水膠比與裂縫對(duì)氯離子擴(kuò)散影響的試驗(yàn)研究

戚 翔 宇， 李 艷

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610021；2.資陽市安岳生態(tài)環(huán)境局，四川 資陽 642350)

1 概 述

我國混凝土生產(chǎn)使用量居于世界首位，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，是亟待解決的重要課題。Mehta[1]認(rèn)為，引起混凝土耐久性劣化的三個(gè)重要原因是鋼筋腐蝕、凍害和侵蝕環(huán)境中的物理化學(xué)作用。水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于氯鹽侵蝕環(huán)境中，而裂縫是水工混凝土建筑物常見病害，不僅影響外觀質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)整體性遭到破壞，抗壓強(qiáng)度、抗碳化等性能劣化，外界的氯離子、水等介質(zhì)經(jīng)裂縫通道侵入混凝土內(nèi)部，造成鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)承載能力降低等問題。

混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境中的耐久性劣化是多種因素共同作用的結(jié)果，對(duì)已裂混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散的研究，國內(nèi)外已開展了一些工作，并取得了一定成果，然而綜合考慮水膠比、裂縫寬度和深度等因素對(duì)氯離子擴(kuò)散影響的研究還未見相關(guān)報(bào)道。基于氯離子滲透深度和擴(kuò)散系數(shù)，探討水膠比、裂縫寬度與深度等不同因素對(duì)氯離子在混凝土構(gòu)件中擴(kuò)散的影響，旨在為揭示氯離子侵蝕破壞和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效及相關(guān)規(guī)范的修訂提供一定參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

2.1 混凝土原材料

該試驗(yàn)水泥選用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥、級(jí)配良好的中砂以及5～15 mm連續(xù)級(jí)配的碎石和萘系高效減水劑。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及組合

該試驗(yàn)結(jié)合相關(guān)研究成果，設(shè)計(jì)三種水膠比并進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

采用SPSS優(yōu)化試驗(yàn)方案，設(shè)置了9種組合方案，水膠比、裂縫寬度和深度正交設(shè)計(jì)表見表2。

表2 水膠比、裂縫寬度和深度正交設(shè)計(jì)表

2.3 試件處理

澆筑尺寸150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm兩種試件，對(duì)第二種尺寸試件采用不銹鋼片預(yù)裂。試件成型后帶模養(yǎng)護(hù)(24±2)h拆模，移入溫度(20±1)℃水中浸沒養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至21 d時(shí)，對(duì)第二種尺寸試件取芯成直徑為100 mm的圓柱體，后切割成高度為(50±2)mm的試驗(yàn)用試件，并打磨光滑后繼續(xù)放于標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期。試驗(yàn)前，用環(huán)氧樹脂密封圓柱體側(cè)面，杜絕在側(cè)面形成氯離子擴(kuò)散通道。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備及方法

該試驗(yàn)在某大學(xué)水工所高性能混凝土試驗(yàn)室進(jìn)行，主要儀器有攪拌機(jī)、取芯機(jī)、切割機(jī)、萬能試驗(yàn)機(jī)、真空飽水儀及氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀。該試驗(yàn)采用真空飽氫氧化鈣溶液對(duì)試件預(yù)處理，采用RCM法進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)[2]開展氯離子遷移試驗(yàn)及滲透深度測(cè)定。RCM試驗(yàn)裝置示意圖見圖1，試驗(yàn)數(shù)據(jù)按公式(1)計(jì)算處理。

圖1 RCM試驗(yàn)裝置示意圖

混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)計(jì)算公示如下，通過試驗(yàn)得到的遷移系數(shù)判定混凝土抗氯離子性能。

(1)

式中DRCM為混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，mm2/s，精確到0.1×10-6mm2/s；U為所用電壓的絕對(duì)值，V；T為陽極溶液的初始溫度和結(jié)束溫度的平均值，℃；L為試件厚度，mm，精確到0.1 mm；Xd為氯離子滲透深度的平均值，mm，精確到0.1 mm；t為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，h。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)出氯離子滲透平均深度、試件厚度、電壓等參數(shù)，得出氯離子擴(kuò)散系數(shù)。下面從水膠比、裂縫寬度及裂縫深度等不同角度分析其對(duì)氯離子擴(kuò)散性能的影響。

3.1 水膠比對(duì)擴(kuò)散系數(shù)影響的驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證該試驗(yàn)方法的合理性，制定了三組無預(yù)裂縫試件，水膠比為0.35、0.40和0.45，分別在齡期28 d、56 d和84 d時(shí)測(cè)出試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)。不同水膠比下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)見圖2。

圖2 不同水膠比下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

由圖2可知，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水膠比的增大而增大。氯離子傳輸要通過毛細(xì)孔和凝膠孔，而凝膠孔的孔徑很小，氯離子通過凝膠孔的擴(kuò)散系數(shù)較毛細(xì)孔要小3個(gè)數(shù)量級(jí)，可以認(rèn)為凝膠孔基本上屬于無害孔[3]。因此，氯離子主要依靠毛細(xì)孔侵入，而毛細(xì)孔受水膠比的影響較大。水膠比越大，水泥顆粒的包裹水層越厚，因水化作用一部分水在水泥石中形成無規(guī)則的毛細(xì)孔系統(tǒng)，混凝土中總孔隙率增大，連通的毛細(xì)孔越多?；炷猎绞杷?，密實(shí)性越差，且水泥中的鐵鋁酸四鈣和鋁酸三鈣含量越低，氯離子在混凝土中結(jié)合能力就較弱，所以氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水膠比的增大而增大。同一水膠比下，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期增大而遞減，56 d較28 d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)約縮小一倍，84 d較56 d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)也急劇縮小。這是因?yàn)殡S養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，混凝土水化作用產(chǎn)物一方面填充了部分初始拌和時(shí)水占據(jù)的體積，另一方面縮減孔徑尺寸，使混凝土毛細(xì)孔率和總孔隙率降低，毛細(xì)孔貫通程度減小，水化作用越充分，混凝土越密實(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)越小[4，5]

