壓荷載對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

錢邵同

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 前 言

鋼筋銹蝕是引起當(dāng)今世界混凝土破壞以及銹蝕的主要原因，而氯離子侵蝕又是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的主要因素[1]，因此，研究混凝土中抗氯離子的滲透性能對(duì)混凝土的耐久性設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。目前評(píng)價(jià)混凝土氯離子滲透性能的方法有很多，包括水壓力法、氯離子滲透實(shí)驗(yàn)法以及透氣法。其中氯離子滲透實(shí)驗(yàn)法又包括自然擴(kuò)散法、干濕循環(huán)加速法以及外加電場(chǎng)加速法[2]。這些方法都是基于無荷載水平下，這種理想條件下的實(shí)驗(yàn)難以模擬實(shí)際工況中復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。基于此，本文將很多學(xué)者關(guān)于壓荷載對(duì)混凝土的抗?jié)B透性能的影響研究進(jìn)行了細(xì)分、歸納和總結(jié)。

1 單軸壓荷載

按加載性質(zhì)將單軸壓荷載分為一次預(yù)壓荷載、持續(xù)壓荷載以及循環(huán)壓荷載。

研究預(yù)壓荷載作用下抗氯離子滲透性能，實(shí)際上是研究混凝土卸載后產(chǎn)生的損傷對(duì)氯離子滲透的影響[2]。Misturu Saito[3]研究了一次預(yù)壓荷載作用后混凝土中的氯離子滲透性能。研究結(jié)果表明混凝土即使遭受到90%的極限荷載，荷載引起的微裂縫對(duì)氯離子滲透性能也只有略微的影響。此外，何亞伯等[4]通過滲透氯離子實(shí)驗(yàn)(NEL法)指出，在預(yù)壓荷載加載條件下，氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，應(yīng)力比為0.2時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)最低。

然而混凝土在實(shí)際工況中往往是荷載和氯鹽同時(shí)作用，荷載的持續(xù)存在加速了裂縫的發(fā)展，加速了氯離子的擴(kuò)散。所以為了更接近真實(shí)的工況，孫繼承等[5]基于改進(jìn)的NEL法研究了持續(xù)壓荷載作用下混凝土中氯離子滲透性能，并用應(yīng)力比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)表征氯離子在混凝土中的入侵程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，普通混凝土存在一個(gè)所謂的臨界應(yīng)力，其值為0.3。當(dāng)應(yīng)力比小于0.3時(shí)，混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著應(yīng)力比的增大而增大，當(dāng)應(yīng)力比大于0.3時(shí)，混凝土中的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著應(yīng)力比的增大而減小。Wang等[6]基于改進(jìn)的快速氯離子遷移裝置，研究了持續(xù)壓荷載作用下混凝土中氯離子滲透性能。也得到了相似的結(jié)論。普通混凝土的臨界應(yīng)力為0.3，且提出了氯離子擴(kuò)散系數(shù)D/D0(當(dāng)前荷載對(duì)應(yīng)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與無應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的比值)與壓應(yīng)力比之間的分段線性關(guān)系式。然而李維紅等[7]的研究結(jié)果與上述研究者略有差異，李維紅等采用了自然擴(kuò)散法研究了持續(xù)壓荷載作用下混凝土抗氯離子滲透性能，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的小梁，荷載水平分別為0%、30%、60%的極限荷載?；贔ick第二定律測(cè)得的氯離子含量隨著荷載等級(jí)增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這可能是由于試件尺寸以及表征氯離子擴(kuò)散程度方式的差異性。此外，本文將部分學(xué)者[5-6，8-10]關(guān)于持續(xù)壓荷載對(duì)混凝土的滲透性能的影響研究結(jié)果進(jìn)行了歸納，試件尺寸以及測(cè)試方法等如表 1所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖 1所示。由于各研究者在試件尺寸、測(cè)試手段以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境有所差異，為了更好地比較總結(jié)，本文采用了歸一化處理，使得縱坐標(biāo)的量綱為1。即圖1橫坐標(biāo)S/S0表示當(dāng)前荷載與極限荷載的比值，縱坐標(biāo)f(S)/f(S0)表示當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與無應(yīng)力狀態(tài)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的比值。

表1 持續(xù)壓荷載下采用的試件尺寸、加載方式及測(cè)試方法

圖1 f(S)/f(S0)隨S/S0的變化

從圖 1可知，盡管各研究者采用的氯離子測(cè)試手段有所不同，氯離子擴(kuò)散系數(shù)基本上都是隨著荷載的遞增出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，臨界應(yīng)力基本上都是0.3，且當(dāng)應(yīng)力水平在0.6及以上時(shí)，部分氯離子擴(kuò)散系數(shù)趨近于無應(yīng)力狀態(tài)下，還有一部分甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了無應(yīng)力狀態(tài)下的。這是因?yàn)閯傞_始由于荷載使得混凝土中的毛細(xì)孔隙以及微裂縫減小或閉合，阻礙了氯離子在混凝土中的傳輸。當(dāng)單軸狀態(tài)下的壓應(yīng)力持續(xù)增大導(dǎo)致混凝上土內(nèi)部的界面過渡區(qū)和基體之間的裂縫搭接，使得氯離子更容易擴(kuò)散和傳輸，進(jìn)而導(dǎo)致氯離子擴(kuò)散系數(shù)的增大[11]。

循環(huán)壓荷載，作為一種用于模擬地震的荷載。由于其反復(fù)作用會(huì)引起混凝土的損傷，研究的難度大，可見的報(bào)道比較少。Misturu Saito等[3]研究表明混凝土在60%～80%極限荷載的循環(huán)荷載作用下，氯離子滲透性突然增大。然而混凝土遭受到極限荷載50%的循環(huán)荷載時(shí)，即使重復(fù)一百萬次，也只有略微的影響。張武滿等[12]研究循環(huán)荷載次數(shù)對(duì)氯離子透過性能的影響，研究結(jié)果顯示40%和80%極限荷載的5次重復(fù)荷載增大了氯離子透過性能，且40%和80%極限荷載的基準(zhǔn)混凝土的氯離子透過數(shù)量分別增加了34.2%和85.0%。上述研究結(jié)果表明，循環(huán)壓荷載也存在一個(gè)所謂的臨界應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力水平低于這個(gè)臨界應(yīng)力時(shí)，即使遭受多次重復(fù)荷載，混凝土損傷程度也很低。然而不同研究者的臨界應(yīng)力略有差異。一方面，混凝土本身就是一種隨機(jī)復(fù)合材料，此外加載方式的復(fù)雜性以及測(cè)試條件的差異性加大了研究結(jié)果的離散型。因此，對(duì)于后續(xù)臨界應(yīng)力的確定有待進(jìn)一步的研究。

2 結(jié) 論

整體而言，現(xiàn)在的研究方向逐漸細(xì)化，考慮的也愈加周全。但總體來說，還是有很多有待研究的地方。在壓荷載方面，最近幾年已經(jīng)有很多研究持續(xù)壓荷載文獻(xiàn)報(bào)道過，然而目前研究單軸壓荷載的占絕大多數(shù)，研究混凝土在雙軸壓荷載作用下的氯離子滲透性能的文獻(xiàn)很少，研究混凝土在持續(xù)雙軸壓荷載作用下的氯離子滲透性能的文獻(xiàn)更是未見報(bào)道，然而混凝土結(jié)構(gòu)的確會(huì)處于這樣一種實(shí)際工況，另一方面，目前研究氯離子滲透性能的文獻(xiàn)大多只是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上闡述結(jié)論，少有文獻(xiàn)進(jìn)一步總結(jié)提煉建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

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