荷載作用下帶裂縫砼梁氯離子滲透性能研究

李鵬飛，阮猛，王之強(qiáng)

(1.陜西建工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710003；2.西安市軌道交通集團(tuán)建設(shè)分公司，陜西 西安 710000；3.陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710048)

氯離子侵蝕是造成砼鋼筋銹蝕的主要原因。鋼筋銹蝕產(chǎn)物的體積比原有體積增大2～4倍，最終導(dǎo)致砼保護(hù)層剝落，結(jié)構(gòu)承載力降低，嚴(yán)重?fù)p害結(jié)構(gòu)耐久性。正常使用中砼結(jié)構(gòu)常伴隨著裂縫的存在，而且隨著結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的增加，裂縫數(shù)量和寬度有所增加。裂縫的產(chǎn)生為氯離子向內(nèi)部侵入提供了通道，使氯離子更易到達(dá)鋼筋表面。了解砼結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生的裂縫對(duì)氯離子向砼內(nèi)部擴(kuò)散的影響對(duì)于評(píng)估、改善砼結(jié)構(gòu)的耐久性非常重要。

Djerbi A.等對(duì)帶裂縫的不同類型砼進(jìn)行氯離子穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散試驗(yàn)，結(jié)果表明，裂縫寬度大于80 μm時(shí)，裂縫內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與溶液中擴(kuò)散系數(shù)相等；Lim C.C.等研究單軸壓縮條件下砼中氯離子的擴(kuò)散行為，發(fā)現(xiàn)微裂縫面積對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)存在影響；Marsavina L.等對(duì)存在預(yù)置裂縫的砼試件進(jìn)行氯離子非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂縫深度增大時(shí)，氯離子擴(kuò)散深度增大；萬小梅等對(duì)砼試塊施加不同壓應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著壓應(yīng)力的增加呈先下降后上升的趨勢；何世欽等對(duì)(100×100×400)mm砼試塊施加彎曲應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力能增強(qiáng)氯離子的擴(kuò)散能力，但只有應(yīng)力較高時(shí)效果才明顯。這些研究大都使用不明顯裂縫或人為預(yù)制裂縫試件，不能完全符合砼結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況。針對(duì)荷載作用下不同裂縫寬度時(shí)砼構(gòu)件的滲透試驗(yàn)更便于觀察實(shí)際中氯離子滲透行為，為砼結(jié)構(gòu)耐久性把控提供依據(jù)。該文進(jìn)行荷載作用下帶裂縫砼梁氯離子滲透性能研究。

1 試驗(yàn)方案

砼梁在實(shí)際使用中通常是荷載與裂縫共存的狀態(tài)，除明顯的表面裂縫外，砼中還存在許多不可見的微裂縫。為使試驗(yàn)中梁狀態(tài)與使用狀態(tài)更貼近，試驗(yàn)中利用逐級(jí)施加的荷載生產(chǎn)指定寬度的裂縫，并對(duì)梁在對(duì)應(yīng)荷載持續(xù)作用下進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn)，觀察不同區(qū)域、不同深度的氯離子濃度。

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的鋼筋砼梁尺寸為長1 100 mm、寬100 mm、高160 mm、凈跨1 000 mm，內(nèi)部鋼筋布置見圖1。只在梁受拉區(qū)布置縱筋，縱筋采用直徑12 mm的HRB335鋼筋；梁兩側(cè)350 mm范圍內(nèi)布置箍筋，箍筋使用直徑8 mm的HRB225鋼筋，間距為150 mm；砼使用C30砼。試驗(yàn)梁同批澆筑，防止砼差異對(duì)試驗(yàn)造成影響。

圖1 試驗(yàn)梁鋼筋布置示意圖(單位：mm)

1.2 試件加載

GB 50010—2010中，適用除冰鹽、海風(fēng)、海岸環(huán)境中砼允許最大裂縫寬度為0.2 mm。SL 191—2008中，使用除冰鹽、海水浪濺區(qū)、重度鹽霧作用區(qū)環(huán)境中砼允許最大裂縫寬度為0.15 mm。而實(shí)際使用中，裂縫寬度往往不能很好地控制在這個(gè)范圍。因此，選取0.3、0.5 mm 2 種寬度，并設(shè)置1個(gè)無裂縫的對(duì)照組，觀察不同寬度下不同部位氯離子滲透深度的變化。

梁的加載方案見圖2。采用反向加載，有助于之后進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn)。將梁架在反力架上利用千斤頂逐級(jí)加載，開裂前每級(jí)荷載取2 kN，開裂后每級(jí)荷載取1 kN。每級(jí)加載后利用裂縫觀測儀查看并標(biāo)記表面裂縫發(fā)展?fàn)顩r。

圖2 梁的加載示意圖(單位：mm)

1.3 氯離子滲透試驗(yàn)

