钢筋混凝土初始损伤及裂缝的预防

钢筋混凝土初始损伤及裂缝的预防

0氯离子在开裂混凝土中的扩散与一般的钢筋混凝土结构相比，地下结构（如地铁隧道等）通常处于复杂的侵蚀环境中。如果没有修复或修复，设计使用寿命通常为100年（有时更长）。为了达到该目标,地下钢筋混凝土结构必须具有足够的耐久性。因此,结构服役寿命预测模型需要考虑结构的力学性能退化机理。钢筋混凝土结构在使用期间可能遇到各种侵蚀环境,其中氯盐是危害最严重的,它不仅存在于地下水中,还存在于盐湖盐碱地、工业环境中。氯离子侵入导致钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土结构性能退化的主要原因。一方面,氯离子侵入后导致钢筋锈蚀而产生的锈蚀物体积膨胀,从而使得混凝土内部产生内应力,最后导致混凝土保护层开裂和剥落。另一方面,钢筋的锈蚀导致钢筋截面面积减小以及钢筋与混凝土的黏结力衰退,最后导致混凝土构件、甚至结构性能的退化。在氯盐腐蚀钢筋混凝土的整个过程中,氯离子首先需在水的运移下从混凝土表面向混凝土基体内部扩散,并到达钢筋处并在其表面积聚。氯离子在混凝土内部的扩散过程对氯离子浓度积累、钢筋起锈时间预测甚至整体耐久性能评价都极其关键。因此,氯离子在混凝土中的扩散问题是氯离子引起钢筋混凝土腐蚀耐久性问题中一个重要的课题。由于地下结构修建条件复杂,地下钢筋混凝土结构在形成期常具有初始损伤,此外,在结构服役期因荷载作用、不均匀沉降等因素可能导致其他裂缝的产生。初始损伤和裂缝的存在,为氯离子等侵蚀性介质的扩散提供便捷通道,因此将进一步加速氯离子的扩散,从而使钢筋混凝土的腐蚀劣化加剧。因此,研究氯离子在开裂混凝土中的扩散问题对评价钢筋混凝土腐蚀耐久性具有重要的现实意义。在过去的20年内,很多学者通过理论与试验方法研究了氯离子在开裂混凝土中的扩散规律,总结了氯离子扩散能力与裂缝宽度[8,11,12,13,14,15,16,17]、裂缝深度以及裂缝曲折度之间的规律。然而,上述研究中考虑的影响因素比较单一,无法综合的评价初始裂缝对氯离子扩散系数和扩散过程的影响。本文旨在总结带裂缝混凝土中氯离子扩散问题的研究成果,重点介绍试验方法以及裂缝参数等因素对氯离子扩散的影响,归纳带裂缝混凝土中氯离子扩散系数的表达式,运用数值方法模拟氯离子在带裂缝混凝土中的扩散全过程,全面分析裂缝宽度、裂缝深度以及侵蚀的时间对氯离子扩散过程的影响,希望能为以后带裂缝混凝土氯离子扩散研究和耐久性能评价和寿命预测提供借鉴。1裂缝宽度控制的研究试验研究中,为了研究混凝土中的裂缝形态对氯离子扩散的影响,首先要预制裂缝,学者们使用各种方法制造了不同类型的裂缝。大多研究者希望制造宽度可控的裂缝,主要采用力学加载法和预置薄片法。也有一些学者制备一些宽度不可控制的裂缝,主要通过把试块放在冻融循环、湿热交替的环境中产生随机裂缝。控制裂缝宽度主要是为了研究裂缝宽度对氯离子在混凝土裂缝中扩散的影响。宽度可控的裂缝制备的主要方法有:1.1将lvdt作为一种独立的试件,使其移动面为轴面,由于劈裂法制造裂缝简单方便,目前较多学者采用该方法预制裂缝,试验装置如图1所示。试验采用厚度大约为50mm的圆柱或圆盘试件,通过直径方向受压,在加载方向产生劈裂裂缝。为了得到预期裂缝,需在试件表面安装LVDT并采用电液伺服控制加载过程。