擴散系數(shù)的研究結果相似.進一步分析可知，承壓混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)變化規(guī)律與未承壓試件相似，均隨試驗周期的增長而減小，且在240d周期內(nèi)承壓試件D 值的降低速度似乎更快，這可能與試件在長期受壓過程中產(chǎn)生徐變從而有利于其內(nèi)部損傷的愈合有關.

圖4 氯離子擴散系數(shù)隨應力水平的變化Fig.4 Chloride ion diffusion coefficient varying with stress levels

充分考慮應力水平和試驗周期對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合分析，可得出在壓應力狀態(tài)下混凝土氯離子擴散系數(shù)與應力水平和服役時間（即試驗周期）的經(jīng)驗公式：

式中：D0為應力水平為0，周期為28d時混凝土的氯離子擴散系數(shù)；λσ為應力水平；t為服役時間；t0為基準服役時間，t0＝28d；a，b，c為經(jīng)驗系數(shù)，分別為－6.499×10－12，2.532×10－11和0.804 3.根據(jù)式（1）得到混凝土氯離子擴散系數(shù)的擬合曲線，并與試驗值進行比較，見圖5（a）～（c）.由圖5（a）～（c）可見，兩者的相關性很好（R2＝0.95）.

為進一步驗證式（1）的適用性，將文獻［17］中采用NEL法測得的氯離子擴散系數(shù)值用式（1）進行擬合，結果如圖5（d）所示.由圖5（d）可見，隨應力水平增長兩者變化規(guī)律一致，但數(shù)值大小有所差異，究其原因，除試驗誤差外可能主要與本文和文獻［17］確定氯離子擴散系數(shù)的方法不同有關.

圖5 氯離子擴散系數(shù)擬合曲線與試驗值的比較Fig.5 Comparison of fitting curves and experimental values of chloride ion diffusion coefficient

2.5 承壓混凝土氯離子傳輸機理分析

綜上可見，壓應力對干濕交替環(huán)境下混凝土內(nèi)氯離子傳輸?shù)娜^程均有影響，但對峰值氯離子含量wp前后傳輸進程的影響規(guī)律并不相同，在wp之前，隨應力水平增大表面和峰值氯離子含量均減小（見圖2，3）.這表明壓應力的施加阻礙了氯離子的傳輸，而在wp之后，由氯離子擴散系數(shù)的變化規(guī)律（見圖4）可知，壓應力對氯離子傳輸效率的延滯影響僅在應力水平較小（20%以內(nèi)）范圍內(nèi)有效，當應力水平較高時壓應力則利于氯離子遷移.這可能是由于混凝土表層和內(nèi)部的氯離子傳輸機理以及壓應力對其微觀結構的內(nèi)、外影響特性不同所致，具體分析如下：

應力存在會改變混凝土的微孔隙結構，壓應力可使混凝土內(nèi)與其垂直方向的部分微裂紋和孔隙被壓實，與其平行方向的損傷缺陷產(chǎn)生和發(fā)展，且隨應力水平的增加其影響更加顯著［17］.氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸進程與混凝土的孔隙率、孔結構及孔徑分布密切相關，混凝土的氯離子滲透性由其微觀結構特征所決定［18］，因而壓應力的施加必將對混凝土內(nèi)氯離子的傳輸進程產(chǎn)生影響.

文獻［19］對已有研究進行了總結，指出干濕交替環(huán)境下混凝土內(nèi)氯離子含量達到峰值之前，氯離子侵入方式主要為對流傳質(zhì)，無水頭壓力時，產(chǎn)生對流的主要機理是毛細吸附作用，即氯離子的遷移是伴隨水分的滲透而產(chǎn)生的；但越過峰值之后，氯離子向混凝土內(nèi)部侵入的主要機理轉(zhuǎn)為擴散作用，其遷移的驅(qū)動機制是濃度差.

文獻［20］表明，在壓荷載作用下，當荷載低于60%極限荷載時，混凝土的水滲透系數(shù)隨應力水平的增大近似按負指數(shù)函數(shù)關系衰減，所示規(guī)律與本文對流區(qū)內(nèi)氯離子的傳輸特性十分吻合.究其原因，在此應力水平范圍內(nèi)，對于混凝土試件表層水滲透性而言，軸向壓力引起的與受力方向平行缺陷擴展較與受力方向垂直缺陷“愈合”對水滲透性的影響要小，且隨承壓時間的延長，2 個方向壓、拉徐變的產(chǎn)生導致兩者差別進一步增大，其表現(xiàn)規(guī)律如圖2，3所示.

