延永東　姚昌建 劉榮桂 陸春華

摘要：為了明確裂縫對(duì)氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響，結(jié)合已有文獻(xiàn)分析了荷載裂縫、非荷載裂縫及預(yù)制裂縫下混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境下的耐久性變化規(guī)律，指出了裂縫形式（人工裂縫、自然裂縫）、寬度、深度、間距等參數(shù)對(duì)混凝土滲透性及氯離子傳輸、內(nèi)部鋼筋銹蝕的影響規(guī)律，介紹了已有的飽和與非飽和狀態(tài)下開(kāi)裂混凝土內(nèi)氯離子傳輸過(guò)程的模型，指出了氯鹽環(huán)境下開(kāi)裂混凝土耐久性研究已得出的基本結(jié)論及需要深入研究的方面。所得結(jié)論可為氯鹽環(huán)境下開(kāi)裂混凝土的后期研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；裂縫；氯離子傳輸；鋼筋銹蝕

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.07 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引 言

氯鹽環(huán)境是混凝土結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中遭遇的一種危險(xiǎn)環(huán)境，其中所含的氯離子在混凝土內(nèi)的侵蝕是造成鋼筋銹蝕的主要原因。各國(guó)通過(guò)研究氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸來(lái)預(yù)測(cè)內(nèi)部鋼筋的脫鈍時(shí)間。以往對(duì)氯離子在混凝土中的傳輸機(jī)理研究主要針對(duì)完好的混凝土結(jié)構(gòu)。作為一種非均質(zhì)材料，混凝土最大的缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低，在環(huán)境及荷載作用下，很容易開(kāi)裂。實(shí)際工程中經(jīng)?？梢钥吹礁鞣N原因形成的裂縫，如荷載裂縫、收縮裂縫、沉降裂縫等[1]?；炷恋姆蔷|(zhì)性使得裂縫形式比較復(fù)雜，寬度、深度、走向等具有一定的隨機(jī)性，且受水泥持續(xù)水化的影響會(huì)發(fā)生一定程度的自愈[2]。裂縫表面具有較大的特征表面積和化學(xué)活性，容易加速其與外部物質(zhì)的交換過(guò)程[3]。Isgor等[4]指出，裂縫的一系列參數(shù)將改變混凝土的滲透性及有害物質(zhì)在混凝土內(nèi)的傳輸方式，由此引起的耐久性問(wèn)題將對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的失效概率、使用壽命及使用期的維護(hù)次數(shù)與成本產(chǎn)生不利影響，各國(guó)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究與理論分析[5-6]。張士萍等[7]對(duì)不同裂縫寬度下氯離子、二氧化碳、水分在開(kāi)裂混凝土內(nèi)傳輸方面的研究進(jìn)行了總結(jié)。本文根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)及研究成果完善了這些總結(jié)，指出已經(jīng)得到的結(jié)論及存在的問(wèn)題，并為后續(xù)研究提出一些建議，以期為氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)及開(kāi)裂混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性壽命預(yù)測(cè)與評(píng)估提供參考。

1裂縫對(duì)混凝土滲透性的影響

滲透性包括透氣性和透水性，是反映混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)[5]，也是影響氯離子在混凝土內(nèi)侵蝕速度的一個(gè)關(guān)鍵因素。各國(guó)學(xué)者對(duì)開(kāi)裂混凝土的滲透性變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究并建立了相應(yīng)的計(jì)算方法。

1.1開(kāi)裂混凝土滲透性試驗(yàn)

針對(duì)開(kāi)裂混凝土的滲透性試驗(yàn)，各國(guó)學(xué)者采用的開(kāi)裂試件、方法主要有：①圓柱體試件劈裂試驗(yàn)[8-10]，如圖1所示，其中，F(xiàn)為荷載，LVDT為開(kāi)裂位移測(cè)量裝置；②棱柱體試件直接拉伸試驗(yàn)[11-13]；③普通試件通過(guò)溫度、濕度等變化產(chǎn)生裂縫[13]。

通過(guò)試驗(yàn)得到的基本結(jié)論有：①開(kāi)裂后普通混凝土的滲透系數(shù)隨裂縫寬度的增加逐漸增大，其變化規(guī)律如圖2所示[8]，其中δres為殘余橫向位移，k為不同張開(kāi)位移下混凝土的相對(duì)滲透系數(shù)，OC為