由于卸载效应,卸载后裂缝部分愈合,因此需经过若干加-卸载过程,使LVDT测量的卸载后裂缝的宽度达到预期宽度,并定为该试件的裂缝宽度w。研究表明通过劈裂法制造出的裂缝内外是等直,然而这与实际裂缝(迂回的、曲折的、粗糙的)有一定的差距。1.2缝宽度的控制该试验方法适用梁式试件,主要通过三点弯或四点弯的方式产生裂缝,开口处裂缝宽度可以采用与劈裂法类似的方法控制,或者通过施加所需裂缝宽度对应的力来控制,如图2所示。弯曲加载法可以制出单条或多条裂缝,裂的形状为V型,裂缝曲折以及裂缝面粗糙程度与实际裂缝符合度很高,而且可以在浸泡过程中持续加载。1.3拉应力及拉裂缝的控制该方法多用于断裂力学的研究。该方法先浇筑带缺口(或宏观裂缝)的混凝土试件,再通过传力装置对该试件缺口处施加荷载,使缺口(或裂缝)处产生拉应力,最后在缺口(或裂缝)尖端慢慢出现新的裂缝。由于试件形状的差异,采用该方法的加载形式也有不同,但其裂缝的宽度的控制方法与前述劈裂法和弯曲法一致。该方法制造出的裂缝是V型的,和实际裂缝相似度很高,但该方法比较复杂,而且裂缝形态不易精准控制。1.4带裂缝混凝土试件还有一些学者通过预置薄片的方式来预制不同宽度的裂缝。MARSAVINA将薄铜片插入即将硬化的混凝土中,并在约4h后移走,最后可得到如图3所示的带裂缝混凝土试件。通过插入不同尺寸的薄铜板便可得到不同宽度、深度的裂缝。该方法预制的裂缝内外等直,同时宽度和深度可以准确的控制,与实际的裂缝比起来,该预制裂缝缺少相似的曲折度、连通性、粗糙度。但是,这个方法对研究不同裂缝宽度和深度对氯离子扩散的影响是简单的、有效的。通过比较各种制造裂缝的方式,可以看出,采用弯曲加载方式制造的裂缝与实际裂缝符合度最高:裂缝呈V字形,弯曲、粗糙的表面,同时试件可以在侵蚀的过程中加载。2混凝土抗氯离子扩散性能的检测方法氯离子在混凝土中的扩散过程和扩散系数,可以采取多种方法研究与测定。按照混凝土氯离子扩散试验的测试周期,可将其分为慢速法和快速法。虽然慢速法中氯离子在混凝土中的扩散情况与实际情况较相符,但测试周期较长。因而,现在试验室很少采取上述慢速法。为了能够在较短的时间内获得混凝土的抗氯离子扩散性能,各国研究人员设计开发了多种快速检测方法。虽然快速试验方法与真实过程有差别,但是已有的研究表明在一定范围内两者具有较好的相关性,因而该试验方法被广泛采用。目前试验室常用的快速试验方法为氯离子快速迁移法及氯离子稳态迁移法。2.1混凝土试件性能RCM法主要运用电压驱使氯离子在混凝土试件中迁移,待试验结束后使用硝酸银溶液滴定,测得扩散深度,最后根据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》计算氯离子在混凝土中的扩散系数。然而RCM法对于已受氯盐侵蚀和碳化影响的混凝土试件无法进行试验测量。张士萍等通过试验发现用RCM评价氯离子在带裂缝混凝土中的扩散性不可取,主要是由于裂缝位置与无裂缝位置的扩散深度相差较大,并且裂缝侧面和裂缝尖端的扩散深度也不一致,因此很难精确测量出氯离子扩散深度,由此计算所得的氯离子扩散系数误差较大。2.2氯离子在开裂混凝土中的扩散系数稳态迁移法是通过外加电场驱动离子迁移,试验装置如图4,待离子浓度变化趋于稳定时,通过测定的电量来计算在开裂混凝土中氯离子的扩散系数。张士萍等经过一系列的推导最终得出氯离子稳态迁移下的扩散系数:参数详见文献。