開裂混凝土氯離子擴散性能研究

葉夢琦， 李 揚

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

裂縫是混凝土最常見的病害之一，正常使用狀態下混凝土使用過程中常常伴隨著裂縫。一般而言，當混凝土結構的最大裂縫寬度數值沒有超過最大裂縫寬度限值時，裂縫對混凝土結構耐久性的損傷比較可控。但是當構件所處環境存在氯鹽侵蝕，裂縫對結構的影響則是不容忽視的。就我國而言，我國東部地區沿海面積龐大，受海洋環境影響不可避免地會受到氯鹽侵蝕；我國西北地區湖泊含鹽量高，鹽湖效應也會導致類似海洋環境的影響。陸地環境同樣面臨著相同的問題，例如干旱寒冷地區冬季施撒除冰鹽清理道路冰雪等也是造成氯鹽侵蝕的主因之一。因此，氯鹽侵蝕環境下帶裂縫混凝土抗氯性能的探索具有可研性，近年來，許多學者對這一課題也深有探究。蔡健[1]等在研究氯鹽侵蝕下預應力混凝土梁的耐久性時通過力學損傷理論考慮彎曲荷載作用對氯離子擴散系數的影響。胡思聰[2]等在氯離子侵蝕規律和鋼筋銹蝕機理的基礎上研究了非一致氯鹽侵蝕對鋼筋混凝土材料受損程度的影響。Yuya Sakai[3]等采用水銀侵入孔隙度測定法測量了膠凝材料的各項孔隙結構指標并建立其與自由氯離子擴散之間的相關關系。Bjorn Van Belleghem[4]等主要研究氯離子在自愈合混凝土中垂直于裂縫的滲透傳輸。綜合現有研究，國內外學者普遍認為帶裂縫混凝土中裂縫能夠加速氯離子的遷移作用，但是在裂縫的開展程度與氯離子的擴散程度的對應量化關系方面，相關公開的資料較少；此外，裂縫往往對其周邊混凝土的氯離子擴散以及附近鋼筋的銹蝕產生顯著影響，不同開裂情況對應這種影響范圍研究資料尚不充分。據此，基于完整混凝土試塊現存的氯離子擴散計算模型，在考慮時間依賴性和裂縫寬度的前提下，建立帶裂縫混凝土的氯離子擴散模型，為裂縫寬度控制標準修訂以及混凝土耐久性壽命預測提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 試塊制作

采用媧石集團水泥廠的P.O 42.5級的普通硅酸鹽水泥，采自新洲合順砂廠細度模數為2.6的河沙，粗骨料為5～20 mm的碎石，摻料為Ⅱ級粉煤灰。混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比設計

試驗采用100 mm×100 mm×400 mm混凝土小塊。采用無損制備裂縫方法[5]在混凝土塊100 mm×400 mm的表面上預制初始裂縫。在新拌混凝土時預埋厚度為0～1.0 mm間呈0.25 mm等差數值依次遞增5種不同寬度的不銹鋼片，在混凝土凝結硬化前拔出不銹鋼片后養護28 d。在試驗過程中混凝土存在自愈合能力的影響以及人為因素造成的誤差都會影響裂縫寬度的實際值，因此采用裂縫測量儀對預制初始裂縫進行復測保證試驗結構的準確性。試塊初始預制裂縫寬度及其實測值見表2。

表2 初始預制裂縫寬度及其實測值

1.2 自然浸泡試驗

為保證試驗研究氯離子在混凝土表面的一維侵蝕，因此除暴露面外其它非侵蝕面涂抹環氧樹脂進行防腐處理。將試塊放入質量分數為3.5%濃度的NaCl溶液中進行自然浸泡試驗，浸泡時間為70 d，每間隔15 d更換一次溶液保證濃度一定。浸泡期結束后將試塊取出放置常溫下干燥48 h，隨后進行鉆孔取粉工作。對試塊沿裂縫截面及距離裂縫截面20 ～80 mm間呈20 mm等差數值依次遞增處采用小型沖擊鉆鉆孔取粉，其余試塊沿侵蝕面側面按5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、35 mm、50 mm的取粉深度依次鉆孔取粉。在烘箱中將粉末烘干2 h后用孔徑為0.63 mm的方孔篩過濾，將粉末收集并各自封袋保存后采用硝酸銀測量法測定自由氯離子濃度。

