橫向荷載裂縫對海洋浪濺區混凝土耐久性劣化影響*

黎鵬平， 付文金， 熊建波， 王勝年

(1 水工構造物耐久性技術交通運輸部重點實驗室，廣州 510230；2 中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230)

0 引言

處于服役中的鋼筋混凝土結構受到的環境侵蝕主要包括：環境中的氯離子滲透至鋼筋表面且濃度達到臨界濃度后，引起鋼筋脫鈍并銹蝕，在水分充足且氧氣充分條件下鋼筋進一步銹蝕膨脹，導致鋼筋保護層開裂，最終引起結構的耐久性退化和承載力的降低[1-2]； 大氣中的CO2引起混凝土表面碳化，酸雨引起混凝土表面中性化等，這些都會導致鋼筋保護層中性化并引起鋼筋脫鈍； SO42-的侵蝕易引起混凝土中的水化硅酸鈣凝膠強度降低； 凍融循環易引起混凝土結構開裂等[3]。大量研究及實體構件檢測表明，海洋環境中氯離子引起的鋼筋銹蝕是導致結構耐久性退化和承載力降低的關鍵因素，降低氯離子在鋼筋混凝土內的滲透速率是提高鋼筋混凝土結構耐久性使用年限最直接也是最有效的有段之一[4-5]。

混凝土是典型的固、液、氣三相結構，所以從微觀層次而言內部有較多的孔隙或裂縫，混凝土內存在固有裂縫，但內部固有裂縫與外部荷載產生的橫向荷載裂縫對結構耐久性的影響顯然不一致。國內外在考慮鋼筋混凝土結構的承載力及使用壽命時都規定了一個允許裂縫寬度最大值，該值與服役環境、鋼筋保護層厚度、構件強度等級及構件的形式等參數相關聯，該值的范圍通常為0.15～0.3mm，如美國規范ACI 224.1R[6]規定海洋浪濺區和水位變動區的受拉混凝土構件表面最大裂縫寬度限值為0.15mm，需要防水構件的最大裂縫寬度限定為0.10mm，我國在耐久性設計相關標準中裂縫的控制指標也不盡相同，如《混凝土結構耐久性設計標準》(GB/T 50476—2019)[7]和《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》(JTG/T 3310—2019)[8]規定最大裂縫寬度不能超過0.20mm，而《水運工程混凝土質量控制標準》(JTS 202-2-2011)[9]將水位變動區和水下區的最大允許裂縫寬度值分別規定為0.25mm和0.30mm。

目前國內外關于橫向荷載裂縫對混凝土耐久性的影響缺乏系統的評價體系，以往研究人員采取的裂縫制作方式、裂縫寬度、評判混凝土滲透性的試驗方法以及侵蝕性介質都不相同，造成研究結果不具有對照性，部分試驗結論甚至相互矛盾[10-11]。本文在參考國內外標準中的裂縫寬度限值的情況下，模擬海洋環境開展了氯離子在不同橫向裂縫寬度浪濺區混凝土內的滲透試驗，以混凝土的氯離子濃度和氯離子擴散系數來評價混凝土的抗滲透性能，從耐久性角度為裂縫寬度的最大允許值提供參考。

1 試驗原材料和方法

1.1 試驗原材料

水泥選用P·Ⅱ42.5R早強型硅酸鹽水泥； 分別選用某電廠生產的Ⅱ級粉煤灰以及某鋼廠生產的S95礦渣粉作為復合礦物摻合料，粉煤灰和礦渣粉的表觀密度分別為2 170kg/m3和2 910kg/m3，各項性能指標均符合要求； 細骨料選用細度模數為2.8的Ⅱ區級配的西江砂，表觀密度2 650kg/m3； 粗骨料選用最大粒徑20mm的花崗巖級配碎石，表觀密度2 650kg/m3； 外加劑選用減水率高于25%的聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗方案

混凝土設計強度等級為C45，水膠比為0.35，基于港珠澳大橋和深中通道等大型工程項目的試驗和應用基礎，采用粉煤灰和礦粉復摻的方式，并用純水泥作對照試驗，考慮與工程施工的結合程度，控制混凝土的入模坍落度為140～180mm，混凝土配合比見表1[12]。通過調整外加劑中引氣劑組分來控制振搗后混凝土的含氣量為2.5%±0.2%，試件拆模后置于標準養護室內養護至28d齡期。