该方程主要根据最终稳态时下游溶液池(NaOH溶液)中氯离子的浓度值以及迁移过程中的电流来计算氯离子在开裂混凝土中的扩散系数。JANG通过通量相等的原理推导出在开裂混凝土中氯离子的扩散系数,如下式:式中的字母除了U为电压(定值),c1为上游溶液中氯离子的浓度(NaCl溶液),其余字母的含义和上式一样,该公式主要根据上游浓度的变化率来计算氯离子的扩散系数。其实选择上游或下游氯离子浓度变化率都可以计算氯离子的迁移系数,但选择上游氯离子浓度的变化率来计算氯离子扩散系数可避免正极的化学反应的影响,同时上游氯离子浓度达到稳定所需的时间小于下游氯离子浓度达到稳定所需的时间。3应用氯离子浸泡时间的影响影响氯离子在开裂混凝土中扩散的因素很多,譬如:裂缝的宽度、深度、曲折度、掺合料、水灰比以及暴露的环境和时间等,其中暴露的环境和时间对氯离子扩散影响规律和完好混凝土一样。WIN等通过试验研究发现随着氯离子浸泡浓度的提高,氯离子的扩散深度逐渐变深,混凝土中氯离子的含量不断增大。余红发与吴庆令通过浸泡试验研究了暴露时间对氯离子扩散的影响,研究表明自由氯离子浓度随浸泡时间增加而增加。金伟良等通过数值方法来研究了氯离子的扩散随侵蚀时间变化规律,研究发现氯离子在混凝土中的质量分数随服役时间的增加而增加。其他因素的影响对氯离子在开裂混凝土中扩散有着特殊的规律,这需要我们进一步探讨。3.1裂缝宽度对deq和dcr的影响在众多影响因素中,裂缝宽度对氯离子在开裂混凝土中扩散是最为重要。和完好混凝土类似,采用扩散系数表示氯离子在开裂混凝土中扩散的快慢。在开裂混凝土中,氯离子的扩散能力可用裂缝中氯离子扩散系数Dcr和等效扩散系数Deq表示。其中,裂缝中氯离子扩散系数Dcr指氯离子在裂缝中溶液内的扩散系数;此外,为了简便表征带裂缝混凝土整体的氯离子扩散特性,我们可采用等效扩散系数Deq来表示氯离子在开裂混凝土中的扩散能力。裂缝宽度对氯离子扩散快慢的影响可通过裂缝宽度与氯离子扩散系数之间的关系来体现。近年来,国内外学者采用试验及数值模拟等方法研究了氯离子在开裂混凝土中扩散过程随裂缝宽度变化的规律,并得到了一些结论。KWON等通过现场实测裂缝宽度,利用拟合方法得到混凝土的等效扩散系数Deq与裂缝宽度w之间的关系。PARK通过非稳态试验测得氯离子的扩散深度,并通过计算得出开裂缝混凝土中氯离子的扩散系数。研究发现氯离子扩散系数随裂缝宽度增长而增长,同时发现裂缝宽度对氯离子扩散系数的影响大于养护龄期的影响。JANG等通过理论分析与稳态迁移试验相结合的方式研究了氯离子在带裂缝混凝土中的扩散,结果发现当裂缝宽度w大于0.08mm时Deq开始增长,同时发现Dcr是氯离子在溶液中扩散系数D0的0.06~0.2倍。TUOMI等通过试验分别研究了氯离子在带裂缝砖以及开裂混凝土中的扩散性能。研究表明,当砖块裂缝宽度w大于0.06mm时,氯离子的扩散过程等同于自由边界(氯离子在溶液中扩散),而当裂缝宽度w在0.053mm以下时,氯离子的扩散能力显著降低。混凝土材料的自愈合可以使材料的抗氯离子侵蚀得到很大的恢复,但对于材料的强度恢复十分有限。ISMAIL等通过试验研究带裂缝砂浆中氯离子的扩散性能。