鹽霧環(huán)境下疲勞損傷混凝土氯離子擴散性能

牛荻濤，陸炫毅，苗元耀，周艷霞

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

沿海地區(qū)的橋梁在長期承受循環(huán)車輛荷載的同時還受到鹽霧侵蝕作用.鹽霧環(huán)境中的氯離子會引起橋梁混凝土中鋼筋的銹蝕，進而劣化結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能[1].可見沿海地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)性能退化，除了車輛疲勞荷載作用外，氯離子侵蝕導(dǎo)致的鋼筋腐蝕也是不容忽視的重要因素.因此研究沿海地區(qū)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性時，應(yīng)考慮疲勞荷載和氯離子侵蝕的雙重作用.

目前國內(nèi)外對靜態(tài)荷載作用下混凝土抵抗氯離子侵蝕的性能已經(jīng)做了大量的研究，但是關(guān)于疲勞荷載和氯離子侵蝕協(xié)同作用下混凝土耐久性的研究還比較少.Mitsuru[2]通過軸向壓縮疲勞荷載的方式研究了疲勞荷載與混凝土氯離子滲透性的關(guān)系，研究表明在應(yīng)力水平大于0.6時，疲勞造成的混凝土損傷使氯離子滲透性明顯增大，氯離子的滲透速率隨疲勞損傷后混凝土殘余應(yīng)變的增大而加快.Gontar等[3]采用荷載和位移兩種疲勞控制方式，研究了彎曲疲勞荷載作用下混凝土的抗氯離子侵蝕性能，研究發(fā)現(xiàn)疲勞荷載能顯著降低混凝土的抗氯離子侵蝕性能.李煒等[4]采用軸向壓縮的疲勞荷載形式，使混凝土試件獲得不同的損傷量，用電遷移加速法測得氯離子擴散系數(shù)隨疲勞損傷的增加而增大.蔣金洋等[5]用殘余應(yīng)變定義混凝土損傷變量，研究了彎曲疲勞作用下混凝土的抗氯離子擴散性能，闡述了氯離子擴散系數(shù)隨混凝土殘余應(yīng)變增加而增大的規(guī)律.

以上研究考慮了疲勞荷載和氯離子侵蝕兩個因素，但均未很好模擬沿海地區(qū)橋梁混凝土實際服役狀態(tài).從實際出發(fā)，用鹽霧模擬橋梁所處的濱海大氣環(huán)境，對彎曲疲勞損傷后的混凝土試件進行鹽霧侵蝕實驗.研究鹽霧環(huán)境下疲勞損傷變量對混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響，為沿海地區(qū)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究提供參考.

1 試驗概況

1.1 原材料、配合比及試件制作

水泥：陜西涇陽聲威牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥.粉煤灰：西安宏源粉煤灰有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰.細骨料：渭河細砂，細度模數(shù)2.0.粗集料：連續(xù)級配富平卵石，粒徑 5～31.5mm.外加劑：陜西銳新有限公司生產(chǎn)的JDB-T2型外加劑.水：符合國家標準的自來水.混凝土配合比見表1.

表1 混凝土配合比設(shè)計 單位：kg/m3Tab.1 Mix proportion of concrete Unit: kg/m3

彎曲疲勞試驗采用素混凝土試件，尺寸為150mm×150mm×550mm.試件成型后帶模標養(yǎng)24h，拆模后標養(yǎng)至預(yù)定齡期 28h，然后自然養(yǎng)護60d.

1.2 混凝土彎曲疲勞試驗

試驗在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震實驗室進行，混凝土試件在PMW800-1000電液式脈動疲勞試驗機進行彎曲疲勞試驗.疲勞采用3分點加載的形式，如圖1所示.試驗采用的加載波形為無間歇時間的正弦波，應(yīng)力水平為0.5，加載頻率為4Hz.

