裂缝对混凝土内氯离子扩散的影响

裂缝对混凝土内氯离子扩散的影响

混凝土结构在服务过程中面临着各种各样的耐久性问题。其中，氯离子入侵引起的钢筋腐蚀和混凝土保护层断裂最为严重。国内和国外的科学家对氯离子在混凝土中的传播进行了大量研究，得出了一些相对成熟的结论。然而，这些研究和结论很少考虑裂缝的影响。在实际使用负荷和环境条件下，混凝土结构中经常出现各种形式的裂缝。0.1mm（ceb-fip模型代码90）和0.4mm（acicormi222）之间的裂缝宽度可以允许一定宽。裂缝对混凝土结构的耐久性，尤其是氯离子的入侵有一定的影响。通过预测不同裂缝宽度下氯离子的质量比，可以提高结构的耐久性，这是值得的。因此，有必要在这方面进行研究。国内、外一些学者从不同角度对开裂混凝土内的氯离子传输进行了一些理论研究,如:Boulfiza等人从裂隙的对流-扩散机理出发,分别得出了饱和状态时裂缝处与基体处的氯离子扩散,但没有考虑裂缝宽度对裂缝内氯离子扩散系数Dcr的影响,而事实证明,在一定宽度范围内,这两者是有关系的;Li等人从流体力学角度对开裂混凝土内的氯离子扩散进行了研究,但计算过程需要采用迭代法,这两种方法均没有考虑裂缝自愈的影响,是理想状态下的扩散,因此不适合工程应用.另外,一些学者提出用等效扩散系数来近似分析[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],这种方法对裂缝附近区域近似效果较好,而对距离裂缝较远区域会产生较大误差,结果偏于保守.由于单一裂缝下氯离子扩散的研究是多裂缝下扩散研究的基础,因此,笔者首先研究氯离子在单一裂缝下扩散的简化计算方法.一般来说,混凝土内裂缝宽度随深度发生变化,深度越深,宽度越小.但对保护层部分的裂缝来说,其宽度变化很小,可以近似看作同一宽度.而对混凝土结构影响较大的是保护层部分的裂缝,因此,只要分析裂缝宽度不随位置变化时的氯离子扩散.1混凝土裂缝时的传输氯离子在混凝土中的传输有多种方式,如:扩散、对流和电迁移等.这些传输均发生在混凝土的孔隙液中,通过连通孔隙进行传递,其中以扩散最为常见,研究也最多.当混凝土出现裂缝时,氯离子的传输会发生一定的变化,包括扩散系数与扩散表面的变化.1.1裂缝宽度及环境条件存在着裂缝放线条件的基由于裂缝处面积较小,因此直接测定裂缝处氯离子扩散系数比较困难.国内、外都是通过间接的方法来得到裂缝处的氯离子扩散系数.将开裂混凝土中的氯离子扩散分为两部分:完整试件中的扩散与裂缝处的扩散,如图1所示.根据通量等效原理,可以得到公式:D=D0+DcrAcr/A.(1)D=D0+DcrAcr/A.(1)式中:D,D0分别为开裂试件、完整试件的氯离子扩散系数,可由试验数据拟合得到;A,Acr为完整试件及裂缝的面积,可通过实测得到.由此可以得出裂缝处扩散系数的计算公式:Dcr=(D-D0)A/Acr.(2)Dcr=(D−D0)A/Acr.(2)利用通量等效原理,国内、外学者对Dcr进行了大量的试验研究,发现Dcr与材料无关,只与裂缝宽度及环境条件有关,且存在着一些规律:1)当裂缝宽度w<w1(w1为影响扩散的裂缝宽度下限值)时,由于宽度很小,水泥后期水化产生的CaCO3等物质很容易完全堵塞裂缝(即裂缝的自愈现象),从而使裂缝对混凝土结构的抗氯离子侵蚀性无影响,Dcr=D0,如图2(a)所示.2)当w1≤w≤w2(w2为影响扩散的裂缝宽度上限值)时,一方面离子会沿裂缝扩散,另一方面由于裂缝宽度较小,裂缝壁会对离子扩散产生阻力,且部分区域会发生自愈,从而减小其扩散速度,因此,Dcr介于D0与DH2O(DH2O为相同环境下氯离子在溶液中的扩散系数)之间,且随裂缝宽度增加而增大.