荷載作用下帶裂縫砼梁氯離子滲透性能研究

李鵬飛，阮猛，王之強

(1.陜西建工集團有限公司，陜西 西安 710003；2.西安市軌道交通集團建設分公司，陜西 西安 710000；3.陜西建工機械施工集團有限公司，陜西 西安 710048)

氯離子侵蝕是造成砼鋼筋銹蝕的主要原因。鋼筋銹蝕產物的體積比原有體積增大2～4倍，最終導致砼保護層剝落，結構承載力降低，嚴重損害結構耐久性。正常使用中砼結構常伴隨著裂縫的存在，而且隨著結構服役時間的增加，裂縫數量和寬度有所增加。裂縫的產生為氯離子向內部侵入提供了通道，使氯離子更易到達鋼筋表面。了解砼結構在使用中產生的裂縫對氯離子向砼內部擴散的影響對于評估、改善砼結構的耐久性非常重要。

Djerbi A.等對帶裂縫的不同類型砼進行氯離子穩態擴散試驗，結果表明，裂縫寬度大于80 μm時，裂縫內氯離子擴散系數與溶液中擴散系數相等；Lim C.C.等研究單軸壓縮條件下砼中氯離子的擴散行為，發現微裂縫面積對氯離子擴散系數存在影響；Marsavina L.等對存在預置裂縫的砼試件進行氯離子非穩態擴散試驗，發現當裂縫深度增大時，氯離子擴散深度增大；萬小梅等對砼試塊施加不同壓應力，發現氯離子擴散系數隨著壓應力的增加呈先下降后上升的趨勢；何世欽等對(100×100×400)mm砼試塊施加彎曲應力，發現拉應力能增強氯離子的擴散能力，但只有應力較高時效果才明顯。這些研究大都使用不明顯裂縫或人為預制裂縫試件，不能完全符合砼結構實際狀況。針對荷載作用下不同裂縫寬度時砼構件的滲透試驗更便于觀察實際中氯離子滲透行為，為砼結構耐久性把控提供依據。該文進行荷載作用下帶裂縫砼梁氯離子滲透性能研究。

1 試驗方案

砼梁在實際使用中通常是荷載與裂縫共存的狀態，除明顯的表面裂縫外，砼中還存在許多不可見的微裂縫。為使試驗中梁狀態與使用狀態更貼近，試驗中利用逐級施加的荷載生產指定寬度的裂縫，并對梁在對應荷載持續作用下進行氯離子滲透試驗，觀察不同區域、不同深度的氯離子濃度。

1.1 試件設計

試驗采用的鋼筋砼梁尺寸為長1 100 mm、寬100 mm、高160 mm、凈跨1 000 mm，內部鋼筋布置見圖1。只在梁受拉區布置縱筋，縱筋采用直徑12 mm的HRB335鋼筋；梁兩側350 mm范圍內布置箍筋，箍筋使用直徑8 mm的HRB225鋼筋，間距為150 mm；砼使用C30砼。試驗梁同批澆筑，防止砼差異對試驗造成影響。

圖1 試驗梁鋼筋布置示意圖(單位：mm)

1.2 試件加載

GB 50010—2010中，適用除冰鹽、海風、海岸環境中砼允許最大裂縫寬度為0.2 mm。SL 191—2008中，使用除冰鹽、海水浪濺區、重度鹽霧作用區環境中砼允許最大裂縫寬度為0.15 mm。而實際使用中，裂縫寬度往往不能很好地控制在這個范圍。因此，選取0.3、0.5 mm 2 種寬度，并設置1個無裂縫的對照組，觀察不同寬度下不同部位氯離子滲透深度的變化。

梁的加載方案見圖2。采用反向加載，有助于之后進行氯離子滲透試驗。將梁架在反力架上利用千斤頂逐級加載，開裂前每級荷載取2 kN，開裂后每級荷載取1 kN。每級加載后利用裂縫觀測儀查看并標記表面裂縫發展狀況。

圖2 梁的加載示意圖(單位：mm)