研究表明,当裂缝w大于0.2mm时,氯离子的扩散等同于自由边界;当裂缝宽度w在0.08~0.1mm之间时,氯离子的扩散仍然发生,但其扩散过程较为缓慢,扩散深度约减小一半;当裂缝宽度w小于0.03mm时,氯离子在裂缝中几乎不扩散,这主要是由于裂缝的自愈合效应阻滞了氯离子在缝中的扩散。TAKEWAKA等考虑到初始裂缝对离子扩散的影响建立了氯离子侵蚀下的混凝土劣化模拟模型。结果表明,氯离子在缝中扩散存在阈值,当裂缝宽度w小于0.05mm时,裂缝对氯离子的扩散系数影响很小;当裂缝宽度w在0.05~0.1mm之间时,离子扩散系数显著增大(约为10倍);当裂缝宽度w大于0.1mm时,扩散系数增大更为明显(约1000倍)。DJERBI通过试验研究了在具有不同裂缝宽度的普通混凝土以及高强混凝土中氯离子中扩散。该文献中运用稳态迁移的方法测得的氯离子在裂缝混凝土中的扩散系数Dcr与w之间的关系很典型,能很好的反映Dcr随w变化的趋势,其关系如图5。同时根据数据拟合得出Dcr与裂缝宽度w之间关系的表达式,如式(3)所示。从图5以及式(3)可以看到当裂缝宽度w在0.03~0.1mm之间时氯离子在裂缝中的扩散系数Dcr和裂缝宽度w呈线性关系,Dcr随裂缝宽度w增大而增大;当裂缝宽度w大于0.1mm时,氯离子在裂缝中扩散系数Dcr达到最大值且保持不变,同时从图5中可以看出掺合料的有无以及掺和料的种类对Dcr与w之间的关系曲线没有影响。目前学者们对裂缝上下阀值做了较多的研究,其结果如表1所示。从表中可以看出裂缝的下阀值与上阀值大致为:w1=30~55μm,w2=60~125μm。根据上述研究成果可以总结得出氯离子在裂缝中的扩散系数Dcr与裂缝宽度w之间的关系存在一个共同的特点,如图6所示。Dcr随着裂缝宽度变化时,裂缝宽度有两个阀值,即下阀值w1和上阀值w2。当裂缝宽度w<w1时,氯离子在裂缝中的扩散系数Dcr等于氯离子在完好混凝土中的扩散系数Dm,如图6(a)所示。此时裂缝壁对氯离子的阻滞效应占侵入氯离子总数的绝大部分,且由于裂缝的自愈现象,使裂缝对混凝土结构的中氯离子扩散无影响。当w>w2时,氯离子在裂缝中的扩散系数Dcr等于氯离子在自由溶液中的扩散系数D0,如图6(c)所示。此时后期水化产物的生成不能堵塞裂缝的任一部分,且裂缝壁阻碍的氯离子只占很小一部分,对氯离子在裂缝内的扩散没有影响,Dcr接近定值D0。当w1≤w≤w2时,Dcr随w增大而增大而变化,当w等于w1时Dcr等于Dm,当w增大到w2时Dcr等于D0,即Dm≤Dcr≤D0,如图6(b)所示。此时一方面离子会沿裂缝扩散,另一方面由于裂缝宽度较小,因此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Dm与D0之间,且随裂缝宽度增加而增大。3.2裂缝深度对氯离子扩散规律的影响MARSAVINA等根据RCM法测定的氯离子在裂缝混凝土中的扩散深度来研究不同裂缝深度对氯离子在裂缝混凝土中扩散规律的影响,研究发现氯离子沿混凝土断面的扩散深度随着裂缝深度增大而增大,但相对扩散深度(扩散深度与裂缝深度之差)却随深度深度增大而减小。3.3裂缝曲折性对氯离子的影响裂缝的曲折度增大将延长氯离子的扩散路径,且裂缝壁的阻碍作用也相应增大,因此会减缓氯离子在裂缝内的扩散速度。但是,由于氯离子在裂缝内的扩散速度要远大于在混凝土的扩散速度,因此由于裂缝曲折性对氯离子造成的阻碍作用相对较小。