不同環(huán)境條件下混凝土構件氯離子侵蝕試驗

李 林, 丁士君, 李鏡培, 李 鶴

(1.巖土及地下工程教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 200092； 2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；3.中國電力科學研究院，北京100055)

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不同環(huán)境條件下混凝土構件氯離子侵蝕試驗

李 林1, 2, 丁士君3, 李鏡培1, 2, 李 鶴1, 2

(1.巖土及地下工程教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 200092； 2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；3.中國電力科學研究院，北京100055)

為研究不同環(huán)境條件下混凝土構件氯離子侵蝕劣化規(guī)律，開展彎拉應力構件的氯離子浸泡侵蝕試驗和無應力構件的鹽霧侵蝕試驗.基于氯離子質量分數(shù)、構件彎拉強度及彎拉應變等測試結果，研究了侵蝕時間、環(huán)境溫度、應力水平、環(huán)境氯離子質量分數(shù)及侵蝕方式等因素對氯離子擴散特征和構件抗彎性能的影響.試驗結果表明：浸泡環(huán)境中混凝土內部氯離子質量分數(shù)較鹽霧環(huán)境高；試件內部氯離子質量分數(shù)隨腐蝕時間、環(huán)境溫度、環(huán)境氯離子質量分數(shù)及應力水平的增大而增大；氯離子擴散系數(shù)隨應力水平和環(huán)境溫度的提高而增大；在較低應力水平、較低環(huán)境溫度和較短的侵蝕時間內，混凝土構件極限彎拉強度有小幅度上升趨勢，然后隨侵蝕時間的增長而衰減；混凝土構件的極限彎拉應變隨各影響因素的增大而降低.研究結果可為鋼筋混凝土構件在氯鹽侵蝕環(huán)境下的耐久性評估及設計提供依據(jù)，具有一定工程實際意義.關鍵詞: 氯離子；浸泡侵蝕；鹽霧侵蝕；彎拉應力；環(huán)境溫度；擴散系數(shù)；抗彎性能

鋼筋混凝土由于施工方便、性能優(yōu)越、經濟實用等優(yōu)點，在土木工程建設中得到廣泛應用.然而在海洋、鹽湖、鹽堿地及工業(yè)廠房等氯離子質量分數(shù)較高的服役環(huán)境中，混凝土構件可能在氯離子的侵蝕作用下出現(xiàn)鋼筋銹蝕、強度衰減等耐久性問題[1-3].同時，由外部荷載作用引發(fā)的鋼筋混凝土結構內部微裂紋損傷，可能加劇氯離子對混凝土結構的侵蝕作用，使得混凝土構件過早的出現(xiàn)耐久性劣化問題，造成巨大經濟損失[4-5].

國內外學者圍繞氯離子侵蝕混凝土造成混凝土結構耐久性能下降的問題展開了廣泛研究，如：Bae等[6]通過混凝土構件的加速侵蝕實驗研究了預應力混凝土構件的抗氯離子侵蝕能力；Bhaskar等[7]開展了帶裂紋預應力混凝土構件的氯離子侵蝕實驗，研究了水灰比與氯離子侵蝕程度之間的關系；Kakegawa等[8]研究了環(huán)境溫度對氯離子侵蝕鋼筋混凝土的影響規(guī)律；Onyejekwe 等[9]研究了鋼筋混凝土在氯離子侵蝕環(huán)境下的耐久性變化規(guī)律；孫叢濤等[10]探討了水膠比對氯離子擴散性能的影響，研究了氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土結構性能劣化的主要原因；鄭永來等[11]研究了碳化程度對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響；賈立哲[12]等通過數(shù)值模擬方法研究了非飽和鋼混結構中氯離子的傳輸規(guī)律.

上述研究具有較大的理論和工程意義，但多數(shù)研究對影響氯離子侵蝕混凝土的因素考慮比較單一.本試驗使用螺栓加載裝置對試件施加不同應力水平的彎拉荷載，通過室內不同氯離子質量分數(shù)的浸泡侵蝕試驗和鹽霧侵蝕試驗研究侵蝕方式、氯離子質量分數(shù)、應力水平、環(huán)境溫度及侵蝕時間等多種因素對混凝土中氯離子擴散及構件抗彎性能的影響規(guī)律，以期為鋼筋混凝土構件在氯鹽侵蝕環(huán)境下的耐久性評估及設計提供理論依據(jù).

