橫向荷載裂縫對(duì)海洋浪濺區(qū)混凝土耐久性劣化影響*

黎鵬平， 付文金， 熊建波， 王勝年

(1 水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運(yùn)輸部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510230；2 中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230)

0 引言

處于服役中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到的環(huán)境侵蝕主要包括：環(huán)境中的氯離子滲透至鋼筋表面且濃度達(dá)到臨界濃度后，引起鋼筋脫鈍并銹蝕，在水分充足且氧氣充分條件下鋼筋進(jìn)一步銹蝕膨脹，導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層開(kāi)裂，最終引起結(jié)構(gòu)的耐久性退化和承載力的降低[1-2]； 大氣中的CO2引起混凝土表面碳化，酸雨引起混凝土表面中性化等，這些都會(huì)導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層中性化并引起鋼筋脫鈍； SO42-的侵蝕易引起混凝土中的水化硅酸鈣凝膠強(qiáng)度降低； 凍融循環(huán)易引起混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等[3]。大量研究及實(shí)體構(gòu)件檢測(cè)表明，海洋環(huán)境中氯離子引起的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性退化和承載力降低的關(guān)鍵因素，降低氯離子在鋼筋混凝土內(nèi)的滲透速率是提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性使用年限最直接也是最有效的有段之一[4-5]。

混凝土是典型的固、液、氣三相結(jié)構(gòu)，所以從微觀層次而言內(nèi)部有較多的孔隙或裂縫，混凝土內(nèi)存在固有裂縫，但內(nèi)部固有裂縫與外部荷載產(chǎn)生的橫向荷載裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響顯然不一致。國(guó)內(nèi)外在考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力及使用壽命時(shí)都規(guī)定了一個(gè)允許裂縫寬度最大值，該值與服役環(huán)境、鋼筋保護(hù)層厚度、構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)及構(gòu)件的形式等參數(shù)相關(guān)聯(lián)，該值的范圍通常為0.15～0.3mm，如美國(guó)規(guī)范ACI 224.1R[6]規(guī)定海洋浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)的受拉混凝土構(gòu)件表面最大裂縫寬度限值為0.15mm，需要防水構(gòu)件的最大裂縫寬度限定為0.10mm，我國(guó)在耐久性設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中裂縫的控制指標(biāo)也不盡相同，如《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50476—2019)[7]和《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3310—2019)[8]規(guī)定最大裂縫寬度不能超過(guò)0.20mm，而《水運(yùn)工程混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(JTS 202-2-2011)[9]將水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)的最大允許裂縫寬度值分別規(guī)定為0.25mm和0.30mm。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于橫向荷載裂縫對(duì)混凝土耐久性的影響缺乏系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系，以往研究人員采取的裂縫制作方式、裂縫寬度、評(píng)判混凝土滲透性的試驗(yàn)方法以及侵蝕性介質(zhì)都不相同，造成研究結(jié)果不具有對(duì)照性，部分試驗(yàn)結(jié)論甚至相互矛盾[10-11]。本文在參考國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中的裂縫寬度限值的情況下，模擬海洋環(huán)境開(kāi)展了氯離子在不同橫向裂縫寬度浪濺區(qū)混凝土內(nèi)的滲透試驗(yàn)，以混凝土的氯離子濃度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗?jié)B透性能，從耐久性角度為裂縫寬度的最大允許值提供參考。

1 試驗(yàn)原材料和方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥選用P·Ⅱ42.5R早強(qiáng)型硅酸鹽水泥； 分別選用某電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰以及某鋼廠生產(chǎn)的S95礦渣粉作為復(fù)合礦物摻合料，粉煤灰和礦渣粉的表觀密度分別為2 170kg/m3和2 910kg/m3，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求； 細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.8的Ⅱ區(qū)級(jí)配的西江砂，表觀密度2 650kg/m3； 粗骨料選用最大粒徑20mm的花崗巖級(jí)配碎石，表觀密度2 650kg/m3； 外加劑選用減水率高于25%的聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗(yàn)方案

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C45，水膠比為0.35，基于港珠澳大橋和深中通道等大型工程項(xiàng)目的試驗(yàn)和應(yīng)用基礎(chǔ)，采用粉煤灰和礦粉復(fù)摻的方式，并用純水泥作對(duì)照試驗(yàn)，考慮與工程施工的結(jié)合程度，控制混凝土的入模坍落度為140～180mm，混凝土配合比見(jiàn)表1[12]。通過(guò)調(diào)整外加劑中引氣劑組分來(lái)控制振搗后混凝土的含氣量為2.5%±0.2%，試件拆模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28d齡期。

