應力狀態下開裂混凝土中氯離子擴散研究

高飛

摘 要:試驗研究了加載情況下,混凝土中的氯離子擴散,并基于對試驗數據的處理分析了氯離子在混凝土承受應力狀態下擴散規律。

關鍵詞:氯離子耐久性混凝土擴散系數

中圖分類號:TU7 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0047-01

1 引言

未開裂的混凝土實質上是具有防水性的。然而,在超載、環境影響或其他原因下,會導致裂縫的出現。因此,混凝土中鋼筋很容易銹蝕老化,而防水性也隨著使用壽命的變短而逐漸消失。特殊狀態下,裂縫可能會影響混凝土結構的完整性。但是,在大多數情況下,裂縫不會影響混凝土結構的承載能力,但海洋環境中的氯離子,可能會對鋼筋混凝土結構的耐久性產生不利影響。研究發現,開裂混凝土銹蝕程度遠遠超過未開裂的混凝土。開裂混凝土中鋼筋銹蝕起初是由于表面的裂縫,表面裂縫較大的混凝土中鋼筋銹蝕速度遠遠超過裂縫較小的。開裂初期的混凝土中鋼筋腐蝕的速度較為緩慢。這是因為鋼筋腐蝕取決于氧氣,雖然沒有裂縫,在鋼筋的陰級端,氧氣將通過保護層滲透過去。因此,人們認識到裂縫寬度和保護層厚度并不影響最初鋼筋混凝土的銹蝕。另外,對于一個給定的應力,其他變量不變,裂縫寬度隨保護層厚度增加而增加。因此,在鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的初期可能會受到裂縫寬度和保護層厚度共同作用,與裂縫寬度是成正比的,與此同時,與保護層厚度是成反比的。從這個角度來看,它更恰當地考慮到裂縫寬度和保護層厚度一起所產生的影響。裂縫寬度與保護層厚度的比值似乎是評價開裂鋼筋混凝土耐久性能最合適的參數。對于一個給定的水灰比,本文設Wcr/C=0.01,在張拉鋼筋區域,唯一的變量是鋼筋的參數和類型。利用鋼筋混凝土棱柱中對受拉與受壓區離子的擴散性進行比較。

2 試驗過程與分析

鋼筋混凝土試件的規格是90mm×100mm×650mm,試件澆注成型后置于溫度23±2℃,相對濕度50±5%環境下養護。24小時后放入飽和石灰水中養護28天。每個鋼筋混凝土試件用一個或兩個直徑為8mm的鋼筋固定。兩端鋼筋超出的螺紋,用螺母擰緊將其固定。這種措施就是受彎構件的鋼筋錨固。每個保護層為30mm的鋼筋混凝土試件都有一個或兩個螺栓。經過28天齡期,在未開裂的試件跨中三點加載。通常出現裂縫都是在試件的跨中。用12的螺栓將兩個相互對中加載的棱柱擰在一起,且留有0.3mm裂縫寬度(典型的雙棱柱原理,如圖1)。

需要強調的是,在彎曲過程中,棱柱在張拉和壓縮區域,構成了兩個側面垂直的形式,為的是使張拉區域和壓縮區域的氯離子擴散不偏不倚的作出比較。對于無應力混凝土柱體,Mangat和Gurasmy發現了澆筑后氯離子擴散對棱柱底面與頂面有顯著的差別。然而,據報道,棱柱的兩個垂直面有類似的氯離子擴散過去,其中一個原因可能是墻體澆注時的影響,也許是在混凝土構件中引起了更強的粘結性或是在構件中澆注砂漿過程的影響。本文的試驗中,將棱柱除拉壓面以外其它所有面都涂上環氧樹脂,將雙棱柱浸泡在3%Nacl溶液300天,室溫控制在23±2℃,相對濕度為50±5%。

每個位置都用20mm直徑的回轉沖擊鉆進行鉆孔,以粉末樣品為例,讓其與距離裂縫100mm處的受拉區氯離子平均擴散為試驗的樣本相結合。同樣,讓其與距離跨中100mm受壓區氯離子平均擴散為試驗的樣本相結合。

為了提取酸溶性氯離子含量,需要從粉末混凝土樣本中獲取。混凝土中氯離子在半無限介質中傳輸時,假設遵守Fick的第二定律,其解析解為:

(1)

表示氯離子集中區域,x表示表面積,Cs表示表面氯離子濃度,Da是氯離子擴散系數,t是曝光時間以及erf是誤差函數。用最佳擬合曲線來確定Da值。

表1是基于試驗數據分析得到的擴散系數標準值,可見氯離子擴散速度在受拉區要快于受壓區,研究中發現受壓區氯離子擴散是隨著用鋼量的減少而增加的。

相同的Wcr/C,當拉伸鋼筋量增加一倍時,受彎混凝土結構張拉區和壓縮區將產生較高的水平應力。在壓縮區,應力隨著氯離子擴散系數的降低而增加。通過比較受壓區距離跨中100mm處的Da值,這種情況更加明顯。隨著跨中Da值逐步減小,最大應力期望值凸顯。在2R8棱柱壓縮區進一步顯示出混凝土氯離子擴散系數受壓應力的影響。混凝土試件單向受壓時,Da會隨之減小。可能的解釋是受壓區孔隙率的減小抵消了氯離子的擴散。由于氯離子路徑比較曲折,從而孔隙率比較小,擴散比較慢。

在張拉區,相對較高的Da值與受壓區的Da值相比,反映出受拉區域的粘貼界面的破壞加速了擴散。在30mm和100mm處的Da值并無顯著性差異。選擇這些位置是為了確保受拉區Da值不受裂縫中鹽水的影響。因此,可以平等地比較受拉區和受壓區的Da值,同時,增加受拉鋼筋的數量似乎對受拉區的Da值沒有多大影響。