氯離子在開裂混凝土中的擴(kuò)散特性研究

張菊輝， 劉穎慧， 時(shí)哲敏

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院， 上海 200093)

氯離子侵蝕是導(dǎo)致鋼筋銹脹、混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因[1].作為一種非均質(zhì)材料，混凝土最大的缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低，在環(huán)境與荷載作用下很容易開裂.混凝土表面裂縫的存在，增大了其與外界氯離子接觸面積，并且減小了其保護(hù)層有效厚度，從而加速了鋼筋銹蝕[2].

國內(nèi)外學(xué)者對氯離子在開裂混凝土中的滲透特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[3-10]，認(rèn)為可能存在一個(gè)臨界裂縫寬度.當(dāng)裂縫寬度小于該臨界寬度時(shí)，對氯離子運(yùn)輸特性的影響很小，反之則會逐漸增大.但是，既有文獻(xiàn)對臨界裂縫寬度的取值并不統(tǒng)一.混凝土裂縫特征主要由裂縫寬度、裂縫深度等參數(shù)表征，當(dāng)前針對裂縫對氯離子滲透特性影響的研究多集中于裂縫寬度這一單一因素，僅朱紅光等[2]研究了裂縫深度對氯離子滲透特性的影響.總體而言，對裂縫寬度與裂縫深度的疊加影響研究較少.因此，本文基于混凝土結(jié)構(gòu)荷載裂縫特征[11]，考慮裂縫寬度與裂縫深度的相關(guān)性，制作了人工裂縫，分析其對氯離子擴(kuò)散深度的影響，并研究了裂縫特征的單因素變化對氯離子滲透特性的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及試件設(shè)計(jì)

水泥選用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用中砂，粗骨料選用5～15mm連續(xù)級配碎石.混凝土試件的水灰質(zhì)量比為0.6，其配合比見表1.本文設(shè)計(jì)了A，B，C這3組試件，其尺寸為100mm×100mm×300mm.試件裂縫采用預(yù)置不同寬度與長度的金屬片制作(見圖1).A組試件考慮裂縫寬度Wcr與裂縫深度Dcr的相關(guān)性，基于文獻(xiàn)[11]中的荷載裂縫特征進(jìn)行確定；B，C組試件主要研究裂縫特征的單因素變化對氯離子擴(kuò)散深度的影響，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2.

表1 混凝土試件配合比

圖1 試件尺寸及裂縫位置Fig.1 Crack profile of the specimen(size:mm)

GroupAWcr/mmDcr/mmGroupBWcr/mmDcr/mmGroupCWcr/mmDcr/mmA10.0125B10.20100C10.2050A20.03100B20.30100C20.2075A30.05208B30.40100C30.20100A40.08250B40.50100C40.20125A50.10251B50.60100C50.20150A60.15252A70.20253

1.2 試驗(yàn)方法

試件養(yǎng)護(hù)28d后取出，置于飽和Ca(OH)2溶液中浸泡7d，使其達(dá)到飽和狀態(tài).取出試件待表面自然干燥后，在其各非裂縫面涂抹環(huán)氧樹脂密封，以便使氯離子在一維方向擴(kuò)散.待3～4d環(huán)氧樹脂硬化后，將試件置于5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCl溶液中浸泡30d，然后取出試件，自然晾干1周.使用石材切割機(jī)對A組試件沿人工裂縫面垂直方向進(jìn)行切割，切割時(shí)應(yīng)避免試件與水接觸，以防止氯離子流失.采用AgNO3顯色法測試氯離子擴(kuò)散深度，即將濃度為0.1mol/L的AgNO3溶液噴灑在裂縫切面周圍，以確定氯離子的滲透分布.

通過鉆孔取粉確定B，C組試件中的氯離子含量(wCl-).鉆孔取粉位置如圖2所示，分別沿裂縫深度方向及垂直裂縫面方向鉆孔，每隔10mm取1次粉樣，鉆頭直徑為10mm.將鉆取的粉樣剔除石子，研磨至0.60mm方孔篩全部通過，然后用磁鐵吸出粉樣中的金屬鐵屑，置于燒杯中烘干，烘箱溫度為(120±5) ℃，烘2h.烘干后，使用分析天平稱取2g粉樣置于干燥器中保存待測.采用RCT500氯離子含量測定儀測定粉樣中的氯離子含量.

