氯鹽環(huán)境下開裂混凝土耐久性研究進(jìn)展

延永東　姚昌建 劉榮桂 陸春華

摘要：為了明確裂縫對氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響，結(jié)合已有文獻(xiàn)分析了荷載裂縫、非荷載裂縫及預(yù)制裂縫下混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境下的耐久性變化規(guī)律，指出了裂縫形式（人工裂縫、自然裂縫）、寬度、深度、間距等參數(shù)對混凝土滲透性及氯離子傳輸、內(nèi)部鋼筋銹蝕的影響規(guī)律，介紹了已有的飽和與非飽和狀態(tài)下開裂混凝土內(nèi)氯離子傳輸過程的模型，指出了氯鹽環(huán)境下開裂混凝土耐久性研究已得出的基本結(jié)論及需要深入研究的方面。所得結(jié)論可為氯鹽環(huán)境下開裂混凝土的后期研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；裂縫；氯離子傳輸；鋼筋銹蝕

中圖分類號：TU528.07 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引 言

氯鹽環(huán)境是混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中遭遇的一種危險環(huán)境，其中所含的氯離子在混凝土內(nèi)的侵蝕是造成鋼筋銹蝕的主要原因。各國通過研究氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸來預(yù)測內(nèi)部鋼筋的脫鈍時間。以往對氯離子在混凝土中的傳輸機理研究主要針對完好的混凝土結(jié)構(gòu)。作為一種非均質(zhì)材料，混凝土最大的缺點是抗拉強度低，在環(huán)境及荷載作用下，很容易開裂。實際工程中經(jīng)?？梢钥吹礁鞣N原因形成的裂縫，如荷載裂縫、收縮裂縫、沉降裂縫等[1]。混凝土的非均質(zhì)性使得裂縫形式比較復(fù)雜，寬度、深度、走向等具有一定的隨機性，且受水泥持續(xù)水化的影響會發(fā)生一定程度的自愈[2]。裂縫表面具有較大的特征表面積和化學(xué)活性，容易加速其與外部物質(zhì)的交換過程[3]。Isgor等[4]指出，裂縫的一系列參數(shù)將改變混凝土的滲透性及有害物質(zhì)在混凝土內(nèi)的傳輸方式，由此引起的耐久性問題將對混凝土結(jié)構(gòu)的失效概率、使用壽命及使用期的維護(hù)次數(shù)與成本產(chǎn)生不利影響，各國學(xué)者對此進(jìn)行了一些試驗研究與理論分析[5-6]。張士萍等[7]對不同裂縫寬度下氯離子、二氧化碳、水分在開裂混凝土內(nèi)傳輸方面的研究進(jìn)行了總結(jié)。本文根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)及研究成果完善了這些總結(jié)，指出已經(jīng)得到的結(jié)論及存在的問題，并為后續(xù)研究提出一些建議，以期為氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計及開裂混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性壽命預(yù)測與評估提供參考。

1裂縫對混凝土滲透性的影響

滲透性包括透氣性和透水性，是反映混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要指標(biāo)[5]，也是影響氯離子在混凝土內(nèi)侵蝕速度的一個關(guān)鍵因素。各國學(xué)者對開裂混凝土的滲透性變化進(jìn)行了試驗研究并建立了相應(yīng)的計算方法。

1.1開裂混凝土滲透性試驗

針對開裂混凝土的滲透性試驗，各國學(xué)者采用的開裂試件、方法主要有：①圓柱體試件劈裂試驗[8-10]，如圖1所示，其中，F(xiàn)為荷載，LVDT為開裂位移測量裝置；②棱柱體試件直接拉伸試驗[11-13]；③普通試件通過溫度、濕度等變化產(chǎn)生裂縫[13]。

通過試驗得到的基本結(jié)論有：①開裂后普通混凝土的滲透系數(shù)隨裂縫寬度的增加逐漸增大，其變化規(guī)律如圖2所示[8]，其中δres為殘余橫向位移，k為不同張開位移下混凝土的相對滲透系數(shù)，OC為

