浅谈荷载与环境对混凝土结构耐久性的影响

浅谈荷载与环境对混凝土结构耐久性的影响

氯离子对混凝土的侵蚀是导致钢筋腐蚀的主要原因。过去对氯离子在混凝土中的传输机理研究主要集中于无应力状态下的混凝土结构,而实际结构在服役过程中一般都要承受自重和一定的外荷载作用,有些结构还不可避免地要带裂缝工作。这些因素会使混凝土的内部孔隙结构发生变化,从而影响氯离子的传输和钢筋的锈蚀,国内外对此进行了一定程度的试验研究与理论分析。李伟文等和赵尚传等等对此进行了一定程度的总结,但仅限于前期试验及定性分析,对计算方法没有进行总结。李文婷等对疲劳荷载与环境因素耦合作用下的混凝土损伤进行了系统的总结。Hoseini等总结了不同荷载下混凝土的渗透性变化。在此基础上对氯离子在受荷混凝土内输运的试验与理论研究成果进行了比较全面的分析与总结,并为后续研究提出了一些建议,以期为氯离子侵蚀环境下的混凝土结构耐久性设计与评估提供参考。1混凝土渗透率随荷载及加载时间的变化渗透性是影响混凝土耐久性的首要因素,也是影响氯离子在混凝土内侵蚀速度的一个重要因素。一般来说,氯离子在渗透性越大的混凝土中侵蚀速度越快,在渗透性越小的混凝土内侵蚀速度越慢。当结构在使用过程中受一定程度的荷载作用时,其内部结构会发生变化,从而影响混凝土的渗透性。国内外对应力状态下混凝土渗透性变化(透气性、透水性)的研究主要包括荷载类型(压力、拉力、弯曲荷载),加载方式(持载、循环荷载或加载到一定程度后卸载),荷载大小(一般为极限荷载的百分比)及材料类型(普通混凝土、轻质混凝土、高性能混凝土及其他)等方面,结论如下:(1)对持载混凝土,轴向拉力会增大混凝土的渗透性;而对加载到一定程度后卸载的混凝土,只有荷载达到一定阈值才会增大混凝土的渗透性。(2)对持载混凝土,较小的轴向压力(小于30%的极限压力)会使混凝土内垂直于受力方向的微裂缝闭合,减少输运水分的通道,因此,降低其渗透速度,而较大的压力会使混凝土沿受力方向出现新的微裂缝,从而增大混凝土的渗透性(见图1)。而对于加载到一定程度后卸载的混凝土,只有达到80%～90%的极限荷载才会增大混凝土的渗透性。(3)对受弯构件,在开裂前,受拉区的渗透性随拉应力的增大而增大(见图2),而对受压区混凝土的渗透性还缺少研究。(4)混凝土受拉开裂后渗透性急剧增大,并随裂缝宽度增加而增大(见图3)。(5)在荷载作用下,水灰比越小,混凝土渗透性增加程度越大。高性能混凝土的渗透性增大程度绝对值要比普通混凝土的小,而相对值要比普通混凝土的大。而对轻质混凝土,造成其渗透性改变的临界应力水平要高于普通混凝土。(6)早龄期混凝土的渗透性受荷载影响比较明显,加载历史对早龄期混凝土的渗透性也有重大影响。由此可见,荷载对混凝土的渗透性有重要影响。由于氯离子侵蚀与混凝土的渗透性密切相关,因此,荷载对氯离子在混凝土内的侵蚀也有重要影响。国内外对此进行了一定程度的试验研究和理论分析,并得出了一些计算等效氯离子扩散系数的经验公式。2研究目前对应力作用下的氯离子传输研究包括3种荷载形式:轴向受拉、轴向受压、弯曲荷载,其中以弯曲荷载下的氯离子传输试验为主。2.1混凝土的拉应力试验和氯离子试验对混凝土试件施加轴向拉力比较困难,因此国内外对这方面的试验研究较少。