混凝土開裂部位氯離子滲透試驗(yàn)研究

唐先習(xí)，尹月酉，國 偉

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.山東電力工程咨詢院有限公司， 山東 濟(jì)南 250013)

混凝土開裂部位氯離子滲透試驗(yàn)研究

唐先習(xí)1，尹月酉1，國 偉2

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.山東電力工程咨詢院有限公司， 山東 濟(jì)南 250013)

為研究混凝土裂縫寬度和深度對裂縫表面氯離子滲透的影響，制作了帶裂縫的鋼筋混凝土試件并進(jìn)行了氯離子滲透研究.采用氯離子溶液浸泡時(shí)未開裂的試件、開裂試件的橫斷面進(jìn)行研究.對于開裂的試件，通過對比裂縫的寬度、深度和裂縫表面氯離子滲透情況，并與未開裂試件斷面氯離子滲透情況進(jìn)行對比分析.研究結(jié)果表明，裂縫寬度對于裂縫表面氯離子滲透幾乎沒有影響，表面氯離子滲透主要與裂縫深度有關(guān).對混凝土開裂部位的耐久性研究方法提出了新的觀點(diǎn)，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究具有重要的參考價(jià)值.

混凝土；裂縫寬度與深度；氯離子滲透；試驗(yàn)研究

0 引言

鋼筋混凝土是目前土木工程中應(yīng)用最廣泛的材料，因此，鋼筋混凝土的耐久性是至關(guān)重要的.鋼筋銹蝕是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性下降的最主要的原因，在廣大的含有氯離子的地區(qū)，氯離子的侵蝕則是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的最主要因素.由于混凝土裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的現(xiàn)象，氯離子在混凝土開裂部位的滲透性能會大大增加，因此，研究混凝土開裂部位氯離子的滲透情況則顯得尤為重要.

對于混凝土開裂部位氯離子的滲透規(guī)律，研究內(nèi)容相對較少.張士萍、金祖權(quán)等[1-2]通過對混凝土收縮裂縫部位氯離子滲透研究指出，收縮裂縫的存在加強(qiáng)了氯離子在混凝土中的傳輸, 并且氯離子的擴(kuò)散性能隨著裂縫寬度的增加而增加.張士萍等[3]研究了荷載作用下裂縫對氯離子滲透的影響，同樣得出氯離子擴(kuò)散性能隨著裂縫寬度的增加而增加的結(jié)論.萬小梅、JIANG Yu-chuan等[4-5]通過試驗(yàn)研究，得出了氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著荷載的增加先減小后增加的結(jié)論，實(shí)際上是混凝土內(nèi)的微裂縫在荷載作用下的開展規(guī)律對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響.李煒等[6]則研究了疲勞荷載對混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，其實(shí)質(zhì)仍是疲勞荷載造成的混凝土裂縫對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響.MU Song等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著裂縫寬度的擴(kuò)大，氯離子的擴(kuò)散系數(shù)不斷增加.YU Bo 等[8]對開裂混凝土邊界條件和裂縫內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了分析，并建立了相關(guān)的氯離子擴(kuò)散的時(shí)間依存模型.

以上對于混凝土裂縫部位氯離子滲透規(guī)律的影響，取的裂縫因素往往只是裂縫的寬度，并未涉及到裂縫的深度，沒有將裂縫的寬度和深度綜合起來考慮裂縫對氯離子滲透的影響.因此，筆者主要針對這一方面，研究混凝土裂縫的寬度和深度對氯離子滲透的綜合影響.

1 試驗(yàn)?zāi)康呐c概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證混凝土開裂后，在混凝土裂縫表面氯離子滲透情況與裂縫寬度和深度之間的關(guān)系，為混凝土結(jié)構(gòu)在氯離子環(huán)境下耐久性能的研究奠定基礎(chǔ).

