持續(xù)彎曲荷載作用下的混凝土中氯離子擴散系數(shù)試驗研究

持續(xù)彎曲荷載作用下的混凝土中氯離子擴散系數(shù)試驗研究

在海洋環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)性能的惡化主要是由氯化物侵蝕引起的，這不僅影響結(jié)構(gòu)的安全，而且是國家經(jīng)濟的負(fù)擔(dān)。因此，它是混凝土結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點之一。在氯鹽環(huán)境中，混凝土中的氯離子濃度差異導(dǎo)致氯離子擴散。當(dāng)進入混凝土中的氯離子達到規(guī)定濃度時，這些氯離子會破壞肌肉表面的硬化膜，并在氧氣和水的作用下腐蝕肌肉和破壞結(jié)構(gòu)。為了防止氯離子的損害，大多數(shù)國家限制了混凝土混合中的氯含量在水泥質(zhì)量的0.4%以下。氯離子在混凝土中的滲透性和擴散性決定了到達鋼筋表面的速度和數(shù)量，以及鋼筋腐蝕的準(zhǔn)備時間。換言之，氯離子通過混凝土的傳染速度是影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的重要因素。因此，研究氯離子在混凝土中的遷移過程對提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要意義。影響氯離子在混凝土中擴散的原因很多。一般來說，結(jié)構(gòu)被拉壓結(jié)構(gòu)的混凝土是具有拉壓結(jié)構(gòu)的。因此，在這項工作中，我們研究了氯離子在混凝土中的擴散和滲透規(guī)律?？紤]到連續(xù)彎曲荷載下的混凝土顆粒。1試驗總結(jié)1.1試驗加載與抗折強度彎拉強度試件為100mm×100mm×400mm的混凝土小梁.水泥:大連水泥廠生產(chǎn)的32.5普通硅酸鹽水泥;粗骨料:最大粒徑為20mm的礫石;細骨料:細度模數(shù)為2.6的河砂.混凝土的28d抗壓強度和配合比列于表1.試件澆注完畢后1d拆模,在自然條件下養(yǎng)護28d.試件編號及其數(shù)量見表2.試驗的環(huán)境條件為:不加荷載與施加荷載的混凝土均在3.5%的NaCl溶液中浸泡30,70,120,200d.施加的荷載分別為試件極限荷載(或應(yīng)力)的0.3倍和0.6倍(即荷載比為0.3,0.6).為確定試件的極限荷載,當(dāng)每批試件養(yǎng)護至28d時,取其中3個進行抗折試驗,測定它們的抗折強度(彎拉強度).加載裝置如圖1所示,其中的加力裝置用環(huán)氧樹脂做了專門的防腐處理,以防止其在試件浸泡過程中被NaCl溶液腐蝕.在試件的2個端面和3個側(cè)面涂以環(huán)氧樹脂涂層,留出1個側(cè)面作為氯離子的滲透面.試件荷載通過螺栓和鋼筋拉桿來施加,用自行制作的壓力環(huán)來測定施加的應(yīng)力,圖1中上面1個試件的上表面和下面1個試件的下表面即為試件的彎曲受拉滲透面.施加的應(yīng)力至設(shè)計值后,將試件放置在1個涂有環(huán)氧防腐層的鐵箱中,鐵箱中的NaCl溶液水平面需淹沒試件的上表面.1.2混凝土中氯離子含量測定分別在30,70,120和200d時,取出1組試件,在中間100mm區(qū)段位置(加載試件為純彎段的受拉區(qū))上,沿滲透方向按3,6,9,12,15和20mm分6層鉆取粉末試樣.根據(jù)《水運工程混凝土試驗規(guī)程》,將分層取出的混凝土粉末試樣分別過0.63mm篩,并裝入鋁土盒中,置于(105±5)°C烘箱中烘2h,取出后放入干燥器冷卻至室溫,然后測定混凝土中水溶性氯離子(自由氯離子)含量本文中的氯離子含量或氯離子濃度均指其占混凝土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù).2試驗結(jié)果與討論2.1荷載作用的影響圖2為實際測得的在試件不同深度處的氯離子含量.由圖可見,彎曲荷載作用增加了氯離子的滲透性.盡管所得結(jié)果離散性比較大,總的看來,在相同的暴露期內(nèi),各滲透深度下的氯離子含量均是荷載大的試件高于荷載小的試件和未加荷載的試件,但當(dāng)彎曲荷載較小(荷載比為0.3)時,荷載的作用不明顯.當(dāng)暴露期比較短時,如30d,荷載作用的影響也不明顯,隨著時間的增長,荷載的影響逐漸增大.為了進一步說明荷載作用的影響,圖3給出了施加荷載試件與未加荷載試件距混凝土表面6mm處氯離子含量的比較.