混凝土配合比及基本性能 表1

1.3 試驗方法

裂縫寬度取值分別為0.1，0.15，0.20，0.25mm。裂縫制作步驟如下：試驗采用尺寸為100mm×100mm×500mm的鋼筋混凝土梁，梁體內預埋兩根直徑為8mm的普通圓鋼以控制裂縫制作時試件不發生脆性斷裂，混凝土試件養護結束后采用四點加載的方式使混凝土試件預開裂，并利用裂縫寬度觀測儀同步監測裂縫寬度，裂縫寬度達到設定值時卸除預加載裝置。再采用試驗裝置對混凝土試件的裂縫寬度進行精確調整，待裂縫寬度調整到試驗設定值后對試驗裝置進行鎖定，并定期對外部荷載進行調整以控制裂縫寬度在試驗過程中保持穩定，試件裂縫加載過程及裂縫調整裝置見圖1[13]。

圖1 混凝土結構裂縫寬度控制

將預先制作不同裂縫寬度的試件置于干燥環境中，待試件表面干燥后再用無色透明的環氧樹脂對試件的兩個側面進行封閉，使氯離子只能從混凝土的暴露面垂直向里滲透。將預處理好的混凝土試件放置于海洋環境試驗箱的浪濺區。海洋環境試驗箱的溫度控制為(25±1)℃，浪濺區環境濕度為60%±5%，噴淋溶液中的氯離子濃度約1.50%±0.1%，定期對氯離子濃度進行監測。浪濺區每天設置6個循環，每次噴淋時間為15min，結束后自動烘干，保證每次噴淋前試件表面都處于干燥狀態。

浪濺區混凝土試件經過56d和90d暴露試驗后，卸載外部裂縫寬度調整裝置并將暴露面置于自動磨粉試驗機中，垂直于暴露面從表面沿裂縫深度方向取樣，每層取樣厚度不超過1mm，最大取樣深度為14mm，混凝土試件取樣示意圖和實物圖見圖2。

圖2 混凝土試件取樣示意圖和實物圖

混凝土試件中不同深度處獲取的粉樣預處理按照相關標準中的要求進行，粉樣中的氯離子濃度采用瑞士某公司的復合電極自動電位滴定儀測定，最后利用菲克第二擴散定律進行擬合獲得氯離子擴散系數的解析解[14]。

2 試驗結果及分析

2.1 表面橫向裂縫寬度對混凝土內不同深度的氯離子濃度影響

混凝土表面橫向裂縫寬度對暴露56d齡期混凝土試件不同深度的氯離子濃度分布影響見圖3。由圖3(a)可見，對于純水泥混凝土試件，混凝土內同一深度處的氯離子濃度隨裂縫寬度的增加而增大； 對于復合摻合料混凝土試件，盡管測試結果有一定的離散，但混凝土試件內同一深度處的氯離子濃度總體上隨裂縫寬度的增加而增大，當裂縫寬度增加至0.25mm時，混凝土試件內的氯離子濃度要明顯高于裂縫寬度為0.10mm試件在同樣深度處的氯離子濃度。比較圖3(a)，(b)可見，裂縫寬度相同時且混凝土深度超過4mm后，相比于純水泥混凝土試件，復合摻合料混凝土試件內相同深度處的氯離子濃度要較低，如裂縫寬度為0.25mm、混凝土深度12mm處純水泥混凝土試件的氯離子濃度達到0.1522%，但復合摻合料混凝土試件的氯離子濃度降低為0.088%。

圖3 裂縫寬度對暴露56d混凝土試件不同深度的氯離子濃度分布影響

混凝土表面橫向裂縫寬度對暴露90d齡期混凝土試件不同深度的氯離子濃度分布影響見圖4。由圖4可知，對于暴露90d齡期的混凝土試件，不論是純水泥混凝土試件還是復合摻合料混凝土試件，相同深度處的氯離子濃度總體上隨裂縫寬度增大而提高，當裂縫寬度增加至0.25mm時，混凝土試件內的氯離子濃度分布要明顯的高于裂縫寬度為0.10mm試件在同樣深度處的氯離子濃度。同時比較圖4(a)，(b)可知，在裂縫寬度相同且混凝土深度超過6mm后，相比于純水泥混凝土試件，復合摻合料混凝土試件的氯離子濃度要較低。