梁加載至指定裂縫寬度后，記錄荷載，在梁受拉側(cè)樹立木模，以便氯離子溶液浸泡。浸泡區(qū)域包括純彎區(qū)5 00 mm和兩側(cè)剪彎區(qū)各1 00 mm，共700 mm。采用蒸餾水和純氯化鈉配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氯化鈉溶液，用免釘膠將木模與梁結(jié)合縫隙封堵后，先用蒸餾水浸泡3 d，再倒入氯化鈉溶液中滲透30 d，每3 d觀察一次荷載和氯化鈉溶液濃度，保持荷載和濃度不變(見圖3)。

圖3 滲透試驗(yàn)示意圖

1.4 氯離子濃度測量

滲透完畢，將梁卸載拆模，清理干凈表面的免釘膠后進(jìn)行鉆孔取樣。鉆孔主要布置在裂縫上，無裂縫處縱向間距取50 mm，橫向取2個(gè)孔，豎向每5 mm為一層，每層取樣深度用游標(biāo)卡尺嚴(yán)格控制。采用酒精擦拭鉆孔以保證每次取樣的準(zhǔn)確性。分層取樣后過80目細(xì)篩，將粉末收集在準(zhǔn)備好的離心管中。鉆孔至鋼筋表面，共6層。

將所得樣品粉末放入烘干機(jī)中烘干，在(100±5)℃高溫下烘干24 h。取烘干后樣品2 g(精確到0.001 g，重量記為G)，加50 mL(V1)蒸餾水搖晃配制成溶液，靜置24 h至溶液澄清后備用。

采用瑞士萬通848Titrino Plus自動(dòng)電位滴定儀測量樣品中自由氯離子含量。取澄清后樣品試液過濾，使用移液管去濾液分別取 2 mL(V2)加入2個(gè)小燒杯中，各加入2滴酚酞溶液，使其呈微紅色，用稀硫酸中和至無色后立即用AgNO3溶液進(jìn)行滴定，記錄消耗 AgNO3溶液的體積(V3)。樣品中自由氯離子含量按下式計(jì)算：

(1)

式中：P為樣品中自由氯離子濃度；CAgNO3為硝酸銀溶液標(biāo)準(zhǔn)濃度(mol/L)；G為樣品干重(g)；V1為浸樣品用的蒸餾水體積(mL)；V2為每次滴定取的濾液體積(mL)；V3為每次滴定消耗的硝酸銀溶液體積(mL)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氯離子滲透深度變化

根據(jù)滴定結(jié)果，利用Origin模擬不同裂縫寬度梁的氯離子擴(kuò)散深度，結(jié)果見圖4～6。

由圖4～6可知：1)無裂縫梁的氯離子濃度變化范圍較小，氯離子向砼內(nèi)部滲透的深度較小，對(duì)深度大于15 mm的砼梁內(nèi)部沒有明顯影響。2)裂縫對(duì)氯離子向砼內(nèi)部滲透有明顯影響。裂縫寬度為0.3 mm時(shí)，氯離擴(kuò)散深度比無裂縫梁有所增加，但增加不多，裂縫處的氯離子擴(kuò)散深度較周邊有所增加，且對(duì)周邊未開裂區(qū)域有一定影響，其原因可能是氯離子發(fā)生橫向滲透；最大裂縫寬度達(dá)到0.5 mm時(shí)，氯離子擴(kuò)散深度明顯增加，且裂縫中橫向擴(kuò)散現(xiàn)象更明顯。

圖4 無裂縫梁氯離子擴(kuò)散深度

圖5 主裂縫寬度為0.3 mm時(shí)氯離子擴(kuò)散深度

圖6 主裂縫寬度為0.5 mm時(shí)氯離子擴(kuò)散深度

2.2 裂縫寬度對(duì)氯離子滲透深度的影響

如圖7所示，對(duì)于無應(yīng)力梁，自由氯離子濃度主要富集在表層10 mm左右，在深度12.5 mm處平均濃度幾乎不受外界溶液的影響。而在主裂縫處，外界氯離子的影響顯著增大，在深度12.5 mm處，裂縫寬度為0.3 mm時(shí)自由氯離子濃度比無裂縫時(shí)增加74.83%，裂縫寬度為0.5 mm時(shí)自由氯離子濃度增加108.03%。裂縫寬度越大，氯離子擴(kuò)散深度越大。深度達(dá)到22.5 mm左右時(shí)，裂縫寬度為0.3 mm時(shí)自由氯離子濃度幾乎與初始氯離子濃度相同，而裂縫寬度為0.5 mm時(shí)自由氯離子濃度仍舊提升29.80%。

