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        干濕循環(huán)狀態(tài)下PHC管樁中氯離子的傳輸研究

        2014-06-12 12:17:44韜李鏡培丁士君
        結(jié)構(gòu)工程師 2014年1期
        關(guān)鍵詞:擴(kuò)散系數(shù)管樁試塊

        呂 韜李鏡培丁士君

        (1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海200092;3.中國電力科學(xué)研究院,北京100192)

        干濕循環(huán)狀態(tài)下PHC管樁中氯離子的傳輸研究

        呂 韜1,2,*李鏡培1,2丁士君3

        (1.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092;2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海200092;3.中國電力科學(xué)研究院,北京100192)

        設(shè)計(jì)了管樁的加速腐蝕試驗(yàn),研究了裂縫和預(yù)應(yīng)力對氯離子傳輸?shù)挠绊懀⒉捎脭?shù)值模擬手段進(jìn)行對比,結(jié)果表明,管樁中氯離子濃度分布呈近似對稱的U形;裂縫的存在增大了氯離子的傳輸速率;而PHC管樁的預(yù)應(yīng)力能夠有效地抑制氯離子在混凝土中的傳輸,其效果在預(yù)應(yīng)力筋附近最為顯著;通過合理選擇模型參數(shù),數(shù)值模擬能較好地反映管樁中氯離子傳輸?shù)幕疽?guī)律。

        PHC管樁,氯離子,裂縫,預(yù)應(yīng)力,數(shù)值模擬

        1 引 言

        相對于一般的建筑工程,PHC管樁在海洋環(huán)境中長期服役,直接暴露在氯鹽的嚴(yán)重侵蝕環(huán)境中,受凍融循環(huán)[1]、干濕循環(huán)、海浪沖蝕、氯離子腐蝕等因素作用,其鋼筋極容易產(chǎn)生銹蝕導(dǎo)致樁身部位混凝土開裂和剝落,從而影響PHC管樁的使用壽命[2]。而目前對帶裂縫混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕研究大多還是處于大氣環(huán)境下的研究,在海洋環(huán)境下的研究較少,針對具有特殊制作工藝[3]和預(yù)應(yīng)力的PHC管樁的研究則更為鮮見。

        混凝土通常帶裂縫工作,并且隨著服役時(shí)間的增加,有著裂縫數(shù)目逐漸增多和寬度逐漸增大的趨勢。關(guān)于裂縫對氯離子傳輸影響的定量分析,已有學(xué)者[4,5]做了許多工作。吳用賢等[6]采用“后張法”施加預(yù)應(yīng)力,實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)預(yù)壓應(yīng)力水平小于0.3fck時(shí),氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨混凝土壓應(yīng)力的增大而減?。坏钱?dāng)預(yù)壓應(yīng)力水平超過0.3fck時(shí),擴(kuò)散系數(shù)反而隨壓應(yīng)力水平的增加而增加。因此PHC管樁的預(yù)應(yīng)力水平對其抗氯離子侵蝕耐久性的影響很值得研究。

        本文采用人工制作裂縫手段,通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M潮汐環(huán)境,研究干濕循環(huán)條件下PHC管樁中氯離子的傳輸以及預(yù)置裂縫、預(yù)應(yīng)力對氯離子傳輸?shù)挠绊?,同時(shí)運(yùn)用數(shù)值模擬手段[7]模擬實(shí)驗(yàn),為正確評估PHC管樁在海洋環(huán)境中的耐久性和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐提供了借鑒。

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

        試驗(yàn)所用原材料為水泥、砂、石、水、外加劑和工業(yè)用鹽(氯化鈉)。其主要參數(shù)如表1所示。

        表1 材料參數(shù)和配合比Table 1 M aterial parameter and them ixture ratio

        實(shí)驗(yàn)中所用的設(shè)備與儀器主要有:大型腐蝕池,PG2000型電熱鼓風(fēng)干燥箱,CABR-RCTF型氯離子含量快速測定儀,壓力機(jī),BOSCH沖擊鉆,裂縫寬度測試儀,50 m l塑料瓶若干。

