劈裂裂縫混凝土在海洋潮汐區(qū)的氯離子傳輸

金祖權(quán)，趙鐵軍，莊其昌，蔣金洋

（1.青島理工大學(xué) 土木學(xué)院，山東 青島 266033；2.江蘇省土木工程材料重點(diǎn)試驗(yàn)室，南京 211189）

海洋工程混凝土由于收縮開裂，受荷過大或腐蝕損傷，常常帶裂縫工作。為探討荷載裂縫對(duì)混凝土鋼筋銹蝕的影響關(guān)系，Gowripalan，Jaffer和Vidal等對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件施加彎曲荷載，以獲得0.1mm以上的裂紋，并研究了荷載裂紋對(duì)鋼筋銹蝕的影響規(guī)律[1－3]。Montes，Marsavina和 Poursaee采用薄片在素混凝土或構(gòu)件上預(yù)制了0.25mm以上的裂紋，耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明：氯離子滲透與裂縫深度密切相關(guān)，但寬度影響并不明顯；如果裂縫為順筋裂紋，則將大大加速鋼筋銹蝕，但縱筋裂紋的影響并不明顯[4－6]。為獲得裂縫寬度、粗糙度等對(duì)混凝土中水傳輸?shù)亩坑绊憽anematsu和張鵬利用中子照相進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)裂縫存在時(shí)，水分可以迅速遷移至裂紋尖端并向裂紋兩邊擴(kuò)散，其擴(kuò)散到裂縫尖端的時(shí)間甚至少于1min[7－8]。Wang和 Aldea通過裂縫混凝土的滲透試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于水滲透，混凝土臨界裂縫寬度為50～100μm[9－10]。

針對(duì)裂縫對(duì)混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊懀珼jerbi，金祖權(quán)等對(duì)不同尺度的劈裂裂縫、收縮裂縫混凝土進(jìn)行氯離子穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，并獲得氯離子傳輸?shù)呐R界裂縫寬度[11－12]。但Olga對(duì)80～680μm寬裂縫混凝土的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度和粗糙度無關(guān)[13]。而 Win對(duì)裂縫寬度大于0.1mm鋼筋混凝土的毛細(xì)吸鹽試驗(yàn)表明：氯離子將沿裂縫方向迅速滲透到混凝土內(nèi)部，并沿鋼筋方向和和垂直鋼筋方向向混凝土內(nèi)部滲透[14]。顯然，裂縫影響到混凝土中的水、離子傳輸和鋼筋銹蝕，并存在一個(gè)臨界裂縫寬度。但混凝土中氯離子傳輸臨界裂縫寬度因氯離子傳輸模式、混凝土類型不同而不相同。

考慮到海洋潮汐區(qū)混凝土中氯離子傳輸機(jī)制復(fù)雜，且鋼筋混凝土腐蝕最為嚴(yán)重。本文通過實(shí)海暴露試驗(yàn)，研究了不同尺度劈裂裂縫對(duì)混凝土中氯離子傳輸和鋼筋銹蝕的影響規(guī)律，以期獲得海洋潮汐區(qū)氯離子傳輸規(guī)律，以及裂縫影響規(guī)律，從而為海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度設(shè)計(jì)和防護(hù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及混凝土配合比

山水東岳P·O·42.5水泥（用于S1和S2）和P.I.52.5水泥（用于S3），粗骨料為青島磊鑫5～20mm的花崗巖碎石，連續(xù)級(jí)配，壓碎值小于12%。細(xì)骨料為青島大沽河砂場(chǎng)的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。江蘇博特聚羧酸高效減水劑，通過調(diào)整其摻量使得混凝土坍落度達(dá)到160～200mm。混凝土配合比及相應(yīng)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

成型Φ100mm×50mm的混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用日本津島實(shí)驗(yàn)廠生產(chǎn)的電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，將混凝土試件置入自制的固定設(shè)備以防止試件受壓時(shí)發(fā)生偏心移動(dòng)。利用位移傳感器控制裂縫寬度，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0.03mm、0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm和0.30mm左右時(shí)停止加載。卸載后再次讀出位移傳感器讀數(shù)，并利用裂縫寬度儀測(cè)試混凝土表面裂縫寬度。劈裂裂縫制備裝置如圖1（a）所示，帶裂縫混凝土試件如圖1（b）所示。對(duì)劈裂裂縫混凝土試件圓周進(jìn)行環(huán)氧樹脂封閉，然后置于青島小麥島海洋暴露站的海洋潮汐區(qū)暴露30d，沿裂縫處（裂縫兩邊5mm）和裂縫周邊（裂縫兩邊30mm）均勻取樣，混合后進(jìn)行氯離子濃度分析。