圖7 不同寬度裂縫下自由氯離子濃度

2.3 不同區(qū)域自由氯離子濃度分析

對(duì)于同一片梁，取同在正彎受力區(qū)域的點(diǎn)，除主裂縫處氯離子的擴(kuò)散濃度顯著加深外，周邊無裂縫區(qū)域也會(huì)受到影響。如圖8所示，同樣是無裂縫區(qū)域，靠近裂縫區(qū)域的氯離子擴(kuò)散深度比遠(yuǎn)離裂縫區(qū)域有所增加，無裂縫處氯離子擴(kuò)散深度比無裂縫梁有所增加。其原因可能是梁底受拉應(yīng)力的影響產(chǎn)生肉眼不可見的微觀裂縫促進(jìn)了氯離子擴(kuò)散，而主裂縫的張開使浸泡溶液填充進(jìn)入主裂縫內(nèi)部，在裂縫內(nèi)部發(fā)生橫向擴(kuò)散，使裂縫周圍同深度的自由氯離子濃度增加，且主裂縫寬度越大，對(duì)裂縫周圍自由氯離子濃度的影響越大。深度為12.5 mm、主裂縫寬度為0.3 mm時(shí)，靠近裂縫處的自由氯離子濃度比遠(yuǎn)離裂縫處的自由氯離子濃度增大12.21%；主裂縫寬度0.5mm時(shí)，同深度自由氯離子濃度增大32.18%。

不同主裂縫寬度梁遠(yuǎn)離裂縫區(qū)域的氯離子擴(kuò)散深度對(duì)比見圖9。由圖9可知：氯離子擴(kuò)散深度隨著梁最大裂縫寬度的增加而增加，無裂縫處自由氯離子濃度增幅比主裂縫處明顯減小。深度為12.5 mm時(shí)，主裂縫寬度為0.5 mm時(shí)自由氯離子濃度增加60.1%，主裂縫寬度為0.3 mm時(shí)自由氯離子濃度增加32.2%，而且對(duì)深處砼的影響很小。

圖9 不同梁無裂縫處氯離子擴(kuò)散深度

2.4 裂縫處氯離子滲透系數(shù)模擬

對(duì)于砼中氯離子擴(kuò)散，通常使用Fick第二定律來計(jì)算。對(duì)不同梁上遠(yuǎn)離裂縫處測試結(jié)果采用MATLAB軟件進(jìn)行模擬，得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)(見表1)。各梁的擬合系數(shù)均在0.95以上，說明擬合結(jié)果較好。由表1可知：隨著主裂縫寬度的加大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大。從無受力梁到主裂縫寬度0.3 mm，擴(kuò)散系數(shù)增大2.16倍，說明受力后砼氯離子擴(kuò)散顯著增強(qiáng)；主裂縫寬度為0.5 mm時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大1.41倍，說明受力狀態(tài)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨拉應(yīng)力的增大而增大。

表1 不同裂縫寬度下氯離子擴(kuò)散系數(shù)

Fick第二定律是基于氯離子在砼中擴(kuò)散為一維來分析的，在遠(yuǎn)離主裂縫的無裂縫區(qū)域可以適用，而在裂縫處，氯離子的擴(kuò)散不僅包括縱向擴(kuò)散，還包括橫向擴(kuò)散，不能完全適用Fick第二定律。葉夢琦等基于雙重孔隙介質(zhì)模型，以裂縫寬度為氯離子在砼試塊中擴(kuò)散的主要誘因，并設(shè)想通過完整砼的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和裂縫寬度的相關(guān)關(guān)系合理表達(dá)帶裂縫砼的平均氯離子擴(kuò)散系數(shù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬得到關(guān)于裂縫寬度的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的修正公式：

f(w)=-10.474w3+5.224w2+8.343 9w+

0.986 2

(2)

式中：w為裂縫寬度。

Kwon S.J.等對(duì)碼頭砼進(jìn)行現(xiàn)場測試，得到存在早期裂縫的砼中氯離子等效擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度的關(guān)系式：

f(w)=31.61w2+4.73w+1

(3)

使用式(2)、式(3)計(jì)算主裂縫處氯離子擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 主裂縫處氯離子擴(kuò)散系數(shù)擬合結(jié)果

由表2可知：使用葉夢琦等提出的裂縫寬度修正系數(shù)公式得到的系數(shù)具有更高的可靠性。但當(dāng)裂縫寬度增大時(shí)，其可靠度有所下降，其原因可能是沒有考慮外荷載對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 結(jié)論

通過對(duì)荷載耦合裂縫梁下氯離子自由擴(kuò)散試驗(yàn)，模擬實(shí)際使用中梁的氯離子滲透狀態(tài)，得到以下結(jié)論：

(1)隨著主裂縫寬度的增加，梁整體氯離子擴(kuò)散深度增加；主裂縫寬度達(dá)到0.5 mm時(shí)，裂縫處氯離子能穿過保護(hù)層影響到鋼筋表面。

(2)對(duì)比主裂縫附近及主裂縫遠(yuǎn)端無裂縫區(qū)域氯離子擴(kuò)散深度，發(fā)現(xiàn)裂縫對(duì)周邊區(qū)域自由氯離子濃度有明顯影響，且裂縫寬度越大，對(duì)周邊區(qū)域自由氯離子濃度的影響越大。

(3)隨著主裂縫寬度的增大，遠(yuǎn)離主裂縫的無裂縫區(qū)域氯離子滲透系數(shù)增大。主裂縫處由于氯離子滲透包括縱向和橫向2個(gè)方向，F(xiàn)ick第二定律已不再適用。采用葉夢琦等提出的裂縫寬度修正系數(shù)在裂縫寬度較小時(shí)較吻合，但在裂縫寬度較大時(shí)不再適用。