混凝土配合比及基本性能 表1

1.3 試驗(yàn)方法

裂縫寬度取值分別為0.1，0.15，0.20，0.25mm。裂縫制作步驟如下：試驗(yàn)采用尺寸為100mm×100mm×500mm的鋼筋混凝土梁，梁體內(nèi)預(yù)埋兩根直徑為8mm的普通圓鋼以控制裂縫制作時(shí)試件不發(fā)生脆性斷裂，混凝土試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后采用四點(diǎn)加載的方式使混凝土試件預(yù)開(kāi)裂，并利用裂縫寬度觀測(cè)儀同步監(jiān)測(cè)裂縫寬度，裂縫寬度達(dá)到設(shè)定值時(shí)卸除預(yù)加載裝置。再采用試驗(yàn)裝置對(duì)混凝土試件的裂縫寬度進(jìn)行精確調(diào)整，待裂縫寬度調(diào)整到試驗(yàn)設(shè)定值后對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行鎖定，并定期對(duì)外部荷載進(jìn)行調(diào)整以控制裂縫寬度在試驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定，試件裂縫加載過(guò)程及裂縫調(diào)整裝置見(jiàn)圖1[13]。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度控制

將預(yù)先制作不同裂縫寬度的試件置于干燥環(huán)境中，待試件表面干燥后再用無(wú)色透明的環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)試件的兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行封閉，使氯離子只能從混凝土的暴露面垂直向里滲透。將預(yù)處理好的混凝土試件放置于海洋環(huán)境試驗(yàn)箱的浪濺區(qū)。海洋環(huán)境試驗(yàn)箱的溫度控制為(25±1)℃，浪濺區(qū)環(huán)境濕度為60%±5%，噴淋溶液中的氯離子濃度約1.50%±0.1%，定期對(duì)氯離子濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。浪濺區(qū)每天設(shè)置6個(gè)循環(huán)，每次噴淋時(shí)間為15min，結(jié)束后自動(dòng)烘干，保證每次噴淋前試件表面都處于干燥狀態(tài)。

浪濺區(qū)混凝土試件經(jīng)過(guò)56d和90d暴露試驗(yàn)后，卸載外部裂縫寬度調(diào)整裝置并將暴露面置于自動(dòng)磨粉試驗(yàn)機(jī)中，垂直于暴露面從表面沿裂縫深度方向取樣，每層取樣厚度不超過(guò)1mm，最大取樣深度為14mm，混凝土試件取樣示意圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

圖2 混凝土試件取樣示意圖和實(shí)物圖

混凝土試件中不同深度處獲取的粉樣預(yù)處理按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行，粉樣中的氯離子濃度采用瑞士某公司的復(fù)合電極自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定，最后利用菲克第二擴(kuò)散定律進(jìn)行擬合獲得氯離子擴(kuò)散系數(shù)的解析解[14]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面橫向裂縫寬度對(duì)混凝土內(nèi)不同深度的氯離子濃度影響

混凝土表面橫向裂縫寬度對(duì)暴露56d齡期混凝土試件不同深度的氯離子濃度分布影響見(jiàn)圖3。由圖3(a)可見(jiàn)，對(duì)于純水泥混凝土試件，混凝土內(nèi)同一深度處的氯離子濃度隨裂縫寬度的增加而增大； 對(duì)于復(fù)合摻合料混凝土試件，盡管測(cè)試結(jié)果有一定的離散，但混凝土試件內(nèi)同一深度處的氯離子濃度總體上隨裂縫寬度的增加而增大，當(dāng)裂縫寬度增加至0.25mm時(shí)，混凝土試件內(nèi)的氯離子濃度要明顯高于裂縫寬度為0.10mm試件在同樣深度處的氯離子濃度。比較圖3(a)，(b)可見(jiàn)，裂縫寬度相同時(shí)且混凝土深度超過(guò)4mm后，相比于純水泥混凝土試件，復(fù)合摻合料混凝土試件內(nèi)相同深度處的氯離子濃度要較低，如裂縫寬度為0.25mm、混凝土深度12mm處純水泥混凝土試件的氯離子濃度達(dá)到0.1522%，但復(fù)合摻合料混凝土試件的氯離子濃度降低為0.088%。

