氯氧鎂水泥鋼筋混凝土通電銹蝕的斷裂性能分析

陳克凡， 喬宏霞，2， 王鵬輝， 彭 寬， 朱翔琛

(1.蘭州理工大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省土木工程防災減災重點實驗室， 甘肅 蘭州 730050)

氯氧鎂水泥混凝土作為一種鎂質膠凝材料(MgO-MgCl2-H2O)，不經改性就具有很好的抗鹵鹽侵蝕性能，可以滿足西部嚴酷環境的需要.但是由于氯氧鎂水泥混凝土中氯離子含量較高，使得鋼筋銹蝕較快[1-3]，從而引起混凝土脹裂，降低鋼筋混凝土結構的使用壽命[4].混凝土結構的開裂會降低建筑物的安全性能，因此國內外學者針對鋼筋銹蝕的防護開展了許多工作[5-6].

分析氯氧鎂水泥混凝土中鋼筋銹蝕狀況，對開展氯氧鎂水泥鋼筋混凝土的耐久性研究非常重要.施惠生等[7]通過絲束電極模擬混凝土中鋼筋表面的不同位置，研究了混凝土中鋼筋銹蝕狀況，發現混凝土保護層越厚，則電極自然腐蝕電位越高，鋼筋實際銹蝕狀況也越輕.施錦杰等[8]采用電遷移氯離子法加速了混凝土中鋼筋的銹蝕過程，研究表明電遷移氯離子加速鋼筋銹蝕法與多種電化學方法的結合能在短時間內表征鋼筋的腐蝕熱力學與動力學(腐蝕速率)行為.徐港等[9]研究表明：在保護層銹脹開裂前，不同通電銹蝕方法的理論銹蝕率均遠高于試驗銹蝕率，且二者相關性不強；在相同條件下，全浸泡通電方式下鋼筋的銹蝕效率最高，其次是半浸泡通電方式，電遷移通電方式銹蝕效率最低.目前，國內外諸多學者采用通電加速的方法對普通混凝土中鋼筋銹蝕進行了大量研究[10-11]，但是，對于氯氧鎂水泥混凝土通電加速試驗下鋼筋的銹蝕狀況以及采用斷裂力學方法對混凝土臨界銹脹力估算的研究較少.

鑒于此，本文通過加速銹蝕試驗，選用帶有裂紋與不帶裂紋的氯氧鎂水泥鋼筋混凝土為研究對象，基于現有的理論模型，利用斷裂力學理論，通過計算裂紋尖端應力強度因子，計算出具有初始微裂紋的氯氧鎂水泥鋼筋混凝土開裂時的臨界銹脹力.

1 原材料與試驗

試驗原材料為：電廠Ⅰ級粉煤灰；甘肅省某化工廠提供的氯化鎂和氧化鎂；最大粒徑為35mm的碎石以及級配良好的中砂；聚羧酸系高效減水劑；耐水劑為磷酸；直徑10mm的HRB335鋼筋；水為自來水.

按照表1配合比制備尺寸為100mm× 100mm× 100mm的2組氯氧鎂水泥鋼筋混凝土試件，Ⅰ組為不帶微裂紋試件，Ⅱ組為帶有長度20mm預制微裂紋的試件.測得Ⅰ組抗壓強度為 43.17MPa.

表1 氯氧鎂水泥混凝土配合比Table 1 Mix proportion of magnesium oxychloride cement concrete kg/m3

采用文獻[12]的通電試驗方案，通電至其中1組試件出現裂紋擴展時(Ⅱ組于15d時出現裂紋擴展)停止試驗，利用科斯特電化學工作站測試2組試件中鋼筋的極化曲線，結果見圖1，圖中E為腐蝕電位，i為外測極化電流密度.繼續通電加速試驗，直至試件保護層發生開裂，停止試驗.最終，Ⅰ組試件在644h時停止試驗，Ⅱ組試件在449h時停止試驗.

圖1 氯氧鎂水泥鋼筋混凝土中鋼筋的極化曲線Fig.1 Polarization curves of reinforcing bars in magnesium oxychloride cement reinforced concrete

由圖1可知：2組試件在通電0d時鋼筋腐蝕電流密度icorr均小于0.1μA/cm2，鋼筋處于無銹蝕狀態；通電15d時鋼筋腐蝕電流密度均小于 0.5μA/cm2，鋼筋處于低腐蝕狀態，不過2組試件鋼筋腐蝕電流密度均接近0.5μA/cm2，即將進入中等腐蝕狀態[13]；在通電15d時，Ⅰ組試件鋼筋的腐蝕電流密度為0.4930μA/cm2，Ⅱ組試件鋼筋的腐蝕電流密度為0.4646μA/cm2，Ⅰ組試件比Ⅱ組試件銹蝕速率更快，產生的銹脹力更大，但是在15d時Ⅱ組試件出現裂紋擴展.這是由于Ⅱ組試件本身存在20mm的初始微裂紋，使得鋼筋發生銹蝕時銹蝕產物產生銹脹力，從而更易導致試件出現破壞；而Ⅰ組試件雖然鋼筋腐蝕速率較快，但其本身不帶微裂紋，使得鋼筋發生銹蝕時銹蝕產物的銹脹力難以導致試件出現破壞，試件的耐久性更好.

