氯鹽環(huán)境下混凝土氯離子傳輸和鋼筋銹蝕研究

周 翔，蘇 駿，左國(guó)望

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

裂縫會(huì)影響混凝土構(gòu)件的耐久性和強(qiáng)度，裂縫出現(xiàn)后，環(huán)境中的氯離子、二氧化碳等將以裂縫為通道滲透到混凝土內(nèi)部并到達(dá)鋼筋表面加速鋼筋銹蝕，從而影響構(gòu)件的耐久性[1]。

L.Marsavina等[2]以橫向裂縫的寬度為影響因素探究了氯離子的滲透性，結(jié)果表明氯離子的侵蝕深度隨著裂縫寬度的變大和裂縫深度加深而變大。Brankoavija等[3]將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)裂縫的大小是氯離子侵蝕混凝土程度的主要影響因素。金偉良[4]提出了裂縫寬度不同的條件下氯離子在裂縫周圍混凝土內(nèi)擴(kuò)散的計(jì)算方法。延永東[5]研究了干濕循環(huán)環(huán)境下，帶裂縫混凝土內(nèi)氯離子的滲透規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裂縫寬度>0.1 mm時(shí)混凝土內(nèi)氯離子濃度受裂縫寬度的影響較大。陸春華[6]研究了裂縫寬度對(duì)帶裂縫混凝土梁內(nèi)鋼筋銹蝕的影響；聶紅宇[7]通過(guò)預(yù)埋設(shè)不銹鋼片制備了橫向裂縫寬度不同的鋼筋混凝土試件并以裂縫寬度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、水膠比和保護(hù)層厚度等因素建立了混凝土裂縫處鋼筋銹蝕長(zhǎng)度L的預(yù)測(cè)模型。上述學(xué)者對(duì)帶裂縫鋼筋混凝土在氯鹽環(huán)境下氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸和鋼筋銹蝕進(jìn)行了較多研究。

但是由于大多數(shù)情況下采用的裂縫寬度在規(guī)范規(guī)定的0.4 mm以內(nèi)，而實(shí)際過(guò)程中>規(guī)范限制的裂縫經(jīng)常存在，因此研究超出寬度規(guī)范限制的帶裂縫混凝土的氯離子傳輸性能和裂縫處鋼筋銹蝕情況是有必要的。文中對(duì)預(yù)設(shè)0.25～0.75 mm寬度的帶裂縫混凝土的氯離子傳輸性能進(jìn)行了研究并測(cè)得裂縫處鋼筋銹蝕長(zhǎng)度，以橫向裂縫寬度、混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋直徑為變量，提出裂縫處鋼筋銹蝕長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)模型。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件材料參數(shù)

試件混凝土等級(jí)為C30，采用P.O42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6河沙，級(jí)配良好；粗骨料采用5～20 mm碎石連續(xù)級(jí)配；摻料為Ⅱ級(jí)粉煤灰；外加劑使用聚羧酸減水劑，參數(shù)：水，175 kg·m-3；水泥，340 kg·m-3；砂，680 kg·m-3；石，1100 kg·m-3；粉煤灰，80 kg·m-3；外加劑，7.4 kg·m-3。

1.2 試件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)100×100×400 mm的鋼筋混凝土梁，鋼筋為HRB400級(jí)鋼筋；考慮兩種鋼筋直徑和兩種保護(hù)層厚度；構(gòu)成a，b，c，d四組試件，每組試件預(yù)設(shè)裂縫寬度分別采用采取0、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm四種不同寬度，為得到預(yù)設(shè)初始橫向裂縫，將預(yù)設(shè)寬度的鋼片埋入成型的混凝土中，并養(yǎng)護(hù)28 d，但實(shí)際情況下裂縫寬度無(wú)法達(dá)到預(yù)設(shè)值，故本實(shí)驗(yàn)最終以實(shí)際值為研究變量，各組有關(guān)數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 試件分組表