圖2 試件鉆孔取粉位置Fig.2 Extract powder location(size:mm)

2 裂縫對氯離子擴(kuò)散的影響

2.1 裂縫對氯離子擴(kuò)散深度的影響

圖3為A組試件AgNO3顯色測試結(jié)果.由圖3可以看出，氯離子在混凝土中的擴(kuò)散深度呈漏斗狀分布，裂縫處的氯離子擴(kuò)散深度明顯大于周邊區(qū)域.圖4為A組試件中氯離子的擴(kuò)散深度對比.圖4表明，在無裂縫處，試件中氯離子的擴(kuò)散深度基本穩(wěn)定，介于8～ 11mm之間.隨著裂縫寬度的增加，試件中的氯離子擴(kuò)散深度逐漸增大，說明裂縫的存在對氯離子的擴(kuò)散深度產(chǎn)生了顯著影響，并且影響程度隨裂縫寬度的增大而不斷增加.將各個(gè)試件的裂縫深度與裂縫處氯離子擴(kuò)散深度進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，除A1，A7試件中氯離子擴(kuò)散深度與裂縫深度相同外，其余試件在裂縫處的氯離子擴(kuò)散深度均小于裂縫深度.這表明在試件中，當(dāng)裂縫寬度小于0.20mm時(shí)，氯離子在混凝土中的傳輸方式以擴(kuò)散為主.另外，A2～A6試件的氯離子擴(kuò)散深度遠(yuǎn)小于裂縫深度，說明氯離子在寬度為0.03～ 0.15mm的自然裂縫中傳輸時(shí)，其擴(kuò)散深度主要取決于裂縫寬度的大小.實(shí)際上，A4～ A7試件的裂縫深度基本相同(250～253mm)，A3試件的裂縫深度略小(208mm).A3，A4，A5試件盡管裂縫寬度不同，但氯離子在裂縫處的擴(kuò)散深度比較接近，而A6，A7試件在裂縫處的氯離子擴(kuò)散深度大幅增加，說明A5試件的裂縫寬度0.10mm為臨界裂縫寬度.當(dāng)試件的裂縫寬度超過0.10mm時(shí)，裂縫的存在使氯離子的擴(kuò)散深度顯著增加.

圖3 A組試件的AgNO3顯色測試結(jié)果Fig.3 Test results of group A using AgNO3 colorimetric method

圖4 A組試件中氯離子的擴(kuò)散深度對比Fig.4 Comparison of chloride diffusion depth for group A

2.2 裂縫對氯離子含量分布的影響

2.2.1裂縫寬度的影響

圖5為不同深度處B組試件的氯離子含量.表3為裂縫寬度為0.20mm時(shí)不同深度處試件B0(無裂縫)，B1的氯離子含量對比.由圖5可以看出，裂縫的存在顯著提高了試件中的氯離子含量.當(dāng)裂縫寬度為0.20mm時(shí)，試件B1中的氯離子含量較未開裂試件對應(yīng)深度下的氯離子含量分別提高了49%，100%，160%，232%.圖6為深度20mm處B組試件沿垂直裂縫面(即水平方向)的氯離子含量分布.由圖6可以看出，在試件裂縫處的氯離子含量明顯高于周圍混凝土中的氯離子含量，表明裂縫的存在能顯著提升氯離子的傳輸性能.這是由于氯離子能以裂縫面作為新的暴露面而不斷沿水平方向擴(kuò)散所致.