1 試驗內容及布置

1.1 試件制作及處理

試驗中混凝土試件采用2根Φ4鋼絲單側配筋且不設箍筋，試件保護層厚度10 mm.浸泡試驗采用處于彎拉應力狀態(tài)的100 mm×100 mm×600 mm混凝土試件；鹽霧試驗采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的無應力混凝土試件.本次試驗采用強度較低的C20混凝土試件，所用主要原料為P·O32.5R級硅酸鹽水泥、自來水、河砂和和連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，其重量配合比為1∶0.56：1.94∶3.77.所有試件均一次性澆筑，澆筑好的試件如圖1所示，試件澆筑24 h后拆模，然后標準養(yǎng)護28 d.通過對養(yǎng)護28 d后的標準試塊進行抗壓強度試驗，測得試件實際強度等級為C23.

為保證試驗結果的直觀性，本次試驗中各試件只留出一個長方形界面作為滲透面，其余各面用環(huán)氧樹脂涂刷密封，滲透面均為試件配筋側.將刷好環(huán)氧樹脂的試件放至陰涼處晾48 h直至干燥.侵蝕試驗過程中各工況條件下試件均成對布置，一根構件用以測試構件內部氯離子質量分數(shù)，另一根構件用以測試構件在各種侵蝕條件下的強度性能.

圖1 混凝土試件

1.2 浸泡環(huán)境侵蝕試驗

為提高氯離子擴散侵蝕速度，本次試驗采用質量分數(shù)為5%的NaCl侵蝕溶液.試驗通過兩試件中部墊片和兩端螺桿加壓的方法施加彎拉荷載，如圖2所示.試件加載時配筋側靠外，通過試件中部電阻應變片來控制彎拉荷載的大小.在對試件施加不同水平的彎拉荷載后，再對螺桿，墊片再涂一層防腐漆.然后將試件放入NaCl溶液中浸泡侵蝕，具體試件編號及試驗布置情況見表1.

圖2 持續(xù)彎拉荷載施加裝置

編號尺寸/mm溫度/℃應力水平/Fs0時間/d質量分數(shù)/%取樣頻率/dW1100×100×40020030510W2100×100×40020030710W3100×100×40035030510W4100×100×40035030710W5100×100×40050030510W6100×100×40050030710

注：Fs0=12.76 kN，F(xiàn)s0為標準養(yǎng)護28 d試件的極限抗彎拉強度均值.

1.3 鹽霧環(huán)境侵蝕試驗

由于鹽霧箱內試驗空間的限制，鹽霧試驗均采用無應力構件.鹽霧侵蝕試驗在鹽霧箱中進行，利用鹽霧箱自動控溫和連續(xù)噴霧功能，以實現(xiàn)不同環(huán)境溫度和鹽霧質量分數(shù)下混凝土構件的侵蝕.鹽霧試驗過程中集霧量為1.5～2.0 mL/80 cm2h，其具體工況布置見表2.

表2 鹽霧環(huán)境試驗工況

2 試驗結果測定及方法

2.1 氯離子質量分數(shù)測定

試驗按表1和表2所設計侵蝕時間測試構件內部不同深度處的氯離子質量分數(shù).在進行氯離子質量分數(shù)測試前首先將試樣表面風干，再用鉆頭打磨表面混凝土，取1～2 g粉末測量表面氯離子質量分數(shù)Cs，然后采用鉆機垂直于滲透面鉆取粉末，每隔5 mm取一次粉末，取粉深度為30 mm，試件取樣完成后用環(huán)氧樹脂將鉆孔封閉，然后置入侵蝕溶液中繼續(xù)浸泡侵蝕.對于每份粉末試樣，稱取1 g放入50 mL蒸餾水中，萃取48 h后，采用CABR-RCTF型快速氯離子測定儀測定每個試樣的氯離子質量分數(shù).

2.2 彎拉強度測定

采用500 kN多功能液壓試驗機測試表1和表2所設計各種侵蝕工況下試件的強度性能.抗彎強度測試前在試件靠近鋼筋一側的中部貼上10 cm的電阻應變片，以測量混凝土試件受彎過程中的拉應變，測試過程中試件配筋側受拉，采用0.02 MPa/s的加荷速度施加豎向壓力直至試件破壞，記錄極限荷載P及其極限應變ε，彎拉強度試驗見圖3.

圖3 彎拉強度試驗

3 實驗結果分析

3.1 構件內部氯離子質量分數(shù)分布規(guī)律

圖4為不同侵蝕時間和侵蝕環(huán)境下試件內部氯離子質量分數(shù)隨深度的分布規(guī)律.從圖4可以見，隨著侵蝕時間的增長，混凝土時間內部相同深度處的氯離子質量分數(shù)呈逐步增大的趨勢；同時，浸泡侵蝕環(huán)境下構件內部氯離子質量分數(shù)遠遠高于鹽霧侵蝕環(huán)境下構件內部的氯離子質量分數(shù).

