金祖權(quán)，趙鐵軍，莊其昌，蔣金洋

（1.青島理工大學(xué) 土木學(xué)院，山東 青島 266033；2.江蘇省土木工程材料重點(diǎn)試驗(yàn)室，南京 211189）

海洋工程混凝土由于收縮開裂，受荷過大或腐蝕損傷，常常帶裂縫工作。為探討荷載裂縫對混凝土鋼筋銹蝕的影響關(guān)系，Gowripalan，Jaffer和Vidal等對鋼筋混凝土構(gòu)件施加彎曲荷載，以獲得0.1mm以上的裂紋，并研究了荷載裂紋對鋼筋銹蝕的影響規(guī)律[1－3]。Montes，Marsavina和 Poursaee采用薄片在素混凝土或構(gòu)件上預(yù)制了0.25mm以上的裂紋，耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明：氯離子滲透與裂縫深度密切相關(guān)，但寬度影響并不明顯；如果裂縫為順筋裂紋，則將大大加速鋼筋銹蝕，但縱筋裂紋的影響并不明顯[4－6]。為獲得裂縫寬度、粗糙度等對混凝土中水傳輸?shù)亩坑绊?。Kanematsu和張鵬利用中子照相進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)裂縫存在時(shí)，水分可以迅速遷移至裂紋尖端并向裂紋兩邊擴(kuò)散，其擴(kuò)散到裂縫尖端的時(shí)間甚至少于1min[7－8]。Wang和 Aldea通過裂縫混凝土的滲透試驗(yàn)結(jié)果表明：對于水滲透，混凝土臨界裂縫寬度為50～100μm[9－10]。

針對裂縫對混凝土中氯離子傳輸?shù)挠绊?，Djerbi，金祖權(quán)等對不同尺度的劈裂裂縫、收縮裂縫混凝土進(jìn)行氯離子穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，并獲得氯離子傳輸?shù)呐R界裂縫寬度[11－12]。但Olga對80～680μm寬裂縫混凝土的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度和粗糙度無關(guān)[13]。而 Win對裂縫寬度大于0.1mm鋼筋混凝土的毛細(xì)吸鹽試驗(yàn)表明：氯離子將沿裂縫方向迅速滲透到混凝土內(nèi)部，并沿鋼筋方向和和垂直鋼筋方向向混凝土內(nèi)部滲透[14]。顯然，裂縫影響到混凝土中的水、離子傳輸和鋼筋銹蝕，并存在一個(gè)臨界裂縫寬度。但混凝土中氯離子傳輸臨界裂縫寬度因氯離子傳輸模式、混凝土類型不同而不相同。

考慮到海洋潮汐區(qū)混凝土中氯離子傳輸機(jī)制復(fù)雜，且鋼筋混凝土腐蝕最為嚴(yán)重。本文通過實(shí)海暴露試驗(yàn)，研究了不同尺度劈裂裂縫對混凝土中氯離子傳輸和鋼筋銹蝕的影響規(guī)律，以期獲得海洋潮汐區(qū)氯離子傳輸規(guī)律，以及裂縫影響規(guī)律，從而為海洋工程混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度設(shè)計(jì)和防護(hù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及混凝土配合比

山水東岳P·O·42.5水泥（用于S1和S2）和P.I.52.5水泥（用于S3），粗骨料為青島磊鑫5～20mm的花崗巖碎石，連續(xù)級配，壓碎值小于12%。細(xì)骨料為青島大沽河砂場的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。江蘇博特聚羧酸高效減水劑，通過調(diào)整其摻量使得混凝土坍落度達(dá)到160～200mm?；炷僚浜媳燃跋鄳?yīng)強(qiáng)度測試結(jié)果如表1所示。

表1 混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

成型Φ100mm×50mm的混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用日本津島實(shí)驗(yàn)廠生產(chǎn)的電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，將混凝土試件置入自制的固定設(shè)備以防止試件受壓時(shí)發(fā)生偏心移動(dòng)。利用位移傳感器控制裂縫寬度，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到0.03mm、0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm和0.30mm左右時(shí)停止加載。卸載后再次讀出位移傳感器讀數(shù)，并利用裂縫寬度儀測試混凝土表面裂縫寬度。劈裂裂縫制備裝置如圖1（a）所示，帶裂縫混凝土試件如圖1（b）所示。對劈裂裂縫混凝土試件圓周進(jìn)行環(huán)氧樹脂封閉，然后置于青島小麥島海洋暴露站的海洋潮汐區(qū)暴露30d，沿裂縫處（裂縫兩邊5mm）和裂縫周邊（裂縫兩邊30mm）均勻取樣，混合后進(jìn)行氯離子濃度分析。