        1.2 試件制作

        1)管樁制作

        試驗(yàn)PHC管樁(PHC300A型管樁)由上海軍鋒混凝土制品有限公司根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 55—2000制作(外徑300 mm,厚度60 mm),采用先張預(yù)應(yīng)力離心成型工藝高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)而成。另制作尺寸和材料與PHC管樁完全相同的的無預(yù)應(yīng)力管樁用于對比試驗(yàn)。

        2)裂縫控制

        陸中玉等[8]運(yùn)用彈性力學(xué)和材料力學(xué)計(jì)算方法,對預(yù)應(yīng)力樁進(jìn)行了沖擊計(jì)算,證明了預(yù)應(yīng)力樁受縱向沖擊時(shí)在樁內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力從而導(dǎo)致縱向裂縫的產(chǎn)生。為模擬沉樁過程中產(chǎn)生的縱向裂縫,將模型樁切割成10 cm厚的管樁試塊,用加壓劈裂裝置橫向加壓產(chǎn)生縱向裂縫(圖1),由彈性力學(xué)理論可知裂縫由橫向拉應(yīng)力產(chǎn)生。壓力機(jī)采用位移控制模式。

        圖1 產(chǎn)生縱向裂縫的壓力裝置Fig.1 Transverse cracks of pressure device

        混凝土單軸壓縮試驗(yàn)研究表明,混凝土在外力作用下的變形和破壞是內(nèi)部微裂縫發(fā)生和擴(kuò)展的過程。當(dāng)荷載在極限荷載的70%~90%之間時(shí),混凝土處于不穩(wěn)定裂縫擴(kuò)展階段[9]。試驗(yàn)通過壓力機(jī)加壓,測得10 cm厚PHC管樁試塊極限荷載為65 kN(普通管樁試塊極限荷載為48 kN)。通過進(jìn)一步試驗(yàn)得知,對PHC試塊加載至極限荷載的80%(52 kN)時(shí),持荷5 min,再勻速卸載,用裂縫寬度觀測儀測得混凝土回彈后裂縫寬度約為0.3 mm。同理對普通管樁試塊加載至極限荷載的75%(36 kN),可制取約0.3 mm的裂縫。

        試驗(yàn)采用的管樁型號有效預(yù)壓應(yīng)力為6.0 MPa,切割后會有一定程度的預(yù)應(yīng)力損失,由于受條件限制,本文認(rèn)為各試塊切割后預(yù)應(yīng)力損失相同且僅考慮殘余預(yù)應(yīng)力對氯離子傳輸?shù)挠绊憽?/p>

        3)試驗(yàn)方案

        選取10 cm厚的PHC管樁試塊和同樣厚度的無預(yù)應(yīng)力管樁試塊按上述方法橫向加壓產(chǎn)生貫通裂縫(0.3 mm),另取相同尺寸的10 cm厚的PHC管樁(不制取裂縫)做對比,進(jìn)行不同干濕循環(huán)次數(shù)的氯離子腐蝕試驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)中,一個(gè)干濕循環(huán)是在侵蝕溶液中浸泡16 h,在烘箱中干燥8 h,共24 h(1 d)。烘箱干燥溫度為60℃,模擬潮汐區(qū)與水位變動(dòng)區(qū)海水對PHC管樁的侵蝕狀態(tài)。試塊編號及腐蝕方案見表2。

        表2 試塊編號及腐蝕方案Table 2 Test specimen and experimental scheme

        試塊制好后,用水彩筆做好標(biāo)記,在其上下橫斷面處均勻涂抹一層環(huán)氧樹脂,確保腐蝕過程中內(nèi)外表面為侵蝕面,上下表面為封閉面。然后將試塊放置陰涼處晾干待用。

        1.3 試件腐蝕

        為加快腐蝕,實(shí)驗(yàn)采用人工配制海水作為侵蝕液,即根據(jù)模擬海水中的化學(xué)成分,配制濃度大于海水濃度的侵蝕液。在腐蝕池中注滿蒸餾水,倒入一定量的工業(yè)食鹽,配置質(zhì)量濃度為5%的腐蝕溶液,進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。浸泡和干燥試驗(yàn)見圖2、圖3。