圖1 劈裂裂縫混凝土制備及氯離子深度測(cè)試方向

同時(shí)成型100mm×100mm×100mm的混凝土試件，其表面放置Φ10mm經(jīng)除銹處理的圓面鋼筋。用環(huán)氧樹脂將帶不同尺度裂縫的Φ100mm×50mm圓臺(tái)（S2系列）按照裂縫與鋼筋平行方式粘結(jié)于帶鋼筋的混凝土的試件上。混凝土組合體在海洋潮汐區(qū)暴露30d，采用硝酸銀噴涂測(cè)試裂縫面、垂直裂縫面各點(diǎn)的變色深度，取平均值視為氯離子滲透深度，如圖1（c）所示。裂縫混凝土沿交界面劈開，測(cè)試鋼筋表面的銹斑面積。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土劈裂裂縫尺度表述

混凝土在劈裂加載以及卸載后，通過位移傳感器讀出混凝土試件中間部位的變形，其結(jié)果如圖2所示。在混凝土卸載后采用裂縫寬度儀測(cè)試混凝土表面裂縫寬度，并將其與位移傳感器測(cè)試結(jié)果對(duì)照，其結(jié)果如圖3所示。

圖2 卸載后裂縫回復(fù)

由圖2可知，混凝土在卸載后，裂縫將發(fā)生明顯的回復(fù)。裂縫回復(fù)值隨裂縫寬度增加而增加，其最大回復(fù)值為0.034mm。由圖3可知：混凝土表面裂縫寬度明顯大于位移傳感器測(cè)試的裂縫寬度值，其最大差值在0.19mm左右。混凝土類型對(duì)上述結(jié)果影響不明顯。綜合裂縫回復(fù)及試件上下表面的影響，劈裂裂縫尺度以卸載后位移傳感器獲得的裂紋寬度值為準(zhǔn)。

圖3 表面裂紋與位移傳感器

2.2 裂縫混凝土氯離子濃度分布

將混凝土試件在海洋潮汐區(qū)腐蝕30d后，采用水溶法測(cè)試裂縫處及其周邊區(qū)域自由氯離子，其結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，除了S1系列非裂紋混凝土在表層存在對(duì)流區(qū)外，其它裂縫混凝土氯離子濃度均隨深度的增加而降低，大致在10mm深度之后趨于穩(wěn)定，其傳輸規(guī)律仍可用擴(kuò)散定律進(jìn)行描述。

圖4 潮汐區(qū)裂縫混凝土氯離子分布

求出裂縫混凝土穩(wěn)定段氯離子平均值，并與非裂縫混凝土穩(wěn)定段氯離子濃度相減，從而建立穩(wěn)定段氯離子濃度差與裂縫寬度的關(guān)系，其結(jié)果如圖5所示。顯然，混凝土裂縫區(qū)域穩(wěn)定段的氯離子濃度隨裂縫寬度增加而呈指數(shù)函數(shù)增加，其關(guān)系可表示為C＝a（1－bw），其中C為穩(wěn)定段氯離子濃度差，w為裂縫寬度。而裂縫周邊區(qū)域穩(wěn)定段氯離子濃度則隨裂縫寬度增加而線性增加，但與裂縫區(qū)域氯離子增加幅度相比，其增加幅度并不明顯。

圖5 混凝土穩(wěn)定段氯離子濃度差與裂縫寬度的關(guān)系

2.3 裂縫混凝土的氯離子傳輸

依據(jù)裂縫混凝土氯離子濃度分布，按照Fick第二定律計(jì)算出裂縫混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，其結(jié)果如表2所示。顯然，隨裂縫寬度增加，混凝土裂縫區(qū)和裂縫周邊區(qū)域的氯離子擴(kuò)散系數(shù)相應(yīng)增加。但相比于裂縫區(qū)域，裂縫周邊混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加幅度相對(duì)較小，也即是離裂縫面越遠(yuǎn)，裂縫對(duì)氯離子傳輸影響越小。

表2 裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)（10－12 m2／s）

2.4 裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)

混凝土劈裂裂縫為貫穿線性分布，其氯離子傳輸方向與裂紋方向一致，作者在前期研究中建立了裂紋混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂紋寬度的關(guān)系，如式1所示[15]。

其中：D、Dm、DC分別為裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，無裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和氯離子在裂縫中擴(kuò)散系數(shù)，LC、Lm分別為裂縫寬度和整個(gè)基體寬度。

