应力状态下开裂混凝土中氯离子扩散研究

高飞

摘 要:试验研究了加载情况下,混凝土中的氯离子扩散,并基于对试验数据的处理分析了氯离子在混凝土承受应力状态下扩散规律。

关键词:氯离子耐久性混凝土扩散系数

中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0047-01

1 引言

未开裂的混凝土实质上是具有防水性的。然而,在超载、环境影响或其他原因下,会导致裂缝的出现。因此,混凝土中钢筋很容易锈蚀老化,而防水性也随着使用寿命的变短而逐渐消失。特殊状态下,裂缝可能会影响混凝土结构的完整性。但是,在大多数情况下,裂缝不会影响混凝土结构的承载能力,但海洋环境中的氯离子,可能会对钢筋混凝土结构的耐久性产生不利影响。研究发现,开裂混凝土锈蚀程度远远超过未开裂的混凝土。开裂混凝土中钢筋锈蚀起初是由于表面的裂缝,表面裂缝较大的混凝土中钢筋锈蚀速度远远超过裂缝较小的。开裂初期的混凝土中钢筋腐蚀的速度较为缓慢。这是因为钢筋腐蚀取决于氧气,虽然没有裂缝,在钢筋的阴级端,氧气将通过保护层渗透过去。因此,人们认识到裂缝宽度和保护层厚度并不影响最初钢筋混凝土的锈蚀。另外,对于一个给定的应力,其他变量不变,裂缝宽度随保护层厚度增加而增加。因此,在钢筋混凝土中钢筋腐蚀的初期可能会受到裂缝宽度和保护层厚度共同作用,与裂缝宽度是成正比的,与此同时,与保护层厚度是成反比的。从这个角度来看,它更恰当地考虑到裂缝宽度和保护层厚度一起所产生的影响。裂缝宽度与保护层厚度的比值似乎是评价开裂钢筋混凝土耐久性能最合适的参数。对于一个给定的水灰比,本文设Wcr/C=0.01,在张拉钢筋区域,唯一的变量是钢筋的参数和类型。利用钢筋混凝土棱柱中对受拉与受压区离子的扩散性进行比较。

2 试验过程与分析

钢筋混凝土试件的规格是90mm×100mm×650mm,试件浇注成型后置于温度23±2℃,相对湿度50±5%环境下养护。24小时后放入饱和石灰水中养护28天。每个钢筋混凝土试件用一个或两个直径为8mm的钢筋固定。两端钢筋超出的螺纹,用螺母拧紧将其固定。这种措施就是受弯构件的钢筋锚固。每个保护层为30mm的钢筋混凝土试件都有一个或两个螺栓。经过28天龄期,在未开裂的试件跨中三点加载。通常出现裂缝都是在试件的跨中。用12的螺栓将两个相互对中加载的棱柱拧在一起,且留有0.3mm裂缝宽度(典型的双棱柱原理,如图1)。

需要强调的是,在弯曲过程中,棱柱在张拉和压缩区域,构成了两个侧面垂直的形式,为的是使张拉区域和压缩区域的氯离子扩散不偏不倚的作出比较。对于无应力混凝土柱体,Mangat和Gurasmy发现了浇筑后氯离子扩散对棱柱底面与顶面有显著的差别。然而,据报道,棱柱的两个垂直面有类似的氯离子扩散过去,其中一个原因可能是墙体浇注时的影响,也许是在混凝土构件中引起了更强的粘结性或是在构件中浇注砂浆过程的影响。本文的试验中,将棱柱除拉压面以外其它所有面都涂上环氧树脂,将双棱柱浸泡在3%Nacl溶液300天,室温控制在23±2℃,相对湿度为50±5%。

每个位置都用20mm直径的回转冲击钻进行钻孔,以粉末样品为例,让其与距离裂缝100mm处的受拉区氯离子平均扩散为试验的样本相结合。同样,让其与距离跨中100mm受压区氯离子平均扩散为试验的样本相结合。

为了提取酸溶性氯离子含量,需要从粉末混凝土样本中获取。混凝土中氯离子在半无限介质中传输时,假设遵守Fick的第二定律,其解析解为:

(1)

表示氯离子集中区域,x表示表面积,Cs表示表面氯离子浓度,Da是氯离子扩散系数,t是曝光时间以及erf是误差函数。用最佳拟合曲线来确定Da值。

表1是基于试验数据分析得到的扩散系数标准值,可见氯离子扩散速度在受拉区要快于受压区,研究中发现受压区氯离子扩散是随着用钢量的减少而增加的。

相同的Wcr/C,当拉伸钢筋量增加一倍时,受弯混凝土结构张拉区和压缩区将产生较高的水平应力。在压缩区,应力随着氯离子扩散系数的降低而增加。通过比较受压区距离跨中100mm处的Da值,这种情况更加明显。随着跨中Da值逐步减小,最大应力期望值凸显。在2R8棱柱压缩区进一步显示出混凝土氯离子扩散系数受压应力的影响。混凝土试件单向受压时,Da会随之减小。可能的解释是受压区孔隙率的减小抵消了氯离子的扩散。由于氯离子路径比较曲折,从而孔隙率比较小,扩散比较慢。

在张拉区,相对较高的Da值与受压区的Da值相比,反映出受拉区域的粘贴界面的破坏加速了扩散。在30mm和100mm处的Da值并无显著性差异。选择这些位置是为了确保受拉区Da值不受裂缝中盐水的影响。因此,可以平等地比较受拉区和受压区的Da值,同时,增加受拉钢筋的数量似乎对受拉区的Da值没有多大影响。