此时,氯离子既沿着裂缝扩散,又通过裂缝壁向混凝土内扩散,在一定时间内裂缝面上的氯离子的质量分数会小于暴露表面的氯离子的质量分数,因此在相同深度处,通过裂缝面侵入的氯离子会小于沿暴露表面侵入的氯离子(如图2(b)所示).3)当w>w2时,后期水化产物的生成不能堵塞裂缝的任一截面,对氯离子在裂缝内的扩散没有影响,Dcr=DH2O.由于DH2O(室温下6%的NaCl溶液中约为1.25×10-9m2/s)远大于D0(10-12m2/s),因此氯离子会很快在裂缝内达到稳定,然后向裂缝壁两侧的混凝土内扩散.此时可以忽略氯离子沿裂缝的扩散过程,只考虑垂直于裂缝面的扩散.氯离子在裂缝附近的混凝土内呈二维扩散(如图2(c)所示).许多学者对w1与w2的值进行了研究,其结果见表1.因试验数据有限,故笔者暂且依据表1采用w1=30μm,w2=100μm.当w介于这两者之间时,Dcr随裂缝宽度增加而增大,并与扩散方式、温度等有关.Djerbi采用劈裂的方法产生裂缝,得出了常温下(20±5℃)稳态扩散时的Dcr(如图3所示),其中:氯离子的浓度为0.513mol/L.对数据进行拟合可得到经验公式:Dcr=16.9-27.4exp(-0.0176w).(3)Dcr=16.9−27.4exp(−0.0176w).(3)式中:w的单位为μm;Dcr的单位为10-10m2/s.此式可用于一般环境下裂缝宽度在30μm与100μm之间Dcr的计算.1.2氯离子扩散方程由于裂缝处的氯离子扩散系数与裂缝宽度有关,因此,需分别对不同宽度下的裂缝附近氯离子的扩散行为进行分析.以图4所示的试件为例,裂缝宽度以w表示,深度以h表示,取表面开裂点为计算原点,假设试件内的初始氯离子的质量分数为0%,且只考虑氯离子从上表面扩散的情形,其分析过程为:1)当w<w1时,Dcr=D0,裂缝对氯离子的扩散没有影响,此时裂缝处氯离子扩散的计算方法与正常混凝土的相同.氯离子只沿y方向扩散,根据Fick第二定律,可得时间t任一深度y内氯离子的质量分数C(y,t)为:C(y,t)=Cs⋅[1-erf(y2√Dt)].(4)C(y,t)=Cs⋅[1−erf(y2Dt√)].(4)式中:Cs为表面氯离子的质量分数;D为氯离子扩散系数;erf为误差函数,erf(z)=2√π(z)=2π√∫z0exp(-x2)dx.2)当w1≤w≤w2时,Dcr随裂缝宽度增加而增大,取值如式(3)所示,时间为t、深度为y处裂缝中氯离子的质量分数Ccr(y,t)为:Ccr(y,t)=Cs⋅[1-erf(y2√Dcrt)].(5)以此作为氯离子在y深度内沿垂直于裂缝面方向扩散的表面质量分数.由于氯离子同时会由暴露表面入侵,因此氯离子会在裂缝附近呈二维扩散.扩散方程为:∂C∂t=D∂2C∂x2+D∂2C∂y2.(6)边界条件为:C(x,y,0)=C0=0;C(0,y,t)=Ccr(y,t);C(x,0,t)=Cs.