多軸持續應力下混凝土結構的耐久性研究

許艷松

(河北雄交投工程咨詢有限公司 保定市 071700)

0 引言

混凝土材料的耐久性被認為是混凝土結構最重要的問題之一。外部載荷影響混凝土保護層中氯離子的傳輸進而改變了氯離子向鋼筋表面的傳輸速率和腐蝕開始時間[1]。因此，應充分考慮外荷載對混凝土中氯離子擴散的影響。大多數混凝土結構在使用過程中受到持續應力，氯離子傳輸特性與應力和時間的增加有關[2]。一些研究描述了氯化物在持續荷載下的擴散性能。王海龍等[3]認為，持續壓應力的增加并不總是阻礙氯離子的擴散。實驗結果表明，當持續壓應力大于0.3倍混凝土抗壓強度時，氯離子含量增加。然而，混凝土中氯離子的擴散也會受到雙軸持續應力的影響。危行財[4]研究了雙軸持續壓應力下外加劑混凝土的氯離子滲透性試驗，發現壓應力的增加并不總是抑制氯離子擴散。在上述研究中，還沒有充分研究不同水灰比(例如水/水泥)的混凝土的應力水平和氯離子濃度之間的關系。很少有研究關注不同水灰比混凝土在雙軸持續壓應力下的氯離子擴散特性。因此，有必要研究不同水灰比混凝土結構在雙軸持續壓應力下的氯離子擴散。鑒于前面的簡要論述，本研究旨在分析不同壓應力條件下氯離子在混凝土中的擴散規律。進行了一系列混凝土在單軸和雙軸持續壓應力下的氯離子滲透試驗，對比分析混凝土中氯離子濃度的變化規律。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

普通硅酸鹽水泥的強度是42.5MPa，符合GB 175—2007標準[5]。水泥的化學成分如表1所示。粗骨料最大粒徑為20mm，表觀密度為1550kg/m3。細骨料用天然河沙，細度模數為2.3～3.1。減水劑為聚羧酸醚類減水劑，混凝土配合比如表2所示。混凝土的實測抗壓強度為52MPa。

1.2 試驗方法及設備

1.2.1混凝土的侵蝕面處理

為了分析氯離子在持續壓應力下在混凝土中的一維擴散規律，除滲透面外，其余5個試件表面均涂有環氧樹脂。

1.2.2加載裝置的安裝

在侵蝕面上設置玻璃氯鹽槽，用來盛放3.5%NaCl溶液，安裝加載裝置前，對表面進行減磨處理并按照圖1、圖2的方式進行安裝。

圖1 雙軸持續應力裝置

圖2 單軸持續應力裝置

通過以往研究，雙軸試件的兩側施加的應力比值σx/σy=2∶1～4∶1時，混凝土的抗壓強度最大，密實程度最高[6]。為了便于研究氯離子的擴散規律，σx/σy取3∶1。

2 試驗設計

2.1 試件施加的應力和應力水平

將C45的試件分成單軸持續應力和雙軸持續應力兩類，其中A1、A2、A3、A4、A5表示單軸持續應力，B1、B2、B3、B4、B5表示雙軸持續應力。并且應力水平μ可用于描述持續應力引起的氯離子擴散分布[2]：

(1)

式中：fc為測得的混凝土抗壓強度；σc為施加的壓應力值，其中應力σcx和σcy分別對應于μ1和μ2。

具體數值和試件表示見表3。

將加載好的試驗裝置放入恒溫恒濕箱中，開展為期90d的試驗，氯鹽槽內的溶液每個星期更換一次，施加的壓力每隔三天測一次，以保證試驗的準確性。

2.2 混凝土中氯離子含量測試

待試驗結束，把混凝土侵蝕面表面清理干凈，并根據JTS/T 236—2019標準[6]進行混凝土試樣的取樣。鉆機垂直于混凝土滲透面。通過向內鉆孔收集粉末獲得六個測量點，距離滲透表面的距離為0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm和25～30mm。為避免誤差的影響，同一層鉆孔深度取三個數據。將粉末在100℃±5℃的烘箱中干燥2h，然后在干燥器中冷卻至室溫。之后，混凝土粉末樣品的氯離子含量也按照標準JTS/T 236—2019進行測量。

3 試驗結果分析

3.1 持續壓應力下氯離子濃度結果與分析

考慮到表面會存在侵蝕面粉末的干擾，一般取2.5mm處作為表面氯離子含量。如圖3(a)所示，C45A2相比于C45A1的同層氯離子含量下降了19.6%、26.6%、60%、11.1%、25%，C45A3相比于C45A2的同層氯離子含量下降了10.3%、14.6%、17.6%、12.5%、25%，C45A4相比于C45A3的同層氯離子含量增加了7.6%、8.9%、22.7%、15%、22%，C45A5相比于C45A4的同層氯離子含量增加了13.6%、25.5%、31.6%、35.3%、25%。同時看圖3(b)所示，C45B2相比于C45B1的同層氯離子含量下降了18%、28.6%、38.1%、31.5%、20.5%，C45B3相比于C45B2的同層氯離子含量下降了7.5%、18.3%、31.6%、25.4%、17.6%，C45B4相比于C45B3的同層氯離子含量增加了12.3%、25.3%、35.8%、27.5%、22%，C45B5相比于C45B4的同層氯離子含量增加了21.5%、28.9%、30.4%、35.3%、25%。

