許艷松

(河北雄交投工程咨詢(xún)有限公司 保定市 071700)

0 引言

混凝土材料的耐久性被認(rèn)為是混凝土結(jié)構(gòu)最重要的問(wèn)題之一。外部載荷影響混凝土保護(hù)層中氯離子的傳輸進(jìn)而改變了氯離子向鋼筋表面的傳輸速率和腐蝕開(kāi)始時(shí)間[1]。因此，應(yīng)充分考慮外荷載對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響。大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中受到持續(xù)應(yīng)力，氯離子傳輸特性與應(yīng)力和時(shí)間的增加有關(guān)[2]。一些研究描述了氯化物在持續(xù)荷載下的擴(kuò)散性能。王海龍等[3]認(rèn)為，持續(xù)壓應(yīng)力的增加并不總是阻礙氯離子的擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)持續(xù)壓應(yīng)力大于0.3倍混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)，氯離子含量增加。然而，混凝土中氯離子的擴(kuò)散也會(huì)受到雙軸持續(xù)應(yīng)力的影響。危行財(cái)[4]研究了雙軸持續(xù)壓應(yīng)力下外加劑混凝土的氯離子滲透性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力的增加并不總是抑制氯離子擴(kuò)散。在上述研究中，還沒(méi)有充分研究不同水灰比(例如水/水泥)的混凝土的應(yīng)力水平和氯離子濃度之間的關(guān)系。很少有研究關(guān)注不同水灰比混凝土在雙軸持續(xù)壓應(yīng)力下的氯離子擴(kuò)散特性。因此，有必要研究不同水灰比混凝土結(jié)構(gòu)在雙軸持續(xù)壓應(yīng)力下的氯離子擴(kuò)散。鑒于前面的簡(jiǎn)要論述，本研究旨在分析不同壓應(yīng)力條件下氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律。進(jìn)行了一系列混凝土在單軸和雙軸持續(xù)壓應(yīng)力下的氯離子滲透試驗(yàn)，對(duì)比分析混凝土中氯離子濃度的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度是42.5MPa，符合GB 175—2007標(biāo)準(zhǔn)[5]。水泥的化學(xué)成分如表1所示。粗骨料最大粒徑為20mm，表觀密度為1550kg/m3。細(xì)骨料用天然河沙，細(xì)度模數(shù)為2.3～3.1。減水劑為聚羧酸醚類(lèi)減水劑，混凝土配合比如表2所示?；炷恋膶?shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為52MPa。

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

1.2.1混凝土的侵蝕面處理

為了分析氯離子在持續(xù)壓應(yīng)力下在混凝土中的一維擴(kuò)散規(guī)律，除滲透面外，其余5個(gè)試件表面均涂有環(huán)氧樹(shù)脂。

1.2.2加載裝置的安裝

在侵蝕面上設(shè)置玻璃氯鹽槽，用來(lái)盛放3.5%NaCl溶液，安裝加載裝置前，對(duì)表面進(jìn)行減磨處理并按照?qǐng)D1、圖2的方式進(jìn)行安裝。

圖1 雙軸持續(xù)應(yīng)力裝置

圖2 單軸持續(xù)應(yīng)力裝置

通過(guò)以往研究，雙軸試件的兩側(cè)施加的應(yīng)力比值σx/σy=2∶1～4∶1時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，密實(shí)程度最高[6]。為了便于研究氯離子的擴(kuò)散規(guī)律，σx/σy取3∶1。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試件施加的應(yīng)力和應(yīng)力水平

將C45的試件分成單軸持續(xù)應(yīng)力和雙軸持續(xù)應(yīng)力兩類(lèi)，其中A1、A2、A3、A4、A5表示單軸持續(xù)應(yīng)力，B1、B2、B3、B4、B5表示雙軸持續(xù)應(yīng)力。并且應(yīng)力水平μ可用于描述持續(xù)應(yīng)力引起的氯離子擴(kuò)散分布[2]：

(1)

式中：fc為測(cè)得的混凝土抗壓強(qiáng)度；σc為施加的壓應(yīng)力值，其中應(yīng)力σcx和σcy分別對(duì)應(yīng)于μ1和μ2。