可以看出,同一深度處的氯離子含量隨著彎曲荷載的增大而增加;在鹽溶液中浸泡時間較短時,氯離子含量受荷載的影響不明顯;隨著浸泡時間的增加,同一深度處的氯離子含量隨著荷載的增加而增加.文獻的研究也有相似的結(jié)論.2.2氯離子擴散規(guī)律通常用Fick第二定理來描述氯化物在混凝土中的擴散.距混凝土表面x處的氯離子濃度(即含量)為式中:t為時間;Dc為氯離子擴散系數(shù);cs為混凝土暴露表面上的氯離子濃度.將實測得到的氯離子濃度c(x,t)代入式(1),利用最小二乘法根據(jù)式(2)來確定Dc和cs,其中,變異系數(shù)的大小反映了氯離子計算濃度與實測濃度的離散程度.結(jié)果列于表3.式中:cc(x,t)為氯離子計算濃度;cm(x,t)為氯離子實測濃度;n為同組試件的數(shù)目;E為氯離子計算濃度與實測濃度相對誤差的平方和為變異系數(shù).由表3可見,有彎曲荷載作用試件的擴散系數(shù)均大于無荷載作用試件的擴散系數(shù),荷載比為0.3和0.6試件的擴散系數(shù)分別為無荷載試件的1.01和1.88倍,說明彎曲荷載作用可以增大氯離子的擴散速度,但是荷載較小時的影響程度不大.因此,在荷載較大時應(yīng)考慮荷載對氯離子滲透性的影響.另外,如果每組試件均根據(jù)實測的氯離子濃度用式(1)來確定擴散系數(shù)Dc,則所得結(jié)果為時間的函數(shù),即在其他條件相同時,Dc隨時間的增長而降低,如浸泡200d試件的Dc就都小于浸泡30,70和120d試件的Dc.這是因為隨著浸泡時間的增加,混凝土內(nèi)部的水泥漿體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,其孔隙率不斷縮小,使氯離子的滲透性隨之降低的緣故.因此用式(1)來預(yù)測氯離子長期濃度與實際不符,此時必須考慮時間因素的影響.以Fick第二定律為基礎(chǔ),假定氯離子擴散系數(shù)隨時間按以下規(guī)律變化式中:D1為與時間無關(guān)的氯離子擴散系數(shù);m為經(jīng)驗系數(shù).將式(3)代入式(1)得同樣利用式(2)進行優(yōu)化計算,所得到的氯離子擴散系數(shù)D1、經(jīng)驗系數(shù)m和變異系數(shù)δ列于表4.為便于比較,將根據(jù)式(1)計算的結(jié)果(不考慮時間影響)同時列于表4.經(jīng)過比較后可以發(fā)現(xiàn),考慮時間影響的變異系數(shù)較小,說明式(4)要比式(1)更符合實際.2.3拉應(yīng)力作用的影響分析表3可以看出,荷載比為0.6的試件,其擴散系數(shù)大于荷載比為0.3的試件和無荷載作用的試件,而荷載比為0.3的試件,其擴散系數(shù)也稍大于無荷載作用的試件。這說明彎曲荷載作用可以加快氯離子在混凝土中的擴散速度,因此在有荷載作用時要考慮荷載對氯離子滲透性的影響.混凝土應(yīng)力腐蝕試驗表明,遭受應(yīng)力腐蝕后混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,外部拉應(yīng)力使孔隙率有所增加,促使Cl-在混凝土中的滲透增大.特別是在鹽酸溶液(pH=2)介質(zhì)中,Cl-滲透增加,說明混凝土密實度降低,應(yīng)力腐蝕對混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的損傷比對混凝土宏觀力學(xué)強度的影響更大,在外加拉應(yīng)力作用下,混凝土中的原始裂縫會進一步擴展、延伸,當(dāng)拉應(yīng)力增大到一定程度時,還將產(chǎn)生許多新的微裂縫.由液體在固體孔隙中的轉(zhuǎn)移機理可知,孔徑的微小變化將引起液體流量較大的變化.換句話說,孔隙中鹽酸溶液的滲透速度隨應(yīng)力水平的提高而加快.因此在有外部應(yīng)力作用的情況下,氯離子在混凝土中的擴散速度加快,擴散系數(shù)增大.外部彎曲應(yīng)力作用最大值在試件跨中部分均勻分布,沿試件高度變化,由拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力.拉應(yīng)力會促進微裂縫的引發(fā)與開展,此時外部荷載的作用主要在于受拉區(qū)引起的應(yīng)力集中,這將使得局部應(yīng)力顯著增大,裂縫快速發(fā)展,尤其是在外部荷載應(yīng)力較大的情況下.因此,較大的彎曲荷載對氯離子在混凝土中的擴散影響較大.3長期彎曲荷載作用下混凝土的長期氯離子擴散規(guī)律1.混凝土浸泡時間較短時,彎曲荷載對氯離子在混凝土中的滲透性影響不大,隨