多轴持续应力下混凝土结构的耐久性研究

许艳松

(河北雄交投工程咨询有限公司 保定市 071700)

0 引言

混凝土材料的耐久性被认为是混凝土结构最重要的问题之一。外部载荷影响混凝土保护层中氯离子的传输进而改变了氯离子向钢筋表面的传输速率和腐蚀开始时间[1]。因此，应充分考虑外荷载对混凝土中氯离子扩散的影响。大多数混凝土结构在使用过程中受到持续应力，氯离子传输特性与应力和时间的增加有关[2]。一些研究描述了氯化物在持续荷载下的扩散性能。王海龙等[3]认为，持续压应力的增加并不总是阻碍氯离子的扩散。实验结果表明，当持续压应力大于0.3倍混凝土抗压强度时，氯离子含量增加。然而，混凝土中氯离子的扩散也会受到双轴持续应力的影响。危行财[4]研究了双轴持续压应力下外加剂混凝土的氯离子渗透性试验，发现压应力的增加并不总是抑制氯离子扩散。在上述研究中，还没有充分研究不同水灰比(例如水/水泥)的混凝土的应力水平和氯离子浓度之间的关系。很少有研究关注不同水灰比混凝土在双轴持续压应力下的氯离子扩散特性。因此，有必要研究不同水灰比混凝土结构在双轴持续压应力下的氯离子扩散。鉴于前面的简要论述，本研究旨在分析不同压应力条件下氯离子在混凝土中的扩散规律。进行了一系列混凝土在单轴和双轴持续压应力下的氯离子渗透试验，对比分析混凝土中氯离子浓度的变化规律。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

普通硅酸盐水泥的强度是42.5MPa，符合GB 175—2007标准[5]。水泥的化学成分如表1所示。粗骨料最大粒径为20mm，表观密度为1550kg/m3。细骨料用天然河沙，细度模数为2.3～3.1。减水剂为聚羧酸醚类减水剂，混凝土配合比如表2所示。混凝土的实测抗压强度为52MPa。

1.2 试验方法及设备

1.2.1混凝土的侵蚀面处理

为了分析氯离子在持续压应力下在混凝土中的一维扩散规律，除渗透面外，其余5个试件表面均涂有环氧树脂。

1.2.2加载装置的安装

在侵蚀面上设置玻璃氯盐槽，用来盛放3.5%NaCl溶液，安装加载装置前，对表面进行减磨处理并按照图1、图2的方式进行安装。

图1 双轴持续应力装置

图2 单轴持续应力装置

通过以往研究，双轴试件的两侧施加的应力比值σx/σy=2∶1～4∶1时，混凝土的抗压强度最大，密实程度最高[6]。为了便于研究氯离子的扩散规律，σx/σy取3∶1。

2 试验设计

2.1 试件施加的应力和应力水平

将C45的试件分成单轴持续应力和双轴持续应力两类，其中A1、A2、A3、A4、A5表示单轴持续应力，B1、B2、B3、B4、B5表示双轴持续应力。并且应力水平μ可用于描述持续应力引起的氯离子扩散分布[2]：

(1)

式中：fc为测得的混凝土抗压强度；σc为施加的压应力值，其中应力σcx和σcy分别对应于μ1和μ2。

具体数值和试件表示见表3。

将加载好的试验装置放入恒温恒湿箱中，开展为期90d的试验，氯盐槽内的溶液每个星期更换一次，施加的压力每隔三天测一次，以保证试验的准确性。

2.2 混凝土中氯离子含量测试

待试验结束，把混凝土侵蚀面表面清理干净，并根据JTS/T 236—2019标准[6]进行混凝土试样的取样。钻机垂直于混凝土渗透面。通过向内钻孔收集粉末获得六个测量点，距离渗透表面的距离为0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm和25～30mm。为避免误差的影响，同一层钻孔深度取三个数据。将粉末在100℃±5℃的烘箱中干燥2h，然后在干燥器中冷却至室温。之后，混凝土粉末样品的氯离子含量也按照标准JTS/T 236—2019进行测量。

3 试验结果分析

3.1 持续压应力下氯离子浓度结果与分析

考虑到表面会存在侵蚀面粉末的干扰，一般取2.5mm处作为表面氯离子含量。如图3(a)所示，C45A2相比于C45A1的同层氯离子含量下降了19.6%、26.6%、60%、11.1%、25%，C45A3相比于C45A2的同层氯离子含量下降了10.3%、14.6%、17.6%、12.5%、25%，C45A4相比于C45A3的同层氯离子含量增加了7.6%、8.9%、22.7%、15%、22%，C45A5相比于C45A4的同层氯离子含量增加了13.6%、25.5%、31.6%、35.3%、25%。同时看图3(b)所示，C45B2相比于C45B1的同层氯离子含量下降了18%、28.6%、38.1%、31.5%、20.5%，C45B3相比于C45B2的同层氯离子含量下降了7.5%、18.3%、31.6%、25.4%、17.6%，C45B4相比于C45B3的同层氯离子含量增加了12.3%、25.3%、35.8%、27.5%、22%，C45B5相比于C45B4的同层氯离子含量增加了21.5%、28.9%、30.4%、35.3%、25%。