(7)由于沿x方向和y方向扩散的表面浓度不同,因此无法用解析解表达,可以采用带有扩散分析功能的有限元软件(如:ComsolMultiphysics等)来计算.3)当w>w2时,将裂缝面当作扩散表面进行计算,其表面质量分数与暴露表面质量分数相同,扩散方程如式(6),时间t任一位置(x,y)的氯离子质量分数可表示为(只考虑x>0的情况):C(x,y,t)=Cs⋅[1-erf(x2√Dt)erf(y2√Dt)].(8)2初始扩散方向采用图4中所示的试件进行计算.假设保护层厚度为30mm,当裂缝宽度介于30～100μm之间时,用有限元软件ComsolMultiphysics里的扩散功能进行分析.假设表面氯离子质量分数为1,裂缝深度为30mm,分别计算浸泡10d和1a后裂缝宽度为10,30,60,90,120μm时氯离子在开裂区域沿裂缝方向的扩散(y方向)和在钢筋表面沿垂直裂缝面方向的扩散(x方向).2.1裂缝宽度的影响以开裂点为起点,10d和1a后氯离子沿y方向扩散的结果如图5所示.从图5可以看出,当侵蚀时间较小时,裂缝宽度对y方向的氯离子质量分数影响较大,同一深度内的氯离子质量分数随裂缝宽度增加而增大,且随宽度变化比较敏感;当侵蚀时间较长时,较大裂缝宽度(约大于50μm)下的扩散相似,且每一深度内的的氯离子质量分数相近.2.2裂缝宽度对氯离子质量分数的影响受拉钢筋位置处(一般为30mm左右),30d和1a后氯离子沿垂直于裂缝面方向的扩散结果如图6所示.从图6可以看出,当侵蚀时间较小时,氯离子质量分数随裂缝宽度增加而增大,变化比较敏感;当侵蚀时间较长时,氯离子在不同裂缝宽度(w>0.03mm)下的扩散相近,变化不敏感.此可以称为裂缝宽度的“短期效应”,即当裂缝宽度>0.03mm时,短期内的氯离子扩散随裂缝宽度变化较大,而长期扩散随裂缝宽度变化较小.3试验与计算条件的对比目前对氯离子沿垂直于裂缝面扩散的研究比较少.Ismail采用类似于膨胀螺栓原理的方法来对四周约束圆柱形砂浆试件加载,产生不同宽度的裂缝,再将试件的上、下表面暴露在NaOH、KOH和NaCl的混合溶液(其中NaCl浓度为0.564mol/L)中,14d后将试件沿开裂面劈开,通过研磨取样的办法来获得中间部分不同深度内的粉样(取样位置确保氯离子没有从暴露表面侵入),然后用0.1mol/L的AgNO3溶液滴定法来测试不同深度内的自由氯离子的质量分数,试验同时得到了初始的质量分数和垂直于暴露表面的质量分数分布.笔者根据试验数据拟合来获得初始氯离子的质量分数、表面氯离子的质量分数及表观扩散系数(由于暴露时间较小,因此不考虑暴露表面氯离子的质量分数、表观扩散系数随时间的变化),其数值分别为0.006%,0.3182%,0.7284mm2/d.由此可得到不同裂缝宽度下的氯离子扩散情形,试验与计算结果如图7所示.从图7可以看出,两者吻合较好.4裂缝周边混凝土内的扩散1)裂缝处的氯离子扩散系数随裂缝宽度的不同而发生变化,存在上下限值:①当w<w1时,Dcr=D0;②当w1≤w≤w2时,D0<Dcr≤DH2O,常温下表示为Dcr=16.9-27.4exp(-0.0176w);③当w>w2时,Dcr=DH2O.统计结果表明:w1=0.03mm,w2=0.1mm.2)各种情形下氯离子在裂缝附近混凝土内的扩散的计算方法为:①当w<w1时,不考虑裂缝的影响,直接采用Fick第二定律进行计算;②当w1≤w≤w2时,需同时考虑氯离子在裂缝内和沿垂直于裂缝壁方向的扩散,不过两者的表面氯离子浓度不同;③当w