淺談荷載與環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響

淺談荷載與環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響

氯離子對混凝土的侵蝕是導(dǎo)致鋼筋腐蝕的主要原因。過去對氯離子在混凝土中的傳輸機(jī)理研究主要集中于無應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu),而實(shí)際結(jié)構(gòu)在服役過程中一般都要承受自重和一定的外荷載作用,有些結(jié)構(gòu)還不可避免地要帶裂縫工作。這些因素會(huì)使混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而影響氯離子的傳輸和鋼筋的銹蝕,國內(nèi)外對此進(jìn)行了一定程度的試驗(yàn)研究與理論分析。李偉文等和趙尚傳等等對此進(jìn)行了一定程度的總結(jié),但僅限于前期試驗(yàn)及定性分析,對計(jì)算方法沒有進(jìn)行總結(jié)。李文婷等對疲勞荷載與環(huán)境因素耦合作用下的混凝土損傷進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。Hoseini等總結(jié)了不同荷載下混凝土的滲透性變化。在此基礎(chǔ)上對氯離子在受荷混凝土內(nèi)輸運(yùn)的試驗(yàn)與理論研究成果進(jìn)行了比較全面的分析與總結(jié),并為后續(xù)研究提出了一些建議,以期為氯離子侵蝕環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與評估提供參考。1混凝土滲透率隨荷載及加載時(shí)間的變化滲透性是影響混凝土耐久性的首要因素,也是影響氯離子在混凝土內(nèi)侵蝕速度的一個(gè)重要因素。一般來說,氯離子在滲透性越大的混凝土中侵蝕速度越快,在滲透性越小的混凝土內(nèi)侵蝕速度越慢。當(dāng)結(jié)構(gòu)在使用過程中受一定程度的荷載作用時(shí),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化,從而影響混凝土的滲透性。國內(nèi)外對應(yīng)力狀態(tài)下混凝土滲透性變化(透氣性、透水性)的研究主要包括荷載類型(壓力、拉力、彎曲荷載),加載方式(持載、循環(huán)荷載或加載到一定程度后卸載),荷載大小(一般為極限荷載的百分比)及材料類型(普通混凝土、輕質(zhì)混凝土、高性能混凝土及其他)等方面,結(jié)論如下:(1)對持載混凝土,軸向拉力會(huì)增大混凝土的滲透性;而對加載到一定程度后卸載的混凝土,只有荷載達(dá)到一定閾值才會(huì)增大混凝土的滲透性。(2)對持載混凝土,較小的軸向壓力(小于30%的極限壓力)會(huì)使混凝土內(nèi)垂直于受力方向的微裂縫閉合,減少輸運(yùn)水分的通道,因此,降低其滲透速度,而較大的壓力會(huì)使混凝土沿受力方向出現(xiàn)新的微裂縫,從而增大混凝土的滲透性(見圖1)。而對于加載到一定程度后卸載的混凝土,只有達(dá)到80%～90%的極限荷載才會(huì)增大混凝土的滲透性。(3)對受彎構(gòu)件,在開裂前,受拉區(qū)的滲透性隨拉應(yīng)力的增大而增大(見圖2),而對受壓區(qū)混凝土的滲透性還缺少研究。(4)混凝土受拉開裂后滲透性急劇增大,并隨裂縫寬度增加而增大(見圖3)。(5)在荷載作用下,水灰比越小,混凝土滲透性增加程度越大。高性能混凝土的滲透性增大程度絕對值要比普通混凝土的小,而相對值要比普通混凝土的大。而對輕質(zhì)混凝土,造成其滲透性改變的臨界應(yīng)力水平要高于普通混凝土。(6)早齡期混凝土的滲透性受荷載影響比較明顯,加載歷史對早齡期混凝土的滲透性也有重大影響。由此可見,荷載對混凝土的滲透性有重要影響。由于氯離子侵蝕與混凝土的滲透性密切相關(guān),因此,荷載對氯離子在混凝土內(nèi)的侵蝕也有重要影響。國內(nèi)外對此進(jìn)行了一定程度的試驗(yàn)研究和理論分析,并得出了一些計(jì)算等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。2研究目前對應(yīng)力作用下的氯離子傳輸研究包括3種荷載形式:軸向受拉、軸向受壓、彎曲荷載,其中以彎曲荷載下的氯離子傳輸試驗(yàn)為主。2.1混凝土的拉應(yīng)力試驗(yàn)和氯離子試驗(yàn)對混凝土試件施加軸向拉力比較困難,因此國內(nèi)外對這方面的試驗(yàn)研究較少。Konin等采用如圖4a所示的加載方法,對3種強(qiáng)度等級(45,80,100MPa)的混凝土梁施加不同程度的軸向拉力,然后將試件放入35g/L的NaCl鹽霧室中進(jìn)行干濕循環(huán),以2周為1個(gè)循環(huán)周期,每3個(gè)月測量1次氯離子含量。結(jié)果表明:施加的拉應(yīng)力越大,氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)越大;混凝土強(qiáng)度等級越高,相同時(shí)間內(nèi)侵入的氯離子越少。東南大學(xué)為此專門設(shè)計(jì)了一種測試氯離子在軸向受拉混凝土試件內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)裝置,如圖5所示。