        圖2 浸泡試驗(yàn)Fig.2 Immersion test

        圖3 干燥試驗(yàn)Fig.3 Drying test

        1.4 取樣和測定

        完成腐蝕后,采用沖擊鉆鉆取粉末(對帶裂縫試塊在緊靠列縫位置取樣),通過鉆頭上的標(biāo)尺控制每次鉆孔的深度為10 mm,每次鉆取的粉末放入保鮮自封袋中并編號,直至鉆至PHC管樁內(nèi)壁,每個(gè)試塊可取6份粉末試樣。

        測定氯離子濃度,將準(zhǔn)備好的50 ml塑料瓶子用蒸餾水清洗兩遍并晾干,再倒入用量筒量取的50ml蒸餾水,并貼上標(biāo)簽。取出裝有混凝土粉末的保鮮自封袋,用電子天平稱量1.0 g粉末倒入相應(yīng)的塑料瓶中,并輕輕搖晃使得粉末充分溶解。將盛有混凝土粉末的塑料瓶放置24 h后,用CABR-RCTF型氯離子含量快速測定儀測量氯離子含量。

        2 帶裂縫管樁中氯離子擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算

        2.1 計(jì)算原理

        本文采用ABAQUS 6.10有限元軟件中的質(zhì)量擴(kuò)散分析(mass diffusion analysis)模塊進(jìn)行氯離子擴(kuò)散計(jì)算。在不考慮溫度和壓力條件下,計(jì)算控制微分方程如式(1)所示。

        式中,J為擴(kuò)散通量(g/(mm2·s))。

        計(jì)算單元采用熱傳導(dǎo)單元,計(jì)算幾何模型見圖4。

        圖4 幾何模型Fig.4 Geometric model

        2.2 計(jì)算參數(shù)

        1)擴(kuò)散系數(shù)

        文獻(xiàn)[10]中提出了計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)與水灰比關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式,式(2)計(jì)算氯離子在含硅粉或高爐礦渣的混凝土中的擴(kuò)散系數(shù),式(3)計(jì)算氯離子在不含硅粉和高爐礦渣的混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)。

        Mohamed[10]給出了計(jì)算氯離子在帶裂縫混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)的簡單替代求解方法:

        式中,Dav為平均擴(kuò)散系數(shù);D0為不帶裂縫的混凝土的擴(kuò)散系數(shù);W為裂縫寬度;L為裂縫間距;Dcv為裂縫處的擴(kuò)散系數(shù)。

        由于式(4)不能考慮應(yīng)力對氯離子擴(kuò)散的影響,本文選取適當(dāng)參數(shù)使用該式計(jì)算,與試驗(yàn)中帶裂縫無預(yù)應(yīng)力管樁(24 d和30 d情況)測試結(jié)果對比。

        由表1,管樁水灰比為0.28,經(jīng)式(3)計(jì)算,D0=5.13×10-7mm2/s,式(4)中W取0.3mm,L取1/4圓弧長,裂縫處的擴(kuò)散系數(shù)[11]取Dcr=5.13×10-4mm2/s,則帶0.3 mm裂縫時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)Dav=5.13×10-6mm2/s。

        2)邊界濃度

        試驗(yàn)采用干濕循環(huán)方法模擬海邊潮汐區(qū)混凝土中氯離子的傳輸。數(shù)值模擬是基于Fick第二定律,故邊界濃度應(yīng)取管樁混凝土表面氯離子濃度。已有研究顯示[11],近海潮汐區(qū)混凝土表面氯離子濃度幾乎是瞬時(shí)達(dá)到定值。試驗(yàn)采用質(zhì)量濃度為5%的腐蝕溶液和干濕循環(huán)作用加速腐蝕,可近似認(rèn)為混凝土表面氯離子濃度在腐蝕開始即達(dá)到最大值。采用2002年出版的日本土木學(xué)會混凝土標(biāo)準(zhǔn)[12]中提出的近海大氣區(qū)混凝土表面的氯離子濃度最大值,其中潮汐區(qū)為0.65%,取Cs=0.65。