圖4 不同侵蝕時間和侵蝕環(huán)境下氯離子質量分數(shù)分布

Fig.4 Distributions of chloride ion concentration at different erosion time and under different erosion environment

圖5為不同環(huán)境溫度和氯鹽質量分數(shù)條件下鹽霧侵蝕30 d后試件內部氯離子質量分數(shù)的分布規(guī)律.從圖5可見，7%鹽霧質量分數(shù)中試件內部氯離子質量分數(shù)明顯高于5%鹽霧質量分數(shù)中試件內部氯離子質量分數(shù)，但這種由氯化鈉鹽霧質量分數(shù)引起的混凝土內部氯離子質量分數(shù)差異隨深度的增大而減小.同時，從圖5可見，在相同鹽霧質量分數(shù)侵蝕環(huán)境下，混凝土試件內部不同深度處氯離子質量分數(shù)均隨環(huán)境溫度升高而呈現(xiàn)出增大的趨勢.

圖5 不同環(huán)境溫度和氯鹽質量分數(shù)下氯離子質量分數(shù)分布

Fig.5 Distributions of chloride ion concentration under different environmental temperature and chloride ion concentration

圖6為混凝土試件在不同彎拉應力水平下浸泡侵蝕60 d后其內部氯離子含量沿滲透深度的分布情況.由圖6可見，由于試件在彎拉應力狀態(tài)下其受拉側的孔隙率增大，同時拉應力也可能造成混凝土內部產生微裂紋，從而使得外界氯離子容易侵入混凝土內部，致使混凝土試件內部氯離子質量分數(shù)分布隨應力水平的增大而呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢.

圖7為無應力混凝土試件分別在室溫下浸泡30 d與在20 ℃鹽霧環(huán)境侵蝕30 d后試件內部氯離子質量分數(shù)的分布情況.從圖7可看出，在相同的環(huán)境氯離子質量分數(shù)下，浸泡試件內部氯離子質量分數(shù)較鹽霧侵蝕試件內部氯離子質量分數(shù)高，這種情況在接近混凝土表面處特別顯著，但隨著距混凝土表面的距離增加，兩者之間差距逐漸減小.

圖6 不同應力水平下氯離子質量分數(shù)分布

Fig.6 Distributions of chloride ion concentration under different stress levels

圖7 不同侵蝕方式下氯離子質量分數(shù)分布

Fig.7 Distributions of chloride ion concentration under different erosion ways

3.2 氯離子擴散系數(shù)變化規(guī)律

基于Fick第二定律，混凝土構件內部任意時刻不同深度的氯離子質量分數(shù)可按下式計算：

(1)

基于式(1)擬合不同環(huán)境溫度、不同鹽霧質量分數(shù)條件下氯離子擴散系數(shù)D與侵蝕時間的關系，其結果如圖8所示.可以看出，隨著腐蝕時間的增加，由于混凝土內部的水泥漿體結構發(fā)生了變化，其孔隙率不斷縮小，故在相同環(huán)境溫度和鹽霧質量分數(shù)下，氯離子擴散系數(shù)D隨侵蝕時間的增加而逐漸減小.同時，從圖8可以看出，20 ℃與35 ℃環(huán)境溫度下氯離子擴散系數(shù)隨侵蝕時間下降趨勢較緩，50 ℃時下降趨勢較為明顯，說明溫度越高，構件內部水泥漿體結構變化越劇烈，故其擴散系數(shù)隨時間下降的趨勢越明顯.

圖9為基于式(1)擬合所得氯離子擴散系數(shù)D與侵蝕環(huán)境溫度之間的關系.由圖9可見，氯離子擴散系數(shù)D隨溫度的升高而增大，但兩種不同鹽霧質量分數(shù)情況下擬合出的結果相差不大，可見鹽霧質量分數(shù)對氯離子擴散系數(shù)D影響較小.

圖8 鹽霧侵蝕時間與氯離子擴散系數(shù)的關系

Fig.8 Relationship between erosion time and chloride ion diffusion coefficient

圖9 氯離子擴散系數(shù)與環(huán)境溫度的關系

Fig.9 Relationship between environment temperature and chloride ion diffusion coefficient

圖10為擬合得出的混凝土氯離子擴散系數(shù)D與彎拉應力水平之間的關系.由圖10可知，混凝土氯離子擴散系數(shù)D隨應力水平的增大而呈現(xiàn)增大趨勢，并且應力水平越高，擴散系數(shù)對應曲線斜率越大，說明擴散系數(shù)增大的趨勢越明顯.