Konin等采用如图4a所示的加载方法,对3种强度等级(45,80,100MPa)的混凝土梁施加不同程度的轴向拉力,然后将试件放入35g/L的NaCl盐雾室中进行干湿循环,以2周为1个循环周期,每3个月测量1次氯离子含量。结果表明:施加的拉应力越大,氯离子在混凝土内的扩散系数越大;混凝土强度等级越高,相同时间内侵入的氯离子越少。东南大学为此专门设计了一种测试氯离子在轴向受拉混凝土试件内的扩散系数的试验装置,如图5所示。2.2荷载及等级对抗氯离子侵蚀性能的影响Lim等采用如图4b所示的方法对水灰比为0.6的混凝土试件施加轴向压力,研究了持续荷载和瞬时荷载下的裂缝扩展和氯离子扩散。结果表明:当施加50%的极限荷载时,混凝土内沿加载方向的微裂缝面积明显增大,卸载后微裂缝完全闭合;持载下垂直于加载方向的氯离子扩散系数随施加荷载的增大而减小,当施加值达到极限荷载的50%时,扩散系数减小了一半左右,而瞬时荷载作用下的氯离子扩散系数几乎没有变化。试验得到不同荷载方式与荷载等级下的相对氯离子扩散系数变化(如表1所示)。Saito等通过试验研究了静载和循环荷载下的氯离子侵蚀规律。前者采用200t(196×104N)的万能试验机进行加载,加到极限荷载的30%,50%,70%,90%,100%后卸载,;后者采用20t(196×103N)的液压伺服试验装置进行加载,加载频率为300次/min,所加荷载为50%,60%,70%,80%的极限荷载,然后取出试件内一部分混凝土进行电通量测试(AASHTOT277)。试验结果表明:静力荷载作用对氯离子的侵蚀影响很小(即使荷载值达到极限的90%),而循环荷载对氯离子侵蚀有较大影响,60%以上的循环荷载就会明显增大氯离子侵蚀速度,另外,氯离子侵蚀速率随混凝土残余应变增大而增大。一些添加剂对混凝土抵抗疲劳的能力有提高作用。张武满等先对掺一定量磨细矿渣的混凝土施加40%和80%抗压强度的循环荷载,然后进行快速氯离子渗透试验。结果表明:压应力越大,氯离子在混凝土内的渗透速度越大;磨细矿渣掺量不大于30%时,对混凝土抗氯离子渗透性有很好的改善作用。蒋金洋等对钢纤维混凝土施加65%水平的轴向疲劳压力,然后进行氯离子传输试验,发现只有当疲劳次数达到250万次,才加快了氯离子在混凝土内的传输速度。2.3混凝土梁的荷载作用对受弯构件进行耐久性研究采用的加载方法有:反力架加载法、自锚法(三点或四点)、杠杆法等,如下图6所示。每种方法又可分为多种形式,如:自锚法可分为中间锚与两边锚。各种方法的优缺点如下所述。(1)反力架加载法的优点是容易控制荷载大小,且可实现多组梁同时加载;缺点是占地面积较大,加载场地需有反力槽,试验过程需有电源,因此,不能长期加载。加载过程中可控制应力或裂缝宽度。(2)自锚加载法的优点是占地面积小,加载方便,成本小,可长期加载;缺点是锚具在加载过程会发生松弛,因此在试验过程中需调整荷载,锚具一般不能重复利用。适合控制裂缝宽度。(3)杠杆加载法的优点是加载过程中荷载不发生变化,加载装置可重复利用,可长期加载;缺点是占地面积大,加载场地需有反力槽,加载装置成本较高。适合控制应力水平。试验采用的构件形式分为短梁和长梁,短梁一般采用素混凝土试件,而长梁则配有一定直径和数量的钢筋。控制因素为荷载值或跨中裂缝宽度。