張宇天， 李澤棟， 李權(quán)權(quán)

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

銹蝕作用下受荷混凝土中氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)

張宇天， 李澤棟， 李權(quán)權(quán)

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

利用持續(xù)荷載作用下通電加速銹蝕的試驗(yàn)，對(duì)不同荷載水平作用下受拉區(qū)不同裂縫寬度混凝土梁進(jìn)行鉆孔取樣。采用NCL-AL型氯離子快速測(cè)定儀檢測(cè)氯離子在混凝土中的侵蝕深度和含量，研究持續(xù)荷載作用下受拉區(qū)不同裂縫寬度處氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律。結(jié)果表明：荷載和銹蝕耦合作用下產(chǎn)生的裂縫使得氯離子由一維擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)槎S擴(kuò)散，且在鋼筋周?chē)a(chǎn)生聚集現(xiàn)象。氯離子含量受到持續(xù)荷載和裂縫間大小兩者共同影響，試驗(yàn)表明混凝土中氯離子含量隨裂縫荷載的增大而增加。

混凝土梁； 持續(xù)荷載； 氯離子； 銹蝕； 擴(kuò)散

氯離子是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的主要元兇之一，大量研究表明混凝土中微量的氯離子含量可能會(huì)導(dǎo)致鋼筋的腐蝕。而早前對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)遭受氯離子侵蝕的破壞研究，主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)本身處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。但是對(duì)實(shí)際服役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，在持續(xù)荷載與環(huán)境因素共同作用下，正常使用過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)往往是處于不同的應(yīng)力狀態(tài)并帶裂縫工作的。裂縫的產(chǎn)生增大了氯離子的滲透速度，加快了鋼筋銹蝕，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)壽命縮短。近年來(lái),隨著研究的深入，持續(xù)荷載作用下氯離子滲透性研究取得一定進(jìn)展[1-3]，大多數(shù)的混凝土滲透性的變化規(guī)律研究主要包括軸向受拉、軸向受壓、彎曲荷載作用；一般認(rèn)為，對(duì)持載混凝土，混凝土的滲透性受軸向拉力的影響；對(duì)于受彎構(gòu)件，開(kāi)裂前，受拉區(qū)的氯離子移動(dòng)速率隨拉應(yīng)力的增大而增大，但是開(kāi)裂后裂縫對(duì)氯離子滲透性的影響也不可忽略。

鋼筋的銹蝕是導(dǎo)致混凝土破壞主要因素之一，其氯離子的擴(kuò)散受到荷載作用的極大影響，探討荷載作用下開(kāi)裂混凝土中氯離子擴(kuò)散規(guī)律對(duì)耐久性影響，一直以來(lái)都是重要的研究課題。

1 試驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)持續(xù)荷載作用下加速銹蝕試驗(yàn)，研究不同荷載水平和受拉區(qū)裂縫寬度的混凝土梁中氯離子擴(kuò)散。本試驗(yàn)制作了5根鋼筋混凝土梁試件，分別標(biāo)記梁試件為L(zhǎng)-0、L-1、L-2、L-3、L-4(L-0：參考梁，實(shí)驗(yàn)梁L-1、L-2、L-3分別表示持續(xù)荷載為極限荷載的0、30%、60%，L-4表示荷載為60%的加載卸載銹蝕梁)。所用試驗(yàn)梁尺寸均為150 mm×200 mm×1500 mm，其混凝土保護(hù)層厚度為25 mm，縱向受拉鋼筋為2根直徑14 mm三級(jí)鋼筋，兩端均豎向彎起50 mm，架立筋為2根直徑10 mm三級(jí)鋼筋，箍筋采用?6@100。試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)尺寸及配筋見(jiàn)圖1。

圖 1 梁的截面尺寸及配筋示意圖 mm

試驗(yàn)銹蝕方案：由于實(shí)際生活當(dāng)中鋼筋的銹蝕屬于一種非均勻性銹蝕，故而本試驗(yàn)采用更能與真實(shí)情況相契合的干濕循環(huán)通電加速銹蝕方案。首先在梁底從下往上依次包裹保水塑料布、吸水海綿、不銹鋼絲網(wǎng)并綁扎固定。將5%NaCl溶液導(dǎo)入保水塑料布內(nèi)，使液面接近受力縱筋，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不時(shí)添加5%NaCl溶液，浸泡24 h(使5%NaCl溶液充分進(jìn)入梁內(nèi))。本試驗(yàn)采用干3 d濕4 d的循環(huán)方案進(jìn)行干濕處理，然后在恒定電壓下進(jìn)行電滲，即將混凝土內(nèi)部不銹鋼片與電源陽(yáng)極相連發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而使氯離子到達(dá)鋼筋表面并在其表面形成不均勻的分布排列，這樣就可以模擬實(shí)際鋼筋不均勻銹蝕。試驗(yàn)儀器采用DH1718E-3型雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。將預(yù)留在受拉縱筋上的導(dǎo)線(xiàn)與穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的陽(yáng)極相連，而不銹鋼網(wǎng)片則與其陰極相接，開(kāi)始通電加速銹蝕。加速銹蝕方案見(jiàn)圖2。

