荷载裂缝和养护龄期对混凝土内氯离子传输影响研究

张灵灵，陆春华，徐 可，宣广宇，倪铭志

(江苏大学土木工程与力学学院，镇江 212013)

0 引 言

对混凝土结构而言，荷载裂缝是一种常见的结构裂缝，在其服役过程中不可避免[1-2]。在氯盐侵蚀环境下，裂缝为氯离子在混凝土内的传输提供了便捷通道，致使混凝土结构劣化加快、使用寿命大大降低[3-4]。因此，研究和有效评价开裂混凝土结构中氯离子的传输过程，正确预测氯盐侵蚀环境下混凝土结构的耐久性和使用寿命具有重要的现实意义。

在分析开裂混凝土结构中氯离子传输过程的主要影响因素时，通常将裂缝特征(包括宽度、深度、曲折度等[4])视为重要的评价参数。穆松和刘建忠[5]总结了开裂混凝土试件的裂缝诱导主要方法，包括机械力学破损法和非机械力学无损法。目前，开裂混凝土的试验研究倾向于采用机械力学破损法产生荷载裂缝，即对混凝土构件施加不同的荷载使其内部产生应力损伤或开裂[6]，这种方法虽无法精确控制裂缝的形成和扩展，但其诱导出的裂缝在曲折度、粗糙度、裂缝分布等特征与混凝土结构自然开裂相似[7]。机械力学破损法产生自然裂缝的方式主要有劈裂裂缝诱导法和三点或四点弯曲裂缝诱导法[5]。Park等[8]采用劈裂法得到开裂混凝土试件，通过非稳态氯离子迁移系数法研究了裂缝宽度和养护龄期参数(7 d、14 d、28 d)对氯离子传输的影响，得到氯离子扩散系数随裂缝宽度的增大而增大的结果；当裂缝宽度大于0.2 mm时，扩散系数增长较快；并探讨了养护龄期对开裂混凝土试件氯离子扩散系数的影响。付传清等[9]在混凝土小梁试件中预埋控制螺杆，通过两点弯曲的方式在梁的跨中位置诱导出自然裂缝，通过NaCl溶液浸泡和AgNO3溶液显色，发现开裂混凝土试件的裂缝宽度大于0.05 mm时，裂缝对氯离子的传输过程也存在影响。本课题组[4,10]对受弯开裂混凝土构件的氯离子侵蚀特性已开展了一定的研究，也得到了一些有价值的结论。但相关研究采用的是NaCl溶液干湿循环试验，存在试验周期较长、变化因素多、无法考虑裂缝自愈的影响等不足。

此外，在混凝土氯离子侵蚀性能的评价方法方面，《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)推荐使用非稳态迁移法(RCM法)作为测定氯离子渗透试验的标准方法。国内外不少学者[11-14]对此方法能否同样适用于评价存在一定裂缝宽度(尤其是贯通性裂缝)的混凝土提出了疑问，相关问题需要进一步分析与验证。

鉴于此，本文在上述研究的基础上，采用RCM法对开裂混凝土的氯离子传输行为进行实时分析，旨在探究不同荷载裂缝产生方式和养护龄期对开裂混凝土中氯离子传输过程的影响，相关研究结果可为开裂混凝土结构的抗氯离子侵蚀性能分析提供一定参考。

1 实 验

1.1 材 料

混凝土设计强度等级为C30，其配合比设计见表1。其中，水泥采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，粗骨料采用粒径5～31.5 mm的碎石，细骨料采用细度模数为2.7的中砂。经测定，经28 d标准养护的150 mm立方体试块的抗压强度为34.4 MPa。

