干濕循環(huán)與荷載耦合條件下氯離子侵入混凝土的試驗(yàn)研究

劉靜靜，陳在鐵，耿 犟

（1.沙洲職業(yè)工學(xué)院建筑工程系，江蘇 張家港 215600；2.常州大學(xué)土木工程系，江蘇 常州 213164）

海洋環(huán)境可根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的邊界條件具體劃分為海洋大氣區(qū)、潮汐區(qū)、浪濺區(qū)、全浸區(qū)等[1-2]，如圖1所示。潮汐區(qū)混凝土不僅受到干濕循環(huán)等的物理侵蝕，還受到海水中其他有害物質(zhì)（氯鹽、硫酸鹽）的化學(xué)侵蝕；飛濺區(qū)混凝土則暴露在更為嚴(yán)重的干濕循環(huán)條件下，碳化作用及環(huán)境中充分的氧氣，使其可能受到的損傷更加嚴(yán)重[3]。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)所處海洋環(huán)境[3-6]

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在海洋干濕環(huán)境中遇到了嚴(yán)重而普遍的腐蝕問(wèn)題，為了更好地了解并解決其耐久性問(wèn)題，人們對(duì)氯離子在混凝土中的傳輸特性開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究[7]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者[8-12]進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浪濺區(qū)和潮汐區(qū)，即干濕循環(huán)區(qū)，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響比其他海洋環(huán)境更為嚴(yán)重。Ju等[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)，探討了氯離子濃度沿鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)高的分布規(guī)律，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氯離子濃度、表面氯離子濃度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)在潮汐區(qū)某一高度處達(dá)到峰值，即鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和維護(hù)的關(guān)鍵位置，確定了對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最不利的干濕比，同時(shí)基于菲克第二定律建立了氯離子擴(kuò)散的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。但是，?shí)際鋼筋混凝土建筑、道路和橋梁均承受不同程度的靜力、動(dòng)力荷載，這些荷載會(huì)加速混凝土在惡劣環(huán)境下的退化[13]。其中對(duì)于受單調(diào)壓縮荷載作用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力是有益的，當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)一定水平時(shí)，會(huì)加速混凝土的劣化[3]。為了更真實(shí)地反映氯離子在混凝土中傳輸過(guò)程，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中破壞的關(guān)鍵位置，確定對(duì)其最不利的干濕比，必須對(duì)干濕循環(huán)與荷載共同作用下氯離子侵入過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)?zāi)z凝材料為42.5RⅡ型普通硅酸鹽水泥外摻20%粉煤灰及40%礦粉，細(xì)骨料和粗骨料采用連續(xù)集配的河砂和天然碎石，其表觀密度分別為2 600kg/m3和2 690kg/m3，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.44，粗骨料公稱直徑為5～25mm。本試驗(yàn)混凝土配合比按標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 混凝土配合比計(jì)算表

為了研究干濕循環(huán)與荷載耦合作用下混凝土中氯離子擴(kuò)散規(guī)律，本研究加載裝置實(shí)現(xiàn)了干濕循環(huán)過(guò)程中的持續(xù)加載。試驗(yàn)在典型干濕比1:1的基礎(chǔ)上[7]，研究3種干濕比（1:1、3:1、5:1），耦合4種壓應(yīng)力比

1.1 結(jié)構(gòu)標(biāo)高干濕循環(huán)條件模擬

由于實(shí)時(shí)漲潮和退潮期間，不同高度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的干濕比不相同，研究人員和工程人員通常采用不同干濕比的室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)來(lái)模擬復(fù)雜海洋環(huán)境實(shí)際實(shí)時(shí)潮汐循環(huán)情況[7]。假設(shè)潮汐過(guò)程線按照正弦曲線變化，漲潮或退潮的變化速度恒定，如圖2所示。漲潮和落潮的速度可以表示為[7,14]

其中，HHT為高潮水位（m）；HLT為低潮水位（m）；則H=HHT-HLT為海洋潮汐區(qū)高度（m）。

如圖2所示，結(jié)構(gòu)任意標(biāo)高Hi處的干燥和濕潤(rùn)時(shí)間可表示為tdi=2ti，twi=T-2ti。因此，從低潮水位到標(biāo)高Hi需要的時(shí)間ti為