圖10 彎拉應力水平與氯離子擴散系數(shù)的關系

Fig.10 Relationship between stress level and chloride ion diffusion coefficient

3.3 試件極限彎拉強度變化規(guī)律

以彎拉強度絕對變化率α(%)作為試件極限彎拉強度變化的評定指標：

(2)

式中：Fst為試件侵蝕后的極限抗彎拉強度，F(xiàn)s0為標準養(yǎng)護28 d試件的極限抗彎拉強度均值.

圖11為不同鹽霧質量分數(shù)、環(huán)境溫度條件下試件侵蝕30 d后彎拉強度的絕對變化率.

圖11 環(huán)境溫度與彎拉強度變化率的關系

Fig.11 Relationship between environmental temperature and flexural-tensile strength gradient

從圖11可見，彎拉強度絕對變化率隨環(huán)境溫度的升高而呈現(xiàn)下降趨勢.此外，從圖11還可看出，當環(huán)境溫度和鹽霧氯鹽質量分數(shù)較低時，侵蝕試件彎拉強度絕對變化率大于零，說明混凝土試件的極限彎拉強度不下降反而上升.在環(huán)境溫度和鹽霧氯鹽質量分數(shù)較高的三種工況下，混凝土試件彎拉強度絕對變化率均小于零，說明試件極限彎拉強度有所下降.這是由于為環(huán)境溫度較高時，氯離子擴散侵蝕速度加快，鋼筋表面鈍化膜中性化鋼筋開始銹蝕導致鋼筋與混凝土粘結性能退化，從而引起鋼筋拉彎強度下降.

圖12為試件彎拉強度絕對變化率與應力水平之間的關系.可以看出，混凝土試件的彎拉強度絕對變化率隨彎拉應力水平的增大而下降.零彎拉應力水平和0.3Fs0彎拉應力水平下混凝土試件的極限彎拉強度變化率大于零，說明較小的彎拉應力水平對混凝土試件內部結構影響小，且對氯離子擴散速度影響不明顯.在70%極限彎拉應力水平下試塊腐蝕后極限彎拉強度下降近15%，表明較高的應力水平可能造成混凝土內部產生微裂紋，促使氯離子擴散系數(shù)變大，氯離子擴散侵蝕速度加快，導致構件彎拉強度下降.

圖12 應力水平與彎拉強度變化率的關系

Fig.12 Relationship between stress level and flexural-tensile strength gradient

圖13為0.5Fs0彎拉應力水平的混凝土試件浸泡侵蝕后彎拉強度絕對變化率隨侵蝕時間的變化規(guī)律.可以看出，混凝土試件彎拉強度絕對變化率在前60 d內呈緩慢增長趨勢.其后，彎拉強度絕對變化率隨侵蝕時間的增長呈下降趨勢，且幅度較大.這是由于在侵蝕前期，混凝土試件強度在28 d齡期之后有緩慢增長趨勢，同時氯鹽對混凝土試件的侵蝕程度較輕微，對混凝土彎拉強度影響較小.在侵蝕60 d之后，混凝土內部結構反生變化，鋼筋表面鈍化膜破壞，鋼筋開始銹蝕引起鋼筋與混凝土黏結性能退化，故混凝土構件極限彎拉強度呈現(xiàn)出明顯的衰減趨勢.

圖13 侵蝕時間與彎拉強度變化率的關系

Fig.13 Relationship between erosion time and flexural-tensile strength gradient

3.4 試件極限彎拉應變變化規(guī)律

以極限彎拉應變相對變化率β(%)作為試件彎拉應變變化的評價指標：

(3)

式中：εt為不同工況下腐蝕試件的極限彎拉應變，ε0為標準養(yǎng)護28 d試件的極限彎拉應變均值.

混凝土試件在零彎拉應力水平、0.5%和0.7%兩種鹽霧腐蝕條件下，極限彎拉應變相對變化率β(%)與環(huán)境溫度之間的關系見圖14.從圖14可以看出，極限彎拉應變相對變化率隨環(huán)境溫度的升高而下降.但極限應變相對變化率均為負值，說明混凝土試件在鹽霧侵蝕之后應變性能下降.造成這一現(xiàn)象的原因不僅是氯離子擴散侵蝕引起鋼筋表面銹蝕導致鋼筋與混凝土粘結性能退化，混凝土試件在荷載作用下的徐變效應也是造成極限彎拉應變相對變化率下降的主要原因.

