應(yīng)力狀態(tài)下開裂混凝土中氯離子擴(kuò)散研究

高飛

摘 要:試驗(yàn)研究了加載情況下,混凝土中的氯離子擴(kuò)散,并基于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析了氯離子在混凝土承受應(yīng)力狀態(tài)下擴(kuò)散規(guī)律。

關(guān)鍵詞:氯離子耐久性混凝土擴(kuò)散系數(shù)

中圖分類號(hào):TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0047-01

1 引言

未開裂的混凝土實(shí)質(zhì)上是具有防水性的。然而,在超載、環(huán)境影響或其他原因下,會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。因此,混凝土中鋼筋很容易銹蝕老化,而防水性也隨著使用壽命的變短而逐漸消失。特殊狀態(tài)下,裂縫可能會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的完整性。但是,在大多數(shù)情況下,裂縫不會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力,但海洋環(huán)境中的氯離子,可能會(huì)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響。研究發(fā)現(xiàn),開裂混凝土銹蝕程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未開裂的混凝土。開裂混凝土中鋼筋銹蝕起初是由于表面的裂縫,表面裂縫較大的混凝土中鋼筋銹蝕速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過裂縫較小的。開裂初期的混凝土中鋼筋腐蝕的速度較為緩慢。這是因?yàn)殇摻罡g取決于氧氣,雖然沒有裂縫,在鋼筋的陰級(jí)端,氧氣將通過保護(hù)層滲透過去。因此,人們認(rèn)識(shí)到裂縫寬度和保護(hù)層厚度并不影響最初鋼筋混凝土的銹蝕。另外,對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)力,其他變量不變,裂縫寬度隨保護(hù)層厚度增加而增加。因此,在鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的初期可能會(huì)受到裂縫寬度和保護(hù)層厚度共同作用,與裂縫寬度是成正比的,與此同時(shí),與保護(hù)層厚度是成反比的。從這個(gè)角度來看,它更恰當(dāng)?shù)乜紤]到裂縫寬度和保護(hù)層厚度一起所產(chǎn)生的影響。裂縫寬度與保護(hù)層厚度的比值似乎是評(píng)價(jià)開裂鋼筋混凝土耐久性能最合適的參數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定的水灰比,本文設(shè)Wcr/C=0.01,在張拉鋼筋區(qū)域,唯一的變量是鋼筋的參數(shù)和類型。利用鋼筋混凝土棱柱中對(duì)受拉與受壓區(qū)離子的擴(kuò)散性進(jìn)行比較。

2 試驗(yàn)過程與分析

鋼筋混凝土試件的規(guī)格是90mm×100mm×650mm,試件澆注成型后置于溫度23±2℃,相對(duì)濕度50±5%環(huán)境下養(yǎng)護(hù)。24小時(shí)后放入飽和石灰水中養(yǎng)護(hù)28天。每個(gè)鋼筋混凝土試件用一個(gè)或兩個(gè)直徑為8mm的鋼筋固定。兩端鋼筋超出的螺紋,用螺母擰緊將其固定。這種措施就是受彎構(gòu)件的鋼筋錨固。每個(gè)保護(hù)層為30mm的鋼筋混凝土試件都有一個(gè)或兩個(gè)螺栓。經(jīng)過28天齡期,在未開裂的試件跨中三點(diǎn)加載。通常出現(xiàn)裂縫都是在試件的跨中。用12的螺栓將兩個(gè)相互對(duì)中加載的棱柱擰在一起,且留有0.3mm裂縫寬度(典型的雙棱柱原理,如圖1)。

需要強(qiáng)調(diào)的是,在彎曲過程中,棱柱在張拉和壓縮區(qū)域,構(gòu)成了兩個(gè)側(cè)面垂直的形式,為的是使張拉區(qū)域和壓縮區(qū)域的氯離子擴(kuò)散不偏不倚的作出比較。對(duì)于無應(yīng)力混凝土柱體,Mangat和Gurasmy發(fā)現(xiàn)了澆筑后氯離子擴(kuò)散對(duì)棱柱底面與頂面有顯著的差別。然而,據(jù)報(bào)道,棱柱的兩個(gè)垂直面有類似的氯離子擴(kuò)散過去,其中一個(gè)原因可能是墻體澆注時(shí)的影響,也許是在混凝土構(gòu)件中引起了更強(qiáng)的粘結(jié)性或是在構(gòu)件中澆注砂漿過程的影響。本文的試驗(yàn)中,將棱柱除拉壓面以外其它所有面都涂上環(huán)氧樹脂,將雙棱柱浸泡在3%Nacl溶液300天,室溫控制在23±2℃,相對(duì)濕度為50±5%。

每個(gè)位置都用20mm直徑的回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)行鉆孔,以粉末樣品為例,讓其與距離裂縫100mm處的受拉區(qū)氯離子平均擴(kuò)散為試驗(yàn)的樣本相結(jié)合。同樣,讓其與距離跨中100mm受壓區(qū)氯離子平均擴(kuò)散為試驗(yàn)的樣本相結(jié)合。

為了提取酸溶性氯離子含量,需要從粉末混凝土樣本中獲取?；炷林新入x子在半無限介質(zhì)中傳輸時(shí),假設(shè)遵守Fick的第二定律,其解析解為:

(1)

表示氯離子集中區(qū)域,x表示表面積,Cs表示表面氯離子濃度,Da是氯離子擴(kuò)散系數(shù),t是曝光時(shí)間以及erf是誤差函數(shù)。用最佳擬合曲線來確定Da值。

表1是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到的擴(kuò)散系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值,可見氯離子擴(kuò)散速度在受拉區(qū)要快于受壓區(qū),研究中發(fā)現(xiàn)受壓區(qū)氯離子擴(kuò)散是隨著用鋼量的減少而增加的。

相同的Wcr/C,當(dāng)拉伸鋼筋量增加一倍時(shí),受彎混凝土結(jié)構(gòu)張拉區(qū)和壓縮區(qū)將產(chǎn)生較高的水平應(yīng)力。在壓縮區(qū),應(yīng)力隨著氯離子擴(kuò)散系數(shù)的降低而增加。通過比較受壓區(qū)距離跨中100mm處的Da值,這種情況更加明顯。隨著跨中Da值逐步減小,最大應(yīng)力期望值凸顯。在2R8棱柱壓縮區(qū)進(jìn)一步顯示出混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)受壓應(yīng)力的影響?；炷猎嚰蜗蚴軌簳r(shí),Da會(huì)隨之減小?？赡艿慕忉屖鞘軌簠^(qū)孔隙率的減小抵消了氯離子的擴(kuò)散。由于氯離子路徑比較曲折,從而孔隙率比較小,擴(kuò)散比較慢。

在張拉區(qū),相對(duì)較高的Da值與受壓區(qū)的Da值相比,反映出受拉區(qū)域的粘貼界面的破壞加速了擴(kuò)散。在30mm和100mm處的Da值并無顯著性差異。選擇這些位置是為了確保受拉區(qū)Da值不受裂縫中鹽水的影響。因此,可以平等地比較受拉區(qū)和受壓區(qū)的Da值,同時(shí),增加受拉鋼筋的數(shù)量似乎對(duì)受拉區(qū)的Da值沒有多大影響。