圖2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)暴露在海洋環(huán)境和潮汐過(guò)程線[7]

最終，結(jié)構(gòu)任意標(biāo)高Hi處的干燥（tdi）和濕潤(rùn)時(shí)間（twi）可表示為[7,14]

因此，本試驗(yàn)所采用的3種干濕比1:1、3:1、5:1所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)于潮汐區(qū)的相對(duì)標(biāo)高分別為0.5、0.75和0.83。

1.2 干濕與荷載耦合試驗(yàn)

所有混凝土試件均用尺寸100mm×100mm×100mm鋼模具澆筑，在振搗臺(tái)上振搗均勻，放置24h后拆模，然后將所有試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28d。28d后將所有混凝土試件6個(gè)面中的5個(gè)面刷滿環(huán)氧樹(shù)脂，以保證試驗(yàn)過(guò)程中氯離子只從唯一的擴(kuò)散路徑進(jìn)入試件。準(zhǔn)備工作結(jié)束后，將試件裝到加載設(shè)備上，通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)加到設(shè)計(jì)荷載后，試件連同加載設(shè)備一同放入到濃度5%的NaCl溶液濃中。試件的干燥時(shí)間和濕潤(rùn)時(shí)間的試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 干濕循環(huán)與荷載耦合試驗(yàn)

1.3 粉末取樣及氯化物檢測(cè)

試件完成干濕循環(huán)耦合荷載實(shí)驗(yàn)后，取出沖洗干凈，晾置24h后分層鉆孔取樣，每層的厚度為5mm。得到的混凝土粉末先以0.63 mm的孔徑篩分，然后在105±5℃的干燥溫度下干燥至少2 h。然后，將干燥后的粉末樣品按照標(biāo)準(zhǔn)JTS/T236-2019測(cè)定水溶性氯離子濃度，即游離氯離子濃度，氯離子濃度均表示為混凝土質(zhì)量的百分率（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)下混凝土中氯離子侵蝕規(guī)律

2.1.1 混凝土中氯離子含量隨干濕比變化規(guī)律

圖3為侵蝕齡期分別為30d、60d、90d，不同干濕比下氯離子含量隨侵入深度變化的規(guī)律，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，氯離子含量隨侵入深度的增加而減少，隨侵入時(shí)間的增加而增加。對(duì)于不同的干濕制度，在濕潤(rùn)時(shí)間相同的情況下，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，即干濕比越大，毛細(xì)與對(duì)流現(xiàn)象越明顯，在相同的侵蝕時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)致更多的氯離子被帶入混凝土中。侵蝕齡期30d時(shí)，只有表層0～5mm深度處的氯離子含量有差異，而60d和90d后，5～10mm深度處的氯離子含量有了明顯的差異，而且隨著侵蝕齡期的增加，差異越來(lái)越大，如圖4所示。許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)混凝土淺層區(qū)域存在對(duì)流區(qū)，導(dǎo)致淺層氯離子濃度高于表層氯離子濃度，對(duì)流區(qū)的深度為5～15mm[15-16]，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是混凝土淺層對(duì)流區(qū)的影響。

圖3 不同干濕比下氯離子含量隨深度變化關(guān)系圖：（a）t=30d；（b）t=60d；（c）t=90d

圖4 不同齡期下氯離子含量隨干濕比變化圖

2.1.2 混凝土中氯離子含量隨結(jié)構(gòu)標(biāo)高變化規(guī)律

混凝土結(jié)構(gòu)不同標(biāo)高處干濕循環(huán)特性（干濕比）對(duì)氯離子分布及其侵入有顯著影響。從圖5中可以看出，氯離子含量試驗(yàn)結(jié)果的最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)相對(duì)標(biāo)高0.83處（對(duì)應(yīng)干濕比為5:1），這與之前的研究結(jié)果基本一致[14,17-18]。對(duì)處于干濕交替區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)，其干燥時(shí)間隨著結(jié)構(gòu)標(biāo)高的增加而增加，相應(yīng)的濕潤(rùn)時(shí)間則減少。干燥的混凝土材料會(huì)導(dǎo)致氯離子在隨后的潤(rùn)濕過(guò)程中更深入地滲透到混凝土中，因此，在一致的深度和暴露時(shí)間下，可以觀察到較大的氯含量。

