荷载作用下带裂缝砼梁氯离子渗透性能研究

时间：2024-08-31

李鹏飞，阮猛，王之强

(1.陕西建工集团有限公司，陕西西安 710003；2.西安市轨道交通集团建设分公司，陕西西安 710000；3.陕西建工机械施工集团有限公司，陕西西安 710048)

氯离子侵蚀是造成砼钢筋锈蚀的主要原因。钢筋锈蚀产物的体积比原有体积增大2～4倍，最终导致砼保护层剥落，结构承载力降低，严重损害结构耐久性。正常使用中砼结构常伴随着裂缝的存在，而且随着结构服役时间的增加，裂缝数量和宽度有所增加。裂缝的产生为氯离子向内部侵入提供了通道，使氯离子更易到达钢筋表面。了解砼结构在使用中产生的裂缝对氯离子向砼内部扩散的影响对于评估、改善砼结构的耐久性非常重要。

Djerbi A.等对带裂缝的不同类型砼进行氯离子稳态扩散试验，结果表明，裂缝宽度大于80 μm时，裂缝内氯离子扩散系数与溶液中扩散系数相等；Lim C.C.等研究单轴压缩条件下砼中氯离子的扩散行为，发现微裂缝面积对氯离子扩散系数存在影响；Marsavina L.等对存在预置裂缝的砼试件进行氯离子非稳态扩散试验，发现当裂缝深度增大时，氯离子扩散深度增大；万小梅等对砼试块施加不同压应力，发现氯离子扩散系数随着压应力的增加呈先下降后上升的趋势；何世钦等对(100×100×400)mm砼试块施加弯曲应力，发现拉应力能增强氯离子的扩散能力，但只有应力较高时效果才明显。这些研究大都使用不明显裂缝或人为预制裂缝试件，不能完全符合砼结构实际状况。针对荷载作用下不同裂缝宽度时砼构件的渗透试验更便于观察实际中氯离子渗透行为，为砼结构耐久性把控提供依据。该文进行荷载作用下带裂缝砼梁氯离子渗透性能研究。

1 试验方案

砼梁在实际使用中通常是荷载与裂缝共存的状态，除明显的表面裂缝外，砼中还存在许多不可见的微裂缝。为使试验中梁状态与使用状态更贴近，试验中利用逐级施加的荷载生产指定宽度的裂缝，并对梁在对应荷载持续作用下进行氯离子渗透试验，观察不同区域、不同深度的氯离子浓度。

1.1 试件设计

试验采用的钢筋砼梁尺寸为长1 100 mm、宽100 mm、高160 mm、净跨1 000 mm，内部钢筋布置见图1。只在梁受拉区布置纵筋，纵筋采用直径12 mm的HRB335钢筋；梁两侧350 mm范围内布置箍筋，箍筋使用直径8 mm的HRB225钢筋，间距为150 mm；砼使用C30砼。试验梁同批浇筑，防止砼差异对试验造成影响。

图1 试验梁钢筋布置示意图(单位：mm)

1.2 试件加载

GB 50010—2010中，适用除冰盐、海风、海岸环境中砼允许最大裂缝宽度为0.2 mm。SL 191—2008中，使用除冰盐、海水浪溅区、重度盐雾作用区环境中砼允许最大裂缝宽度为0.15 mm。而实际使用中，裂缝宽度往往不能很好地控制在这个范围。因此，选取0.3、0.5 mm 2 种宽度，并设置1个无裂缝的对照组，观察不同宽度下不同部位氯离子渗透深度的变化。

梁的加载方案见图2。采用反向加载，有助于之后进行氯离子渗透试验。将梁架在反力架上利用千斤顶逐级加载，开裂前每级荷载取2 kN，开裂后每级荷载取1 kN。每级加载后利用裂缝观测仪查看并标记表面裂缝发展状况。

图2 梁的加载示意图(单位：mm)

1.3 氯离子渗透试验

梁加载至指定裂缝宽度后，记录荷载，在梁受拉侧树立木模，以便氯离子溶液浸泡。浸泡区域包括纯弯区5 00 mm和两侧剪弯区各1 00 mm，共700 mm。采用蒸馏水和纯氯化钠配置质量分数为10%的氯化钠溶液，用免钉胶将木模与梁结合缝隙封堵后，先用蒸馏水浸泡3 d，再倒入氯化钠溶液中渗透30 d，每3 d观察一次荷载和氯化钠溶液浓度，保持荷载和浓度不变(见图3)。

图3 渗透试验示意图

1.4 氯离子浓度测量

渗透完毕，将梁卸载拆模，清理干净表面的免钉胶后进行钻孔取样。钻孔主要布置在裂缝上，无裂缝处纵向间距取50 mm，横向取2个孔，竖向每5 mm为一层，每层取样深度用游标卡尺严格控制。采用酒精擦拭钻孔以保证每次取样的准确性。分层取样后过80目细筛，将粉末收集在准备好的离心管中。钻孔至钢筋表面，共6层。

将所得样品粉末放入烘干机中烘干，在(100±5)℃高温下烘干24 h。取烘干后样品2 g(精确到0.001 g，重量记为G)，加50 mL(V1)蒸馏水摇晃配制成溶液，静置24 h至溶液澄清后备用。

采用瑞士万通848Titrino Plus自动电位滴定仪测量样品中自由氯离子含量。取澄清后样品试液过滤，使用移液管去滤液分别取 2 mL(V2)加入2个小烧杯中，各加入2滴酚酞溶液，使其呈微红色，用稀硫酸中和至无色后立即用AgNO3溶液进行滴定，记录消耗 AgNO3溶液的体积(V3)。样品中自由氯离子含量按下式计算：

(1)

