荷載裂縫和養(yǎng)護齡期對混凝土內(nèi)氯離子傳輸影響研究

張靈靈，陸春華，徐 可，宣廣宇，倪銘志

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

對混凝土結(jié)構(gòu)而言，荷載裂縫是一種常見的結(jié)構(gòu)裂縫，在其服役過程中不可避免[1-2]。在氯鹽侵蝕環(huán)境下，裂縫為氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸提供了便捷通道，致使混凝土結(jié)構(gòu)劣化加快、使用壽命大大降低[3-4]。因此，研究和有效評價開裂混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的傳輸過程，正確預(yù)測氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命具有重要的現(xiàn)實意義。

在分析開裂混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子傳輸過程的主要影響因素時，通常將裂縫特征(包括寬度、深度、曲折度等[4])視為重要的評價參數(shù)。穆松和劉建忠[5]總結(jié)了開裂混凝土試件的裂縫誘導(dǎo)主要方法，包括機械力學(xué)破損法和非機械力學(xué)無損法。目前，開裂混凝土的試驗研究傾向于采用機械力學(xué)破損法產(chǎn)生荷載裂縫，即對混凝土構(gòu)件施加不同的荷載使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力損傷或開裂[6]，這種方法雖無法精確控制裂縫的形成和擴展，但其誘導(dǎo)出的裂縫在曲折度、粗糙度、裂縫分布等特征與混凝土結(jié)構(gòu)自然開裂相似[7]。機械力學(xué)破損法產(chǎn)生自然裂縫的方式主要有劈裂裂縫誘導(dǎo)法和三點或四點彎曲裂縫誘導(dǎo)法[5]。Park等[8]采用劈裂法得到開裂混凝土試件，通過非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)法研究了裂縫寬度和養(yǎng)護齡期參數(shù)(7 d、14 d、28 d)對氯離子傳輸?shù)挠绊?，得到氯離子擴散系數(shù)隨裂縫寬度的增大而增大的結(jié)果；當(dāng)裂縫寬度大于0.2 mm時，擴散系數(shù)增長較快；并探討了養(yǎng)護齡期對開裂混凝土試件氯離子擴散系數(shù)的影響。付傳清等[9]在混凝土小梁試件中預(yù)埋控制螺桿，通過兩點彎曲的方式在梁的跨中位置誘導(dǎo)出自然裂縫，通過NaCl溶液浸泡和AgNO3溶液顯色，發(fā)現(xiàn)開裂混凝土試件的裂縫寬度大于0.05 mm時，裂縫對氯離子的傳輸過程也存在影響。本課題組[4,10]對受彎開裂混凝土構(gòu)件的氯離子侵蝕特性已開展了一定的研究，也得到了一些有價值的結(jié)論。但相關(guān)研究采用的是NaCl溶液干濕循環(huán)試驗，存在試驗周期較長、變化因素多、無法考慮裂縫自愈的影響等不足。

此外，在混凝土氯離子侵蝕性能的評價方法方面，《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)推薦使用非穩(wěn)態(tài)遷移法(RCM法)作為測定氯離子滲透試驗的標(biāo)準(zhǔn)方法。國內(nèi)外不少學(xué)者[11-14]對此方法能否同樣適用于評價存在一定裂縫寬度(尤其是貫通性裂縫)的混凝土提出了疑問，相關(guān)問題需要進一步分析與驗證。

鑒于此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，采用RCM法對開裂混凝土的氯離子傳輸行為進行實時分析，旨在探究不同荷載裂縫產(chǎn)生方式和養(yǎng)護齡期對開裂混凝土中氯離子傳輸過程的影響，相關(guān)研究結(jié)果可為開裂混凝土結(jié)構(gòu)的抗氯離子侵蝕性能分析提供一定參考。

1 實 驗

1.1 材 料

混凝土設(shè)計強度等級為C30，其配合比設(shè)計見表1。其中，水泥采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用粒徑5～31.5 mm的碎石，細骨料采用細度模數(shù)為2.7的中砂。經(jīng)測定，經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的150 mm立方體試塊的抗壓強度為34.4 MPa。

表1 混凝土配合比Table 1 Mixing ratio of concrete

1.2 試驗方法

為了能夠真實反映結(jié)構(gòu)裂縫的特性，采用如下兩種機械力學(xué)破損法制備開裂混凝土試件。

(1)彎曲開裂法：先將鋼筋混凝土梁(室內(nèi)澆水養(yǎng)護，齡期為28 d)兩兩自錨加載至正常開裂狀態(tài)(見圖1(a)，最大裂縫寬度在0.3 mm左右，裂縫高度超過2/3梁高)，隨后在受拉底部裂縫位置處鉆孔直徑為100 mm的混凝土取芯(見圖1(b))，最后按照標(biāo)準(zhǔn)RCM試件進行切割、成型。經(jīng)測定，取芯前后的表面裂縫寬度范圍如表2所示。