从图3(a)和图3(b)的对比分析可以看出，侵蚀深度在2.5mm处、7.5mm处的氯离子浓度变化明显。2.5mm处，C45B1的氯离子含量相较于C45A1下降了8.5%，C45B2的氯离子含量相较于C45A2下降了7%，C45B3的氯离子含量相较于C45A3下降了4%，C45B4的氯离子含量相较于C45A4下降了2%，C45B5的氯离子含量相较于C45A5增加了11.1%。7.5mm处，C45B1的氯离子含量相较于C45A1下降了10.2%，C45B2的氯离子含量相较于C45A2下降了11.9%，C45B3的氯离子含量相较于C45A3下降了15.5%，C45B4的氯离子含量相较于C45A4增加了5.3%，C45B5的氯离子含量相较于C45A5增加了14.7%。

图3 混凝土中氯离子浓度分布

综上所述可以看出，氯离子在混凝土内的扩散是一个缓慢的过程，随着深度的增加，氯离子的含量逐渐减小至0。同时我们可以看到，持续压应力的增大会影响混凝土中氯离子的扩散。对于单轴持续压应力而言，当持续压应力小于0.4倍抗压强度时，持续压应力的增大会抑制氯离子在混凝土内的扩散。这是因为持续外荷载的作用会让混凝土结构更加密实，随着加载时间的延长，混凝土结构内的孔隙率进一步减少，颗粒级配得到改善[7]。然而，当持续应力大于0.4倍抗压强度时，氯离子含量不受限制，并且随着深度的增加，扩散能力并未减弱，这是因为混凝土结构并不是随着持续外荷载的增加而变得更加密实，当施加的应力达到临界值后，原本密实的结构会开裂，从而形成新的裂缝和裂纹，给氯离子的扩散提供通道。

对于双轴持续压应力而言，当x轴向持续压应力小于等于0.3倍抗压强度和y轴持续压应力小于等于0.1倍抗压强度时，抑制氯离子在混凝土内的扩散能力相较于同数值大小的x轴持续压应力的单轴情况更加明显，这是因为有了侧向持续压应力的作用，沿着侧向混凝土结构的孔隙率减小，两个方向的孔隙率减小有助于抑制氯离子的进一步扩散。然而，双向持续压应力的增大并不总是让混凝土结构更加密实，可能会加速两个方向的裂纹生成[8]，所以当x轴向持续压应力大于等于0.4倍抗压强度和y轴持续压应力大于等于0.13倍抗压强度时，氯离子在混凝土内的扩散不受限制。

3.2 同深度下氯离子浓度结果与分析

为了更好地分析双轴持续压应力与单轴持续压应力对混凝土内氯离子含量的影响，取12.5mm和22.5mm处的氯离子含量进行分析，横坐标用x轴的应力水平表示，并且将单轴持续压应力用C45A系列表示，双轴持续压应力用C45B系列表示。从图4中可以看出，12.5mm处，应力水平小于0.4时，C45A系列的氯离子含量下降明显，同理，应力水平小于0.3时，C45B系列的氯离子含量下降明显。不管是C45A系列还是C45B系列，当应力水平大于0.4时，氯离子含量急速增加。22.5mm处，应力水平小于0.4时，C45A系列氯离子含量减小平缓，若应力水平大于0.4时，氯离子含量增加明显，同理C45B系列氯离子含量在x轴应力水平大于0.3时增加明显。综上所述，持续压应力的增加对深层混凝土的氯离子影响较小，然而达到临界值后，氯离子含量变化明显。双轴持续压应力的作用对于各层混凝土氯离子含量影响都较为明显。

图4 单轴与双轴持续应力下氯离子浓度的对比分析

4 结语

通过研究水灰比为0.5的混凝土在不同应力水平下的单轴和双轴持续应力下混凝土的氯离子含量，得出结论：

(1)持续压应力的作用并不总是抑制氯离子在混凝土内的扩散，对于单轴持续压应力而言，应力水平小于等于0.4时，抑制氯离子的扩散较为明显，而对于双轴持续压应力而言，x轴应力水平小于等于0.3，y轴应力水平小于等于0.1时，抑制氯离子的扩散较为明显。

(2)侧向持续压应力的增加更能抑制氯离子的扩散，当x轴应力水平为0.3时，y轴应力水平为0.1的混凝土，较没有y轴应力水平的混凝土氯离子的含量下降最多。

(3)在临界应力内，单轴持续压应力对深层混凝土影响较小，而双轴持续压应力影响较为明显。