表1 混凝土配合比Table 1 Mixing ratio of concrete

1.2 试验方法

为了能够真实反映结构裂缝的特性，采用如下两种机械力学破损法制备开裂混凝土试件。

(1)弯曲开裂法：先将钢筋混凝土梁(室内浇水养护，龄期为28 d)两两自锚加载至正常开裂状态(见图1(a)，最大裂缝宽度在0.3 mm左右，裂缝高度超过2/3梁高)，随后在受拉底部裂缝位置处钻孔直径为100 mm的混凝土取芯(见图1(b))，最后按照标准RCM试件进行切割、成型。经测定，取芯前后的表面裂缝宽度范围如表2所示。

(2)预压开裂法：按标准RCM试件尺寸要求浇筑混凝土圆柱体试件，室内浇水养护一定龄期(28 d和56 d)后进行劈裂试验，加载速度0.5～0.8 MPa/s，通过开裂位移装置LVDT(Linear Variable Differential Transformer)监测裂缝宽度的变化[15]，见图2。圆柱体试件的裂缝宽度区间见表3。

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中给出的抗氯离子渗透试验方法，对两类混凝土试件进行RCM试验。经配制，阴极电解液为质量浓度10%的NaCl溶液，阳极电解液为物质的量浓度0.3 mol/L的NaOH溶液。试验时，NaCl溶液和NaOH溶液在试验槽中的液面保持齐平，以测得氯离子在混凝土中非稳态迁移系数。试验结束后将混凝土试件沿垂直于裂缝方向劈成两个半圆柱体，随即在断面处喷涂0.1 mol/L的AgNO3溶液显色指示剂，利用AgNO3溶液的比色反应就可以测量出氯离子浸入试件的深度；约15 min后测量显色分界线离试件底面的距离，即得到断面处的氯离子侵蚀深度。

图1 受弯开裂梁及其弯曲开裂试件Fig.1 Bending cracked beam and its cracked core

图2 圆柱体劈裂试验及其裂缝宽度监测Fig.2 Splitting test and monitoring crack width

TypeNumberCracks width/mmSelf-anchoredLoad-offCrack widthinterval/mmCuring age/dQX-130.158-0.228/0.160-0.223/0.181-0.2420.046-0.116/0.055-0.118/0.059-0.120①0.05-0.1228QX-230.224-0.298/0.250-0.306/0.274-0.3240.118-0.228/0.122-0.253/0.127-0.304②0.12-0.3028

表3 预压开裂法获得的预压开裂试件Table 3 Preloaded concrete specimens produced by pre-compression crack method

2 结果与讨论

2.1 不同裂缝参数的影响分析

选取养护龄期为28 d的两类开裂混凝土试件和完整无裂缝试件CK-0，其断面氯离子显色区域如图3、图4所示,其中，下部泛白色区域表示氯离子侵蚀区域。由于喷涂AgNO3溶液显色指示剂的缘故，不能看清裂缝的走向，但对比图3和图4可以清楚地看到断面中部(裂缝位置处)的显色区域明显增大。从图3中可以看出,(1)氯离子在裂缝位置及其周围一定范围内的渗透深度明显高于远离裂缝处的其他位置。由此可见，氯离子会沿着溶液暴露面、裂缝通道以及裂缝通道两侧向混凝土内进行传输，即混凝土内部的孔隙和裂缝均为氯离子的传输通道，其氯离子传输行为一般采用双重孔隙介质模型来进行分析[16]；(2)弯曲开裂试件QX-1、QX-2中氯离子渗透深度随裂缝宽度区间增大而增大，这与文献[17]给出的变化规律一致；而预压开裂试件YY-1、YY-2在裂缝两侧的渗透深度随裂缝宽度区间的增大而降低。但当裂缝宽度增大到区间②0.12～0.30 mm时，即YY-2试件，其远离裂缝处的渗透深度却降低明显，这可能是圆柱体试件上部的NaOH溶液通过较大的裂缝孔道渗透到圆柱体试件下部的NaCl溶液中，使得试件在RCM 试验的电迁移过程中内外氯离子浓度梯度差异减弱，导致氯离子的渗透深度降低。因此，对于裂缝区间②的预压开裂试件(YY-2)，RCM试验方法可能无法有效评价其传输过程。