        3)腐蝕時(shí)間

        研究表明[13]在不高于80℃的溫度范圍內(nèi),氯離子的活度、擴(kuò)散速度及水的蒸發(fā)率都隨溫度升高而增大,而氧氣在水中的溶解度和pH值都隨溫度升高而降低不多。參考文獻(xiàn)[14]中的方法,干濕循環(huán)狀態(tài)下氯鹽侵蝕混凝土構(gòu)件可以起到對混凝土加強(qiáng)腐蝕的效果,即可近似認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下干濕循環(huán)工作1 d相當(dāng)于在實(shí)際海水長期浸泡40 d。另外管樁內(nèi)外尺寸取a=90 mm,b=150 mm。

        實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下腐蝕24 d和30 d對應(yīng)的自然狀態(tài)下滲透時(shí)間為960 d和1 200 d,加載步長取為1 d。材料參數(shù)中初始濃度取為零,溶解度定為1,徑向單元尺寸為5 mm,環(huán)向單元尺寸為9.42 mm,共計(jì)1 200個(gè)單元,和有限元模型見圖5。

        圖5 數(shù)值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model

        3 結(jié)果及分析

        3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

        干濕循環(huán)為24次(24 d)和30次(30 d)的管樁試塊氯離子濃度測試結(jié)果如圖6、圖7所示。

        圖6 腐蝕24 d氯離子濃度分布圖Fig.6 Chloride ion concentration distribution after ingression of 24 d

        由圖6和圖7可知,對于無預(yù)應(yīng)力管樁和PHC管樁,氯離子沿管樁半徑大致呈U形對稱分布,在管樁內(nèi)部居中位置氯離子濃度有少許起伏。這與管樁一維雙向腐蝕的試驗(yàn)條件相符合。曲線整體趨勢“左高右低”,可見管樁外表面的氯離子傳輸速率大于內(nèi)表面,產(chǎn)生這種情況的原因可能是制取裂縫的方法存在缺陷,導(dǎo)致管樁內(nèi)表面裂縫偏?。ú蛔?.3 mm),以及由外向內(nèi)傳輸和由內(nèi)向外傳輸兩種方式在數(shù)學(xué)物理上的不同。

        圖7 腐蝕30 d氯離子濃度分布圖Fig.7 Chloride ion concentration distribution after ingression of 30 d

        比較兩圖中帶裂縫的PHC管樁和不帶裂縫的PHC管樁氯離子濃度分布曲線,這兩種腐蝕狀態(tài)下曲線規(guī)律相似。裂縫處的氯離子濃度大于完整處的氯離子濃度,由此可見裂縫的存在加速了氯離子向管樁內(nèi)部的傳輸。

        由具有相同裂縫寬度(0.3 mm)的無預(yù)應(yīng)力管樁和PHC管樁的對比可以發(fā)現(xiàn),在裂縫的深度范圍內(nèi),無預(yù)應(yīng)力管樁裂縫處的氯離子濃度大于PHC管樁裂縫處的氯離子濃度,可見預(yù)壓應(yīng)力會使PHC管樁孔隙率和平均孔隙半徑減小,縮小了氯離子的傳輸通路從而使氯離子的傳輸速率減小。

        無預(yù)應(yīng)力管樁在距管樁外表面25 mm和35 mm處的氯離子百分濃度分別為0.094,0.085;而帶裂縫和不帶裂縫的PHC管樁在該處的濃度均接近0,可見預(yù)應(yīng)力鋼筋對氯離子傳輸?shù)挠绊懼饕性谄湮恢酶浇?/p>

        3.2 實(shí)測與計(jì)算的比較

        由前述的數(shù)值模擬方法,計(jì)算實(shí)驗(yàn)室中腐蝕時(shí)間為24 d和30 d時(shí)帶裂縫的無預(yù)應(yīng)力管樁中氯離子傳輸情況。圖8為氯離子濃度(腐蝕28 d)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。圖9、圖10為兩種方法所得到的氯離子濃度沿管樁半徑分布曲線。

        圖8 腐蝕24 d氯離子濃度數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig.8 Numerical simulation result of chloride ion concentration distribution after ingression of 24 d