具體數(shù)值和試件表示見(jiàn)表3。

將加載好的試驗(yàn)裝置放入恒溫恒濕箱中，開(kāi)展為期90d的試驗(yàn)，氯鹽槽內(nèi)的溶液每個(gè)星期更換一次，施加的壓力每隔三天測(cè)一次，以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2.2 混凝土中氯離子含量測(cè)試

待試驗(yàn)結(jié)束，把混凝土侵蝕面表面清理干凈，并根據(jù)JTS/T 236—2019標(biāo)準(zhǔn)[6]進(jìn)行混凝土試樣的取樣。鉆機(jī)垂直于混凝土滲透面。通過(guò)向內(nèi)鉆孔收集粉末獲得六個(gè)測(cè)量點(diǎn)，距離滲透表面的距離為0～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm、20～25mm和25～30mm。為避免誤差的影響，同一層鉆孔深度取三個(gè)數(shù)據(jù)。將粉末在100℃±5℃的烘箱中干燥2h，然后在干燥器中冷卻至室溫。之后，混凝土粉末樣品的氯離子含量也按照標(biāo)準(zhǔn)JTS/T 236—2019進(jìn)行測(cè)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 持續(xù)壓應(yīng)力下氯離子濃度結(jié)果與分析

考慮到表面會(huì)存在侵蝕面粉末的干擾，一般取2.5mm處作為表面氯離子含量。如圖3(a)所示，C45A2相比于C45A1的同層氯離子含量下降了19.6%、26.6%、60%、11.1%、25%，C45A3相比于C45A2的同層氯離子含量下降了10.3%、14.6%、17.6%、12.5%、25%，C45A4相比于C45A3的同層氯離子含量增加了7.6%、8.9%、22.7%、15%、22%，C45A5相比于C45A4的同層氯離子含量增加了13.6%、25.5%、31.6%、35.3%、25%。同時(shí)看圖3(b)所示，C45B2相比于C45B1的同層氯離子含量下降了18%、28.6%、38.1%、31.5%、20.5%，C45B3相比于C45B2的同層氯離子含量下降了7.5%、18.3%、31.6%、25.4%、17.6%，C45B4相比于C45B3的同層氯離子含量增加了12.3%、25.3%、35.8%、27.5%、22%，C45B5相比于C45B4的同層氯離子含量增加了21.5%、28.9%、30.4%、35.3%、25%。

從圖3(a)和圖3(b)的對(duì)比分析可以看出，侵蝕深度在2.5mm處、7.5mm處的氯離子濃度變化明顯。2.5mm處，C45B1的氯離子含量相較于C45A1下降了8.5%，C45B2的氯離子含量相較于C45A2下降了7%，C45B3的氯離子含量相較于C45A3下降了4%，C45B4的氯離子含量相較于C45A4下降了2%，C45B5的氯離子含量相較于C45A5增加了11.1%。7.5mm處，C45B1的氯離子含量相較于C45A1下降了10.2%，C45B2的氯離子含量相較于C45A2下降了11.9%，C45B3的氯離子含量相較于C45A3下降了15.5%，C45B4的氯離子含量相較于C45A4增加了5.3%，C45B5的氯離子含量相較于C45A5增加了14.7%。

圖3 混凝土中氯離子濃度分布

綜上所述可以看出，氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散是一個(gè)緩慢的過(guò)程，隨著深度的增加，氯離子的含量逐漸減小至0。同時(shí)我們可以看到，持續(xù)壓應(yīng)力的增大會(huì)影響混凝土中氯離子的擴(kuò)散。對(duì)于單軸持續(xù)壓應(yīng)力而言，當(dāng)持續(xù)壓應(yīng)力小于0.4倍抗壓強(qiáng)度時(shí)，持續(xù)壓應(yīng)力的增大會(huì)抑制氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散。這是因?yàn)槌掷m(xù)外荷載的作用會(huì)讓混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙率進(jìn)一步減少，顆粒級(jí)配得到改善[7]。然而，當(dāng)持續(xù)應(yīng)力大于0.4倍抗壓強(qiáng)度時(shí)，氯離子含量不受限制，并且隨著深度的增加，擴(kuò)散能力并未減弱，這是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)并不是隨著持續(xù)外荷載的增加而變得更加密實(shí)，當(dāng)施加的應(yīng)力達(dá)到臨界值后，原本密實(shí)的結(jié)構(gòu)會(huì)開(kāi)裂，從而形成新的裂縫和裂紋，給氯離子的擴(kuò)散提供通道。