2.2荷載及等級對抗氯離子侵蝕性能的影響Lim等采用如圖4b所示的方法對水灰比為0.6的混凝土試件施加軸向壓力,研究了持續(xù)荷載和瞬時(shí)荷載下的裂縫擴(kuò)展和氯離子擴(kuò)散。結(jié)果表明:當(dāng)施加50%的極限荷載時(shí),混凝土內(nèi)沿加載方向的微裂縫面積明顯增大,卸載后微裂縫完全閉合;持載下垂直于加載方向的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨施加荷載的增大而減小,當(dāng)施加值達(dá)到極限荷載的50%時(shí),擴(kuò)散系數(shù)減小了一半左右,而瞬時(shí)荷載作用下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)幾乎沒有變化。試驗(yàn)得到不同荷載方式與荷載等級下的相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化(如表1所示)。Saito等通過試驗(yàn)研究了靜載和循環(huán)荷載下的氯離子侵蝕規(guī)律。前者采用200t(196×104N)的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載,加到極限荷載的30%,50%,70%,90%,100%后卸載,;后者采用20t(196×103N)的液壓伺服試驗(yàn)裝置進(jìn)行加載,加載頻率為300次/min,所加荷載為50%,60%,70%,80%的極限荷載,然后取出試件內(nèi)一部分混凝土進(jìn)行電通量測試(AASHTOT277)。試驗(yàn)結(jié)果表明:靜力荷載作用對氯離子的侵蝕影響很小(即使荷載值達(dá)到極限的90%),而循環(huán)荷載對氯離子侵蝕有較大影響,60%以上的循環(huán)荷載就會(huì)明顯增大氯離子侵蝕速度,另外,氯離子侵蝕速率隨混凝土殘余應(yīng)變增大而增大。一些添加劑對混凝土抵抗疲勞的能力有提高作用。張武滿等先對摻一定量磨細(xì)礦渣的混凝土施加40%和80%抗壓強(qiáng)度的循環(huán)荷載,然后進(jìn)行快速氯離子滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明:壓應(yīng)力越大,氯離子在混凝土內(nèi)的滲透速度越大;磨細(xì)礦渣摻量不大于30%時(shí),對混凝土抗氯離子滲透性有很好的改善作用。蔣金洋等對鋼纖維混凝土施加65%水平的軸向疲勞壓力,然后進(jìn)行氯離子傳輸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到250萬次,才加快了氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸速度。2.3混凝土梁的荷載作用對受彎構(gòu)件進(jìn)行耐久性研究采用的加載方法有:反力架加載法、自錨法(三點(diǎn)或四點(diǎn))、杠桿法等,如下圖6所示。每種方法又可分為多種形式,如:自錨法可分為中間錨與兩邊錨。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如下所述。(1)反力架加載法的優(yōu)點(diǎn)是容易控制荷載大小,且可實(shí)現(xiàn)多組梁同時(shí)加載;缺點(diǎn)是占地面積較大,加載場地需有反力槽,試驗(yàn)過程需有電源,因此,不能長期加載。加載過程中可控制應(yīng)力或裂縫寬度。(2)自錨加載法的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小,加載方便,成本小,可長期加載;缺點(diǎn)是錨具在加載過程會(huì)發(fā)生松弛,因此在試驗(yàn)過程中需調(diào)整荷載,錨具一般不能重復(fù)利用。適合控制裂縫寬度。(3)杠桿加載法的優(yōu)點(diǎn)是加載過程中荷載不發(fā)生變化,加載裝置可重復(fù)利用,可長期加載;缺點(diǎn)是占地面積大,加載場地需有反力槽,加載裝置成本較高。適合控制應(yīng)力水平。試驗(yàn)采用的構(gòu)件形式分為短梁和長梁,短梁一般采用素混凝土試件,而長梁則配有一定直徑和數(shù)量的鋼筋?？刂埔蛩貫楹奢d值或跨中裂縫寬度。通過浸泡、干濕循環(huán)或者噴灑鹽霧進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)所采用的NaCl溶液濃度為3%～10%,一定時(shí)間后測試其中的氯離子含量及鋼筋銹蝕情形。通過對比未加載或預(yù)加載情況,研究荷載對氯離子在混凝土內(nèi)傳輸性能及鋼筋銹蝕的影響。彎曲荷載下的氯離子侵蝕研究最早始于20世紀(jì)80年代,Francois等采用三點(diǎn)彎曲自錨的加載方法,對一批梁噴灑鹽霧或通入CO2氣體,結(jié)果發(fā)現(xiàn)侵蝕性介質(zhì)在受拉區(qū)的滲透速度顯著大于在受壓區(qū)的滲透速度;當(dāng)裂縫寬度小于0.5mm時(shí),侵蝕介質(zhì)主要沿著裂縫與鋼筋交叉滲透,滲透區(qū)域?yàn)榱芽p附近的狹窄區(qū)域。