        圖9 24 d氯離子濃度分布曲線Fig.9 Chloride ion concentration distribution after ingression of 24 d

        圖10 30 d氯離子濃度分布曲線Fig.10 Chloride ion concentration distribution after ingression of 30 d

        如圖9、圖10所示,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的趨勢基本相似,整體趨勢均呈U形且“左高右低”。相對實(shí)測結(jié)果的各位置處氯離子濃度誤差率見表3。

        表3 氯離子濃度誤差率Table 3 Errors in the chloride ion concentration value

        由表3可知,除個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)外,腐蝕24 d和30 d情況下數(shù)值模擬的誤差率較小,一般在20%以下,可見計(jì)算參數(shù)的選取比較恰當(dāng)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在靠近管樁外表面處(0~30 mm范圍)符合較好,而在靠近管樁內(nèi)表面處(0~30 mm范圍),對比實(shí)測結(jié)果,數(shù)值模擬結(jié)果偏大。這是由于按本文方式制取貫通裂縫時(shí),裂縫總是由管樁外表面向內(nèi)部發(fā)展,內(nèi)表面附近裂縫尺寸小于外表面,往往不能達(dá)到0.3 mm,而數(shù)值模擬采用的是相等的內(nèi)外擴(kuò)散系數(shù)。

        4 結(jié) 論

        (1)氯離子在管樁中的傳輸過程具有一維雙向的特性,氯離子濃度分布呈近似對稱的U形。

        (2)裂縫對混凝土中氯離子侵入影響顯著,裂縫的存在大大加快了氯離子的侵蝕速度。

        (3)預(yù)應(yīng)力能夠有效地抑制氯離子在混凝土中的傳輸。在同等條件下,PHC管樁中氯離子傳輸速率比無預(yù)應(yīng)力管樁小。

        (4)PHC管樁中的預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力主要集中在預(yù)應(yīng)力鋼筋位置附近的混凝土中。該處的氯離子傳輸速率明顯小于無預(yù)應(yīng)力管樁鋼筋位置處的傳輸速率。

        (5)通過合理假定模型參數(shù),數(shù)值模擬可較好反映帶裂縫管樁中氯離子的傳輸規(guī)律,在靠近管樁外表面處(0~30 mm范圍)符合較好,而在靠近管樁內(nèi)表面處(0~30 mm范圍),數(shù)值模擬結(jié)果偏大。

        (6)本文數(shù)值模擬過程未直接考慮非飽和狀態(tài),而是采用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)放大腐蝕時(shí)間的方法考慮干濕循環(huán)影響,具有一定誤差。

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        [14] 閻西康,丁其元,杜林倩,等.基于兩種腐蝕環(huán)境下氯離子在混凝土中的擴(kuò)散試驗(yàn)研究[J].混凝土,2010,(12):37-39,53.Yan Xikang,Ding Qiyuan,Du Linqian,etal.Chloride ions research on diffusion permeating into concrete under different corrosion environment[J].Concrete,2010,(12):37-39,53.(in Chinese)

        Chloride Ingression in PHC Pipe Piles Subjected to Wetting and Drying Cycles

        LU Tao1,2,*LIJingpei1,2DING Shijun3
        (1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai200092,China;2.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai200092,China;3.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China)

        The effect of cracks and prestress on chloride ingression in PHC pipe pileswas studied by the accelerated ingression test.The experimental results were compared with the numerical simulation results.The analysis results show that the distribution of the chloride ion concentration in PHC pipe pile appears approximately as a symmetrical U,and the cracks increase the rate of chloride ingression.The prestress in PHC pipe pile can effectively inhibit the chloride ingression in concrete cover,and the effect of inhibition ismore significantwhen it is closer to prestressed reinforcement.The numerical simulation in this paper can reflect the trend of the chloride ingression well by reasonably assumingmodel parameters.

        PHC pipe pile,chloride,crack,prestress,numerical simulation

        2013-07-13

        國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178341)、國家電網(wǎng)公司基礎(chǔ)性前瞻性科技項(xiàng)目(GC7113004)

        *聯(lián)系作者,Email:lvtaolele2006@163.com

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