氯离子在开裂混凝土中的扩散特性研究

张菊辉， 刘颖慧， 时哲敏

(上海理工大学 环境与建筑学院， 上海 200093)

氯离子侵蚀是导致钢筋锈胀、混凝土结构开裂的主要原因[1].作为一种非均质材料，混凝土最大的缺点是抗拉强度低，在环境与荷载作用下很容易开裂.混凝土表面裂缝的存在，增大了其与外界氯离子接触面积，并且减小了其保护层有效厚度，从而加速了钢筋锈蚀[2].

国内外学者对氯离子在开裂混凝土中的渗透特性进行了大量试验研究[3-10]，认为可能存在一个临界裂缝宽度.当裂缝宽度小于该临界宽度时，对氯离子运输特性的影响很小，反之则会逐渐增大.但是，既有文献对临界裂缝宽度的取值并不统一.混凝土裂缝特征主要由裂缝宽度、裂缝深度等参数表征，当前针对裂缝对氯离子渗透特性影响的研究多集中于裂缝宽度这一单一因素，仅朱红光等[2]研究了裂缝深度对氯离子渗透特性的影响.总体而言，对裂缝宽度与裂缝深度的叠加影响研究较少.因此，本文基于混凝土结构荷载裂缝特征[11]，考虑裂缝宽度与裂缝深度的相关性，制作了人工裂缝，分析其对氯离子扩散深度的影响，并研究了裂缝特征的单因素变化对氯离子渗透特性的影响.

1 试验

1.1 原材料及试件设计

水泥选用海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，细骨料采用中砂，粗骨料选用5～15mm连续级配碎石.混凝土试件的水灰质量比为0.6，其配合比见表1.本文设计了A，B，C这3组试件，其尺寸为100mm×100mm×300mm.试件裂缝采用预置不同宽度与长度的金属片制作(见图1).A组试件考虑裂缝宽度Wcr与裂缝深度Dcr的相关性，基于文献[11]中的荷载裂缝特征进行确定；B，C组试件主要研究裂缝特征的单因素变化对氯离子扩散深度的影响，相关设计参数见表2.

表1 混凝土试件配合比

图1 试件尺寸及裂缝位置Fig.1 Crack profile of the specimen(size:mm)

GroupAWcr/mmDcr/mmGroupBWcr/mmDcr/mmGroupCWcr/mmDcr/mmA10.0125B10.20100C10.2050A20.03100B20.30100C20.2075A30.05208B30.40100C30.20100A40.08250B40.50100C40.20125A50.10251B50.60100C50.20150A60.15252A70.20253

1.2 试验方法

试件养护28d后取出，置于饱和Ca(OH)2溶液中浸泡7d，使其达到饱和状态.取出试件待表面自然干燥后，在其各非裂缝面涂抹环氧树脂密封，以便使氯离子在一维方向扩散.待3～4d环氧树脂硬化后，将试件置于5%(质量分数)的NaCl溶液中浸泡30d，然后取出试件，自然晾干1周.使用石材切割机对A组试件沿人工裂缝面垂直方向进行切割，切割时应避免试件与水接触，以防止氯离子流失.采用AgNO3显色法测试氯离子扩散深度，即将浓度为0.1mol/L的AgNO3溶液喷洒在裂缝切面周围，以确定氯离子的渗透分布.

通过钻孔取粉确定B，C组试件中的氯离子含量(wCl-).钻孔取粉位置如图2所示，分别沿裂缝深度方向及垂直裂缝面方向钻孔，每隔10mm取1次粉样，钻头直径为10mm.将钻取的粉样剔除石子，研磨至0.60mm方孔筛全部通过，然后用磁铁吸出粉样中的金属铁屑，置于烧杯中烘干，烘箱温度为(120±5) ℃，烘2h.烘干后，使用分析天平称取2g粉样置于干燥器中保存待测.采用RCT500氯离子含量测定仪测定粉样中的氯离子含量.

图2 试件钻孔取粉位置Fig.2 Extract powder location(size:mm)

2 裂缝对氯离子扩散的影响

2.1 裂缝对氯离子扩散深度的影响

图3为A组试件AgNO3显色测试结果.由图3可以看出，氯离子在混凝土中的扩散深度呈漏斗状分布，裂缝处的氯离子扩散深度明显大于周边区域.图4为A组试件中氯离子的扩散深度对比.图4表明，在无裂缝处，试件中氯离子的扩散深度基本稳定，介于8～ 11mm之间.随着裂缝宽度的增加，试件中的氯离子扩散深度逐渐增大，说明裂缝的存在对氯离子的扩散深度产生了显著影响，并且影响程度随裂缝宽度的增大而不断增加.将各个试件的裂缝深度与裂缝处氯离子扩散深度进行对比发现，除A1，A7试件中氯离子扩散深度与裂缝深度相同外，其余试件在裂缝处的氯离子扩散深度均小于裂缝深度.这表明在试件中，当裂缝宽度小于0.20mm时，氯离子在混凝土中的传输方式以扩散为主.另外，A2～A6试件的氯离子扩散深度远小于裂缝深度，说明氯离子在宽度为0.03～ 0.15mm的自然裂缝中传输时，其扩散深度主要取决于裂缝宽度的大小.实际上，A4～ A7试件的裂缝深度基本相同(250～253mm)，A3试件的裂缝深度略小(208mm).A3，A4，A5试件尽管裂缝宽度不同，但氯离子在裂缝处的扩散深度比较接近，而A6，A7试件在裂缝处的氯离子扩散深度大幅增加，说明A5试件的裂缝宽度0.10mm为临界裂缝宽度.当试件的裂缝宽度超过0.10mm时，裂缝的存在使氯离子的扩散深度显著增加.