作者在收縮裂紋對(duì)氯離子傳輸影響研究中發(fā)現(xiàn)，裂紋對(duì)氯離子具有一定的吸附作用，假設(shè)其線性結(jié)合能力為R。因而，裂縫中氯離子擴(kuò)散系數(shù)為：。其中，氯離子在25℃水中的擴(kuò)散系數(shù)D水＝1.25×10－5cm2／s。

因此，裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度的關(guān)系如式2所示。

依據(jù)式（2）計(jì)算出不同裂縫寬度混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)模擬

由圖6可知，采用式（2）可以較好的模擬裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度的關(guān)系。顯然，隨裂縫寬度增加，無論是裂縫周邊還是裂縫區(qū)域，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨之線性增加。此外，在裂縫區(qū)域內(nèi)，混凝土裂縫對(duì)氯離子結(jié)合影響明顯大于裂縫周邊區(qū)域，裂縫寬度對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響也更明顯。

依據(jù)式（2），我們可以看出裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與混凝土抗氯離子擴(kuò)散能力、裂縫密度（包括裂縫的基體寬度／裂縫寬度）、裂縫對(duì)氯離子結(jié)合性能密切相關(guān)。根據(jù)該式，建立S1系列裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫密度的關(guān)系，以及S1混凝土不同區(qū)域的氯離子擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。顯然，當(dāng)裂縫密度小于70時(shí)，裂縫混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)將線性增加。此外，距裂縫位置越近，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加越大；裂縫越寬，其對(duì)混凝土影響范圍越大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加速度也越快。

圖7 裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測(cè)

2.5 裂縫混凝土氯離子滲透深度及鋼筋銹蝕

采用硝酸銀噴涂測(cè)試裂縫混凝土裂縫面和垂直裂縫面的氯離子平均滲透深度如圖8（a）所示，測(cè)試不同劈裂裂縫混凝土鋼筋表面銹蝕率，其結(jié)果如圖8（b）所示。

由圖8（a）可知，經(jīng)過30d海洋潮汐區(qū)暴露試驗(yàn)，當(dāng)裂縫寬度大于0.05mm時(shí)，氯離子沿裂縫面已將混凝土全部滲透，并沿裂縫向混凝土內(nèi)部平均滲透了20mm左右。與未開裂混凝土相比，混凝土裂縫面氯離子滲透深度增加了1.5倍，且具有二維擴(kuò)散的特征，這與氯離子擴(kuò)散系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果相符。由圖8（b）可知，潮汐區(qū)裂縫混凝土中的鋼筋均發(fā)生了不同程度的銹蝕，當(dāng)裂縫寬度大于0.05mm時(shí)，鋼筋銹蝕率將發(fā)生快速增長(zhǎng)。此外，比較圖8（a）和圖8（b）可知，當(dāng)裂縫寬度小于等于0.05mm時(shí)，雖然氯離子滲透深度未達(dá)到鋼筋表面，但鋼筋依然發(fā)生了少量銹蝕，這表明鋼筋表面氯離子濃度已達(dá)到鋼筋銹蝕臨界濃度。因此，使用硝酸銀噴涂法不能測(cè)試臨界氯離子濃度，僅能測(cè)試大致的氯離子滲透深度。

圖8 裂縫對(duì)氯離子滲透及鋼筋銹蝕率的影響

3 結(jié) 論

1）混凝土劈裂裂縫制備過程中將發(fā)生裂縫回復(fù)現(xiàn)象，混凝土表面裂縫寬度大于位移傳感器測(cè)試的裂縫寬度值，建議以卸載后位移傳感器獲得的裂紋寬度值表征劈裂裂縫尺度。

2）海洋潮汐區(qū)裂縫混凝土氯離子傳輸仍可用擴(kuò)散定律進(jìn)行描述。但裂縫混凝土穩(wěn)定段氯離子濃度隨裂縫寬度增加而呈指數(shù)函數(shù)增加。裂縫周邊區(qū)域穩(wěn)定段氯離子濃度則隨裂縫寬度增加而線性增加，但與裂縫區(qū)域氯離子增加幅度相比，其增加幅度并不明顯。

3）裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨裂縫寬度增加而線性增加；并當(dāng)裂縫密度小于70時(shí)，裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)線性增加。距裂縫位置越近，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加越大；裂縫越寬，其對(duì)混凝土影響范圍越大。

4）劈裂裂縫寬度大于0.05mm時(shí)，經(jīng)過30d海洋潮汐區(qū)暴露，氯離子沿混凝土裂縫面滲透50mm，沿垂直裂縫面向內(nèi)平均滲透20mm左右，鋼筋表面銹蝕面積快速增加。

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