1.2 試驗(yàn)概況

1.2.1 試件

本次試驗(yàn)的裂縫是在彎矩作用下鋼筋混凝土試件產(chǎn)生的裂縫，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，在受拉混凝土一側(cè)預(yù)埋直徑為6 mm的鋼筋，見圖1、圖2.經(jīng)研究可知，試件內(nèi)部的裂縫寬度和深度可由試件兩側(cè)面的裂縫寬度和深度近似按直線內(nèi)插法推導(dǎo).在本試驗(yàn)過程中，選擇已制造出裂縫的混凝土試件進(jìn)行干濕循環(huán)，結(jié)合試驗(yàn)室的環(huán)境條件，一個(gè)干濕循環(huán)采用浸泡48 h、晾干48 h的方式.氯化鈉溶液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和5%兩種濃度，對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉溶液，試件浸泡的循環(huán)次數(shù)分為10，20，30，40和50個(gè)循環(huán)等情況；同時(shí)，對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液，僅做了30個(gè)干濕循環(huán)的浸泡，以便與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的氯化鈉溶液的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比.

圖1 構(gòu)件加載示意圖Fig.1 Component Load Diagram

圖2 施加荷載后的構(gòu)件Fig.2 Components under Loading

1.2.2 試驗(yàn)方法

對于混凝土內(nèi)氯離子含量的檢測，目前主要有3種方法：硝酸銀噴涂法、電位法和化學(xué)滴定法.其中電位法和化學(xué)滴定法均需將混凝土內(nèi)氯離子含量測試部位的混凝土取下磨碎，然后溶于溶液中，不適用于本試驗(yàn)測定混凝土裂縫表面氯離子含量，因此，本試驗(yàn)采用硝酸銀噴涂法[9].

在試驗(yàn)過程中，由于混凝土裂縫斷面表面不平整，加上氯化銀在裂縫表面的顏色顯現(xiàn)不明顯，所以僅涂硝酸銀很難測定裂縫表面氯離子的滲透范圍.在這種情況下，采用鉻酸鉀和硝酸銀配合使用的辦法.在試件表面先滴鉻酸鉀指示劑，等裂縫表面變干后再滴硝酸銀溶液.則裂縫表面先出現(xiàn)磚紅色，即為鉻酸銀.由于氯離子與銀離子反應(yīng)的能力要大于鉻酸根離子，因此，裂縫表面慢慢出現(xiàn)白色，即為新生成的氯化銀，用這種方法確定裂縫內(nèi)氯離子滲透范圍，試驗(yàn)過程見圖3、圖4.

圖3 試件斷面上滴加鉻酸鉀Fig.3 Add potassium chromate on the sections

圖4 鉻酸鉀變干后滴加硝酸銀Fig.4 Add silver nitrate after potassium chromate dry

在試驗(yàn)過程中，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的鉻酸鉀指示劑，和0.1 mol/L硝酸銀溶液.當(dāng)試件浸泡到試驗(yàn)規(guī)定的次數(shù)后，將試件的加力架拆下，先用壓力機(jī)將試件從裂縫部位壓開，然后將鋼筋截?cái)?通過在裂縫斷面上滴加鉻酸鉀和硝酸銀的方法，確定裂縫表面氯離子的滲透情況.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，選擇有代表性的試件的混凝土裂縫表面氯離子滲透情況進(jìn)行分析，以驗(yàn)證混凝土裂縫的寬度和深度對氯離子滲透的影響.試件橫斷面氯化銀析出情況見圖5～圖8.

2.1 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%氯化鈉溶液10個(gè)干濕循環(huán)

試件進(jìn)行了10個(gè)干濕循環(huán).這一試件兩側(cè)的裂縫，一側(cè)長度為7 cm，試件頂部裂縫最寬處為1.80 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.08 mm；另一側(cè)長度為8 cm，試件頂部裂縫最寬處為1.90 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.06 mm.裂縫斷面處氯化銀析出的情況見圖5，從圖上可以看出，在裂縫開裂區(qū)域，斷面上有白色的氯化銀析出，而在混凝土尚未開裂的區(qū)域，約1.3 cm寬的區(qū)域內(nèi)，未有白色的氯化銀析出，斷面顏色呈灰色.這主要與干濕循環(huán)時(shí)間較短，氯離子向未開裂混凝土內(nèi)部滲透較淺有關(guān).