圖5 混凝土中氯離子濃度沿結(jié)構(gòu)相對(duì)標(biāo)高變化圖

相關(guān)的研究表明，相對(duì)標(biāo)高0.5～0.7范圍內(nèi)（對(duì)應(yīng)干濕比1:1～7:3），氯離子濃度較高，是結(jié)構(gòu)最受威脅的區(qū)域，其中最不利干濕比為3:2，對(duì)應(yīng)相對(duì)標(biāo)高為0.6[7]。但本次試驗(yàn)結(jié)果最不利干濕比為5:1，對(duì)應(yīng)相對(duì)標(biāo)高為0.83，造成這一差別的原因可能是由于本試驗(yàn)較低的水膠比（W/B）以及礦物摻合料（20%粉煤灰+40%的礦渣）的摻入。較低的水膠比和礦物摻合料的加入將優(yōu)化混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，減少混凝土平均孔徑及孔隙間的連通性，從而增強(qiáng)混凝土抗氯離子侵蝕能力，使得氯離子侵蝕最不利位置發(fā)生一定上移。

2.2 干濕循環(huán)與荷載共同作用下氯離子侵蝕規(guī)律

從圖6中可以看出，干濕循環(huán)與荷載的耦合作用對(duì)混凝土中氯離子輸運(yùn)過(guò)程影響顯著。隨著壓應(yīng)力比和侵蝕齡期的增加，淺層混凝土中（5～10mm）氯離子含量不斷減少，并且侵蝕齡期越長(zhǎng)，氯離子含量隨壓應(yīng)力增大而持續(xù)減少。這與Wang等[3,19]的研究結(jié)果不同，本試驗(yàn)結(jié)果中混凝土中氯離子含量并未隨壓應(yīng)力比的增加出現(xiàn)先減少后增大的情況，也不存在臨界壓應(yīng)力比，即壓應(yīng)力比超過(guò)一定水平時(shí)導(dǎo)致氯離子含量增加。這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)較低的水膠比（W/B=0.33）以及礦物摻合料的摻入（20%粉煤灰+40%硅粉），混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)得到了極大的優(yōu)化，混凝土的孔隙度，平均孔徑及孔隙的連通性有明顯的減小，從而降低荷載對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷，如微裂縫、宏觀裂縫的出現(xiàn)和孔隙連通性的增加[3]。

圖6 氯離子含量隨壓應(yīng)力比變化關(guān)系圖（干濕比5:1）

干濕循環(huán)與持壓荷載的耦合作用可能會(huì)使氯離子侵蝕的最不利位置進(jìn)一步提高，出現(xiàn)在海洋環(huán)境飛濺區(qū)域內(nèi)。對(duì)于受壓縮荷載作用的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)部潛在的連接孔隙與微裂縫被壓實(shí)后提高了其抗侵蝕性能，因此需要更有利于氯離子侵入的海洋環(huán)境，即干濕比更大的區(qū)域，使得更多的氯離子侵入混凝土中。

3 結(jié)論

本研究采用不同干濕比及干濕比與壓應(yīng)力比耦合條件下混凝土試件氯離子侵蝕的實(shí)驗(yàn)研究，探討了氯離子濃度沿混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)高的分布規(guī)律。

（1）混凝土中氯離子含量隨著干濕比和侵蝕齡期的增加而增加。由于干濕循環(huán)對(duì)流機(jī)制，干濕循環(huán)對(duì)淺層混凝土中氯離子含量有顯著影響，干濕循環(huán)對(duì)流區(qū)在5～10mm范圍內(nèi)。

（2）確定了混凝土結(jié)構(gòu)中最不利的干濕比（5:1）及氯離子濃度峰值對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)標(biāo)高（0.83）。

（3）干濕循環(huán)與持壓荷載耦合條件下，氯離子含量隨著壓應(yīng)力比的增加不斷減少，表現(xiàn)為混凝土抗氯離子侵蝕能力不斷提高，從而可能使得氯離子侵蝕的最不利位置上移，出現(xiàn)在海洋環(huán)境中的飛濺區(qū)。