圖4 裂縫寬度對暴露90d混凝土試件不同深度的氯離子濃度分布影響

比較圖3和圖4可知，裂縫寬度相同時混凝土內同一深度處的氯離子濃度隨著試驗齡期的延長而提高，90d齡期試件的氯離子濃度要高于56d齡期的試件。

2.2 表面橫向裂縫寬度對混凝土氯離子擴散系數影響

混凝土表面橫向裂縫寬度對暴露56d和90d齡期時純水泥混凝土試件和復合摻合料混凝土試件氯離子擴散系數的影響見圖5。由圖5可知，對于相同的混凝土配合比，不論是純水泥混凝土試件還是復合摻合料混凝土試件，氯離子擴散系數均隨橫向裂縫寬度的增加而增大，裂縫寬度相同時，暴露齡期90d試件的氯離子擴散系數要低于暴露齡期56d的試件，原因為隨著暴露齡期延長混凝土內的復合摻合料會進一步水化，造成復合摻合料混凝土試件的密實度提高。當裂縫寬度由0.10mm增加至0.15mm時，試件的氯離子擴散系數變化并不明顯，但裂縫寬度進一步提高到0.25mm后氯離子擴散系數顯著提高，如56d齡期的純水泥混凝土試件，裂縫寬度由0.10mm增加至0.15mm時氯離子擴散系數增加約18%，但進一步增加裂縫寬度至0.25mm后，與裂縫寬度為0.10mm的試件相比擴散系數提高約3倍。比較圖5(a)，(b)可知，暴露齡期和裂縫寬度相同時，純水泥混凝土試件的氯離子擴散系數約為復合摻合料混凝土試件的2～3倍。

圖5 橫向裂縫寬度對混凝土試件氯離子擴散系數影響

由于復合摻合料的水化速度和水化程度要低于純水泥，隨著暴露齡期的延長，復合摻合料的水化也會接近穩定，所以采用暴露齡期為90d試件的氯離子擴散系數與裂縫寬度進行曲線擬合，擬合結果分別見圖5(a)，(b)中擴散系數與裂縫寬度的關系式，純水泥混凝土試件的氯離子擴散系數和復合摻合料混凝土試件的氯離子擴散系數均與裂縫寬度近似呈指數函數關系，與膠凝材料的體系無直接關系，膠凝材料體系僅影響指數函數中的固定值。

分析混凝土表面宏觀可見裂縫對氯離子侵蝕的影響可知：表面裂縫的存在加快了水分在混凝土內的滲透，可使裂縫周圍的膠凝材料水化更加充分，其產物將使裂縫部分愈合從而延緩各種離子滲透，但是表面裂縫也為溶液滲透及各種氯離子侵蝕提供了一個良好的通道； 此外混凝土試件出現橫向裂縫后靠近裂縫處的混凝土拉應力為零，而拉應力的降低可有效地提高混凝土的抗滲性[15-16]，所以混凝土橫向裂縫寬度對混凝土結構抗滲透性的影響是幾個因素相互影響的綜合體現。

3 結論

(1)混凝土試件同一深度處的氯離子濃度不僅隨裂縫寬度的增加而增大，還隨暴露齡期的延長而增加。裂縫寬度相同時且混凝土內部超過一定深度后，相比于純水泥混凝土試件，復合礦物摻合料混凝土試件的氯離子濃度要較低。

(2)混凝土試件的氯離子擴散系數隨裂縫寬度的增加而增大，混凝土裂縫寬度由0.10mm增加至0.15mm時，氯離子擴散系數的變化并不顯著，裂縫寬度進一步提高到0.25mm后，與裂縫為0.10mm的試件相比氯離子擴散系數提高約3倍。

(3)暴露齡期90d純水泥試件的氯離子擴散系數和復合摻合料試件的氯離子擴散系數均與裂縫寬度近似呈指數函數關系，膠凝材料組成體系僅影響函數的固定值。