(2)預(yù)壓開裂法：按標(biāo)準(zhǔn)RCM試件尺寸要求澆筑混凝土圓柱體試件，室內(nèi)澆水養(yǎng)護一定齡期(28 d和56 d)后進行劈裂試驗，加載速度0.5～0.8 MPa/s，通過開裂位移裝置LVDT(Linear Variable Differential Transformer)監(jiān)測裂縫寬度的變化[15]，見圖2。圓柱體試件的裂縫寬度區(qū)間見表3。

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中給出的抗氯離子滲透試驗方法，對兩類混凝土試件進行RCM試驗。經(jīng)配制，陰極電解液為質(zhì)量濃度10%的NaCl溶液，陽極電解液為物質(zhì)的量濃度0.3 mol/L的NaOH溶液。試驗時，NaCl溶液和NaOH溶液在試驗槽中的液面保持齊平，以測得氯離子在混凝土中非穩(wěn)態(tài)遷移系數(shù)。試驗結(jié)束后將混凝土試件沿垂直于裂縫方向劈成兩個半圓柱體，隨即在斷面處噴涂0.1 mol/L的AgNO3溶液顯色指示劑，利用AgNO3溶液的比色反應(yīng)就可以測量出氯離子浸入試件的深度；約15 min后測量顯色分界線離試件底面的距離，即得到斷面處的氯離子侵蝕深度。

圖1 受彎開裂梁及其彎曲開裂試件Fig.1 Bending cracked beam and its cracked core

圖2 圓柱體劈裂試驗及其裂縫寬度監(jiān)測Fig.2 Splitting test and monitoring crack width

TypeNumberCracks width/mmSelf-anchoredLoad-offCrack widthinterval/mmCuring age/dQX-130.158-0.228/0.160-0.223/0.181-0.2420.046-0.116/0.055-0.118/0.059-0.120①0.05-0.1228QX-230.224-0.298/0.250-0.306/0.274-0.3240.118-0.228/0.122-0.253/0.127-0.304②0.12-0.3028

表3 預(yù)壓開裂法獲得的預(yù)壓開裂試件Table 3 Preloaded concrete specimens produced by pre-compression crack method

2 結(jié)果與討論

2.1 不同裂縫參數(shù)的影響分析

選取養(yǎng)護齡期為28 d的兩類開裂混凝土試件和完整無裂縫試件CK-0，其斷面氯離子顯色區(qū)域如圖3、圖4所示,其中，下部泛白色區(qū)域表示氯離子侵蝕區(qū)域。由于噴涂AgNO3溶液顯色指示劑的緣故，不能看清裂縫的走向，但對比圖3和圖4可以清楚地看到斷面中部(裂縫位置處)的顯色區(qū)域明顯增大。從圖3中可以看出,(1)氯離子在裂縫位置及其周圍一定范圍內(nèi)的滲透深度明顯高于遠離裂縫處的其他位置。由此可見，氯離子會沿著溶液暴露面、裂縫通道以及裂縫通道兩側(cè)向混凝土內(nèi)進行傳輸，即混凝土內(nèi)部的孔隙和裂縫均為氯離子的傳輸通道，其氯離子傳輸行為一般采用雙重孔隙介質(zhì)模型來進行分析[16]；(2)彎曲開裂試件QX-1、QX-2中氯離子滲透深度隨裂縫寬度區(qū)間增大而增大，這與文獻[17]給出的變化規(guī)律一致；而預(yù)壓開裂試件YY-1、YY-2在裂縫兩側(cè)的滲透深度隨裂縫寬度區(qū)間的增大而降低。但當(dāng)裂縫寬度增大到區(qū)間②0.12～0.30 mm時，即YY-2試件，其遠離裂縫處的滲透深度卻降低明顯，這可能是圓柱體試件上部的NaOH溶液通過較大的裂縫孔道滲透到圓柱體試件下部的NaCl溶液中，使得試件在RCM 試驗的電遷移過程中內(nèi)外氯離子濃度梯度差異減弱，導(dǎo)致氯離子的滲透深度降低。因此，對于裂縫區(qū)間②的預(yù)壓開裂試件(YY-2)，RCM試驗方法可能無法有效評價其傳輸過程。

圖3 養(yǎng)護齡期28 d的兩類開裂試件顯色結(jié)果Fig.3 Chromogenic results of two types of cracked specimens with curing age of 28 d