圖1 彎曲疲勞加載示意圖Fig.1 Bending fatigue load device

大量研究表明[6-8]：混凝土的疲勞變形分三個不同階段，其中第二階段占總壽命的80%，且第二階段混凝土的變形隨疲勞荷載重復(fù)次數(shù)線性增長.混凝土的損傷發(fā)展規(guī)律與變形發(fā)展規(guī)律是一致的，且疲勞破壞時殘余應(yīng)變幾乎為定值[9].可見混凝土疲勞損傷的發(fā)展在占其疲勞壽命的大部分時間內(nèi)線性增加，而混凝土的殘余變形規(guī)律反映了其內(nèi)部疲勞損傷積累的規(guī)律，因此混凝土的殘余變形的大小可以表征混凝土疲勞損傷的程度，可用殘余應(yīng)變的比值作為損傷變量.實驗疲勞加載時測得試件接近破壞時的殘余應(yīng)變較為穩(wěn)定，均值為26510-6，以此作為極限殘余應(yīng)變.將疲勞試驗過程中測得的殘余應(yīng)變和疲勞破壞極限殘余應(yīng)變的比值定義為損傷變量：

彎曲疲勞試驗時，通過控制疲勞循環(huán)次數(shù)獲得殘余應(yīng)變?yōu)?、53×10-6、106×10-6、159×10-6、212×10-6的混凝土試件.即試件獲得0、0.2、0.4、0.6、0.8等5個損傷變量，然后進行下一步試驗.

1.3 鹽霧試驗

試驗考慮不同疲勞損傷變量對混凝土氯離子擴散性能的影響，按上述5個損傷變量將試件分成5組，每組4個，然后將試件放入氣候模擬試驗室進行鹽霧侵蝕試驗，模擬濱海大氣環(huán)境下疲勞損傷橋梁混凝土的氯離子侵蝕.鹽霧時間為 30d，采用間歇式噴霧的方式，即噴霧12h、間歇12h為一個循環(huán).鹽霧試驗主要技術(shù)參數(shù)：5 %NaCl鹽溶液；pH值為6.5～7.2；溫度為（35±2）℃；鹽霧沉降率為 1～2mL/80（cm2·h）.達到相應(yīng)的鹽霧試驗周期時，取出試件并在試件純彎段的受拉面和受壓面進行鉆孔取樣.采用混凝土打磨機從試樣的暴露面開始，由表及里以2 mm為單位分層取粉.將混凝土粉樣過0.63 mm孔徑篩，并立即裝入塑封袋內(nèi)，然后測試混凝土中水溶性氯離子質(zhì)量分數(shù).水溶性氯離子質(zhì)量分數(shù)測試按照《水運工程混凝土試驗規(guī)程》（JTJ270-98）的標準方法進行.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 疲勞損傷對自由氯離子含量的影響

不同疲勞損傷變量的混凝土試件鹽霧 30d后，受拉區(qū)和受壓區(qū)不同深度處自由氯離子含量分別如圖2，圖3所示.

由圖 2、3可以看出，不同疲勞損傷變量混凝土試件受拉區(qū)和受壓區(qū)自由氯離子含量均隨深度的增加而減小，這表明混凝土中氯離子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)傳輸，間接驗證了氯離子在混凝土中的傳輸方式主要為擴散和滲透；受疲勞荷載作用后的混凝土試件，無論受拉區(qū)還是受壓區(qū)自由氯離子含量總體上要高于未受到疲勞作用的混凝土試件，這說明疲勞荷載劣化了混凝土抗氯離子侵蝕的能力，會加速由于氯離子侵蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)性能退化進程.

圖2 受拉區(qū)混凝土氯離子含量Fig.2 Chloride ion content of the concrete in tensile region

圖3 受壓區(qū)混凝土氯離子含量Fig.3 Chloride ion content of the concrete in compressive region

在彎曲疲勞荷載作用的受拉區(qū)混凝土各深度處自由氯離子含量隨著疲勞損傷變量的增大而增加，在疲勞損傷變量大于0.4時，這種規(guī)律更加明顯，并且自由氯離子含量的增幅比較顯著.疲勞損傷變量為0.2時，各深度處自由氯離子的增量不明顯，與無損傷的混凝土試件的自由氯離子含量接近.這是由于混凝土的疲勞損傷尚小，混凝土內(nèi)部還未產(chǎn)生較大的裂縫和空隙，混凝土還具有較好的抗氯離子侵蝕能力.

在彎曲疲勞荷載作用的受壓區(qū)混凝土各深度處自由氯離子含量隨著疲勞損傷變量的增大而增加，但是這種趨勢沒有受拉區(qū)明顯.此時在損傷變量大于0.6時自由氯離子含量隨疲勞損傷變量的增大而增加的規(guī)律才開始凸顯.產(chǎn)生這種差異的主要原因是混凝土是一種多相混合材料，其抗拉性能較差，而抗壓性能很好，即使在相同的損傷變量下，同一混凝土試件受拉區(qū)內(nèi)積累的損傷也要大于受壓區(qū).受壓區(qū)混凝土在損傷變量大于0.6以后其內(nèi)部微裂縫才充分地演化和擴張，致使混凝土的密實度降低，氯離子在混凝土中的擴散隨之加快，氯離子的含量隨損傷變量增大而增加的規(guī)律開始變得明顯.