1.3 試驗(yàn)方法

1)將養(yǎng)護(hù)28 d后的試塊四周涂抹環(huán)氧樹(shù)脂膠后平鋪放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氯化鈉溶液中，使溶液剛好淹沒(méi)試塊侵蝕面。每天定時(shí)補(bǔ)充缺失溶液到同一位置，干濕循環(huán)時(shí)間以每24 h 為一個(gè)周期，共浸泡45 d ，為45次干濕循環(huán)。之后，將試塊干燥，進(jìn)行沿裂縫10 mm、20 mm、25 mm、30 mm和40 mm深度處取粉，將所取粉末篩除至粒徑<0.5 mm，然后將粉末在烘箱中烘干8 h至恒重，溫度控制在100±5℃，從每個(gè)試樣組中取出3 g粉末，配以100 mL去離子水于錐形瓶中，并利用NCL-AL型氯離子含量快速檢測(cè)儀測(cè)定氯離子的含量，各組氯離子含量見(jiàn)表2。

表2 試件氯離子濃度及銹蝕長(zhǎng)度表

從混凝土裂縫底端鋼筋所在處開(kāi)始，沿著混凝土裂縫的兩端對(duì)稱鉆取粉末，取粉位置分別在距裂縫10 mm、20 mm、30 mm和40 mm處，每個(gè)試塊鉆取40個(gè)孔，同理測(cè)得氯離子濃度，因鋼筋直徑對(duì)裂縫周圍氯離子濃度影響不大，故只取不同保護(hù)層厚度的兩組數(shù)據(jù)(表3)。

2)將取完粉的試塊鑿開(kāi)拿出鋼筋并用游標(biāo)卡尺測(cè)量其銹蝕長(zhǎng)度，各組鋼筋銹蝕長(zhǎng)度見(jiàn)表2。

表3 試件氯離子濃度表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氯離子含量結(jié)果分析

圖1為不同寬度裂縫處氯離子濃度隨混凝土深度的變化情況。完整混凝土中氯離子濃度顯著低于其他裂縫的混凝土，同一深度范圍內(nèi)混凝土內(nèi)氯離子濃度隨著裂縫寬度增大而提高；當(dāng)裂縫寬度<0.35 mm時(shí)，氯離子濃度提高趨勢(shì)較大，但當(dāng)裂縫寬度>0.35 mm時(shí)，氯離子濃度變化相對(duì)平緩；氯離子濃度因侵蝕深度增加而逐漸降低；10 mm<深度h>30 mm范圍內(nèi)氯離子濃度因?qū)挾茸兓鄬?duì)平緩，在10～30 mm深度內(nèi)，氯離子濃度變化更加顯著，特別在深度h為20 mm或25 mm處(即裂縫底端)，氯離子濃度在不同裂縫寬度混凝土內(nèi)同一深度處差別最大。通過(guò)對(duì)上述現(xiàn)象分析，對(duì)于帶裂縫混凝土試件，氯離子可以沿裂縫順利到達(dá)裂縫端，然后從裂縫端開(kāi)始腐蝕，腐蝕主要以擴(kuò)散方式進(jìn)行。裂縫使氯離子更容易到達(dá)裂縫底端。此外，實(shí)驗(yàn)中預(yù)置裂縫寬度較大，不可避免地會(huì)導(dǎo)致裂縫通道內(nèi)不同對(duì)流作用程度。隨著裂紋尖端吸附氯離子能力的增加，裂紋尖端表面吸附氯離子的量隨著裂紋寬度增大而增加，相應(yīng)裂紋尖端氯離子濃度也隨之增加。

不同裂縫寬度周圍區(qū)域氯離子濃度見(jiàn)圖2，完好混凝土中氯離子濃度低于其他帶裂縫混凝土，同一位置氯離子濃度隨裂縫寬度變大而增加；對(duì)于完好的混凝土，氯離子以濃度差從試件表面擴(kuò)散滲透內(nèi)部。因此，氯離子濃度基本與距離裂縫的距離l無(wú)關(guān)；而對(duì)于帶裂縫混凝土，氯離子從試件表面和裂縫側(cè)面向內(nèi)部擴(kuò)散，表現(xiàn)出二維擴(kuò)散，裂縫周圍范圍內(nèi)的氯離子的二維擴(kuò)散效應(yīng)伴隨著裂縫寬度的增大而表現(xiàn)得更加顯著，氯離子濃度變化在距離裂縫的距離l大約在20～30 mm時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定。