同时裂缝壁是呈一定粗糙性的,裂缝越粗糙,裂缝壁与溶液接触的面积越大,对氯离子的阻碍作用也越大,相应的扩散系数就越小,虽然目前还没有定量表达关系,计算时可采用有限元或分形法来近似模拟其不规则性。3.4水灰比对开裂缝混凝土中氯离子扩散的影响为了研究水灰比对氯离子扩散性能的影响,孙伟院士团队通过试验研究了氯离子在不同水灰比的混凝土中扩散性能,研究发现降低水灰比可以提高抗氯离子扩散性能。水灰比降低,混凝土中自由水量减少,混凝土的孔隙率降低,密实程度提高,从而氯离子不易侵入到混凝土中。WIN研究了不同的水灰比对开裂缝混凝土中氯离子扩散的影响,研究发现氯离子在裂缝混凝土的扩散性随着水灰比的提高而提高。国内外[36,37,38,39,40,41,42,43]通过试验研究了掺合料对氯离子扩散性能的影响,最后得出相似的结论,即随着掺合料含量的增加混凝土抗氯离子扩散性能不断地提高。4裂缝混凝中氯离子的扩散规律为了全面地研究氯离子在开裂混凝土中扩散全过程的特性,本研究采用数值方法模拟了氯离子在带裂缝混凝土中的扩散全过程,并主要考察了裂缝宽度和裂缝深度对氯离子扩散过程的影响。本研究所模拟的混凝土试件的高度为50mm,长度为400mm,宽度为50mm,裂缝为预置平行裂缝。将试件五面都涂上环氧树脂,只留有上表面置于浓度为100mol/m3的NaCl溶液中,如图7所示。同时为了研究裂缝宽度、裂缝深度对氯离子扩散的影响,设计了不同裂缝尺寸的试件,如表2所示。根据上述文献研究,本研究取裂缝上阀值w2为0.1mm,下阀值w1为0.03mm。当w≥0.1mm时,Dcr=D0;w<0.03mm时,Dcr=Dm。因此Dcr为:由于氯离子在完好混凝土中的扩散系数与混凝土配合比有关,为了研究氯离子在地下结构构件中的扩散,本研究试件采用上海地铁盾构管片混凝土和地铁车站的配合比来制备,如表3所示。通过RCM法测得试件的扩散系数Dm=3×10-12m2/s,同时根据文献可知D0=2.03×10-9m2/s。根据Fick第二定律,氯离子在裂缝混凝中的二维扩散方程以及边界条件为:式中:U———裂缝混凝土中氯离子的浓度,mol/m3;U0——试件与溶液接触面浓度,其值恒为100mol/m3;Dcr——氯离子在混凝土裂缝中的扩散系数。对于完好混凝土部分,相当于氯离子在裂缝宽度为0的混凝土中扩散,这样裂缝对氯离子扩散的影响就可以通过方程(4)中扩散系数来体现。经数值分析方法计算获得氯离子在带有不同裂缝宽度以及深度的混凝土试件中的扩散全过程。图8给出了氯离子在不同深度的混凝土试件中扩散1000d后,氯离子二维断面浓度的分布情况,扩散过程由表面逐步向内部进行。图9、10为不同裂缝宽度中氯离子沿裂缝中线的浓度分布情况。从图9、10中可以看出浓度分布曲线随时间推移越来越高,由此可见试件中各点的氯离子浓度随扩散时间的增加而增加,而在不同位置点,浓度的增长速率是不一样的,距离试件表面扩散源越近,氯离子浓度增长的速率越快,反之则增长缓慢。对比图9(a)及10(a)可得,随裂缝宽度变化,氯离子浓度分布也有很大的变化,在相同位置、相同时间氯离子浓度随着裂缝宽度变大而增加。同时溶度下降的速率随裂缝宽度增大而减缓。从图8中可以看出裂缝深度主要影响氯离子在裂缝周围的浓度分布,沿着深度方向氯离子的浓度越来越小,裂缝处氯离子的浓度明显大于周围完好混凝土部分。图9中可看出当裂缝宽度在上下阀值之间时,当裂缝深度的变化,氯离