式中：P为样品中自由氯离子浓度；CAgNO3为硝酸银溶液标准浓度(mol/L)；G为样品干重(g)；V1为浸样品用的蒸馏水体积(mL)；V2为每次滴定取的滤液体积(mL)；V3为每次滴定消耗的硝酸银溶液体积(mL)。

2 试验结果与分析

2.1 氯离子渗透深度变化

根据滴定结果，利用Origin模拟不同裂缝宽度梁的氯离子扩散深度，结果见图4～6。

由图4～6可知：1)无裂缝梁的氯离子浓度变化范围较小，氯离子向砼内部渗透的深度较小，对深度大于15 mm的砼梁内部没有明显影响。2)裂缝对氯离子向砼内部渗透有明显影响。裂缝宽度为0.3 mm时，氯离扩散深度比无裂缝梁有所增加，但增加不多，裂缝处的氯离子扩散深度较周边有所增加，且对周边未开裂区域有一定影响，其原因可能是氯离子发生横向渗透；最大裂缝宽度达到0.5 mm时，氯离子扩散深度明显增加，且裂缝中横向扩散现象更明显。

图4 无裂缝梁氯离子扩散深度

图5 主裂缝宽度为0.3 mm时氯离子扩散深度

图6 主裂缝宽度为0.5 mm时氯离子扩散深度

2.2 裂缝宽度对氯离子渗透深度的影响

如图7所示，对于无应力梁，自由氯离子浓度主要富集在表层10 mm左右，在深度12.5 mm处平均浓度几乎不受外界溶液的影响。而在主裂缝处，外界氯离子的影响显著增大，在深度12.5 mm处，裂缝宽度为0.3 mm时自由氯离子浓度比无裂缝时增加74.83%，裂缝宽度为0.5 mm时自由氯离子浓度增加108.03%。裂缝宽度越大，氯离子扩散深度越大。深度达到22.5 mm左右时，裂缝宽度为0.3 mm时自由氯离子浓度几乎与初始氯离子浓度相同，而裂缝宽度为0.5 mm时自由氯离子浓度仍旧提升29.80%。

图7 不同宽度裂缝下自由氯离子浓度

2.3 不同区域自由氯离子浓度分析

对于同一片梁，取同在正弯受力区域的点，除主裂缝处氯离子的扩散浓度显著加深外，周边无裂缝区域也会受到影响。如图8所示，同样是无裂缝区域，靠近裂缝区域的氯离子扩散深度比远离裂缝区域有所增加，无裂缝处氯离子扩散深度比无裂缝梁有所增加。其原因可能是梁底受拉应力的影响产生肉眼不可见的微观裂缝促进了氯离子扩散，而主裂缝的张开使浸泡溶液填充进入主裂缝内部，在裂缝内部发生横向扩散，使裂缝周围同深度的自由氯离子浓度增加，且主裂缝宽度越大，对裂缝周围自由氯离子浓度的影响越大。深度为12.5 mm、主裂缝宽度为0.3 mm时，靠近裂缝处的自由氯离子浓度比远离裂缝处的自由氯离子浓度增大12.21%；主裂缝宽度0.5mm时，同深度自由氯离子浓度增大32.18%。

不同主裂缝宽度梁远离裂缝区域的氯离子扩散深度对比见图9。由图9可知：氯离子扩散深度随着梁最大裂缝宽度的增加而增加，无裂缝处自由氯离子浓度增幅比主裂缝处明显减小。深度为12.5 mm时，主裂缝宽度为0.5 mm时自由氯离子浓度增加60.1%，主裂缝宽度为0.3 mm时自由氯离子浓度增加32.2%，而且对深处砼的影响很小。

图9 不同梁无裂缝处氯离子扩散深度

2.4 裂缝处氯离子渗透系数模拟

对于砼中氯离子扩散，通常使用Fick第二定律来计算。对不同梁上远离裂缝处测试结果采用MATLAB软件进行模拟，得到氯离子扩散系数(见表1)。各梁的拟合系数均在0.95以上，说明拟合结果较好。由表1可知：随着主裂缝宽度的加大，氯离子扩散系数增大。从无受力梁到主裂缝宽度0.3 mm，扩散系数增大2.16倍，说明受力后砼氯离子扩散显著增强；主裂缝宽度为0.5 mm时氯离子扩散系数增大1.41倍，说明受力状态下氯离子扩散系数会随拉应力的增大而增大。

表1 不同裂缝宽度下氯离子扩散系数

Fick第二定律是基于氯离子在砼中扩散为一维来分析的，在远离主裂缝的无裂缝区域可以适用，而在裂缝处，氯离子的扩散不仅包括纵向扩散，还包括横向扩散，不能完全适用Fick第二定律。叶梦琦等基于双重孔隙介质模型，以裂缝宽度为氯离子在砼试块中扩散的主要诱因，并设想通过完整砼的氯离子扩散系数和裂缝宽度的相关关系合理表达带裂缝砼的平均氯离子扩散系数，通过试验数据模拟得到关于裂缝宽度的氯离子扩散系数的修正公式：

f(w)=-10.474w3+5.224w2+8.343 9w+

0.986 2

(2)

式中：w为裂缝宽度。

Kwon S.J.等对码头砼进行现场测试，得到存在早期裂缝的砼中氯离子等效扩散系数与裂缝宽度的关系式：

f(w)=31.61w2+4.73w+1

(3)

使用式(2)、式(3)计算主裂缝处氯离子扩散系数，结果见表2。

表2 主裂缝处氯离子扩散系数拟合结果

由表2可知：使用叶梦琦等提出的裂缝宽度修正系数公式得到的系数具有更高的可靠性。但当裂缝宽度增大时，其可靠度有所下降，其原因可能是没有考虑外荷载对氯离子扩散的影响，需进一步进行试验研究。