1.3 氯離子滲透試驗

梁加載至指定裂縫寬度后，記錄荷載，在梁受拉側樹立木模，以便氯離子溶液浸泡。浸泡區域包括純彎區5 00 mm和兩側剪彎區各1 00 mm，共700 mm。采用蒸餾水和純氯化鈉配置質量分數為10%的氯化鈉溶液，用免釘膠將木模與梁結合縫隙封堵后，先用蒸餾水浸泡3 d，再倒入氯化鈉溶液中滲透30 d，每3 d觀察一次荷載和氯化鈉溶液濃度，保持荷載和濃度不變(見圖3)。

圖3 滲透試驗示意圖

1.4 氯離子濃度測量

滲透完畢，將梁卸載拆模，清理干凈表面的免釘膠后進行鉆孔取樣。鉆孔主要布置在裂縫上，無裂縫處縱向間距取50 mm，橫向取2個孔，豎向每5 mm為一層，每層取樣深度用游標卡尺嚴格控制。采用酒精擦拭鉆孔以保證每次取樣的準確性。分層取樣后過80目細篩，將粉末收集在準備好的離心管中。鉆孔至鋼筋表面，共6層。

將所得樣品粉末放入烘干機中烘干，在(100±5)℃高溫下烘干24 h。取烘干后樣品2 g(精確到0.001 g，重量記為G)，加50 mL(V1)蒸餾水搖晃配制成溶液，靜置24 h至溶液澄清后備用。

采用瑞士萬通848Titrino Plus自動電位滴定儀測量樣品中自由氯離子含量。取澄清后樣品試液過濾，使用移液管去濾液分別取 2 mL(V2)加入2個小燒杯中，各加入2滴酚酞溶液，使其呈微紅色，用稀硫酸中和至無色后立即用AgNO3溶液進行滴定，記錄消耗 AgNO3溶液的體積(V3)。樣品中自由氯離子含量按下式計算：

(1)

式中：P為樣品中自由氯離子濃度；CAgNO3為硝酸銀溶液標準濃度(mol/L)；G為樣品干重(g)；V1為浸樣品用的蒸餾水體積(mL)；V2為每次滴定取的濾液體積(mL)；V3為每次滴定消耗的硝酸銀溶液體積(mL)。

2 試驗結果與分析

2.1 氯離子滲透深度變化

根據滴定結果，利用Origin模擬不同裂縫寬度梁的氯離子擴散深度，結果見圖4～6。

由圖4～6可知：1)無裂縫梁的氯離子濃度變化范圍較小，氯離子向砼內部滲透的深度較小，對深度大于15 mm的砼梁內部沒有明顯影響。2)裂縫對氯離子向砼內部滲透有明顯影響。裂縫寬度為0.3 mm時，氯離擴散深度比無裂縫梁有所增加，但增加不多，裂縫處的氯離子擴散深度較周邊有所增加，且對周邊未開裂區域有一定影響，其原因可能是氯離子發生橫向滲透；最大裂縫寬度達到0.5 mm時，氯離子擴散深度明顯增加，且裂縫中橫向擴散現象更明顯。

圖4 無裂縫梁氯離子擴散深度

圖5 主裂縫寬度為0.3 mm時氯離子擴散深度

圖6 主裂縫寬度為0.5 mm時氯離子擴散深度

2.2 裂縫寬度對氯離子滲透深度的影響

如圖7所示，對于無應力梁，自由氯離子濃度主要富集在表層10 mm左右，在深度12.5 mm處平均濃度幾乎不受外界溶液的影響。而在主裂縫處，外界氯離子的影響顯著增大，在深度12.5 mm處，裂縫寬度為0.3 mm時自由氯離子濃度比無裂縫時增加74.83%，裂縫寬度為0.5 mm時自由氯離子濃度增加108.03%。裂縫寬度越大，氯離子擴散深度越大。深度達到22.5 mm左右時，裂縫寬度為0.3 mm時自由氯離子濃度幾乎與初始氯離子濃度相同，而裂縫寬度為0.5 mm時自由氯離子濃度仍舊提升29.80%。