圖5 不同深度處B組試件的氯離子含量Fig.5 Chloride content vs. depth(group B)

表3 不同深度處試件B0，B1的氯離子含量對比

圖6 水平方向B組試件的氯離子含量分布Fig.6 Chloride content along horizontal direction(group B)

2.2.2裂縫深度的影響

圖7為不同深度處C組試件的氯離子含量.從圖7可以看出，在不同深度處，相較無裂縫試件，具有裂縫的試件氯離子含量明顯升高，但裂縫深度的變化對裂縫處氯離子擴(kuò)散的影響規(guī)律并不明顯.總體趨勢是裂縫深度越小，不同深度處的氯離子含量越大.這可能是由于氯離子在向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的過程中，以裂縫面作為新的暴露面不斷向裂縫深度方向及垂直于裂縫面方向擴(kuò)散.而更大的裂縫面增加了這一新暴露面的長度，使氯離子的擴(kuò)散范圍增大，導(dǎo)致裂縫處氯離子的含量反而較裂縫深度小的試件低.垂直于裂縫面的氯離子含量分布測試結(jié)果(見圖8)也驗(yàn)證了這一點(diǎn).當(dāng)裂縫深度為50mm時(shí)，試件兩側(cè)氯離子含量的衰減幅度較小，說明氯離子沿水平方向擴(kuò)散的趨勢明顯.當(dāng)裂縫深度大于50mm 時(shí)，試件中氯離子的擴(kuò)散范圍增大，導(dǎo)致向水平方向擴(kuò)散的趨勢減弱，氯離子含量反而降低.

圖7 不同深度處C組試件的氯離子含量Fig.7 Chloride content vs. depths(group C)

圖8 水平方向C組試件的氯離子含量分布Fig.8 Chloride content along horizontal direction(group C)

2.3 裂縫對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

盡管氯離子從裂縫處滲入混凝土后會沿著裂縫水平方向傳輸，但其仍以深度方向的一維擴(kuò)散為主.根據(jù)Fick第二定律，假設(shè)初始氯離子含量為0，則混凝土中氯離子一維擴(kuò)散滿足方程：

(1)

式中：w(x,t)為不同深度(x，mm)處的氯離子含量，%；ws為混凝土暴露表面的氯離子含量，%；D為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；t為測試時(shí)間，s，本文中t為30d.

表4為B，C組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù).由表4可見，B組試件的裂縫寬度變化對混凝土中氯離子的擴(kuò)散系數(shù)具有顯著影響.當(dāng)裂縫寬度為0.20～0.50mm時(shí),氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著裂縫寬度的增加而增大，相較于無裂縫試件分別提高了264.5%，271.5%，508.3%，638.5%.當(dāng)裂縫寬度增加至0.60mm 時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸接近自由溶液中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)[12].此外，B組B4，B5試件基于式(1)的擬合結(jié)果可靠度較差，這主要是因?yàn)榱芽p寬度越大，同一深度處的氯離子含量越高，其沿裂縫向水平方向擴(kuò)散的趨勢越明顯，導(dǎo)致擬合結(jié)果誤差較大.由表4還可見，裂縫深度為50mm的試件C1，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯大于其他裂縫深度下試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù).當(dāng)裂縫深度大于50mm時(shí)，各試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較為接近，此時(shí)裂縫深度的變化對氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響較小.

表4 B，C組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

分別對不同裂縫寬度(裂縫深度)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行擬合，建立D與Wcr(Dcr)的關(guān)系為：

2.435×10-10,R2=0.988

(2)

2.230×10-10,R2=0.977

(3)

綜上可見，在有裂縫的混凝土中，氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度(裂縫深度)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系.

3 結(jié)論

(1)當(dāng)裂縫寬度超過0.10mm時(shí)，裂縫的存在使氯離子在混凝土中的擴(kuò)散深度顯著增大.

(2)在有裂縫的混凝土中，氯離子的擴(kuò)散系數(shù)隨著裂縫寬度的增加而增大，且氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系.

(3)在有裂縫的混凝土中，裂縫深度的變化對氯離子的擴(kuò)散有一定影響.當(dāng)裂縫深度較小時(shí)，氯離子沿水平方向擴(kuò)散的趨勢明顯，當(dāng)裂縫深度大于50mm 時(shí)，同一深度處的氯離子含量反而降低，從而使氯離子向水平方向擴(kuò)散的趨勢減弱.氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫深度之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系.

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