圖4 完好無裂縫的試件CK-0顯色結(jié)果Fig.4 Chromogenic results of CK-0 specimenswithout cracks

圖5 養(yǎng)護齡期28 d的兩類開裂試件氯離子滲透深度Fig.5 Chloride penetration depth of two kinds of cracked specimens with curing age of 28 d

經(jīng)測定，養(yǎng)護齡期為28 d的各混凝土試件所取斷面處的氯離子滲透深度如圖5所示(其中0點表示裂縫位置處)。由圖5可以看出,(1)在相近的裂縫區(qū)間①時，預(yù)壓開裂試件YY-1的氯離子滲透深度大于彎曲開裂試件QX-1的深度；(2)隨著裂縫寬度的增大，氯離子在裂縫位置及其周圍(間距在10 mm內(nèi))混凝土內(nèi)的滲透深度均明顯增加，但裂縫的影響范圍小于文獻[10]對干濕循環(huán)下開裂混凝土測得的結(jié)果(間距在20 mm左右)；(3)當(dāng)與裂縫位置距離超過10 mm后，試件YY-1中的滲透深度平均值為23.22 mm，與參考試件CK-0的滲透深度平均值(22.08 mm)非常接近，而裂縫寬度較大的預(yù)壓開裂試件YY-2的氯離子滲透深度反而最小，其滲透深度比完好的參考試件CK-0的深度還低。

2.2 不同養(yǎng)護齡期的影響分析

對于預(yù)壓開裂混凝土試件，其養(yǎng)護齡期為56 d時相應(yīng)試件的斷面氯離子顯色結(jié)果如圖6所示，結(jié)合圖3(c)、(d)以及圖6給出的顯色結(jié)果，圖7給出了兩種齡期(28 d和56 d)的預(yù)壓開裂混凝土試件氯離子滲透深度的對比關(guān)系(其中0點表示裂縫位置處)。從圖7中可以看出，當(dāng)裂縫寬度區(qū)間相近時，隨著養(yǎng)護齡期的增加，開裂混凝土試件在裂縫位置及其周圍混凝土內(nèi)的氯離子滲透深度均有所減??；尤其是裂縫周圍混凝土(間距超過10 mm)的滲透深度降低明顯，56 d養(yǎng)護齡期試件比28 d試件平均降低了約35%。由此可見，前期養(yǎng)護齡期的增長對后期開裂混凝土的抗氯離子滲透性能也有很大幫助，這與文獻[8]提出的開裂混凝土氯離子傳輸性能隨齡期延長而減小的結(jié)論相吻合。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是養(yǎng)護齡期的增加，混凝土試件內(nèi)部生成的水化產(chǎn)物不斷增多，孔隙含量減少，試件表面的透氣性能和吸水性能下降，導(dǎo)致氯離子的滲透能力減弱，這說明適當(dāng)增加混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護齡期可以提高其帶裂縫工作時的抗氯離子侵蝕能力。

圖6 養(yǎng)護齡期56 d的預(yù)壓開裂試件顯色結(jié)果Fig.6 Chromogenic results of pre-pressed specimen at curing age of 56 d

2.3 氯離子擴散系數(shù)計算分析

圖7 兩種養(yǎng)護齡期的預(yù)壓開裂試件氯離子滲透深度Fig.7 Chloride penetration depth of two kindsof pre-compression cracked specimens

如前所述，RCM試驗測定的是混凝土在非穩(wěn)態(tài)遷移條件下的氯離子擴散系數(shù)Dnssm。當(dāng)采用硝酸銀顯色法測得滲透深度后，開裂混凝土在非穩(wěn)態(tài)遷移條件下的Dnssm可參照文獻[8,18]中給出的方法進行計算，相關(guān)公式見式(1)～(2)。

(1)

(2)

式中，Dnssm為非穩(wěn)態(tài)遷移下混凝土的氯離子擴散系數(shù)(m2/s)；R為氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K)；T為溶液絕對溫度(K)；Z是氯離子價電子的絕對值，Z=1；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 500 J/(V·mol)；U為外加電壓的絕對值(V)，這里取U=30 V；L為試件的厚度(m)，這里取L=0.05 m；t為試驗測試持續(xù)時間(s)；erfc為誤差函數(shù)的逆函數(shù)；Ct為陰極溶液中氯離子的濃度(mol/L)；Xd為AgNO3比色法測得的氯離子滲透深度(m)；Cd為氯離子含量變化情況，Cd=0.200 mol/L時擴散系數(shù)計算誤差最小[18]。