2.2 疲勞損傷對氯離子擴散系數(shù)的影響

海洋環(huán)境下，擴散作用仍被認為是氯離子的主要侵入方式[10].因此可以應(yīng)用fick第二定律對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析.當(dāng)邊界條件為：C(0,t)=Cs，C(∝,t)=C0；初始條件為：C(x,0)=C0時，可以得到fick第二定律的解析解為[11]：

式中：Cx,t為t時刻深度為x時的氯離子濃度，C0為氯離子初始濃度，Cs為氯離子表面濃度，D為氯離子擴散系數(shù)，t為滲透時間，erf為誤差函數(shù)，即

根據(jù)混凝土試件自由氯離子濃度的實測結(jié)果，按照公式（2），采用軟件MATLAB2013a進行曲線擬合，求得不同損傷變量混凝土試件受拉區(qū)和受壓區(qū)的氯離子擴散系數(shù)D.圖4為不同損傷變量混凝土彎曲疲勞受拉區(qū)和受壓區(qū)氯離子擴散系數(shù)直方圖.

圖4 拉、壓區(qū)氯離子擴散系數(shù)Fig.4 Chloride diffusion coefficient in tensile and compression region

從圖4可以得出：混凝土彎曲疲勞受拉區(qū)氯離子擴散系數(shù)均大于受壓區(qū).隨著疲勞損傷變量的增加，混凝土試件受拉區(qū)和受壓區(qū)的氯離子擴散系數(shù)都增大.在受拉區(qū)，當(dāng)損傷變量大于0.4時，這種增長幅度變得顯著；而在受壓區(qū)，在損傷變量大于0.6時，這種增幅才開始凸顯.這與上面分析的規(guī)律相符合，并且從混凝土氯離子擴散系數(shù)直方圖中可以更加直觀看出這種規(guī)律.綜上分析可知，可以將疲勞損傷變量0.4作為影響混凝土受拉區(qū)氯離子擴散的起劣點，而損傷變量0.6作為影響混凝土受壓區(qū)氯離子擴散的起劣點.

2.3 疲勞荷載影響系數(shù)

混凝土在承受彎曲疲勞荷載時，不同疲勞損傷變量對混凝土的氯離子擴散性能影響顯著.隨著疲勞損傷的積累，混凝土內(nèi)部原始裂縫不斷的擴展、延伸；新的微裂縫也開始產(chǎn)生，混凝土密實度不斷下降，氯離子在混凝土中的擴散速度加快，氯離子擴散系數(shù)增大.為此引入疲勞荷載影響系數(shù)k反映疲勞損傷變量對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響：

式中：D(P)為疲勞損傷變量為P時的氯離子擴散系數(shù)；D0為未損傷時氯離子擴散系數(shù).

用OriginPro8.5擬合彎曲疲勞混凝土拉、壓區(qū)相對氯離子擴散系數(shù)與疲勞損傷變量之間的關(guān)系，見圖5.

圖5 疲勞損傷變量與相對氯離子擴散系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between fatigue damage variable and relative chloride diffusion coefficient

根據(jù)圖5的擬合結(jié)果，有彎曲疲勞受拉區(qū)

彎曲疲勞受壓區(qū)

式中：P為疲勞損傷變量，k為疲勞荷載影響系數(shù).

3 結(jié)論

（1）彎曲疲勞荷載對混凝土內(nèi)部造成損傷，劣化了混凝土抗氯離子侵蝕性能.混凝土中自由氯離子含量隨疲勞損傷變量的增大而增加.

（2）疲勞損傷后混凝土受拉區(qū)自由氯離子含量高于受壓區(qū).因此在同一損傷變量的條件下，混凝土受拉區(qū)的損傷要要比受壓區(qū)嚴重.

（3）隨著疲勞損傷變量的增大，混凝土中的氯離子擴散系數(shù)增大.損傷變量0.4是混凝土受拉區(qū)氯離子擴散的起劣點，而損傷變量0.6是混凝土受壓區(qū)氯離子擴散的起劣點.

（4）在疲勞損傷混凝土中引入疲勞荷載影響系數(shù)，通過擬合得到疲勞荷載影響系數(shù)與疲勞損傷變量的關(guān)系式.

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