圖5 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%氯化鈉 溶液10個(gè)干濕循環(huán)的試件Fig.5 Specimens after 10 dry-wet circulations of 3% sodium chloride solution

2.2 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%氯化鈉溶液30個(gè)干濕循環(huán)

試件進(jìn)行了30個(gè)干濕循環(huán)，這一試件兩側(cè)的裂縫，一側(cè)長度為8 cm，試件頂部裂縫最寬處為1.07 mm，且為分叉裂縫，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.04 mm；另一側(cè)長度為8 cm，試件頂部裂縫最寬處為1.04 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.25 mm，從裂縫尖端到試件底面，發(fā)生了起皮破壞，無法測出裂縫的寬度，實(shí)際上相當(dāng)于這一側(cè)的裂縫近似貫通.裂縫斷面處氯化銀析出的情況見圖6，從圖上可以看出，橫斷面上開裂部分氯化銀的析出現(xiàn)象較為明顯.而在混凝土尚未開裂的區(qū)域，即圖上標(biāo)定的長約5 cm，寬約1.5 cm的三角區(qū)域，未有白色的氯化銀析出，斷面顏色呈灰色.但三角區(qū)域接近試件表面的邊部，已出現(xiàn)氯化銀析出的現(xiàn)象，說明氯離子已滲入試件表面，這與干濕循環(huán)時(shí)間較長有一定的關(guān)系.

圖6 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%氯化鈉 溶液30個(gè)干濕循環(huán)的試件Fig.6 Specimens after 30 dry-wet circulations of 3% sodium chloride solution

2.3 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%氯化鈉溶液50個(gè)干濕循環(huán)

試件進(jìn)行了50個(gè)干濕循環(huán).裂縫斷面處氯化銀析出的情況見圖7.在圖上的4個(gè)試件中，從左向右，第一個(gè)試件為干濕循環(huán)50次的試件，這一試件兩側(cè)的裂縫長度均為8 cm，試件頂部裂縫最寬處分別為0.35 mm、0.38 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.02 mm、0.03 mm.第二個(gè)試件為對比試件，這一試件一直浸泡，未進(jìn)行干濕循環(huán)，浸泡時(shí)間與其他試件的50個(gè)循環(huán)總時(shí)間相同.第二個(gè)試件兩側(cè)的裂縫，一側(cè)長度為9 cm，試件頂部裂縫最寬處為0.73 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.04 mm；另一側(cè)長度為8 cm，試件頂部裂縫最寬處為0.63 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.01 mm.兩個(gè)試件均在裂縫處壓斷.第3個(gè)、第4個(gè)試件斷面處非原來的裂縫處.由斷面處的氯化銀析出現(xiàn)象可以看出，對于左側(cè)的兩個(gè)試件，表面析出氯化銀較多，并且整個(gè)斷面上都已經(jīng)含有氯離子.這說明氯離子不但滲透到裂縫端部，而且沿裂縫端部向未開裂的混凝土滲透，其滲透區(qū)域與試件未開裂表面的氯離子滲透區(qū)域已經(jīng)連接上，這與50次干濕循環(huán)所需的時(shí)間更長有關(guān).因此，對于左邊兩個(gè)試件來說，僅從裂縫表面，未測出對比試件與干濕循環(huán)試件之間的氯離子規(guī)律滲透差別.對于右側(cè)的兩個(gè)試件，周邊出現(xiàn)部分氯化銀析出現(xiàn)象，中間部位則沒有氯化銀析出，這說明中間部位未滲入氯離子.

圖7 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%氯化鈉 溶液50個(gè)干濕循環(huán)的試件Fig.7 Specimens after 50 dry-wet circulations of 3% sodium chloride solution

2.4 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%氯化鈉溶液30個(gè)干濕循環(huán)

試件進(jìn)行了30個(gè)干濕循環(huán)，這一試件兩側(cè)的裂縫，一側(cè)長度為8 cm，試件頂部裂縫最寬處為0.80 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.01 mm；另一側(cè)長度為7 cm，試件頂部裂縫最寬處為0.7 mm，最窄處裂縫尖端部位寬度為0.01 mm.裂縫斷面處氯化銀析出的情況見圖8，從圖上可以看出，在裂縫開裂區(qū)域，斷面上有白色的氯化銀析出，而在混凝土尚未開裂的區(qū)域，也有少量的氯化銀析出，這說明氯離子已經(jīng)滲透到了整個(gè)截面，這與氯化鈉溶液中氯離子含量較高有一定的關(guān)系.