長期試驗(yàn)表明,鋼筋腐蝕的發(fā)展與裂縫寬度和裂縫本身無關(guān),而施加在鋼筋混凝土梁上的荷載對有害介質(zhì)的滲透和鋼筋銹蝕有一定影響,鋼筋的應(yīng)力水平和氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間存在冪函數(shù)關(guān)系。Li試驗(yàn)了2種混凝土梁,其中對模型梁采用自錨的加載方法,對足尺梁采用在懸臂的兩端懸掛重物的方法加載。控制初始裂縫寬度為0.05,0.1mm和0.2mm。通過定期噴灑鹽霧來進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明:對于寬度小于0.1mm的微觀荷載裂縫,當(dāng)試件處于持續(xù)荷載作用下,氯離子滲透會(huì)加速,鋼筋腐蝕時(shí)間會(huì)縮短;而對于承受瞬時(shí)荷載的試件,裂縫對氯離子滲透速率和鋼筋腐蝕時(shí)間的影響要降低,主要是當(dāng)其寬度小于0.1mm時(shí),裂縫自愈現(xiàn)象會(huì)影響氯離子的滲透,而對于持續(xù)荷載引起的同樣寬度的裂縫,沒有自愈現(xiàn)象產(chǎn)生。當(dāng)裂縫寬度大于0.1mm時(shí)(宏觀裂縫),裂縫本身而不是荷載對氯離子滲透性有顯著影響,即在裂縫處,流動(dòng)機(jī)理而不是擴(kuò)散機(jī)理起主要作用,荷載和混凝土組分對鋼筋腐蝕沒有疊加效應(yīng),二者對鋼筋腐蝕的影響機(jī)理不同。Gowripalan等也進(jìn)行了相似的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)受拉區(qū)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)相對大于受壓區(qū),并將之歸結(jié)為受拉區(qū)骨料與水泥漿界面的脫離及受壓區(qū)孔隙率的減少。何世欽等和趙尚傳等對一批100mm×100mm×400mm的小梁通過自錨進(jìn)行4點(diǎn)彎曲加載,然后放入3.5%的NaCl溶液中潮汐循環(huán)。結(jié)果表明:對混凝土梁施加荷載后,氯離子在受拉區(qū)的傳輸速度明顯加快,而在受壓區(qū)的傳輸速度卻變慢,氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨荷載增加而增大。Francois等通過對一組3m長的梁的荷載與腐蝕環(huán)境耦合作用分析,發(fā)現(xiàn)在受拉區(qū)骨料與水泥漿界面的脫離增大了有害離子的滲透速度。Yoon等采用如圖6d所示的杠桿法加載,研究了干濕循環(huán)下無載、加載后卸載和持載梁的鋼筋銹蝕情形。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相同情況下,3種梁的鋼筋銹蝕速率關(guān)系由低到高低次為:無載梁,預(yù)載梁,持載梁,施加荷載越大,鋼筋起銹時(shí)間越短,銹蝕速度越快,變形越大,剩余承載力越小。蔣金洋等對鋼纖維混凝土在65%彎曲疲勞荷載后的氯離子含量檢測發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)疲勞次數(shù)達(dá)到150萬次以上時(shí),氯離子傳輸速率才逐漸增大。Vidala等對一批三點(diǎn)自錨加載的構(gòu)件經(jīng)過17a暴露試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)彎曲荷載下的裂縫不會(huì)影響受拉區(qū)鋼筋的銹蝕過程,也不會(huì)對構(gòu)件的耐久性壽命造成影響。另外當(dāng)鋼筋最先在裂縫尖端銹蝕時(shí),銹蝕產(chǎn)物會(huì)堵塞裂縫,從而降低氯離子的侵蝕和鋼筋的銹蝕進(jìn)程。3計(jì)算方法不同目前對荷載下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論研究包括氯離子侵蝕計(jì)算方法及鋼筋銹蝕計(jì)算方法。由于荷載作用下的氯離子傳輸和鋼筋銹蝕計(jì)算涉及到多方面的知識,是一個(gè)綜合性的學(xué)科,機(jī)理比較復(fù)雜,因此大多數(shù)學(xué)者采用經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行計(jì)算。3.1考慮應(yīng)力狀態(tài)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算Li等根據(jù)水在介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)方式對Fick第二定律在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn),作者指出,氯離子在混凝土中的擴(kuò)散形式與溶液濃度有關(guān),存在一個(gè)臨界值,在此基礎(chǔ)上提出了兩種適用于受彎構(gòu)件的氯離子擴(kuò)散計(jì)算方法,得到了解析解,并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。Boulfiza等從外荷載與氯離子傳輸?shù)鸟詈详P(guān)系入手,借助熱力學(xué)第二定律、化學(xué)反應(yīng)及傳質(zhì)、傳熱學(xué)等知識進(jìn)行了分析,經(jīng)過有限元處理,得到了如下圖7所示的結(jié)果。