文獻［21］研究表明，混凝土構件表面以下0.1mm內(nèi)是凈漿層；0.1～5.0mm 范圍為砂漿層，內(nèi)部不含或僅含少量粗骨料；5.0 mm 以下才為混凝土，表層混凝土比內(nèi)部混凝土水膠比大（可達內(nèi)部混凝土水膠比的2倍），孔隙多，且孔隙連通性高.

試件軸向受壓時，在與受力垂直方向，隨壓應力增加，表層混凝土初始缺陷“愈合”量增多，但因內(nèi)部混凝土更為密實，故在相同應力水平下，試件單位體積內(nèi)缺陷可“愈合”總量較表層少；在與受力平行方向，內(nèi)部混凝土缺陷發(fā)展受豎向壓應力的影響特性也與表層相同，但與素混凝土試件不同的是，雖然軸壓柱內(nèi)鋼筋與混凝土的縱向應變相同，但橫向應變并不相同，這是因為鋼筋的泊松比較混凝土的大，所以導致受力鋼筋對其周圍混凝土產(chǎn)生擠壓作用，使混凝土圍繞鋼筋環(huán)向受拉，且拉應力大小隨軸壓力增加而增大，隨混凝土距鋼筋表面距離增加而減小，這一作用促使內(nèi)部混凝土與受力平行方向損傷加劇.此外，就傳輸機理而言，由于內(nèi)部混凝土中氯離子通過擴散向內(nèi)遷移，氯離子直徑約為水分子直徑的1／2，可以通過比水分子更小的孔徑向內(nèi)傳輸，因而在同等損傷程度下內(nèi)部混凝土較表層與受力方向平行損傷的相對量將增加，即“有害通道”增加.

綜上可知：在低應力水平時（20%以內(nèi)），由于混凝土柱受力處于彈性階段，混凝土內(nèi)部微裂縫等缺陷幾乎不擴展，壓應力在與受力垂直和平行兩個方向的總效應對內(nèi)部混凝土的影響與表層類似，增強了混凝土的密實性，使氯離子擴散系數(shù)減小；但隨著壓應力增大，混凝土受力進入彈塑性階段，軸壓引起的混凝土橫向膨脹效應疊加鋼筋擠壓混凝土引起的環(huán)向受拉作用造成內(nèi)部混凝土與受力平行方向的損傷較表層更為嚴重，而與受力垂直方向可“愈合”缺陷的總量較表層卻少，加之“有害通道”增加，綜合效應導致內(nèi)部混凝土孔隙、裂縫等缺陷增多，使氯離子擴散系數(shù)增大，并隨應力水平增加而增大（如圖4）.但是，由于混凝土的隨時長自愈合性，以及徐變引起試件內(nèi)鋼筋與混凝土發(fā)生應力重新分配使混凝土壓應力減小，從而使內(nèi)部混凝土的損傷可隨時長恢復，因此相同應力水平下的混凝土氯離子擴散系數(shù)將隨試驗周期而減小.

3 結論

（1）相同條件下，應力水平越高，混凝土表面氯離子含量越低，兩者呈線性關系，且隨試驗周期增長，應力水平影響程度增大；應力水平一定時，混凝土表面氯離子含量隨試驗周期增長而先增大后減小，且隨應力水平增加而變化的幅度減小；峰值氯離子含量受應力水平和試驗周期的影響規(guī)律與表面氯離子含量的規(guī)律相似.

（2）應力水平恒定時，混凝土氯離子擴散系數(shù)隨試驗周期的增長而減小，變化規(guī)律與未受荷試件相似；但在相同條件下，隨應力水平增加，混凝土氯離子擴散系數(shù)先減小后增大，臨界應力水平為20%.

（3）干濕交替環(huán)境下，壓應力對鋼筋混凝土柱中氯離子不同傳輸機制的影響特性不同：壓應力能有效降低混凝土表層的毛細吸附作用，從而延滯氯離子通過對流傳質(zhì)進入混凝土的進程；但對混凝土內(nèi)部擴散傳質(zhì)而言，類似阻滯效應僅限于低應力水平（20%以內(nèi)），在高應力水平下，氯離子擴散系數(shù)隨應力水平增加而增大，氯離子遷移進程加快.

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