图3 养护龄期28 d的两类开裂试件显色结果Fig.3 Chromogenic results of two types of cracked specimens with curing age of 28 d

图4 完好无裂缝的试件CK-0显色结果Fig.4 Chromogenic results of CK-0 specimenswithout cracks

图5 养护龄期28 d的两类开裂试件氯离子渗透深度Fig.5 Chloride penetration depth of two kinds of cracked specimens with curing age of 28 d

经测定，养护龄期为28 d的各混凝土试件所取断面处的氯离子渗透深度如图5所示(其中0点表示裂缝位置处)。由图5可以看出,(1)在相近的裂缝区间①时，预压开裂试件YY-1的氯离子渗透深度大于弯曲开裂试件QX-1的深度；(2)随着裂缝宽度的增大，氯离子在裂缝位置及其周围(间距在10 mm内)混凝土内的渗透深度均明显增加，但裂缝的影响范围小于文献[10]对干湿循环下开裂混凝土测得的结果(间距在20 mm左右)；(3)当与裂缝位置距离超过10 mm后，试件YY-1中的渗透深度平均值为23.22 mm，与参考试件CK-0的渗透深度平均值(22.08 mm)非常接近，而裂缝宽度较大的预压开裂试件YY-2的氯离子渗透深度反而最小，其渗透深度比完好的参考试件CK-0的深度还低。

2.2 不同养护龄期的影响分析

对于预压开裂混凝土试件，其养护龄期为56 d时相应试件的断面氯离子显色结果如图6所示，结合图3(c)、(d)以及图6给出的显色结果，图7给出了两种龄期(28 d和56 d)的预压开裂混凝土试件氯离子渗透深度的对比关系(其中0点表示裂缝位置处)。从图7中可以看出，当裂缝宽度区间相近时，随着养护龄期的增加，开裂混凝土试件在裂缝位置及其周围混凝土内的氯离子渗透深度均有所减小；尤其是裂缝周围混凝土(间距超过10 mm)的渗透深度降低明显，56 d养护龄期试件比28 d试件平均降低了约35%。由此可见，前期养护龄期的增长对后期开裂混凝土的抗氯离子渗透性能也有很大帮助，这与文献[8]提出的开裂混凝土氯离子传输性能随龄期延长而减小的结论相吻合。产生这种现象的原因可能是养护龄期的增加，混凝土试件内部生成的水化产物不断增多，孔隙含量减少，试件表面的透气性能和吸水性能下降，导致氯离子的渗透能力减弱，这说明适当增加混凝土结构的养护龄期可以提高其带裂缝工作时的抗氯离子侵蚀能力。

图6 养护龄期56 d的预压开裂试件显色结果Fig.6 Chromogenic results of pre-pressed specimen at curing age of 56 d

2.3 氯离子扩散系数计算分析

图7 两种养护龄期的预压开裂试件氯离子渗透深度Fig.7 Chloride penetration depth of two kindsof pre-compression cracked specimens

如前所述，RCM试验测定的是混凝土在非稳态迁移条件下的氯离子扩散系数Dnssm。当采用硝酸银显色法测得渗透深度后，开裂混凝土在非稳态迁移条件下的Dnssm可参照文献[8,18]中给出的方法进行计算，相关公式见式(1)～(2)。

(1)

(2)

式中，Dnssm为非稳态迁移下混凝土的氯离子扩散系数(m2/s)；R为气体常数，R=8.314 J/(mol·K)；T为溶液绝对温度(K)；Z是氯离子价电子的绝对值，Z=1；F为法拉第常数，F=96 500 J/(V·mol)；U为外加电压的绝对值(V)，这里取U=30 V；L为试件的厚度(m)，这里取L=0.05 m；t为试验测试持续时间(s)；erfc为误差函数的逆函数；Ct为阴极溶液中氯离子的浓度(mol/L)；Xd为AgNO3比色法测得的氯离子渗透深度(m)；Cd为氯离子含量变化情况，Cd=0.200 mol/L时扩散系数计算误差最小[18]。