圖8 采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%氯化鈉 溶液30個(gè)干濕循環(huán)的試件Fig.8 Specimens after 10 dry-wet circulations of 5% sodium chloride solution

3 結(jié)論

通過對以上試件的側(cè)面裂縫長度與氯離子滲透區(qū)域進(jìn)行對比分析可知，對于混凝土的裂縫部位，裂縫開裂表面氯離子均已滲透到.由此可以看出，裂縫表面氯離子的侵蝕與裂縫寬度關(guān)系不大，而與裂縫深度密切相關(guān).因此，僅從混凝土裂縫在結(jié)構(gòu)表面的寬度來判斷裂縫內(nèi)部其氯離子滲透情況是不合適的；從混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究方面而言，不應(yīng)僅僅限定不同環(huán)境條件下的裂縫表面寬度值，而應(yīng)考慮裂縫寬度和深度對氯離子滲透的綜合影響.

筆者僅研究了不同裂縫的表面氯離子滲透情況，而未對裂縫的不同寬度和深度處垂直于裂縫表面方向的氯離子滲透深度展開研究，今后的研究應(yīng)該從這些方面進(jìn)行加強(qiáng).

[1] 張士萍,劉加平,董良峰.收縮裂縫對混凝土氯離子傳輸?shù)挠绊慬J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 33(6): 90-92,143.

[2] 金祖權(quán),侯保榮,趙鐵軍,等.收縮裂縫對混凝土氯離子滲透及碳化的影響[J]. 土木建筑與環(huán)境工程,2011, 33(1): 7-11.

[3] 張士萍,劉加平.荷載裂縫對混凝土氯離子擴(kuò)散的影響[J]. 混凝土, 2011(11): 24-26.

[4] 萬小梅,蘇卿,趙鐵軍,等.單軸受壓混凝土的微裂縫和氯離子侵入性[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2013, 35(1): 104-110

[5] JIANG Yu-chuan, HUO Da, TENG Hai-wen, et al.Testing and evaluation on the chloride ion penetrability of concrete under compressive stress[J].Key Engineering Materials, 2012, 544:415-420.

[6] 李煒, 蔣林華, 王永亮,等. 疲勞作用對混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響的研究[J]. 混凝土, 2014(1): 31-34.

[7] MU Song,LIU Jian-Zhong. Transient diffusion behavior of chloride ions in concrete with a macro crack[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 405-408: 2671-2676.

[8] YU Bo, HUANG Zhong-Hui, WU Ming, et al. Concentration distribution of chloride ion in cracked concrete[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 351-352: 1581-1584.

[9] 陳正, 楊綠峰, 曾建聰. 混凝土氯離子提取液中氯離子含量測定方法研究[J]. 新型建筑材料, 2010 (10): 73-76.

Experimental Study of the Chloride Ion Penetration on the Crack Parts of Concrete

TANG Xian-xi1, YIN Yue-you1, GUO Wei2

(1.School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute co.Ltd., Ji’nan 250013, China)

For the study of the effect of chloride ion penetration on crack surface by crack width and depth, the reinforced concrete specimens with cracks were made and the chloride ion penetration experiments were carried out. The transverse sections of specimens without crack and cracking while soaked in Chlorine ion solution were used for experiments. For the cracking specimens, the analysis were carried through compared of the crack width, the crack depth and the chloride ion penetration of crack surface, and compared with the transverse section of specimens without crack. The research results show that, the crack width has negligible effect on surface chloride ion penetration of concrete cracks, surface chloride ion penetration was mainly related with the crack depth. The new viewpoint of concrete durability research on the cracking parts were put forward, which has important reference value for the study of the durability of concrete structures.

concrete; width and depth of crack; chloride ion penetration; experimental study

2014-08-01；

2014-11-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51168030)

唐先習(xí) (1972-)，男，山東濟(jì)寧人，蘭州理工大學(xué)副教授，博士，主要從事大跨度橋梁施工與橋梁耐久性等方面的研究，E-mail: 695913483@qq.com.

1671-6833(2015)01-0066-04

TU502

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.016