ent of Concrete

水灰比0.49的普通混凝土，HPC為水灰比0.29的高性能混凝土，HPFRC為水灰比0.29且內(nèi)摻1%（體積分?jǐn)?shù)）的鋼纖維；②當(dāng)裂縫寬度小于0.05 mm時(shí)，水分滲透速度幾乎不變，當(dāng)裂縫寬度介于0.05～0.2 mm時(shí)，水分滲透速度明顯加快，但當(dāng)裂縫寬度在0.2 mm以上時(shí)，其增加趨勢(shì)逐漸變緩，試驗(yàn)時(shí)荷載是否作用于開(kāi)裂混凝土也對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果有影響，如圖3所示[10]；③采用直接拉伸混凝土試件來(lái)產(chǎn)生裂縫，當(dāng)混凝土受拉應(yīng)變達(dá)到1×10-3時(shí)，其滲透性可增大100倍[12]；④受裂縫形態(tài)和界面過(guò)渡區(qū)的影響，同樣寬度范圍內(nèi)普通混凝土的滲透性大于砂漿，而試件厚度對(duì)滲透性的影響很小[9]；⑤混凝土的滲透性與裂縫分布形態(tài)及連通性有很大關(guān)系，均布裂縫對(duì)混凝土的滲透性影響要大于局部裂縫[13]；⑥由于裂縫處自愈合的發(fā)生，混凝土滲透系數(shù)隨時(shí)間增加逐漸降低[14-15]；⑦粗糙裂縫表面的微通道效應(yīng)對(duì)滲流過(guò)程影響顯著，使得表面粗糙度大的斷裂面滲流量更大，且裂隙內(nèi)的水分呈非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)[16]；⑧浸泡不久裂縫內(nèi)水分即達(dá)到飽和，且水分滲透速度和分布與混凝土內(nèi)的初始相對(duì)濕度有關(guān)[17]。

1.2開(kāi)裂混凝土滲透性計(jì)算

裂縫處的水分流量及滲透系數(shù)可用平行板模型來(lái)計(jì)算，但需根據(jù)裂縫的曲折性、粗糙性、自愈合性等特點(diǎn)進(jìn)行修正。

單一裂縫下混凝土的滲透系數(shù)kv0可以表示為

kv0=ξw212（1）

多裂縫下混凝土的滲透系數(shù)kv可以表示為

kv=ξw312s（2）

式中：w為裂縫寬度；s為裂縫平均間距；ξ為考慮裂縫曲折性和粗糙性的折減系數(shù)，Akhavan等[18]指出，當(dāng)裂縫處的雷諾數(shù)小于2 300且液體流動(dòng)屬于穩(wěn)定層流時(shí)，ξ=τ/（1+8.8R1.5r），τ為表征裂縫曲折性的參數(shù)，τ=（Xmax/Le）2，Xmax為試件長(zhǎng)度，Le為裂縫的有效長(zhǎng)度，Rr為表征裂縫粗糙度的參數(shù)，Rr=Ra/（2w），Ra為實(shí)際裂縫表面與裂縫光滑表面之間的平均距離。

自愈合會(huì)使裂縫處的滲透性逐漸減小，滲透量隨時(shí)間變化的關(guān)系可用下式來(lái)表示[19]

q（t）/q0=65w-1.05mt-1.3+4w-105w5.8m（3）

式中：q（t）為t時(shí)刻的滲透速度；q0為初始時(shí)刻的水流速度；wm為表面平均裂縫寬度。

2裂縫對(duì)氯離子在混凝土內(nèi)傳輸?shù)挠绊?/p>

氯離子侵入混凝土并造成鋼筋銹蝕是氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性破壞的主要表現(xiàn)形式，混凝土開(kāi)裂后氯離子傳輸會(huì)發(fā)生一定的變化，各國(guó)對(duì)此進(jìn)行了一些試驗(yàn)和理論研究。

2.1氯離子在開(kāi)裂混凝土內(nèi)的傳輸試驗(yàn)

各國(guó)對(duì)氯離子在開(kāi)裂混凝土內(nèi)的傳輸試驗(yàn)主要考慮了裂縫形式（人工裂縫、荷載裂縫、收縮裂縫）及寬度（0.03～0.6 mm）對(duì)裂縫處及其附近混凝土內(nèi)氯離子含量的影響。人工裂縫通過(guò)在混凝土澆筑過(guò)程中插入一定厚度的不銹鋼片到指定深度來(lái)得到，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)果明確，也方便進(jìn)行數(shù)值模擬；缺點(diǎn)是裂縫面處砂漿較多，也不能反映真實(shí)裂縫的曲折性。Marsavina等[20]采用此方法研究了氯離子在裂縫處的侵蝕。自然裂縫的產(chǎn)生有5種方式：①對(duì)梁式試件施加彎曲荷載[21-22]；②對(duì)試件施加軸向拉力[23]；③對(duì)圓柱體試件施加徑向壓力[24-25]，如圖1所示；④采用楔形劈裂來(lái)產(chǎn)生裂縫[26-27]，如圖4所示；⑤通過(guò)中心膨脹來(lái)產(chǎn)生裂縫；⑥采用平板法產(chǎn)生收縮裂縫。方式①需要在混凝土受拉區(qū)配置一定數(shù)量的縱向鋼筋，裂縫寬度比較容易控制；方式②也需要在混凝土內(nèi)配置一定數(shù)量的受拉鋼筋，且試件最好做成啞鈴