通过浸泡、干湿循环或者喷洒盐雾进行耐久性试验。试验所采用的NaCl溶液浓度为3%～10%,一定时间后测试其中的氯离子含量及钢筋锈蚀情形。通过对比未加载或预加载情况,研究荷载对氯离子在混凝土内传输性能及钢筋锈蚀的影响。弯曲荷载下的氯离子侵蚀研究最早始于20世纪80年代,Francois等采用三点弯曲自锚的加载方法,对一批梁喷洒盐雾或通入CO2气体,结果发现侵蚀性介质在受拉区的渗透速度显著大于在受压区的渗透速度;当裂缝宽度小于0.5mm时,侵蚀介质主要沿着裂缝与钢筋交叉渗透,渗透区域为裂缝附近的狭窄区域。长期试验表明,钢筋腐蚀的发展与裂缝宽度和裂缝本身无关,而施加在钢筋混凝土梁上的荷载对有害介质的渗透和钢筋锈蚀有一定影响,钢筋的应力水平和氯离子扩散系数之间存在幂函数关系。Li试验了2种混凝土梁,其中对模型梁采用自锚的加载方法,对足尺梁采用在悬臂的两端悬挂重物的方法加载。控制初始裂缝宽度为0.05,0.1mm和0.2mm。通过定期喷洒盐雾来进行耐久性试验。结果表明:对于宽度小于0.1mm的微观荷载裂缝,当试件处于持续荷载作用下,氯离子渗透会加速,钢筋腐蚀时间会缩短;而对于承受瞬时荷载的试件,裂缝对氯离子渗透速率和钢筋腐蚀时间的影响要降低,主要是当其宽度小于0.1mm时,裂缝自愈现象会影响氯离子的渗透,而对于持续荷载引起的同样宽度的裂缝,没有自愈现象产生。当裂缝宽度大于0.1mm时(宏观裂缝),裂缝本身而不是荷载对氯离子渗透性有显著影响,即在裂缝处,流动机理而不是扩散机理起主要作用,荷载和混凝土组分对钢筋腐蚀没有叠加效应,二者对钢筋腐蚀的影响机理不同。Gowripalan等也进行了相似的试验,发现受拉区的氯离子扩散系数相对大于受压区,并将之归结为受拉区骨料与水泥浆界面的脱离及受压区孔隙率的减少。何世钦等和赵尚传等对一批100mm×100mm×400mm的小梁通过自锚进行4点弯曲加载,然后放入3.5%的NaCl溶液中潮汐循环。结果表明:对混凝土梁施加荷载后,氯离子在受拉区的传输速度明显加快,而在受压区的传输速度却变慢,氯离子扩散系数随荷载增加而增大。Francois等通过对一组3m长的梁的荷载与腐蚀环境耦合作用分析,发现在受拉区骨料与水泥浆界面的脱离增大了有害离子的渗透速度。Yoon等采用如图6d所示的杠杆法加载,研究了干湿循环下无载、加载后卸载和持载梁的钢筋锈蚀情形。结果发现,相同情况下,3种梁的钢筋锈蚀速率关系由低到高低次为:无载梁,预载梁,持载梁,施加荷载越大,钢筋起锈时间越短,锈蚀速度越快,变形越大,剩余承载力越小。蒋金洋等对钢纤维混凝土在65%弯曲疲劳荷载后的氯离子含量检测发现,只有当疲劳次数达到150万次以上时,氯离子传输速率才逐渐增大。Vidala等对一批三点自锚加载的构件经过17a暴露试验,发现弯曲荷载下的裂缝不会影响受拉区钢筋的锈蚀过程,也不会对构件的耐久性寿命造成影响。另外当钢筋最先在裂缝尖端锈蚀时,锈蚀产物会堵塞裂缝,从而降低氯离子的侵蚀和钢筋的锈蚀进程。3计算方法不同目前对荷载下的混凝土结构耐久性理论研究包括氯离子侵蚀计算方法及钢筋锈蚀计算方法。由于荷载作用下的氯离子传输和钢筋锈蚀计算涉及到多方面的知识,是一个综合性的学科,机理比较复杂,因此大多数学者采用经验公式来进行计算。