圖 2 混凝土梁加速銹蝕方案

試驗(yàn)加載方式：采用兩集中力對(duì)稱(chēng)加載，通過(guò)對(duì)參考梁的靜載試驗(yàn)得到其極限承載力Pu，然后根據(jù)極限荷載的0、30%、60%的荷載水平進(jìn)行持續(xù)加載，持續(xù)加載時(shí)間根據(jù)鋼筋銹蝕達(dá)到10%所需時(shí)間確定，純彎長(zhǎng)度設(shè)置為500 mm，支座到自由端為150 mm。試驗(yàn)梁加載裝置見(jiàn)圖3。

圖 3 加載裝置設(shè)備圖

1.2試驗(yàn)材料

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，砂為天然河砂，粗骨料為最大骨料粒徑不超過(guò)31.5 mm的碎石；減水劑選用的是SH-高效聚羧酸減水劑?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，配合比設(shè)計(jì)：水170 g、水泥190 g、砂750 g、石1100 g、減水劑0.034 g。

1.3試驗(yàn)氯離子滲透指標(biāo)的測(cè)量

承載力試驗(yàn)結(jié)束后，用抹布清潔混凝土梁底部，并用SW-LW-101裂縫觀測(cè)儀(精度為0.02 mm)對(duì)受拉區(qū)試驗(yàn)梁底部的橫向裂縫進(jìn)行測(cè)量，記號(hào)筆作出相應(yīng)標(biāo)記。采用手持式小型電鉆沿試件侵蝕面豎直方向進(jìn)行鉆孔取粉，鉆孔進(jìn)入深度為50 mm，共為8層，分別是0～5 mm，5～10 mm，10～15 mm，15～20 mm，20～25 mm，25～30 mm, 30～40 mm, 40～50 mm，用小圓柱尺子精確控制取樣深度；取粉位置為以裂縫觀測(cè)儀所測(cè)橫向裂縫兩側(cè)5 mm范圍內(nèi)區(qū)域。所取粉末用可封閉塑料袋密封保存并注明相關(guān)位置信息。再將所有粉末通過(guò)0.63 mm篩，烘干至恒重，之后取出冷卻至室溫，然后用萬(wàn)分之一天平在每個(gè)試樣組中取1.5 g粉末，將所取得的粉末加入50 mL去離子水，蓋上膠皮塞(防止水分散失)，將所獲得的溶液放置在HY-2調(diào)速振蕩器中充分震蕩30 min。最后為了測(cè)定氯離子占比，采用NCL-AL型氯離子含量快速檢測(cè)儀進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1荷載水平對(duì)氯離子擴(kuò)散規(guī)律的影響分析

趙尚傳等[4]在彎曲荷載作用下氯離子擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)研究中表明，當(dāng)梁受到彎曲荷載時(shí)，受拉區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)裂縫及損傷，且混凝土的孔縫尺寸增加，使混凝土孔徑分布發(fā)生變化，孔隙率和平均孔徑增大。本次試驗(yàn)驗(yàn)證了該理論分析的適應(yīng)性。

圖4給出了不同荷載等級(jí)和加載卸載梁條件下純彎段內(nèi)非裂縫區(qū)域內(nèi)氯離子含量隨混凝土深度變化的規(guī)律：隨著持續(xù)荷載的增加，氯離子在混凝土保護(hù)層厚度內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加；在距離混凝土表面深度范圍內(nèi)，氯離子含量隨加載數(shù)值的增大而增加；在檢測(cè)氯離子含量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：在距離混凝土表面20～30 mm處，氯離子含量出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，可能是因?yàn)殇摻钤谕婁P蝕情況下，氯離子會(huì)向電勢(shì)大的方向定向遷移，因此鐵基體表面會(huì)聚集大量的氯離子，從而有效破壞鋼筋表面鈍化膜，引起鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)劣化和不穩(wěn)定。

圖 4 受拉非裂縫區(qū)域氯離子含量分布

在荷載情況下，混凝土中的受力鋼筋附近存在著大量氯離子，鋼筋表面濁點(diǎn)與混凝土中氫氧根離子發(fā)生中和，使孔隙內(nèi)pH值下降，導(dǎo)致覆蓋在表面的保護(hù)膜發(fā)生破壞，最終使混凝土中鋼筋銹蝕。