2 試驗結果分析

結合試驗數據，得到不同裂縫寬度、不同取粉深度的帶裂縫混凝土試塊裂縫周圍區域的氯離子濃度見圖1，分析試驗結果可得如下結論：

1)帶裂縫混凝土內氯離子濃度遠高于完整混凝土試塊，并且在裂縫截面處氯離子濃度到達最大值，自由氯離子濃度隨著與裂縫截面處間距的增大而減小。

(a)A1試塊混凝土裂縫周圍區域氯離子含量

(b)不同裂縫寬度混凝土裂縫周圍區域氯離子含量

(c)不同裂縫寬度混凝土裂縫處沿混凝土深度氯離子含量 圖1 裂縫寬度和深度對氯離子滲透的影響

2)隨著裂縫寬度的增加，與裂縫截面間距相同的地方氯離子濃度不斷遞增，在0.2～0.6 mm的裂縫寬度范圍內與裂縫截面處間距20～30 mm處混凝土試塊的氯離子濃度基本保持穩定，由此可得裂縫周圍區域氯離子擴散影響深度約為40～60 mm。同理在0.6～1.0 mm的裂縫寬度范圍內裂縫周圍區域氯離子擴散影響深度約為60～80 mm。

3)自由氯離子濃度隨著混凝土取粉深度的增加不斷減小，而且隨著裂縫寬度的增大，同一混凝土深度處的氯離子濃度不斷遞減。深度范圍小于20 mm時氯離子濃度減小程度小于深度范圍大于20 mm處，混凝土深度超過20 mm時氯離子濃度遞減程度明顯。可能原因是氯鹽侵蝕過程發生變化，最開始時因為裂縫的存在，氯離子通過裂縫能夠很順利的到達裂縫最底部，氯離子濃度變化程度相對較小；而在此之后，氯鹽侵蝕則轉變成以擴散為主，所以深度范圍大于20 mm后氯離子濃度變化程度相對明顯。

3 帶裂縫混凝土的氯離子擴散模型

文獻[6-8]給出完整混凝土氯離子擴散模型符合一維Fick第二擴散定律：

式中：C0為浸泡前氯離子初始濃度，Cs為混凝土表面氯離子濃度；x為氯離子擴散深度；D為浸泡時間為t且擴散深度為x處時的氯離子擴散系數；erf(·)為高斯誤差函數。

文獻[9-10]給出氯離子擴散系數對時間具有依賴性，考慮時間效應修正系數表達式為

C(x,t)=

式中：m為齡期指數；D0為在NaCl溶液中浸泡時間為t0后的氯離子擴散系數。

文獻[11-12]給出基于雙重孔隙介質模型，考慮裂縫寬度作為氯離子在混凝土試塊中擴散的主要誘因，并設想通過完整混凝土的氯離子擴散系數和裂縫寬度的相關關系合理表達帶裂縫混凝土的平均氯離子擴散系數，在此引入裂縫寬度和氯離子擴散系數之間的函數關系：

D(w)=f(w)·D0

將試驗數據進行擬合分析，得到不同裂縫寬度的平均氯離子擴散系數D(w)并計算劣化系數f(w)，結果見表3。由圖2可知，對劣化系數f(w)進行二次多項式和三次多項式的回歸分析，發現三次多項式擬合回歸模型更為理想，回歸結果如下：

f(w)=-10.474w3+5.224w2+8.3489w+0.9862

R2=0.9829

表3 不同裂縫寬度的帶裂縫混凝土平均氯離子擴散系數

圖 2 自然浸泡70 d后各函數模型擬合結果

因此，考慮時間依賴性和裂縫寬度的帶裂縫混凝土氯離子擴散模型修正為

4 結論

1)裂縫加速了氯離子在混凝土中的擴散作用；伴隨著裂縫寬度的增加，與裂縫截面間距相同的位置處氯離子濃度不斷遞增，在裂縫寬度為0.2～0.6 mm范圍內裂縫周圍影響區域約為40～60 mm；同理在裂縫寬度為0.6～1.0 mm范圍內裂縫周圍影響區域約為60～80 mm。

2)隨著裂縫寬度的增大，同一混凝土深度處的氯離子濃度不斷遞減；裂縫周圍區域氯離子濃度在20 mm深度后增長顯著并在35 mm深度后走向穩定。

3)裂縫寬度作為帶裂縫混凝土中氯離子擴散的主要誘因，對帶裂縫混凝土氯離子擴散系數影響顯著可由裂縫寬度的三次函數描述帶裂縫混凝土內氯離子傳輸規律。