混凝土橋梁接縫氯離子侵蝕試驗(yàn)研究

石慶波 張京京 周方南 王海良 趙靜波 郭曉宇 張成龍

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222；2.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院 天津 300384)

1 引言

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)一般采取分段澆筑或預(yù)制拼裝施工，而非一次澆筑成型，因此橋梁結(jié)構(gòu)存在各類形式的接縫在所難免。預(yù)制拼裝出現(xiàn)的膠接縫[1－3]和分段現(xiàn)澆產(chǎn)生的濕接縫[4]是兩種主要的接縫形式。目前，一部分混凝土橋梁建設(shè)于沿海、鹽湖、鹽堿地區(qū)域以及工業(yè)廠房附近，此外在我國(guó)北方冬季存在使用除冰鹽的情況，這些都會(huì)使得橋梁結(jié)構(gòu)存在遭受氯鹽侵蝕的可能性。氯離子會(huì)通過保護(hù)層進(jìn)入混凝土內(nèi)部腐蝕鋼筋，鋼筋在氯離子的侵蝕下會(huì)逐漸銹蝕，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹會(huì)使混凝土開裂，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致構(gòu)件力學(xué)性能退化，進(jìn)而影響橋梁結(jié)構(gòu)服役安全[5－6]。現(xiàn)階段有關(guān)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究主要集中于整體成型部分，而對(duì)接縫處混凝土的耐久性研究較少[7]。目前僅有李國(guó)平等[8]對(duì)分段成型的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中的直接濕接縫、鑿毛濕接縫、干接縫和環(huán)氧膠接縫4種接縫的抗氯離子侵蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。于東超[9]等以混凝土橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)制節(jié)段梁體接縫為研究對(duì)象，開展了梁體接縫在凍融和碳化共同作用下的耐久性試驗(yàn)。

氯離子侵入混凝土方式有多種，侵入機(jī)理也較為復(fù)雜，但最常見的侵入方式是擴(kuò)散[10]。試驗(yàn)通常采取浸泡的方式來模擬擴(kuò)散侵入[11]，然而橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件并非均處于氯鹽溶液中，相比于橋墩、承臺(tái)、基礎(chǔ)，橋梁上部結(jié)構(gòu)更多時(shí)間暴露于大氣中而非氯鹽溶液之中，對(duì)處于海洋大氣中的橋梁上部結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用氯鹽鹽霧侵蝕環(huán)境來模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)所處的真實(shí)狀態(tài)[12]。鑒于此，以直接膠接縫、打磨膠接縫、直接濕接縫和鑿毛濕接縫4種接縫形式的混凝土試件為研究對(duì)象，以整體成型混凝土試件作為對(duì)比，通過氯鹽浸泡與鹽霧侵蝕來模擬橋梁下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)所處的氯鹽環(huán)境，對(duì)其開展兩種環(huán)境下的氯離子侵蝕試驗(yàn)，獲得氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土構(gòu)件接縫處不同深度的氯離子濃度，研究不同接縫形式在不同氯鹽侵蝕環(huán)境中的耐久性差異，以期為混凝土橋梁接縫局部區(qū)域的耐久性設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐和合理建議。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件設(shè)計(jì)

參照?普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程?(JGJ 55—2011)配制設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土，其配合比見表1。其中，水泥標(biāo)號(hào)為P.O 42.5，粗骨料最大粒徑為25.0 mm，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.8，外加劑采用標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸高性能減水劑。參照?普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)?(GB/T 50080—2016)規(guī)定，測(cè)得混凝土坍落度為150 mm。

表1 C50混凝土配合比 kg/m3

采用3塊尺寸為(100×100×100)mm混凝土立方體試塊制作含有膠接縫或濕接縫的尺寸為(100×100×300)mm的棱柱體試塊，即混凝土接縫試件，包括直接膠接縫、打磨膠接縫、直接濕接縫和鑿毛濕接縫4種接縫形式試件，同時(shí)制作(100×100×300)mm整體成型混凝土棱柱體試件作為對(duì)比，待所有試件成型后置于水箱中室溫養(yǎng)護(hù)28 d。不同接縫試件制作過程如圖1所示。