圖14 環(huán)境溫度與彎拉應變變化率的關系

Fig.14 Relationship between environmental temperature and flexural-tensile strength gradient

根據(jù)試件在室溫、質量分數(shù)5%鹽溶液、不同應力水平下侵蝕60 d的彎拉應變測試結果，得出極限彎拉應變相對變化率與荷載水平的關系如圖15所示.從圖15可看出，混凝土侵蝕之后極限彎拉應變相對變化率隨彎拉應力水平的增大而下降.這是由于較高的彎拉應力不僅使混凝土構件產生徐變效應，同時還可能致使混凝土構件內部產生微裂紋，促使氯離子侵蝕速度加快，導致鋼筋與混凝土黏結性能退化，進而造成試件抗彎應變性能大幅度下降.

圖15 應力水平與彎拉應變變化率的關系

Fig.15 Relationship between stress level and flexural-tensile strain gradient

室溫侵蝕環(huán)境下，0.5Fs0應力水平的混凝土試件在質量分數(shù)為5%的鹽溶液中極限彎拉應變相對變化率與腐蝕時間的關系見圖16.從圖16可看出，混凝土試件極限彎拉應變相對變化率隨腐蝕時間的增長呈下降趨勢，且下降幅度較均勻，其與時間近似呈線性關系.

圖16 侵蝕時間與彎拉應變變化率的關系

Fig.16 Relationship between erosion time and flexural-tensile strain gradient

4 結 論

1)混凝土試件內部氯離子質量分數(shù)隨腐蝕時間、環(huán)境溫度、氯離子質量分數(shù)、應力水平的增大而呈現(xiàn)出增大趨勢.

2)在相同環(huán)境溫度、氯離子質量分數(shù)、應力水平和侵蝕時間下，浸泡侵蝕環(huán)境中混凝土試件內部氯離子質量分數(shù)分布高于鹽霧侵蝕環(huán)境下混凝土試件內部氯離子質量分數(shù).

3)氯離子擴散系數(shù)隨彎拉應力水平和環(huán)境溫度的提高而增大，但環(huán)境氯離子質量分數(shù)和侵蝕時間對氯離子擴散系數(shù)影響較小.

4)在較低彎拉應力水平、環(huán)境溫度和較短侵蝕時間內，混凝土構件極限彎拉強度有小幅度上升趨勢，然后隨侵蝕時間的增長而衰減，混凝土構件的極限彎拉應變隨各影響因素的增大而降低.

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(編輯 趙麗瑩)

Chloride ion erosion experiment of concrete members under different environmental conditions

LI Lin1,2, DING Shijun3, LI Jingpei1,2, LI He1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering (Tongji University), Ministry of Education, Shanghai 200092,China; 2.Department of Geotechnical Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;3.China Electric Power Research Institute, Beijing 100055, China)

To study the erosion degradation rule of the concrete member under different chloride ion erosion conditions, the chloride ion immersion tests for the flexural-tensile concrete member and salt spray tests for non-stress concrete member were carried out. Based on the test results of chloride mass fraction, flexural-tensile strength and flexural-tensile strain of concrete member, the effects of erosion time, environmental temperature, stress level, environmental chloride ion mass fraction and erosion pattern on the diffusion rule of chloride ion and flexural-tensile strength of concrete members were studied. The results show that, the chloride ion mass fraction in soaking environment is higher than that in salt spray environment; the chloride ion mass fraction increases with the erosion time, environmental temperature, chloride ion concentration and stress level; the diffusion coefficient increases with the increasing of the stress level and temperature; under the condition of lower stress level, lower temperature and shorter erosion time, the ultimate flexural-tensile strength of concrete members has a slight upward trend, and then it decreases with erosion time; the ultimate flexural-tensile strain of concrete members decreases while the influence factors increase. The results provide a theoretical base for the durability assessment and design for concrete member under chloride ion erosion environmental and have some practical values.

chloride ion; immersion erosion; salt spray erosion; flexural-tensile stress; environmental temperature; diffusion coefficient; flexural performance

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.003

2015-10-02

國家自然科學基金(51178341)； 中國電力科學研究院資助項目(GC7113001,GC7114004)

李 林(1986—)，男，博士研究生； 李鏡培(1963—)，男，教授，博士生導師

李鏡培，lijp2773@#edu.cn

TU528

A

0367-6234(2016)12-0028-06