ent of Concrete

水灰比0.49的普通混凝土，HPC為水灰比0.29的高性能混凝土，HPFRC為水灰比0.29且內(nèi)摻1%（體積分?jǐn)?shù)）的鋼纖維；②當(dāng)裂縫寬度小于0.05 mm時，水分滲透速度幾乎不變，當(dāng)裂縫寬度介于0.05～0.2 mm時，水分滲透速度明顯加快，但當(dāng)裂縫寬度在0.2 mm以上時，其增加趨勢逐漸變緩，試驗時荷載是否作用于開裂混凝土也對其試驗結(jié)果有影響，如圖3所示[10]；③采用直接拉伸混凝土試件來產(chǎn)生裂縫，當(dāng)混凝土受拉應(yīng)變達(dá)到1×10-3時，其滲透性可增大100倍[12]；④受裂縫形態(tài)和界面過渡區(qū)的影響，同樣寬度范圍內(nèi)普通混凝土的滲透性大于砂漿，而試件厚度對滲透性的影響很小[9]；⑤混凝土的滲透性與裂縫分布形態(tài)及連通性有很大關(guān)系，均布裂縫對混凝土的滲透性影響要大于局部裂縫[13]；⑥由于裂縫處自愈合的發(fā)生，混凝土滲透系數(shù)隨時間增加逐漸降低[14-15]；⑦粗糙裂縫表面的微通道效應(yīng)對滲流過程影響顯著，使得表面粗糙度大的斷裂面滲流量更大，且裂隙內(nèi)的水分呈非穩(wěn)態(tài)流動[16]；⑧浸泡不久裂縫內(nèi)水分即達(dá)到飽和，且水分滲透速度和分布與混凝土內(nèi)的初始相對濕度有關(guān)[17]。

1.2開裂混凝土滲透性計算

裂縫處的水分流量及滲透系數(shù)可用平行板模型來計算，但需根據(jù)裂縫的曲折性、粗糙性、自愈合性等特點進(jìn)行修正。

單一裂縫下混凝土的滲透系數(shù)kv0可以表示為

kv0=ξw212（1）

多裂縫下混凝土的滲透系數(shù)kv可以表示為

kv=ξw312s（2）

式中：w為裂縫寬度；s為裂縫平均間距；ξ為考慮裂縫曲折性和粗糙性的折減系數(shù)，Akhavan等[18]指出，當(dāng)裂縫處的雷諾數(shù)小于2 300且液體流動屬于穩(wěn)定層流時，ξ=τ/（1+8.8R1.5r），τ為表征裂縫曲折性的參數(shù)，τ=（Xmax/Le）2，Xmax為試件長度，Le為裂縫的有效長度，Rr為表征裂縫粗糙度的參數(shù)，Rr=Ra/（2w），Ra為實際裂縫表面與裂縫光滑表面之間的平均距離。

自愈合會使裂縫處的滲透性逐漸減小，滲透量隨時間變化的關(guān)系可用下式來表示[19]

q（t）/q0=65w-1.05mt-1.3+4w-105w5.8m（3）

式中：q（t）為t時刻的滲透速度；q0為初始時刻的水流速度；wm為表面平均裂縫寬度。

2裂縫對氯離子在混凝土內(nèi)傳輸?shù)挠绊?/p>

氯離子侵入混凝土并造成鋼筋銹蝕是氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性破壞的主要表現(xiàn)形式，混凝土開裂后氯離子傳輸會發(fā)生一定的變化，各國對此進(jìn)行了一些試驗和理論研究。

2.1氯離子在開裂混凝土內(nèi)的傳輸試驗

各國對氯離子在開裂混凝土內(nèi)的傳輸試驗主要考慮了裂縫形式（人工裂縫、荷載裂縫、收縮裂縫）及寬度（0.03～0.6 mm）對裂縫處及其附近混凝土內(nèi)氯離子含量的影響。人工裂縫通過在混凝土澆筑過程中插入一定厚度的不銹鋼片到指定深度來得到，其優(yōu)點是試驗結(jié)果明確，也方便進(jìn)行數(shù)值模擬；缺點是裂縫面處砂漿較多，也不能反映真實裂縫的曲折性。Marsavina等[20]采用此方法研究了氯離子在裂縫處的侵蝕。自然裂縫的產(chǎn)生有5種方式：①對梁式試件施加彎曲荷載[21-22]；②對試件施加軸向拉力[23]；③對圓柱體試件施加徑向壓力[24-25]，如圖1所示；④采用楔形劈裂來產(chǎn)生裂縫[26-27]，如圖4所示；⑤通過中心膨脹來產(chǎn)生裂縫；⑥采用平板法產(chǎn)生收縮裂縫。方式①需要在混凝土受拉區(qū)配置一定數(shù)量的縱向鋼筋，裂縫寬度比較容易控制；方式②也需要在混凝土內(nèi)配置一定數(shù)量的受拉鋼筋，且試件最好做成啞鈴