圖1 不同接縫試件制作過程

2.2 侵蝕環(huán)境及試件分組

試驗(yàn)主要對(duì)兩種環(huán)境下4種接縫形式試件和整體成型試件經(jīng)不同侵蝕周期后不同深度處混凝土中氯離子濃度差異進(jìn)行對(duì)比研究。采用鹽溶液浸泡試驗(yàn)?zāi)M橋梁下部結(jié)構(gòu)所處海洋環(huán)境。試驗(yàn)前將試件頂面(100×300 mm面)作為氯離子侵蝕的暴露面，其余各面涂抹石蠟予以密封；然后，將處理后的試件浸入于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的NaCl溶液中，保持鹽溶液高出試件上表面30 cm；在室溫下試件分別浸泡7 d、14 d、28 d、56 d。采用中性鹽霧試驗(yàn)?zāi)M橋梁上部結(jié)構(gòu)所處海洋大氣環(huán)境。試驗(yàn)前試件處理方式與鹽溶液浸泡試驗(yàn)中試件相同；然后，將處理后的試件暴露面向上放置于鹽霧箱內(nèi)，鹽水箱中放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的NaCl溶液，并通過空氣壓縮裝置向試件表面噴灑鹽霧；試驗(yàn)過程中試驗(yàn)箱內(nèi)溫度恒定為35℃，鹽霧侵蝕周期為7 d、14 d、28 d、56 d。

對(duì)于兩種侵蝕環(huán)境，每種環(huán)境下按照侵蝕周期分為4組試件，每組均包含直接膠接縫、打磨膠接縫、直接濕接縫和鑿毛濕接縫4種接縫形式試件和整體成型試件各1個(gè)，同時(shí)每個(gè)試件包含2個(gè)接縫界面，可形成平行試樣。對(duì)于每個(gè)試件，4處粉末樣本取樣位置如圖2中A、B、C、D點(diǎn)所示。其中，d為取樣深度，將由4處粉末樣本測(cè)得的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值作為每個(gè)試件接縫處對(duì)應(yīng)深度混凝土中氯離子濃度值，粉末樣本的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)由紹興科銳SSWY-820型氯離子含量快速測(cè)定儀測(cè)出。

圖2 取樣位置(單位:mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鹽溶液浸泡試驗(yàn)

圖3為鹽溶液環(huán)境下4種接縫試件和整體成型試件混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)7 d氯離子侵蝕后，所有試件混凝土中氯離子濃度隨侵蝕深度變化近似為直線，滿足線性梯度變化關(guān)系；經(jīng)14 d、28 d、56 d氯離子侵蝕后，混凝土中氯離子濃度隨侵蝕深度呈曲線變化，且隨深度增加曲線趨于平緩，尤其在深度達(dá)到40 mm后更為明顯。這表明不同深度處氯離子已經(jīng)開始逐漸累積，鹽顆粒結(jié)晶阻塞混凝土內(nèi)部孔隙，使得氯離子隨深度增加擴(kuò)散速率減慢。對(duì)比同一深度處不同侵蝕周期混凝土中氯離子濃度可知，距暴露面越近氯離子濃度隨時(shí)間增加越快，擴(kuò)散速率也較大；隨深度增加，氯離子濃度增加逐漸變緩。

圖3 鹽溶液環(huán)境下不同試件混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4為鹽溶液浸泡28 d和56 d后4種接縫試件和整體成型試件中氯離子濃度對(duì)比曲線。可見，所有形式接縫試件混凝土中氯離子濃度均高于整體成型試件，即接縫處確為混凝土耐久性薄弱位置；4種接縫試件混凝土中氯離子濃度總體上呈現(xiàn)出濕接縫小于膠接縫、鑿毛(或打磨)小于不做處理的規(guī)律。針對(duì)濕接縫耐久性優(yōu)于膠接縫的情況，究其原因在于，膠接縫中環(huán)氧樹脂膠與兩側(cè)混凝土界面層的氯離子更易于通過該路徑擴(kuò)散；而濕接縫兩側(cè)均為混凝土，相較于膠接縫更接近為一個(gè)整體，故濕接縫處混凝土中氯離子濃度較低，此類接縫抗氯離子侵蝕能力更好。針對(duì)界面鑿毛或打磨處理優(yōu)于不做處理的情況，究其原因在于:(1)打磨與鑿毛均是對(duì)接縫界面處混凝土表面水泥砂漿基體進(jìn)行清除，而水泥砂漿是氯離子擴(kuò)散的主要通道，界面處理后水泥砂漿基體大量減少，氯離子侵蝕路徑減少，故打磨或鑿毛提高了界面抗氯離子侵蝕能力；(2)初始接縫界面粗骨料較少，鑿毛處理使得混凝土內(nèi)部粗骨料呈暴露狀態(tài)，而氯離子通過粗骨料擴(kuò)散更加困難，故鑿毛有利于提高接縫處耐久性。