由圖5和圖7可知，開裂混凝土試件在裂縫位置及距離裂縫一定間距處的氯離子滲透深度存在明顯差異，故分別對不同位置處的氯離子擴散系數(shù)進行了計算，結(jié)果見圖8，其中0點表示裂縫位置處、平行線表示參考混凝土試件CK-0的擴散系數(shù)。從圖8中可以看出，氯離子擴散系數(shù)在裂縫位置處最大；隨著離裂縫位置的距離逐漸增大，氯離子擴散系數(shù)逐漸減??；當(dāng)間距超過20 mm后，擴散系數(shù)基本保持不變，并與參考試件CK-0的擴散系數(shù)基本相等，說明在該區(qū)域內(nèi)氯離子滲透受裂縫的影響可以忽略不計。

圖8 氯離子擴散系數(shù)的計算結(jié)果Fig.8 Calculated results of chloride diffusion coefficient

已有研究表明[19]，對于開裂混凝土而言，氯離子的傳輸一般受到裂縫寬度、深度以及曲折度等因素的綜合影響；而裂縫寬度一般認(rèn)為是最主要、最方便用于評價的一個指標(biāo)。這里，參照文獻[10,19]，采用裂縫寬度的劣化效應(yīng)函數(shù)f(w)對開裂混凝土試件氯離子擴散系數(shù)進行分析，見式(3)。

D(w)=f(w)×D0

(3)

式中，D(w)為開裂試件在裂縫處的擴散系數(shù)平均值；D0為完好無裂縫混凝土試件中的擴散系數(shù)。

圖9給出了彎曲開裂試件和預(yù)壓開裂試件劣化效應(yīng)函數(shù)f(w)與平均裂縫寬度w(即對表2、3中的裂縫寬度區(qū)間取平均值)的關(guān)系。參照文獻[10,17]，采用二次多項式函數(shù)對試驗結(jié)果進行回歸分析，擬合函數(shù)見圖9。同時，本文搜集了已有文獻[17,20-21]中關(guān)于兩類裂縫對氯離子擴散系數(shù)影響的試驗結(jié)果，按照開裂方式將試驗結(jié)果也在圖9中給出，用于對比本文試驗結(jié)果及相應(yīng)的擬合曲線。

圖9 劣化效應(yīng)函數(shù)的計算結(jié)果及其比較分析Fig.9 Calculation result and comparison of deterioration effect function

從圖9中可以看出,(1)對于開裂混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)，采用以裂縫寬度w表征的擴散系數(shù)劣化效應(yīng)函數(shù)f(w)(二次多項式函數(shù))進行評價是可行的,在本文研究中，無論是彎曲開裂試件或預(yù)壓開裂試件，擬合精度均很好；(2)對于兩類開裂混凝土試件，預(yù)壓開裂試件的劣化效應(yīng)值高于同等情況下的彎曲開裂試件，這與兩類裂縫是否貫通有一定關(guān)系；(3)對比已有研究結(jié)果，本文試驗得到的劣化效應(yīng)值及其擬合曲線均與現(xiàn)有研究成果較好的吻合，這也再次說明了用裂縫寬度指標(biāo)進行開裂混凝土氯離子擴散特性的描述是有效的。

3 結(jié) 論

(1)對于養(yǎng)護齡期為28 d的兩類開裂混凝土試件，隨著裂縫寬度增大，氯離子在裂縫位置及其周圍10 mm范圍內(nèi)的滲透深度提高明顯；在相同裂縫寬度區(qū)間內(nèi)，彎曲開裂試件的氯離子滲透深度小于預(yù)壓開裂試件；對于預(yù)壓開裂試件，當(dāng)裂縫寬度大于0.12 mm時，不宜采用RCM試驗法評價其內(nèi)部氯離子的傳輸過程。

(2)對于預(yù)壓開裂試件，增大養(yǎng)護齡期對裂縫周圍的氯離子滲透深度降低影響不大，而離裂縫距離超過10 mm后，混凝土的氯離子滲透深度明顯降低；相比養(yǎng)護齡期28 d的預(yù)壓開裂試件，養(yǎng)護齡期56 d時開裂混凝土內(nèi)的氯離子滲透深度平均降低了約35%。

(3)對于兩類開裂混凝土試件，當(dāng)距離裂縫位置超過20 mm后，氯離子擴散系數(shù)受裂縫的影響很小，可以忽略不計。在裂縫位置處，裂縫寬度w對擴散系數(shù)劣化效應(yīng)的影響可采用w的二次多項式函數(shù)進行描述，且彎曲裂縫的劣化效應(yīng)影響低于預(yù)壓裂縫；相關(guān)分析結(jié)果與現(xiàn)有文獻數(shù)據(jù)吻合較好。