從圖3(a)和圖3(b)的對比分析可以看出，侵蝕深度在2.5mm處、7.5mm處的氯離子濃度變化明顯。2.5mm處，C45B1的氯離子含量相較于C45A1下降了8.5%，C45B2的氯離子含量相較于C45A2下降了7%，C45B3的氯離子含量相較于C45A3下降了4%，C45B4的氯離子含量相較于C45A4下降了2%，C45B5的氯離子含量相較于C45A5增加了11.1%。7.5mm處，C45B1的氯離子含量相較于C45A1下降了10.2%，C45B2的氯離子含量相較于C45A2下降了11.9%，C45B3的氯離子含量相較于C45A3下降了15.5%，C45B4的氯離子含量相較于C45A4增加了5.3%，C45B5的氯離子含量相較于C45A5增加了14.7%。

圖3 混凝土中氯離子濃度分布

綜上所述可以看出，氯離子在混凝土內的擴散是一個緩慢的過程，隨著深度的增加，氯離子的含量逐漸減小至0。同時我們可以看到，持續壓應力的增大會影響混凝土中氯離子的擴散。對于單軸持續壓應力而言，當持續壓應力小于0.4倍抗壓強度時，持續壓應力的增大會抑制氯離子在混凝土內的擴散。這是因為持續外荷載的作用會讓混凝土結構更加密實，隨著加載時間的延長，混凝土結構內的孔隙率進一步減少，顆粒級配得到改善[7]。然而，當持續應力大于0.4倍抗壓強度時，氯離子含量不受限制，并且隨著深度的增加，擴散能力并未減弱，這是因為混凝土結構并不是隨著持續外荷載的增加而變得更加密實，當施加的應力達到臨界值后，原本密實的結構會開裂，從而形成新的裂縫和裂紋，給氯離子的擴散提供通道。

對于雙軸持續壓應力而言，當x軸向持續壓應力小于等于0.3倍抗壓強度和y軸持續壓應力小于等于0.1倍抗壓強度時，抑制氯離子在混凝土內的擴散能力相較于同數值大小的x軸持續壓應力的單軸情況更加明顯，這是因為有了側向持續壓應力的作用，沿著側向混凝土結構的孔隙率減小，兩個方向的孔隙率減小有助于抑制氯離子的進一步擴散。然而，雙向持續壓應力的增大并不總是讓混凝土結構更加密實，可能會加速兩個方向的裂紋生成[8]，所以當x軸向持續壓應力大于等于0.4倍抗壓強度和y軸持續壓應力大于等于0.13倍抗壓強度時，氯離子在混凝土內的擴散不受限制。

3.2 同深度下氯離子濃度結果與分析

為了更好地分析雙軸持續壓應力與單軸持續壓應力對混凝土內氯離子含量的影響，取12.5mm和22.5mm處的氯離子含量進行分析，橫坐標用x軸的應力水平表示，并且將單軸持續壓應力用C45A系列表示，雙軸持續壓應力用C45B系列表示。從圖4中可以看出，12.5mm處，應力水平小于0.4時，C45A系列的氯離子含量下降明顯，同理，應力水平小于0.3時，C45B系列的氯離子含量下降明顯。不管是C45A系列還是C45B系列，當應力水平大于0.4時，氯離子含量急速增加。22.5mm處，應力水平小于0.4時，C45A系列氯離子含量減小平緩，若應力水平大于0.4時，氯離子含量增加明顯，同理C45B系列氯離子含量在x軸應力水平大于0.3時增加明顯。綜上所述，持續壓應力的增加對深層混凝土的氯離子影響較小，然而達到臨界值后，氯離子含量變化明顯。雙軸持續壓應力的作用對于各層混凝土氯離子含量影響都較為明顯。

圖4 單軸與雙軸持續應力下氯離子濃度的對比分析

4 結語

通過研究水灰比為0.5的混凝土在不同應力水平下的單軸和雙軸持續應力下混凝土的氯離子含量，得出結論：

(1)持續壓應力的作用并不總是抑制氯離子在混凝土內的擴散，對于單軸持續壓應力而言，應力水平小于等于0.4時，抑制氯離子的擴散較為明顯，而對于雙軸持續壓應力而言，x軸應力水平小于等于0.3，y軸應力水平小于等于0.1時，抑制氯離子的擴散較為明顯。

(2)側向持續壓應力的增加更能抑制氯離子的擴散，當x軸應力水平為0.3時，y軸應力水平為0.1的混凝土，較沒有y軸應力水平的混凝土氯離子的含量下降最多。

(3)在臨界應力內，單軸持續壓應力對深層混凝土影響較小，而雙軸持續壓應力影響較為明顯。