圖1 劈裂裂縫混凝土制備及氯離子深度測試方向

同時(shí)成型100mm×100mm×100mm的混凝土試件，其表面放置Φ10mm經(jīng)除銹處理的圓面鋼筋。用環(huán)氧樹脂將帶不同尺度裂縫的Φ100mm×50mm圓臺（S2系列）按照裂縫與鋼筋平行方式粘結(jié)于帶鋼筋的混凝土的試件上?；炷两M合體在海洋潮汐區(qū)暴露30d，采用硝酸銀噴涂測試裂縫面、垂直裂縫面各點(diǎn)的變色深度，取平均值視為氯離子滲透深度，如圖1（c）所示。裂縫混凝土沿交界面劈開，測試鋼筋表面的銹斑面積。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土劈裂裂縫尺度表述

混凝土在劈裂加載以及卸載后，通過位移傳感器讀出混凝土試件中間部位的變形，其結(jié)果如圖2所示。在混凝土卸載后采用裂縫寬度儀測試混凝土表面裂縫寬度，并將其與位移傳感器測試結(jié)果對照，其結(jié)果如圖3所示。

圖2 卸載后裂縫回復(fù)

由圖2可知，混凝土在卸載后，裂縫將發(fā)生明顯的回復(fù)。裂縫回復(fù)值隨裂縫寬度增加而增加，其最大回復(fù)值為0.034mm。由圖3可知：混凝土表面裂縫寬度明顯大于位移傳感器測試的裂縫寬度值，其最大差值在0.19mm左右?；炷令愋蛯ι鲜鼋Y(jié)果影響不明顯。綜合裂縫回復(fù)及試件上下表面的影響，劈裂裂縫尺度以卸載后位移傳感器獲得的裂紋寬度值為準(zhǔn)。

圖3 表面裂紋與位移傳感器

2.2 裂縫混凝土氯離子濃度分布

將混凝土試件在海洋潮汐區(qū)腐蝕30d后，采用水溶法測試裂縫處及其周邊區(qū)域自由氯離子，其結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，除了S1系列非裂紋混凝土在表層存在對流區(qū)外，其它裂縫混凝土氯離子濃度均隨深度的增加而降低，大致在10mm深度之后趨于穩(wěn)定，其傳輸規(guī)律仍可用擴(kuò)散定律進(jìn)行描述。

圖4 潮汐區(qū)裂縫混凝土氯離子分布

求出裂縫混凝土穩(wěn)定段氯離子平均值，并與非裂縫混凝土穩(wěn)定段氯離子濃度相減，從而建立穩(wěn)定段氯離子濃度差與裂縫寬度的關(guān)系，其結(jié)果如圖5所示。顯然，混凝土裂縫區(qū)域穩(wěn)定段的氯離子濃度隨裂縫寬度增加而呈指數(shù)函數(shù)增加，其關(guān)系可表示為C＝a（1－bw），其中C為穩(wěn)定段氯離子濃度差，w為裂縫寬度。而裂縫周邊區(qū)域穩(wěn)定段氯離子濃度則隨裂縫寬度增加而線性增加，但與裂縫區(qū)域氯離子增加幅度相比，其增加幅度并不明顯。

圖5 混凝土穩(wěn)定段氯離子濃度差與裂縫寬度的關(guān)系

2.3 裂縫混凝土的氯離子傳輸

依據(jù)裂縫混凝土氯離子濃度分布，按照Fick第二定律計(jì)算出裂縫混凝土的表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)，其結(jié)果如表2所示。顯然，隨裂縫寬度增加，混凝土裂縫區(qū)和裂縫周邊區(qū)域的氯離子擴(kuò)散系數(shù)相應(yīng)增加。但相比于裂縫區(qū)域，裂縫周邊混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加幅度相對較小，也即是離裂縫面越遠(yuǎn)，裂縫對氯離子傳輸影響越小。