由图5和图7可知，开裂混凝土试件在裂缝位置及距离裂缝一定间距处的氯离子渗透深度存在明显差异，故分别对不同位置处的氯离子扩散系数进行了计算，结果见图8，其中0点表示裂缝位置处、平行线表示参考混凝土试件CK-0的扩散系数。从图8中可以看出，氯离子扩散系数在裂缝位置处最大；随着离裂缝位置的距离逐渐增大，氯离子扩散系数逐渐减小；当间距超过20 mm后，扩散系数基本保持不变，并与参考试件CK-0的扩散系数基本相等，说明在该区域内氯离子渗透受裂缝的影响可以忽略不计。

图8 氯离子扩散系数的计算结果Fig.8 Calculated results of chloride diffusion coefficient

已有研究表明[19]，对于开裂混凝土而言，氯离子的传输一般受到裂缝宽度、深度以及曲折度等因素的综合影响；而裂缝宽度一般认为是最主要、最方便用于评价的一个指标。这里，参照文献[10,19]，采用裂缝宽度的劣化效应函数f(w)对开裂混凝土试件氯离子扩散系数进行分析，见式(3)。

D(w)=f(w)×D0

(3)

式中，D(w)为开裂试件在裂缝处的扩散系数平均值；D0为完好无裂缝混凝土试件中的扩散系数。

图9给出了弯曲开裂试件和预压开裂试件劣化效应函数f(w)与平均裂缝宽度w(即对表2、3中的裂缝宽度区间取平均值)的关系。参照文献[10,17]，采用二次多项式函数对试验结果进行回归分析，拟合函数见图9。同时，本文搜集了已有文献[17,20-21]中关于两类裂缝对氯离子扩散系数影响的试验结果，按照开裂方式将试验结果也在图9中给出，用于对比本文试验结果及相应的拟合曲线。

图9 劣化效应函数的计算结果及其比较分析Fig.9 Calculation result and comparison of deterioration effect function

从图9中可以看出,(1)对于开裂混凝土试件的氯离子扩散系数，采用以裂缝宽度w表征的扩散系数劣化效应函数f(w)(二次多项式函数)进行评价是可行的,在本文研究中，无论是弯曲开裂试件或预压开裂试件，拟合精度均很好；(2)对于两类开裂混凝土试件，预压开裂试件的劣化效应值高于同等情况下的弯曲开裂试件，这与两类裂缝是否贯通有一定关系；(3)对比已有研究结果，本文试验得到的劣化效应值及其拟合曲线均与现有研究成果较好的吻合，这也再次说明了用裂缝宽度指标进行开裂混凝土氯离子扩散特性的描述是有效的。

3 结 论

(1)对于养护龄期为28 d的两类开裂混凝土试件，随着裂缝宽度增大，氯离子在裂缝位置及其周围10 mm范围内的渗透深度提高明显；在相同裂缝宽度区间内，弯曲开裂试件的氯离子渗透深度小于预压开裂试件；对于预压开裂试件，当裂缝宽度大于0.12 mm时，不宜采用RCM试验法评价其内部氯离子的传输过程。

(2)对于预压开裂试件，增大养护龄期对裂缝周围的氯离子渗透深度降低影响不大，而离裂缝距离超过10 mm后，混凝土的氯离子渗透深度明显降低；相比养护龄期28 d的预压开裂试件，养护龄期56 d时开裂混凝土内的氯离子渗透深度平均降低了约35%。

(3)对于两类开裂混凝土试件，当距离裂缝位置超过20 mm后，氯离子扩散系数受裂缝的影响很小，可以忽略不计。在裂缝位置处，裂缝宽度w对扩散系数劣化效应的影响可采用w的二次多项式函数进行描述，且弯曲裂缝的劣化效应影响低于预压裂缝；相关分析结果与现有文献数据吻合较好。