壓荷載對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

錢邵同

(廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

0 前 言

鋼筋銹蝕是引起當今世界混凝土破壞以及銹蝕的主要原因，而氯離子侵蝕又是導致鋼筋銹蝕的主要因素[1]，因此，研究混凝土中抗氯離子的滲透性能對混凝土的耐久性設計具有重要的參考意義。目前評價混凝土氯離子滲透性能的方法有很多，包括水壓力法、氯離子滲透實驗法以及透氣法。其中氯離子滲透實驗法又包括自然擴散法、干濕循環加速法以及外加電場加速法[2]。這些方法都是基于無荷載水平下，這種理想條件下的實驗難以模擬實際工況中復雜的應力狀態。基于此，本文將很多學者關于壓荷載對混凝土的抗滲透性能的影響研究進行了細分、歸納和總結。

1 單軸壓荷載

按加載性質將單軸壓荷載分為一次預壓荷載、持續壓荷載以及循環壓荷載。

研究預壓荷載作用下抗氯離子滲透性能，實際上是研究混凝土卸載后產生的損傷對氯離子滲透的影響[2]。Misturu Saito[3]研究了一次預壓荷載作用后混凝土中的氯離子滲透性能。研究結果表明混凝土即使遭受到90%的極限荷載，荷載引起的微裂縫對氯離子滲透性能也只有略微的影響。此外，何亞伯等[4]通過滲透氯離子實驗(NEL法)指出，在預壓荷載加載條件下，氯離子擴散系數呈現先下降后上升的趨勢，應力比為0.2時氯離子擴散系數最低。

然而混凝土在實際工況中往往是荷載和氯鹽同時作用，荷載的持續存在加速了裂縫的發展，加速了氯離子的擴散。所以為了更接近真實的工況，孫繼承等[5]基于改進的NEL法研究了持續壓荷載作用下混凝土中氯離子滲透性能，并用應力比與氯離子擴散系數表征氯離子在混凝土中的入侵程度，實驗結果表明，普通混凝土存在一個所謂的臨界應力，其值為0.3。當應力比小于0.3時，混凝土中的氯離子擴散系數隨著應力比的增大而增大，當應力比大于0.3時，混凝土中的氯離子擴散系數隨著應力比的增大而減小。Wang等[6]基于改進的快速氯離子遷移裝置，研究了持續壓荷載作用下混凝土中氯離子滲透性能。也得到了相似的結論。普通混凝土的臨界應力為0.3，且提出了氯離子擴散系數D/D0(當前荷載對應的氯離子擴散系數與無應力狀態下的氯離子擴散系數的比值)與壓應力比之間的分段線性關系式。然而李維紅等[7]的研究結果與上述研究者略有差異，李維紅等采用了自然擴散法研究了持續壓荷載作用下混凝土抗氯離子滲透性能，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的小梁，荷載水平分別為0%、30%、60%的極限荷載。基于Fick第二定律測得的氯離子含量隨著荷載等級增加出現先增大后減小的趨勢，這可能是由于試件尺寸以及表征氯離子擴散程度方式的差異性。此外，本文將部分學者[5-6，8-10]關于持續壓荷載對混凝土的滲透性能的影響研究結果進行了歸納，試件尺寸以及測試方法等如表 1所示，實驗數據如圖 1所示。由于各研究者在試件尺寸、測試手段以及實驗環境有所差異，為了更好地比較總結，本文采用了歸一化處理，使得縱坐標的量綱為1。即圖1橫坐標S/S0表示當前荷載與極限荷載的比值，縱坐標f(S)/f(S0)表示當前應力狀態氯離子擴散系數與無應力狀態氯離子擴散系數的比值。

表1 持續壓荷載下采用的試件尺寸、加載方式及測試方法

圖1 f(S)/f(S0)隨S/S0的變化

從圖 1可知，盡管各研究者采用的氯離子測試手段有所不同，氯離子擴散系數基本上都是隨著荷載的遞增出現先減小后增大的趨勢，臨界應力基本上都是0.3，且當應力水平在0.6及以上時，部分氯離子擴散系數趨近于無應力狀態下，還有一部分甚至遠遠超過了無應力狀態下的。這是因為剛開始由于荷載使得混凝土中的毛細孔隙以及微裂縫減小或閉合，阻礙了氯離子在混凝土中的傳輸。當單軸狀態下的壓應力持續增大導致混凝上土內部的界面過渡區和基體之間的裂縫搭接，使得氯離子更容易擴散和傳輸，進而導致氯離子擴散系數的增大[11]。

循環壓荷載，作為一種用于模擬地震的荷載。由于其反復作用會引起混凝土的損傷，研究的難度大，可見的報道比較少。Misturu Saito等[3]研究表明混凝土在60%～80%極限荷載的循環荷載作用下，氯離子滲透性突然增大。然而混凝土遭受到極限荷載50%的循環荷載時，即使重復一百萬次，也只有略微的影響。張武滿等[12]研究循環荷載次數對氯離子透過性能的影響，研究結果顯示40%和80%極限荷載的5次重復荷載增大了氯離子透過性能，且40%和80%極限荷載的基準混凝土的氯離子透過數量分別增加了34.2%和85.0%。上述研究結果表明，循環壓荷載也存在一個所謂的臨界應力，當應力水平低于這個臨界應力時，即使遭受多次重復荷載，混凝土損傷程度也很低。然而不同研究者的臨界應力略有差異。一方面，混凝土本身就是一種隨機復合材料，此外加載方式的復雜性以及測試條件的差異性加大了研究結果的離散型。因此，對于后續臨界應力的確定有待進一步的研究。

2 結 論

整體而言，現在的研究方向逐漸細化，考慮的也愈加周全。但總體來說，還是有很多有待研究的地方。在壓荷載方面，最近幾年已經有很多研究持續壓荷載文獻報道過，然而目前研究單軸壓荷載的占絕大多數，研究混凝土在雙軸壓荷載作用下的氯離子滲透性能的文獻很少，研究混凝土在持續雙軸壓荷載作用下的氯離子滲透性能的文獻更是未見報道，然而混凝土結構的確會處于這樣一種實際工況，另一方面，目前研究氯離子滲透性能的文獻大多只是在實驗的基礎上闡述結論，少有文獻進一步總結提煉建立相應的數學模型。

[ID：010320]