表2 裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)（10－12 m2／s）

2.4 裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測

混凝土劈裂裂縫為貫穿線性分布，其氯離子傳輸方向與裂紋方向一致，作者在前期研究中建立了裂紋混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂紋寬度的關(guān)系，如式1所示[15]。

其中：D、Dm、DC分別為裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，無裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和氯離子在裂縫中擴(kuò)散系數(shù)，LC、Lm分別為裂縫寬度和整個(gè)基體寬度。

作者在收縮裂紋對氯離子傳輸影響研究中發(fā)現(xiàn)，裂紋對氯離子具有一定的吸附作用，假設(shè)其線性結(jié)合能力為R。因而，裂縫中氯離子擴(kuò)散系數(shù)為：。其中，氯離子在25℃水中的擴(kuò)散系數(shù)D水＝1.25×10－5cm2／s。

因此，裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度的關(guān)系如式2所示。

依據(jù)式（2）計(jì)算出不同裂縫寬度混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并與測試結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)模擬

由圖6可知，采用式（2）可以較好的模擬裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度的關(guān)系。顯然，隨裂縫寬度增加，無論是裂縫周邊還是裂縫區(qū)域，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨之線性增加。此外，在裂縫區(qū)域內(nèi)，混凝土裂縫對氯離子結(jié)合影響明顯大于裂縫周邊區(qū)域，裂縫寬度對混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響也更明顯。

依據(jù)式（2），我們可以看出裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與混凝土抗氯離子擴(kuò)散能力、裂縫密度（包括裂縫的基體寬度／裂縫寬度）、裂縫對氯離子結(jié)合性能密切相關(guān)。根據(jù)該式，建立S1系列裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫密度的關(guān)系，以及S1混凝土不同區(qū)域的氯離子擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測結(jié)果如圖7所示。顯然，當(dāng)裂縫密度小于70時(shí)，裂縫混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)將線性增加。此外，距裂縫位置越近，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加越大；裂縫越寬，其對混凝土影響范圍越大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加速度也越快。

圖7 裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)預(yù)測

2.5 裂縫混凝土氯離子滲透深度及鋼筋銹蝕

采用硝酸銀噴涂測試裂縫混凝土裂縫面和垂直裂縫面的氯離子平均滲透深度如圖8（a）所示，測試不同劈裂裂縫混凝土鋼筋表面銹蝕率，其結(jié)果如圖8（b）所示。

由圖8（a）可知，經(jīng)過30d海洋潮汐區(qū)暴露試驗(yàn)，當(dāng)裂縫寬度大于0.05mm時(shí)，氯離子沿裂縫面已將混凝土全部滲透，并沿裂縫向混凝土內(nèi)部平均滲透了20mm左右。與未開裂混凝土相比，混凝土裂縫面氯離子滲透深度增加了1.5倍，且具有二維擴(kuò)散的特征，這與氯離子擴(kuò)散系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果相符。由圖8（b）可知，潮汐區(qū)裂縫混凝土中的鋼筋均發(fā)生了不同程度的銹蝕，當(dāng)裂縫寬度大于0.05mm時(shí)，鋼筋銹蝕率將發(fā)生快速增長。此外，比較圖8（a）和圖8（b）可知，當(dāng)裂縫寬度小于等于0.05mm時(shí)，雖然氯離子滲透深度未達(dá)到鋼筋表面，但鋼筋依然發(fā)生了少量銹蝕，這表明鋼筋表面氯離子濃度已達(dá)到鋼筋銹蝕臨界濃度。因此，使用硝酸銀噴涂法不能測試臨界氯離子濃度，僅能測試大致的氯離子滲透深度。

圖8 裂縫對氯離子滲透及鋼筋銹蝕率的影響

3 結(jié) 論

1）混凝土劈裂裂縫制備過程中將發(fā)生裂縫回復(fù)現(xiàn)象，混凝土表面裂縫寬度大于位移傳感器測試的裂縫寬度值，建議以卸載后位移傳感器獲得的裂紋寬度值表征劈裂裂縫尺度。