由圖7可以看出,荷載作用下同一深度的氯離子含量要明顯大于無荷載作用下的氯離子含量。邢峰等通過對素混凝土試件的試驗(yàn)結(jié)果,擬合出氯離子滲透深度與混凝土應(yīng)力水平之間的關(guān)系如式(1)所示。其中:h為滲透深度(mm);x為應(yīng)力水平(%),以拉為正;A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。袁承斌等通過對一組軸向受壓和受彎梁的試驗(yàn),擬合出不同應(yīng)力水平下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dσ的計(jì)算公式:其中:D0為無應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子有效擴(kuò)散系數(shù);σ為混凝土應(yīng)力(以拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)),MPa;A1和A2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),與受力形式、暴露條件有關(guān)。Lu等采用相同的試驗(yàn)方法得出了氯離子擴(kuò)散系數(shù)與應(yīng)力水平的關(guān)系如下。其中:fc,ft分別為混凝土的極限壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。而涂永明等則推薦采用如下公式進(jìn)行計(jì)算:由于在設(shè)計(jì)中鋼筋應(yīng)力是控制裂縫的一項(xiàng)重要因素,因此其他一些學(xué)者則推薦采用與鋼筋應(yīng)力有關(guān)的計(jì)算軸向受拉鋼筋混凝土試件內(nèi)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的公式:其中:σs為鋼筋拉應(yīng)力;A為常數(shù)。Konin等建議A=5.98×10-8,而Francois等則建議A=1.64×10-8。Gowripalan等通過試驗(yàn)得到不同截面處的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與不受力構(gòu)件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)之比如表2所示。徐強(qiáng)等則推薦采用如下表3中所示的修正系數(shù)來考慮應(yīng)力狀態(tài)和裂縫對表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。疲勞荷載會(huì)加快氯離子的傳輸速率,孫偉等和蔣金洋等通過彎曲疲勞荷載和氯離子傳輸相結(jié)合的試驗(yàn)建立了如下的等效氯離子擴(kuò)散系數(shù)Dfa與疲勞過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)變之間的關(guān)系。Boulfiza等經(jīng)過數(shù)值計(jì)算,發(fā)現(xiàn)對于承受較小荷載值(小于極限荷載的60%)的梁,采用1.2的安全系數(shù)(即1.2倍的正常混凝土內(nèi)的氯離子含量)可以補(bǔ)償荷載或裂縫造成的影響。3.2鋼筋污漬的形成公式在荷載作用下,混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致氯離子擴(kuò)散系數(shù)發(fā)生改變,進(jìn)而影響鋼筋開始銹蝕時(shí)間和銹蝕量。Ohsumi等推薦采用下列公式計(jì)算荷載作用下的鋼筋銹蝕:其中:q為鋼筋銹蝕速率;k為常數(shù);α0為參考速度系數(shù);a為氯離子作用敏感度系數(shù);c為氯離子濃度;φ為孔隙率;S為飽和度;為混凝土孔隙液中O2的濃度;E為活化能;R為普適氣體常數(shù);T和T0為試驗(yàn)熱力學(xué)溫度和初始熱力學(xué)溫度。4下一步的研究對國內(nèi)外在不同荷載作用下氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸研究進(jìn)行了總結(jié),包括試驗(yàn)研究和理論分析。目前的研究表明,拉應(yīng)力會(huì)增大氯離子的擴(kuò)散系數(shù),壓應(yīng)力對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響不明顯,施加的荷載越大,氯離子傳輸速度越快。在相同荷載等級下,加載后卸載、持載、循環(huán)荷載對氯離子傳輸?shù)挠绊懗潭葹橐来卧龃蟆榱撕喕?jì)算或者設(shè)計(jì)過程,荷載下的氯離子傳輸計(jì)算可以采用等效的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行,其數(shù)值與初始擴(kuò)散系數(shù)、荷載大小及裂縫等因素有關(guān)。氯離子在受荷混凝土內(nèi)的傳輸及鋼筋銹蝕涉及到流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)及損傷力學(xué)等多方面