横向弯曲裂缝对混凝土内氯离子侵蚀作用的影响

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摘要：分析了横向开裂混凝土内氯离子的侵入机理及其主要影响因素，建立了基于双重孔隙介质模型的修正Fick定律氯离子扩散模型，并对持续加载下的开裂钢筋混凝土梁构件进行了氯盐干湿循环侵蚀试验。试验采用浓度为5%的NaCl溶液，在进行15个干湿循环后，借助快速氯离子含量检测RCT（Rapid Chloride Testing）法，对各裂缝处不同深度的氯离子含量进行了测定。试验结果表明：1）干湿循环侵蚀作用下，开裂混凝土表层0～20 mm范围内氯离子含量出现峰值，故可取表层对流区深度为15～20 mm左右；2）当表面裂缝宽度小于0.3 mm时，等效氯离子扩散系数平稳增大，模型的预测精度较高；当裂缝宽度大于0.3 mm后，等效氯离子扩散系数快速增大，氯离子侵入受对流作用的影响加大；3）受弯开裂混凝土等效氯离子扩散系数的劣化因子与裂缝宽度有直接关系，建议采用二次幂函数或分段函数来进行描述。

关键词：钢筋混凝土；受弯裂缝宽度；干湿循环；等效氯离子扩散系数

中图分类号：TU528.1文献标志码：A文章编号：16744764（2013）06012407

沿海混凝土结构在服役期间面临着各种耐久性问题，其中氯离子侵蚀造成的钢筋锈蚀及混凝土保护层开裂问题最为严重，不容忽视[12]。与此同时，服役中的混凝土结构，在使用荷载、环境等因素的共同作用下，通常都是带裂缝工作的；规范规定的裂缝宽度限值通常在0.1 mm（CEBFIP Model Code 1990）到0.4 mm（ACI Committee 222）之间[3]。因此，研究荷载作用下裂缝对氯离子在混凝土结构中输运产生的影响是很有必要的[45]。

关于裂缝对混凝土渗透性能的影响，一些学者对此进行了一定的试验研究。Djerbi等[6]、Ismail等[7]、Jang等[8]将圆柱体混凝土（或砂浆）试件横向加载产生劈裂裂缝后进行氯离子渗透/扩散性能试验研究，发现裂缝对混凝土内氯离子扩散性能的影响随着裂缝宽度的变化而变化，并给出了氯离子扩散系数与裂缝宽度之间的定量关系。金祖权等[9]、Kwon等[10]研究了早期收缩裂缝对混凝土氯离子的渗透性能的影响，得出裂缝处的氯离子含量以及对应的扩散系数随裂缝宽度增加而呈二次函数增大。Ishida等[11]提出了开裂混凝土氯离子扩散性能的计算模型，并采用有限元程序对模型的适用性（主要针对预制裂缝）进行了验证分析。以上研究主要针对的是一类贯穿裂缝（如劈裂裂缝、收缩裂缝、预制裂缝等），而对横向受弯裂缝（梁构件主要受力裂缝）的研究并不多。Gowripalan等[12]通过三点受弯加载试验使梁构件产生横向受弯裂缝，研究了受压区、受拉区以及裂缝位置处的氯离子扩散系数的差异，发现裂缝处的“等效氯离子扩散系数”最大，并建议用比值w/c（裂缝宽度/保护层厚度）作为评价开裂混凝土结构耐久性的重要参数。但是，文献[12]也同时指出，裂缝处的氯离子侵入过程及其相应的计算模型仍有待于进一步研究。

本文对持续加载开裂状态下钢筋混凝土梁构件进行了盐溶液干湿循环试验，研究了裂缝截面处的氯离子侵蚀分布规律，建立了考虑裂缝宽度影响的等效氯离子扩散系数的计算模型。

1.2开裂混凝土内氯离子侵入分析

开裂混凝土内的氯离子侵入方式与完好混凝土内的侵入方式有所不同，除去环境条件因素外，主要受到混凝土材料自身的影响，具体体现在以下3个方面：1）裂缝的存在破坏了混凝土的完整性，将为氯离子的侵入提供了一个理想通道，侵入方式由原来的以扩散为主转变成扩散、对流以及毛细作用等综合的输运模式，并受到裂缝开展参数（表面宽度、深度以及开裂路径等）的综合影响；2）裂缝的存在也加快了水分的渗入，可使周围混凝土的水化作用更加充分，其产物将填充一部分裂缝空间（裂缝自愈合效应），对氯离子的侵入有一定的阻碍作用[3]；3）构件开裂后，裂缝周围的混凝土将回缩，同时拉应力减小（靠近裂缝处的混凝土拉应力为零），可使该处混凝土的抗渗性能有所提高。

对于试验梁，由于裂缝间距较大（100～ 150 mm左右），可以忽略裂缝间氯离子侵蚀的相互影响。另外，在试验过程中，由于锚杆松弛、混凝土收缩等因素可能导致裂缝宽度和深度有所变化；因此，试验中我们通过监测锚杆应力以及定期检测构件表面裂缝宽度来实时监控裂缝开展参数的变化。从监测结果来看，锚杆应力有所降低，但主要裂缝的宽度和深度变化不大，这可能是试验周期相对较短（共210 d左右），远没有实际长期作用的影响明显，故在本文中没有考虑裂缝宽度和深度的变化对试验结果的影响。

4结论

1）对于受弯开裂的混凝土构件，氯离子在裂缝处的侵入过程可以采用修正的Fick第二定律来进行描述；试验结果表明，当表面裂缝宽度在0.1～03 mm内时，修正模型的预测结果十分理想。

2）在氯盐干湿交替侵蚀作用下，开裂混凝土的表层同样存在一个对流区；当表面裂缝宽度小于03 mm时，表面对流区深度可取为15 mm；当裂缝宽度大于0.3 mm后，对流区深度增大至20 mm，且氯离子侵入受对流作用的影响变大。

3）受弯开裂混凝土等效氯离子扩散系数的劣化因子可采用裂缝宽度的幂函数来进行描述（文中给出了二次幂函数式（8）和分段函数式（9）两种模型），并呈现出如下特点：当表面裂缝宽度在0.1～0.3 mm内时，等效氯离子扩散系数增长较平稳；当裂缝宽度大于0.3 mm，该值快速增大。

4）影响氯离子在混凝土内传输的因素较多，除了荷载和侵蚀条件外，还有混凝土配合比、养护条件、环境温湿度以及环境氯化物浓度等。此外，在长期荷载作用下，横向裂缝开展宽度与深度会不断发生变化，再加上裂缝自愈合效应的影响，实际氯离子的侵蚀作用是一个时变的复杂过程，相关内容有待于进一步的深入研究。

参考文献：

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