2 權函數法

權函數法可以解決給定幾何參數、應力邊界以及位移邊界的裂紋問題，目前已在實際工程中廣泛應用.根據權函數法的理論[14-17]，裂紋長度為a的線彈性結構，在裂紋面受任意分布荷載作用時，其裂紋尖端處的應力強度因子K經權函數加權積分可得：

(1)

式中：x為沿裂紋方向水平軸的坐標；σ(x)為參考應力；m(a,x)為權函數，與裂紋體的受力情況無關，其計算方法見式(2).

(2)

式中：E為彈性模量；Kr(a)為參考荷載下的應力強度因子；ur(a,x)為參考荷載下的裂縫張開位移.

3 方形板孔邊單裂紋的解析權函數

通電環境下鋼筋的銹蝕主要沿著鋼筋一側逐漸出現，直到鋼筋整個圓周均出現銹蝕，此時鋼筋與混凝土之間的黏結力基本消失.因此可將立方體鋼筋混凝土試件看作具有孔邊單裂紋的方形板(見圖2，圖中R為孔半徑，即鋼筋半徑；B為1/2板邊長；w為孔邊至板邊的水平距離)，確定該方形板的權函數，對于研究在均勻分布載荷作用下裂紋尖端的應力強度因子具有重要意義.

圖2 具有孔邊單裂紋的方形板Fig.2 Square plate with single crack at hole edge

圖3給出了不同載荷下的方形板孔邊單裂紋的受力狀態.根據文獻[17]，圖3(a)中裂紋尖端的應力強度因子為：

(3)

Fη(s)=(1-η)F0(s)+ηF1.0(s)

(4)

圖3 不同載荷下的方形板孔邊單裂紋的受力狀態Fig.3 Stress state of a single crack at the hole edge of a square plate under different loads

當η=0時，方形板承受豎向拉應力，此時：

(5)

(6)

當η=1.0時，方形板承受水平、豎向相等的拉應力，此時：

(7)

σ(x)=σ(1+q2), 0≤x≤a

(8)

采用Glinka-Shen權函數法對方形板孔邊單裂紋進行研究，其權函數可表示為：

(9)

式中：M1、M2、M3為待定參數.

根據文獻[18]，選用2種參考荷載下應力強度因子以及邊緣裂紋面位移在裂紋嘴處的二階導數來求解這3個待定參數.

當方形板孔邊單裂紋受均勻壓力時(見圖3(b))，其受力為：

σB(x)=ηP+Pq2

(10)

式中：σB為裂紋面應力；P為銹脹力.

將式(9)、(10)代入式(1)可得鋼筋混凝土通電加速銹蝕下裂紋尖端應力強度因子KB的計算公式：

(11)

4 計算結果及分析

P=1kN時裂紋尖端的應力強度因子(KB)與裂紋長度(a)、鋼筋直徑(2R)的關系如圖4、5所示.

圖4 P=1kN時裂紋尖端應力強度因子與裂紋長度的關系Fig.4 Relationship between the stress intensity factorat crack tip and crack length(P=1kN)

圖5 P=1kN時裂紋尖端應力強度因子與鋼筋直徑的關系Fig.5 Relationship between the stress intensity factor at crack tip and reinforcing bar diameter(P=1kN)

根據斷裂準則，當KB達到混凝土斷裂韌度K1C時，混凝土發生斷裂，此時產生的銹脹力即為臨界銹脹力Pc.混凝土斷裂韌度與混凝土抗壓強度fc之間的換算關系[19]為：

(12)

令KB=K1C，將式(12)代入式(11)，可以計算出氯氧鎂水泥鋼筋混凝土脹裂時的臨界銹脹力Pc，Pc與裂紋長度的關系見圖6.

圖6 臨界銹脹力與裂紋長度的關系Fig.6 Relationship between critical rustexpansion force and crack length

由圖6可知：隨著裂紋長度的增加，臨界銹脹力Pc逐漸減小，在a/w處于0～0.1之間時Pc下降最快，在a/w處于0.1～0.2之間時Pc下降較快，在a/w處于0.5～1.0之間時Pc趨于平穩；隨著η的增加，Pc逐漸降低，并在η=1.0時達到最小值；當η為0、0.5、1.0時，Pc均在裂紋長度為0mm(即不含裂紋)時達到最大值，分別為25.97、17.20、12.86kN；隨著裂紋的擴展，混凝土發生開裂所需臨界銹脹力越來越小，導致混凝土破壞速率加快，而裂紋的產生使得臨界銹脹力減小，加速了混凝土的開裂，導致混凝土耐久性的下降.

5 結論

(1)利用Glinka-Shen權函數法推導出方形板孔邊單裂紋尖端處的應力強度因子計算公式.隨著裂紋長度的增加，裂紋尖端應力強度因子增大；隨著鋼筋直徑的增大，裂紋尖端應力強度因子減小.

(2)根據斷裂準則建立了鋼筋臨界銹脹力與裂紋長度之間的關系，隨著裂紋長度的增加，臨界銹脹力減小.

(3)本文所提的方法對氯氧鎂水泥鋼筋混凝土開裂時臨界銹脹力的計算合理可行，驗證了混凝土在不含裂紋下工作更有利于提高鋼筋混凝土耐久性.