2）海洋潮汐區(qū)裂縫混凝土氯離子傳輸仍可用擴(kuò)散定律進(jìn)行描述。但裂縫混凝土穩(wěn)定段氯離子濃度隨裂縫寬度增加而呈指數(shù)函數(shù)增加。裂縫周邊區(qū)域穩(wěn)定段氯離子濃度則隨裂縫寬度增加而線性增加，但與裂縫區(qū)域氯離子增加幅度相比，其增加幅度并不明顯。

3）裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨裂縫寬度增加而線性增加；并當(dāng)裂縫密度小于70時(shí)，裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)線性增加。距裂縫位置越近，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加越大；裂縫越寬，其對混凝土影響范圍越大。

4）劈裂裂縫寬度大于0.05mm時(shí)，經(jīng)過30d海洋潮汐區(qū)暴露，氯離子沿混凝土裂縫面滲透50mm，沿垂直裂縫面向內(nèi)平均滲透20mm左右，鋼筋表面銹蝕面積快速增加。

[1]GOWRIPALANA N，SIRIVIVATNANONB V，LIM C C.Chloride diffusivity of concrete cracked in flexure[J].Cement and Concrete Research，2000，30：725-30.

[2]SHAHZMA J JAFFER，CAROLYN M，HANSSON.Chloride-induced corrosion products of steel in crackedconcrete subjected to different loading conditions[J].Cement and Concrete Research，2009，39：116-125.

[3]VIDAL T，CASTEL A，F(xiàn)RAN?OIS R.Corrosion process and structural performance of a 17year old reinforced concrete beam stored in chloride environment[J].Cement and Concrete Research，2007，37：1551-1561.

[4]PEDRO MONTES，THEODORE W，BREMNER，et al.Influence of calcium nitrite inhibitor and crack width on corrosion of steel in high performance concrete subjected to a simulated marine environment[J].Cement ＆ Concrete Composites，2004，26：243-253.

[5]MARSAVINA L，AUDENAERT K，SCHUTTER G DE，et al.Experimental and numerical determination of the chloride penetration in cracked concrete[J].Construction and Building Materials，2009，23：264-274.

[6]AMIR POURSAEE，CAROLYN M HANSSON.The influence of longitudinal cracks on the corrosion protection afforded reinforcing steel in high performance concrete[J].Cement and Concrete Research，2008，38：1098-1105.

[7]KANEMATSU M，MARUYAMA I，NOGUCHI T，et al.Quantification of water penetration into concrete through cracks by neutron radiography [J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2009，605：154-158.

[8]張鵬，趙鐵軍，WITTMANN F H.開裂混凝土中水分侵入過程的可視化追蹤及其特征分析[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2010，38（4）：659-665.ZHANG PENG，ZHAO TIE-JUN，WITTMANN F H，et al.Visualization tracing and characteristic analysis of water invasion into cracked concrete[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2010，38（4）：659-665.

[9]WANG K，JANSEN D C，SHAH S P.permeability study of cracked concrete[J].Cement and Concrete Reaserch，1997，27（3）：381-393.

[10]ALDEA C M，SHAH S P，KARR A.Permeability of cracked concrete[J].Rilem Material Structure，1999，32：370-376.

[11]DJERBI A，BONNET S，KHELIDJ A.Influence of traversing crack on chloride diffusion into concrete[J].Cement and Concrete Research，2008（38）：877-883.

[12]金祖權(quán)，侯保榮，趙鐵軍，等.收縮裂縫對混凝土氯離子滲透及碳化的影響 [J].土木建筑與環(huán)境工程，2011，33（1）：7-11.JIN ZU-QUAN，HOU BAO-RONG，ZHAO TIE-JUN，et al.Influence of shrinkage cracks on chloride penetration and crabonation of concrete[J].Journal of Civil，Architectural＆Environmental Engineering，2011，33（1）：7-11.

[13]OLGA G R，HOOTON R D.Influence of cracks on chloride ingress into concrete[J].Journal of ACI Materials，2003，100（2）：120-126.

[14]PA PA WIN，MAKIKO WATANABE，ATSUHIKO MACHIDA.Penetration profile of chloride ion in cracked reinforced concrete[J].Cement and Concrete Research，2004，34：1073-1079.

[15]金祖權(quán).西北地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土的耐久性與壽命預(yù)測 [D].南京：東南大學(xué)，2006.