圖7 不同寬度裂縫下自由氯離子濃度

2.3 不同區域自由氯離子濃度分析

對于同一片梁，取同在正彎受力區域的點，除主裂縫處氯離子的擴散濃度顯著加深外，周邊無裂縫區域也會受到影響。如圖8所示，同樣是無裂縫區域，靠近裂縫區域的氯離子擴散深度比遠離裂縫區域有所增加，無裂縫處氯離子擴散深度比無裂縫梁有所增加。其原因可能是梁底受拉應力的影響產生肉眼不可見的微觀裂縫促進了氯離子擴散，而主裂縫的張開使浸泡溶液填充進入主裂縫內部，在裂縫內部發生橫向擴散，使裂縫周圍同深度的自由氯離子濃度增加，且主裂縫寬度越大，對裂縫周圍自由氯離子濃度的影響越大。深度為12.5 mm、主裂縫寬度為0.3 mm時，靠近裂縫處的自由氯離子濃度比遠離裂縫處的自由氯離子濃度增大12.21%；主裂縫寬度0.5mm時，同深度自由氯離子濃度增大32.18%。

不同主裂縫寬度梁遠離裂縫區域的氯離子擴散深度對比見圖9。由圖9可知：氯離子擴散深度隨著梁最大裂縫寬度的增加而增加，無裂縫處自由氯離子濃度增幅比主裂縫處明顯減小。深度為12.5 mm時，主裂縫寬度為0.5 mm時自由氯離子濃度增加60.1%，主裂縫寬度為0.3 mm時自由氯離子濃度增加32.2%，而且對深處砼的影響很小。

圖9 不同梁無裂縫處氯離子擴散深度

2.4 裂縫處氯離子滲透系數模擬

對于砼中氯離子擴散，通常使用Fick第二定律來計算。對不同梁上遠離裂縫處測試結果采用MATLAB軟件進行模擬，得到氯離子擴散系數(見表1)。各梁的擬合系數均在0.95以上，說明擬合結果較好。由表1可知：隨著主裂縫寬度的加大，氯離子擴散系數增大。從無受力梁到主裂縫寬度0.3 mm，擴散系數增大2.16倍，說明受力后砼氯離子擴散顯著增強；主裂縫寬度為0.5 mm時氯離子擴散系數增大1.41倍，說明受力狀態下氯離子擴散系數會隨拉應力的增大而增大。

表1 不同裂縫寬度下氯離子擴散系數

Fick第二定律是基于氯離子在砼中擴散為一維來分析的，在遠離主裂縫的無裂縫區域可以適用，而在裂縫處，氯離子的擴散不僅包括縱向擴散，還包括橫向擴散，不能完全適用Fick第二定律。葉夢琦等基于雙重孔隙介質模型，以裂縫寬度為氯離子在砼試塊中擴散的主要誘因，并設想通過完整砼的氯離子擴散系數和裂縫寬度的相關關系合理表達帶裂縫砼的平均氯離子擴散系數，通過試驗數據模擬得到關于裂縫寬度的氯離子擴散系數的修正公式：

f(w)=-10.474w3+5.224w2+8.343 9w+

0.986 2

(2)

式中：w為裂縫寬度。

Kwon S.J.等對碼頭砼進行現場測試，得到存在早期裂縫的砼中氯離子等效擴散系數與裂縫寬度的關系式：

f(w)=31.61w2+4.73w+1

(3)

使用式(2)、式(3)計算主裂縫處氯離子擴散系數，結果見表2。

表2 主裂縫處氯離子擴散系數擬合結果

由表2可知：使用葉夢琦等提出的裂縫寬度修正系數公式得到的系數具有更高的可靠性。但當裂縫寬度增大時，其可靠度有所下降，其原因可能是沒有考慮外荷載對氯離子擴散的影響，需進一步進行試驗研究。

3 結論

通過對荷載耦合裂縫梁下氯離子自由擴散試驗，模擬實際使用中梁的氯離子滲透狀態，得到以下結論：

(1)隨著主裂縫寬度的增加，梁整體氯離子擴散深度增加；主裂縫寬度達到0.5 mm時，裂縫處氯離子能穿過保護層影響到鋼筋表面。

(2)對比主裂縫附近及主裂縫遠端無裂縫區域氯離子擴散深度，發現裂縫對周邊區域自由氯離子濃度有明顯影響，且裂縫寬度越大，對周邊區域自由氯離子濃度的影響越大。

(3)隨著主裂縫寬度的增大，遠離主裂縫的無裂縫區域氯離子滲透系數增大。主裂縫處由于氯離子滲透包括縱向和橫向2個方向，Fick第二定律已不再適用。采用葉夢琦等提出的裂縫寬度修正系數在裂縫寬度較小時較吻合，但在裂縫寬度較大時不再適用。