3.1考虑应力状态的氯离子扩散系数的计算Li等根据水在介质内的流动方式对Fick第二定律在混凝土中的应用进行了改进,作者指出,氯离子在混凝土中的扩散形式与溶液浓度有关,存在一个临界值,在此基础上提出了两种适用于受弯构件的氯离子扩散计算方法,得到了解析解,并利用试验数据进行了修正。Boulfiza等从外荷载与氯离子传输的耦合关系入手,借助热力学第二定律、化学反应及传质、传热学等知识进行了分析,经过有限元处理,得到了如下图7所示的结果。由图7可以看出,荷载作用下同一深度的氯离子含量要明显大于无荷载作用下的氯离子含量。邢峰等通过对素混凝土试件的试验结果,拟合出氯离子渗透深度与混凝土应力水平之间的关系如式(1)所示。其中:h为渗透深度(mm);x为应力水平(%),以拉为正;A为经验系数。袁承斌等通过对一组轴向受压和受弯梁的试验,拟合出不同应力水平下的氯离子扩散系数Dσ的计算公式:其中:D0为无应力状态下的氯离子有效扩散系数;σ为混凝土应力(以拉应力为正,压应力为负),MPa;A1和A2为经验系数,与受力形式、暴露条件有关。Lu等采用相同的试验方法得出了氯离子扩散系数与应力水平的关系如下。其中:fc,ft分别为混凝土的极限压应力和拉应力。而涂永明等则推荐采用如下公式进行计算:由于在设计中钢筋应力是控制裂缝的一项重要因素,因此其他一些学者则推荐采用与钢筋应力有关的计算轴向受拉钢筋混凝土试件内的氯离子扩散系数的公式:其中:σs为钢筋拉应力;A为常数。Konin等建议A=5.98×10-8,而Francois等则建议A=1.64×10-8。Gowripalan等通过试验得到不同截面处的氯离子扩散系数与不受力构件的氯离子扩散系数之比如表2所示。徐强等则推荐采用如下表3中所示的修正系数来考虑应力状态和裂缝对表观氯离子扩散系数的影响。疲劳荷载会加快氯离子的传输速率,孙伟等和蒋金洋等通过弯曲疲劳荷载和氯离子传输相结合的试验建立了如下的等效氯离子扩散系数Dfa与疲劳过程中产生的残余拉应变之间的关系。Boulfiza等经过数值计算,发现对于承受较小荷载值(小于极限荷载的60%)的梁,采用1.2的安全系数(即1.2倍的正常混凝土内的氯离子含量)可以补偿荷载或裂缝造成的影响。3.2钢筋污渍的形成公式在荷载作用下,混凝土内部孔隙结构的变化导致氯离子扩散系数发生改变,进而影响钢筋开始锈蚀时间和锈蚀量。Ohsumi等推荐采用下列公式计算荷载作用下的钢筋锈蚀:其中:q为钢筋锈蚀速率;k为常数;α0为参考速度系数;a为氯离子作用敏感度系数;c为氯离子浓度;φ为孔隙率;S为饱和度;为混凝土孔隙液中O2的浓度;E为活化能;R为普适气体常数;T和T0为试验热力学温度和初始热力学温度。4下一步的研究对国内外在不同荷载作用下氯离子在混凝土内的传输研究进行了总结,包括试验研究和理论分析。目前的研究表明,拉应力会增大氯离子的扩散系数,压应力对氯离子扩散系数的影响不明显,施加的荷载越大,氯离子传输速度越快。在相同荷载等级下,加载后卸载、持载、循环荷载对氯离子传输的影响程度为依次增大。为了简化计算或者设计过程,荷载下的氯离子传输计算可以采用等效的扩散系数进行,其数值与初始扩散系数、荷载大小及裂缝等因素有关。氯离子在受荷混凝土内的传输及钢筋锈蚀涉及到流体力学、结构力学及损伤力学等多方面