3.2 裂縫寬度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響

為探究裂縫寬度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響，試驗(yàn)設(shè)置k=0.05 mm、0.2 mm和0.5 mm的預(yù)裂縫，研究氯離子擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)問題，不同裂縫寬度下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)見圖3。

結(jié)果表明，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨裂縫寬度的增大而遞增，k為0.2 mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)較0.05 mm快速增長(zhǎng)，當(dāng)k增長(zhǎng)到0.5 mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨k的增加平穩(wěn)增長(zhǎng)。當(dāng)水膠比為0.35、k為0.05 mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為3.366×10-12m2/s；k增至0.2 mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速增至5.247×10-12m2/s，增大了55.88%；k繼續(xù)增至0.5 mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)為6.478×10-12m2/s，較0.2 mm時(shí)增大了23.46%。一方面氯離子既沿著裂縫深度方向擴(kuò)散，又通過縫面向混凝土內(nèi)擴(kuò)散，其擴(kuò)散系數(shù)隨k的增加而增大。另一方面由于預(yù)裂縫寬不大，在氯離子擴(kuò)散過程中縫面會(huì)產(chǎn)生阻力，從而減小了擴(kuò)散速率。Ismail等人[6]通過試驗(yàn)研究得出，當(dāng)k<55 μm，自愈合作用阻礙氯離子擴(kuò)散，其受裂縫影響可以忽略。因此，在一定的縫寬范圍內(nèi)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨寬度的增加而增大，且寬度范圍不同，增大的速率也不同?？紤]到混凝土內(nèi)在結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及各向異性，上述試驗(yàn)結(jié)果與一些學(xué)者的研究具有一定的相似性，Jang等人[7]認(rèn)為當(dāng)裂縫超過某一臨界值時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)與寬度成正相關(guān)。

3.3 裂縫深度對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響

試驗(yàn)設(shè)置了三種裂縫深度，s=10 mm、20 mm和30 mm，并選擇無縫試件作為參照組。不同裂縫深度下的滲透深度見圖4。

(a)s=0 mm (b)s=10 mm

(c)s=20 mm (d)s=30 mm圖4 不同裂縫深度下的滲透深度圖(Y表示含有氯離子部分)

由圖4可知，裂縫對(duì)氯離子滲透深度有顯著影響，氯離子侵入?yún)^(qū)域形似圓潤(rùn)的“V”字形，在裂縫兩側(cè)基本對(duì)稱，超出裂縫范圍后氯離子含量迅速降低。參照組氯離子擴(kuò)散可認(rèn)為是線性擴(kuò)散，但有縫組氯離子的侵入方式卻不同，由于裂縫的存在，氯離子的侵入過程可以分為沿裂縫間隙向內(nèi)部滲透和以裂縫表面向內(nèi)部侵入過程的結(jié)合[8]。有裂縫試件通過裂縫通道沿深度及裂縫面向內(nèi)侵入，因此無縫試件較有縫試件在裂縫附近位置的滲透深度顯著降低。對(duì)比不同裂縫深度的滲透結(jié)果，一方面隨著裂縫深度增大，裂縫處氯離子滲透深度明顯增加，遠(yuǎn)離裂縫處滲透深度逐漸趨于一致，說明裂縫深度對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響是局部性的，僅在裂縫附近位置產(chǎn)生影響。另一方面，隨著裂縫深度的增加，對(duì)應(yīng)的氯離子滲透范圍在裂縫底部變得更為陡峭，深度為10 mm的試件在裂縫底部滲透區(qū)域較緩，深度為30 mm的試件逐漸變陡，造成這種現(xiàn)象的原因主要是裂縫深度小，氯離子在裂縫底部位置的擴(kuò)散要受到試件表面滲透的影響，隨著滲透深度的增加，試件表面對(duì)該位置的影響變?nèi)酢?/p>

4 結(jié) 語

試驗(yàn)采用RCM法及SPSS統(tǒng)計(jì)軟件優(yōu)化試驗(yàn)方案，制作了不同水膠比、裂縫寬度和深度的預(yù)裂縫構(gòu)件和無縫構(gòu)件?；诼入x子擴(kuò)散系數(shù)和滲透深度，首先介紹了無裂縫試件水膠比對(duì)氯離子擴(kuò)散性能的影響，驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的合理性。氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著水膠比的增大而呈遞增態(tài)勢(shì)，隨齡期的增長(zhǎng)而明顯降低，28 d齡期后，擴(kuò)散系數(shù)依然有顯著的降低。

裂縫的存在為氯離子侵入提供了通道，加快了氯離子擴(kuò)散進(jìn)程，氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度呈正相關(guān)關(guān)系，且裂縫寬度范圍不同，增大的速率也不同。裂縫寬度由0.05 mm增至0.2 mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速增長(zhǎng)，裂縫寬度由0.2 mm增到0.5 mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增長(zhǎng)平穩(wěn)。

裂縫深度對(duì)氯離子滲透有顯著的影響，氯離子滲透區(qū)域形似圓潤(rùn)的“V”字形，且基本沿裂縫兩側(cè)對(duì)稱，隨著裂縫深度的增加，其滲透影響深度也越大，在裂縫底部區(qū)域逐漸變陡，超出裂縫范圍后氯離子含量迅速降低。