图3 A组试件的AgNO3显色测试结果Fig.3 Test results of group A using AgNO3 colorimetric method

图4 A组试件中氯离子的扩散深度对比Fig.4 Comparison of chloride diffusion depth for group A

2.2 裂缝对氯离子含量分布的影响

2.2.1裂缝宽度的影响

图5为不同深度处B组试件的氯离子含量.表3为裂缝宽度为0.20mm时不同深度处试件B0(无裂缝)，B1的氯离子含量对比.由图5可以看出，裂缝的存在显著提高了试件中的氯离子含量.当裂缝宽度为0.20mm时，试件B1中的氯离子含量较未开裂试件对应深度下的氯离子含量分别提高了49%，100%，160%，232%.图6为深度20mm处B组试件沿垂直裂缝面(即水平方向)的氯离子含量分布.由图6可以看出，在试件裂缝处的氯离子含量明显高于周围混凝土中的氯离子含量，表明裂缝的存在能显著提升氯离子的传输性能.这是由于氯离子能以裂缝面作为新的暴露面而不断沿水平方向扩散所致.

图5 不同深度处B组试件的氯离子含量Fig.5 Chloride content vs. depth(group B)

表3 不同深度处试件B0，B1的氯离子含量对比

图6 水平方向B组试件的氯离子含量分布Fig.6 Chloride content along horizontal direction(group B)

2.2.2裂缝深度的影响

图7为不同深度处C组试件的氯离子含量.从图7可以看出，在不同深度处，相较无裂缝试件，具有裂缝的试件氯离子含量明显升高，但裂缝深度的变化对裂缝处氯离子扩散的影响规律并不明显.总体趋势是裂缝深度越小，不同深度处的氯离子含量越大.这可能是由于氯离子在向混凝土内部扩散的过程中，以裂缝面作为新的暴露面不断向裂缝深度方向及垂直于裂缝面方向扩散.而更大的裂缝面增加了这一新暴露面的长度，使氯离子的扩散范围增大，导致裂缝处氯离子的含量反而较裂缝深度小的试件低.垂直于裂缝面的氯离子含量分布测试结果(见图8)也验证了这一点.当裂缝深度为50mm时，试件两侧氯离子含量的衰减幅度较小，说明氯离子沿水平方向扩散的趋势明显.当裂缝深度大于50mm 时，试件中氯离子的扩散范围增大，导致向水平方向扩散的趋势减弱，氯离子含量反而降低.

图7 不同深度处C组试件的氯离子含量Fig.7 Chloride content vs. depths(group C)

图8 水平方向C组试件的氯离子含量分布Fig.8 Chloride content along horizontal direction(group C)

2.3 裂缝对氯离子扩散系数的影响

尽管氯离子从裂缝处渗入混凝土后会沿着裂缝水平方向传输，但其仍以深度方向的一维扩散为主.根据Fick第二定律，假设初始氯离子含量为0，则混凝土中氯离子一维扩散满足方程：

(1)

式中：w(x,t)为不同深度(x，mm)处的氯离子含量，%；ws为混凝土暴露表面的氯离子含量，%；D为氯离子扩散系数，m2/s；t为测试时间，s，本文中t为30d.

表4为B，C组试件的氯离子扩散系数.由表4可见，B组试件的裂缝宽度变化对混凝土中氯离子的扩散系数具有显著影响.当裂缝宽度为0.20～0.50mm时,氯离子扩散系数随着裂缝宽度的增加而增大，相较于无裂缝试件分别提高了264.5%，271.5%，508.3%，638.5%.当裂缝宽度增加至0.60mm 时，氯离子扩散系数逐渐接近自由溶液中的氯离子扩散系数[12].此外，B组B4，B5试件基于式(1)的拟合结果可靠度较差，这主要是因为裂缝宽度越大，同一深度处的氯离子含量越高，其沿裂缝向水平方向扩散的趋势越明显，导致拟合结果误差较大.由表4还可见，裂缝深度为50mm的试件C1，其氯离子扩散系数明显大于其他裂缝深度下试件的氯离子扩散系数.当裂缝深度大于50mm时，各试件的氯离子扩散系数较为接近，此时裂缝深度的变化对氯离子扩散系数影响较小.

表4 B，C组试件的氯离子扩散系数

分别对不同裂缝宽度(裂缝深度)下的氯离子扩散系数进行拟合，建立D与Wcr(Dcr)的关系为：

2.435×10-10,R2=0.988

(2)

2.230×10-10,R2=0.977

(3)

综上可见，在有裂缝的混凝土中，氯离子扩散系数与裂缝宽度(裂缝深度)呈指数函数关系.

3 结论

(1)当裂缝宽度超过0.10mm时，裂缝的存在使氯离子在混凝土中的扩散深度显著增大.

(2)在有裂缝的混凝土中，氯离子的扩散系数随着裂缝宽度的增加而增大，且氯离子扩散系数与裂缝宽度之间存在指数函数关系.

(3)在有裂缝的混凝土中，裂缝深度的变化对氯离子的扩散有一定影响.当裂缝深度较小时，氯离子沿水平方向扩散的趋势明显，当裂缝深度大于50mm 时，同一深度处的氯离子含量反而降低，从而使氯离子向水平方向扩散的趋势减弱.氯离子扩散系数与裂缝深度之间存在指数函数关系.

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