對(duì)于雙軸持續(xù)壓應(yīng)力而言，當(dāng)x軸向持續(xù)壓應(yīng)力小于等于0.3倍抗壓強(qiáng)度和y軸持續(xù)壓應(yīng)力小于等于0.1倍抗壓強(qiáng)度時(shí)，抑制氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散能力相較于同數(shù)值大小的x軸持續(xù)壓應(yīng)力的單軸情況更加明顯，這是因?yàn)橛辛藗?cè)向持續(xù)壓應(yīng)力的作用，沿著側(cè)向混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙率減小，兩個(gè)方向的孔隙率減小有助于抑制氯離子的進(jìn)一步擴(kuò)散。然而，雙向持續(xù)壓應(yīng)力的增大并不總是讓混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，可能會(huì)加速兩個(gè)方向的裂紋生成[8]，所以當(dāng)x軸向持續(xù)壓應(yīng)力大于等于0.4倍抗壓強(qiáng)度和y軸持續(xù)壓應(yīng)力大于等于0.13倍抗壓強(qiáng)度時(shí)，氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散不受限制。

3.2 同深度下氯離子濃度結(jié)果與分析

為了更好地分析雙軸持續(xù)壓應(yīng)力與單軸持續(xù)壓應(yīng)力對(duì)混凝土內(nèi)氯離子含量的影響，取12.5mm和22.5mm處的氯離子含量進(jìn)行分析，橫坐標(biāo)用x軸的應(yīng)力水平表示，并且將單軸持續(xù)壓應(yīng)力用C45A系列表示，雙軸持續(xù)壓應(yīng)力用C45B系列表示。從圖4中可以看出，12.5mm處，應(yīng)力水平小于0.4時(shí)，C45A系列的氯離子含量下降明顯，同理，應(yīng)力水平小于0.3時(shí)，C45B系列的氯離子含量下降明顯。不管是C45A系列還是C45B系列，當(dāng)應(yīng)力水平大于0.4時(shí)，氯離子含量急速增加。22.5mm處，應(yīng)力水平小于0.4時(shí)，C45A系列氯離子含量減小平緩，若應(yīng)力水平大于0.4時(shí)，氯離子含量增加明顯，同理C45B系列氯離子含量在x軸應(yīng)力水平大于0.3時(shí)增加明顯。綜上所述，持續(xù)壓應(yīng)力的增加對(duì)深層混凝土的氯離子影響較小，然而達(dá)到臨界值后，氯離子含量變化明顯。雙軸持續(xù)壓應(yīng)力的作用對(duì)于各層混凝土氯離子含量影響都較為明顯。

圖4 單軸與雙軸持續(xù)應(yīng)力下氯離子濃度的對(duì)比分析

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究水灰比為0.5的混凝土在不同應(yīng)力水平下的單軸和雙軸持續(xù)應(yīng)力下混凝土的氯離子含量，得出結(jié)論：

(1)持續(xù)壓應(yīng)力的作用并不總是抑制氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散，對(duì)于單軸持續(xù)壓應(yīng)力而言，應(yīng)力水平小于等于0.4時(shí)，抑制氯離子的擴(kuò)散較為明顯，而對(duì)于雙軸持續(xù)壓應(yīng)力而言，x軸應(yīng)力水平小于等于0.3，y軸應(yīng)力水平小于等于0.1時(shí)，抑制氯離子的擴(kuò)散較為明顯。

(2)側(cè)向持續(xù)壓應(yīng)力的增加更能抑制氯離子的擴(kuò)散，當(dāng)x軸應(yīng)力水平為0.3時(shí)，y軸應(yīng)力水平為0.1的混凝土，較沒(méi)有y軸應(yīng)力水平的混凝土氯離子的含量下降最多。

(3)在臨界應(yīng)力內(nèi)，單軸持續(xù)壓應(yīng)力對(duì)深層混凝土影響較小，而雙軸持續(xù)壓應(yīng)力影響較為明顯。