圖3 裂縫寬度對(duì)暴露56d混凝土試件不同深度的氯離子濃度分布影響

混凝土表面橫向裂縫寬度對(duì)暴露90d齡期混凝土試件不同深度的氯離子濃度分布影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，對(duì)于暴露90d齡期的混凝土試件，不論是純水泥混凝土試件還是復(fù)合摻合料混凝土試件，相同深度處的氯離子濃度總體上隨裂縫寬度增大而提高，當(dāng)裂縫寬度增加至0.25mm時(shí)，混凝土試件內(nèi)的氯離子濃度分布要明顯的高于裂縫寬度為0.10mm試件在同樣深度處的氯離子濃度。同時(shí)比較圖4(a)，(b)可知，在裂縫寬度相同且混凝土深度超過(guò)6mm后，相比于純水泥混凝土試件，復(fù)合摻合料混凝土試件的氯離子濃度要較低。

圖4 裂縫寬度對(duì)暴露90d混凝土試件不同深度的氯離子濃度分布影響

比較圖3和圖4可知，裂縫寬度相同時(shí)混凝土內(nèi)同一深度處的氯離子濃度隨著試驗(yàn)齡期的延長(zhǎng)而提高，90d齡期試件的氯離子濃度要高于56d齡期的試件。

2.2 表面橫向裂縫寬度對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響

混凝土表面橫向裂縫寬度對(duì)暴露56d和90d齡期時(shí)純水泥混凝土試件和復(fù)合摻合料混凝土試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知，對(duì)于相同的混凝土配合比，不論是純水泥混凝土試件還是復(fù)合摻合料混凝土試件，氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨橫向裂縫寬度的增加而增大，裂縫寬度相同時(shí)，暴露齡期90d試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)要低于暴露齡期56d的試件，原因?yàn)殡S著暴露齡期延長(zhǎng)混凝土內(nèi)的復(fù)合摻合料會(huì)進(jìn)一步水化，造成復(fù)合摻合料混凝土試件的密實(shí)度提高。當(dāng)裂縫寬度由0.10mm增加至0.15mm時(shí)，試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化并不明顯，但裂縫寬度進(jìn)一步提高到0.25mm后氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著提高，如56d齡期的純水泥混凝土試件，裂縫寬度由0.10mm增加至0.15mm時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加約18%，但進(jìn)一步增加裂縫寬度至0.25mm后，與裂縫寬度為0.10mm的試件相比擴(kuò)散系數(shù)提高約3倍。比較圖5(a)，(b)可知，暴露齡期和裂縫寬度相同時(shí)，純水泥混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)約為復(fù)合摻合料混凝土試件的2～3倍。

圖5 橫向裂縫寬度對(duì)混凝土試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響

由于復(fù)合摻合料的水化速度和水化程度要低于純水泥，隨著暴露齡期的延長(zhǎng)，復(fù)合摻合料的水化也會(huì)接近穩(wěn)定，所以采用暴露齡期為90d試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度進(jìn)行曲線擬合，擬合結(jié)果分別見(jiàn)圖5(a)，(b)中擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度的關(guān)系式，純水泥混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和復(fù)合摻合料混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均與裂縫寬度近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與膠凝材料的體系無(wú)直接關(guān)系，膠凝材料體系僅影響指數(shù)函數(shù)中的固定值。

分析混凝土表面宏觀可見(jiàn)裂縫對(duì)氯離子侵蝕的影響可知：表面裂縫的存在加快了水分在混凝土內(nèi)的滲透，可使裂縫周圍的膠凝材料水化更加充分，其產(chǎn)物將使裂縫部分愈合從而延緩各種離子滲透，但是表面裂縫也為溶液滲透及各種氯離子侵蝕提供了一個(gè)良好的通道； 此外混凝土試件出現(xiàn)橫向裂縫后靠近裂縫處的混凝土拉應(yīng)力為零，而拉應(yīng)力的降低可有效地提高混凝土的抗?jié)B性[15-16]，所以混凝土橫向裂縫寬度對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗?jié)B透性的影響是幾個(gè)因素相互影響的綜合體現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1)混凝土試件同一深度處的氯離子濃度不僅隨裂縫寬度的增加而增大，還隨暴露齡期的延長(zhǎng)而增加。裂縫寬度相同時(shí)且混凝土內(nèi)部超過(guò)一定深度后，相比于純水泥混凝土試件，復(fù)合礦物摻合料混凝土試件的氯離子濃度要較低。

(2)混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨裂縫寬度的增加而增大，混凝土裂縫寬度由0.10mm增加至0.15mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化并不顯著，裂縫寬度進(jìn)一步提高到0.25mm后，與裂縫為0.10mm的試件相比氯離子擴(kuò)散系數(shù)提高約3倍。

(3)暴露齡期90d純水泥試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和復(fù)合摻合料試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均與裂縫寬度近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，膠凝材料組成體系僅影響函數(shù)的固定值。