(a)a組試件d=18 mm，c=25 mm

(b)b組試件d=18 mm，c=20 mm

(c)c組試件d=16 mm，c=25 mm

(d)d組試件d=16 mm，c=20 mm圖1 裂縫處沿混凝土深度氯離子含量

(a)a組試件d=18 mm,c=25mm

2.2 裂縫處鋼筋銹蝕長(zhǎng)度分析

2.2.1 鋼筋銹蝕長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型建立鋼筋銹蝕長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)裂縫寬度關(guān)系見(jiàn)圖3，隨著裂縫寬度的增加，裂縫處鋼筋的腐蝕長(zhǎng)度明顯增加。當(dāng)裂縫寬度一定時(shí)，鋼筋的腐蝕長(zhǎng)度隨保護(hù)層厚度的增加而減小，鋼筋直徑對(duì)鋼筋銹蝕的影響不大。主要原因可能是：氯離子在裂縫端部以擴(kuò)散方式向裂縫位置鋼筋處侵蝕，保護(hù)層厚度提高使氯離子到達(dá)裂縫底端的滲透距離增加，單位時(shí)間到達(dá)裂縫底端的氯離子數(shù)量減少。由圖3發(fā)現(xiàn)裂縫寬度和鋼筋銹蝕長(zhǎng)度可能呈線性關(guān)系，但是無(wú)法從中得出保護(hù)層的厚度以及鋼筋的直徑對(duì)銹蝕長(zhǎng)度的影響規(guī)律，因此，利用MATLAB軟件對(duì)上訴因素進(jìn)行多元線性回歸分析，有關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4，由此得到回歸模型為：

L2=46.42+56.12w-1.91c+0.35d

式中：L2為計(jì)算鋼筋銹蝕長(zhǎng)度；w為裂縫寬度；c為混凝土保護(hù)層厚度；d為鋼筋直徑。

圖3 裂縫處鋼筋銹蝕長(zhǎng)度

表4 多元線性回歸參數(shù)

系數(shù)系數(shù)估計(jì)值系數(shù)置信區(qū)間b(常數(shù))46.42[25.22,67.62]w(裂縫寬度)56.12[47.35,64.89]c(保護(hù)層厚度)-1.91[-2.90,-0.92]d(鋼筋直徑)0.35[0.23,0.47]

R2=0.9783;F=124.615;p<0.001;s2=13.5114

2.2.2 鋼筋銹蝕長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證為驗(yàn)證鋼筋銹蝕模型可信度，選取和文中的研究相似的文獻(xiàn)[9]中的8組數(shù)據(jù)用以檢驗(yàn)文中提出的裂縫處鋼筋銹蝕長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型。各試件相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 鋼筋銹蝕長(zhǎng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值

將表6中的實(shí)測(cè)鋼腐蝕長(zhǎng)度與模型計(jì)算的鋼腐蝕長(zhǎng)度進(jìn)行比較。除明顯的問(wèn)題值外，均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.99和0.084?？梢钥闯?，文中的計(jì)算模型具有一定準(zhǔn)確性和合理性。

3 主要結(jié)論

1)裂縫的存在使氯離子以二維擴(kuò)散的方式滲入混凝土內(nèi)部，隨著橫向裂縫的寬度增大，氯離子的二維擴(kuò)散效應(yīng)在裂縫周圍40～60 mm區(qū)域更加顯著。

2)帶裂縫混凝土內(nèi)的氯離子濃度高于完好的混凝土，；同一位置處氯離子的濃度隨著裂縫寬度的增大而增大；隨著距離裂縫距離的增加，氯離子侵蝕深度的加深，氯離子在混凝土中的濃度逐漸減?。划?dāng)裂縫寬度<0.35 mm時(shí)，氯離子濃度的提高趨勢(shì)較大。深度<10 mm或>30 mm范圍內(nèi)氯離子濃度因?qū)挾茸兓鄬?duì)平緩，在10～30 mm深度內(nèi)，氯離子濃度變化更加顯著，特別在深度為20 mm或25 mm處(即裂縫底端)，氯離子濃度在不同裂縫寬度混凝土內(nèi)同一深度處的差別最大.

3)建立了鋼筋銹蝕長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型，鋼筋銹蝕長(zhǎng)度受裂縫寬度，保護(hù)層厚度，鋼筋直徑等因素影響，其中裂縫寬度影響最大；對(duì)預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)，結(jié)果表明混凝土保護(hù)層厚度一定時(shí)，當(dāng)裂縫寬度w<0.3 mm時(shí)，鋼筋銹蝕長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值符合程度較好，由于各國(guó)對(duì)混凝土裂縫寬度的最大限值基本在0.3 mm左右，預(yù)測(cè)模型具有一定合理性。