3.2 中性鹽霧試驗(yàn)

圖5為鹽霧環(huán)境下4種接縫試件和整體成型試件混凝土中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖5可知，經(jīng)不同時(shí)間氯離子侵蝕后，混凝土中氯離子濃度隨侵蝕深度均呈曲線變化，且隨深度增加曲線趨于平緩；與鹽溶液浸泡環(huán)境相比，在鹽霧侵蝕前期(7 d)，所有試件混凝土中氯離子濃度隨侵蝕深度變化不再呈線性關(guān)系，這說明在鹽霧環(huán)境下氯離子的擴(kuò)散受侵蝕深度的影響更為明顯，該環(huán)境下隨侵蝕深度增加，氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降更為顯著。

圖6為鹽霧侵蝕28 d和56 d后4種接縫試件和整體成型試件中氯離子濃度對(duì)比曲線。綜合圖6可知，無論是鹽溶液浸泡環(huán)境還是鹽霧侵蝕環(huán)境，4種接縫試件的耐久性均表現(xiàn)為:打磨膠接縫優(yōu)于直接膠接縫，鑿毛濕接縫優(yōu)于直接濕接縫。

圖6 鹽霧侵蝕28 d和56 d后不同試件中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比

3.3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

基于Fick第二定律，混凝土內(nèi)部任意時(shí)刻不同深度處的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)可按式(1)計(jì)算，采用式(1)進(jìn)行擬合得出4種接縫試件以及整體成型試件的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，以期為實(shí)際工程耐久性設(shè)計(jì)提出建議。

式中:c為侵蝕深度xmm處氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；t為侵蝕時(shí)間，d；D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；cs為混凝土表面氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；erf(˙)為高斯誤差函數(shù)。

兩種環(huán)境下不同試件中混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)如圖7所示。綜合圖7a與圖7b可知，鹽溶液浸泡和鹽霧侵蝕環(huán)境下，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨時(shí)間增加而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定；鹽溶液浸泡環(huán)境中試件混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)要高于鹽霧侵蝕環(huán)境中對(duì)應(yīng)試件混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

圖7 兩種環(huán)境下不同試件中混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

4 結(jié)論與建議

(1)接縫部位為混凝土抗氯離子侵蝕薄弱部位，接縫處由于混凝土非整體成型，接縫界面存在水泥砂漿基體，對(duì)氯離子擴(kuò)散的阻礙作用減弱。

(2)鹽溶液浸泡環(huán)境與鹽霧侵蝕環(huán)境下4種接縫試件的耐久性總體表現(xiàn)為:濕接縫優(yōu)于膠接縫、鑿毛(打磨)處理優(yōu)于不做處理；隨氯離子侵蝕時(shí)間增加，不同種類接縫處混凝土的耐久性差異逐漸減小。

(3)經(jīng)相同時(shí)間侵蝕后，鹽霧環(huán)境下混凝土受侵蝕程度與鹽溶液浸泡環(huán)境下接近，但鹽霧環(huán)境下試件表面氯離子濃度大于鹽溶液浸泡環(huán)境下的試件，隨深度增加鹽霧環(huán)境下試件氯離子濃度逐漸小于浸泡環(huán)境下的試件。

(4)鹽霧環(huán)境下接縫處的氯離子侵蝕防護(hù)對(duì)提高橋梁耐久性十分重要，宜優(yōu)先采用經(jīng)界面處理的濕接縫工藝。