2.2裂縫對(duì)氯離子擴(kuò)散規(guī)律影響分析

在彎曲荷載作用下混凝土梁底橫向開(kāi)裂，吸水海綿中的氯離子將以裂縫為通道，在電勢(shì)作用下快速滲入混凝土，其發(fā)生移動(dòng)的速率逐漸變大，從而使得鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間提前，減少使用時(shí)間。圖5為不同持續(xù)荷載作用下梁裂縫處與非裂縫處氯離子含量分布隨取樣深度變化的示意圖，從L-2和L-3梁氯離子分布圖可以看出，整體而言，非裂縫處含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于裂縫處氯離子的含量；同時(shí)伴隨著裂縫寬度的不斷變大，處于同一深度處混凝土內(nèi)氯離子的含量呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)；而氯離子的含量則伴隨侵蝕深度的加深而逐漸下降。當(dāng)深度為50 mm時(shí)，梁L-3裂縫處氯離子含量是非裂縫處氯離子含量的1.3-1.8倍，裂縫和非裂縫處氯離子含量差進(jìn)一步表明鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)裂縫控制大小重要性。

圖 5 氯離子含量隨深度變化示意圖

圖6為加載卸載作用下梁裂縫處與非裂縫處所取氯離子含量隨取樣深度變化的示意圖，從圖6可以看出，與施加60%持續(xù)荷載相比，在相同深度處，其所對(duì)應(yīng)的氯離子含量，無(wú)論是裂縫還是非裂縫處，均大于加載卸載梁氯離子含量，這是因?yàn)榧虞d卸載梁存在著“自閉和”現(xiàn)象，即混凝土裂縫處水泥后期發(fā)生水化現(xiàn)象生成CaCO3等物質(zhì)填充于裂縫。

圖 6 加載卸載作用下氯離子含量隨深度變化示意圖

3 結(jié)論

1)混凝土受到外加持續(xù)荷載作用時(shí)，其各相界面發(fā)生變化并產(chǎn)生微裂紋，使得混凝土內(nèi)部空隙增多，孔徑平均大小發(fā)生改變，水分和侵蝕介質(zhì)的內(nèi)外傳輸能力提高，氯離子滲入深度大。另外，氯離子的含量隨荷載水平的增大而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

2)非裂縫處含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于裂縫處氯離子的含量，非裂縫處氯離子含量隨深度的增加而降低，即離混凝土表面越近，氯離子含量越高；同時(shí)，混凝土中氯離子濃度與裂縫寬度成正相關(guān)。

3)持續(xù)荷載作用下加速銹蝕，氯離子含量在鋼筋周?chē)?0～30 mm深度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，受力鋼筋周?chē)入x子含量增加，主要是由于覆蓋在鋼筋表面上的鈍化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

4)加卸載梁存在著“自閉和”現(xiàn)象，即混凝土裂縫處水泥后期發(fā)生水化現(xiàn)象生成CaCO3等物質(zhì)能填塞水泥石中的毛細(xì)空隙，形成致密結(jié)構(gòu)，混凝土中滲透阻力增大。

[1] 袁迎曙，余索.銹蝕鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能退化[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1997(4):51-57.

[2] 金偉良，趙羽習(xí).銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2001(5): 9-11,

[3] 史慶軒，李小健.銹蝕鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件承載力試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2001(5):14-17.

[4] 趙尚傳,貢金鑫,水金鋒.彎曲荷載作用下水位變動(dòng)區(qū)域混凝土中氯離子擴(kuò)散規(guī)律試驗(yàn)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2007,20(4): 77-82,

[責(zé)任編校：張巖芳]

ExperimentalStudyonMechanicsBehaviorsofReinforcedConcreteBeamsunderSustainedLoadandCorrosion

ZHANG Yutian, LI Zedong, LI Quanquan

(SchoolofCivilEngin. &Architecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

In this paper, under the action of sustained load, the drilling of different concrete beams with different crack width under different load levels is carried out. The erosion depth and content of chloride ions in concrete were measured by NCL-AL type chloride ion rapid detector. The diffusion law of chloride ion in concrete under different crack width under continuous load was studied. The results show that the cracks produced by the coupling of load and corrosion make the chloride ion from one-dimensional diffusion to two-dimensional diffusion, and the aggregation phenomenon occurs around the steel bar. The chloride ion content is affected by the continuous load and the size of the cracks. The results indicate that the chloride ion content in the concrete increases with the increase of the crack load.

reinforced concrete beam；sustained load；The chloride ion；steel corrosion; diffusion

2016-10-10

湖北省橋梁安全監(jiān)控技術(shù)及裝備技術(shù)研究中心開(kāi)放基金(QLZX2014006)

張宇天(1991-)， 男，湖北監(jiān)利人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程

1003-4684(2017)05-0030-03

TU 375.1

A