徐 港，李運(yùn)攀，王誼敏，王 青

（1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

海洋氣候環(huán)境下，處于海水干濕交替區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較水下或陸上結(jié)構(gòu)更容易引起鋼筋銹蝕，其耐久性問題更為突出.學(xué)者們針對(duì)鋼筋銹蝕誘因就干濕交替作用下混凝土中氯離子傳輸特性進(jìn)行了一定的試驗(yàn)及理論研究［1－10］，但多數(shù)未考慮荷載存在對(duì)氯離子在混凝土中傳輸特性的影響，既有成果也多集中于彎曲荷載下混凝土內(nèi)的氯離子傳輸［11－14］，對(duì)于受軸壓作用下鋼筋混凝土柱中氯離子傳輸特性的研究甚少，鮮有的公開文獻(xiàn)中混凝土壓應(yīng)力的施加也是通過預(yù)拉試件內(nèi)鋼筋實(shí)現(xiàn)的［15］，試件受力狀態(tài)與在役混凝土柱有一定差別，而且持載時(shí)間較短，故所得結(jié)論的適用性尚待進(jìn)一步驗(yàn)證.因此本文采用了更為合理的試驗(yàn)方法，通過為期1a的試驗(yàn)，研究了干濕交替環(huán)境下在役鋼筋混凝土柱中氯離子的傳輸進(jìn)程，探究了不同應(yīng)力水平對(duì)混凝土中氯離子傳輸深度、氯離子含量分布、表面氯離子含量、對(duì)流區(qū)深度、峰值氯離子含量以及氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件尺寸為150mm×150mm×300mm，內(nèi)配4根直徑為14mm 的HRB335縱筋，保護(hù)層厚度為25mm；混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石）＝188∶384∶640∶1 189，實(shí)測(cè)28d標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度平均值為34.76MPa.

采用徐變儀對(duì)試件進(jìn)行長(zhǎng)期加載，應(yīng)力水平分別為試件承載力設(shè)計(jì)值的0%，20%，40%和60%（對(duì)應(yīng)試件分別記為F0，F(xiàn)2，F(xiàn)4和F6）.試件置于可伸縮式儲(chǔ)水袋中，通過向水袋中注、抽NaCl溶液（NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%）來模擬干濕交替環(huán)境，干濕時(shí)間比為2∶1，試驗(yàn)總周期為1a，期間分別在120，240，360d時(shí)采用Profile Grinder PF－1100混凝土磨削工具，對(duì)試件鉆粉取樣（粉樣可全部通過0.63mm篩），取粉間隔為1mm，最大深度為25mm，從每層粉樣中稱取5g粉樣加入裝有50mL去離子水的試瓶中劇烈搖晃3～5min，靜置48h后采用BY－2501B氯測(cè)儀測(cè)量氯離子含量.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氯離子傳輸深度

沿傳輸路徑，繪制不同深度處氯離子含量分布圖，見圖1.由圖1 可知，120，240，360d時(shí)，試件內(nèi)氯離子的傳輸深度（xp）分別約為11，15，18mm，隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)，氯離子的傳輸深度逐漸增大，且同一深度處的氯離子含量（wa）也逐漸增加；不同深度處的氯離子含量分布具有明顯的干濕循環(huán)侵蝕特征，即氯離子含量峰值出現(xiàn)在距試件表面一定距離處，對(duì)流區(qū)顯著，這與文獻(xiàn)［16］的結(jié)論類似.

2.2 表面氯離子含量

本文以距試件表面0～1mm 深度處鉆取的粉樣氯離子含量作為表面氯離子含量（ws），不同應(yīng)力水平下混凝土的表面氯離子含量見圖2.由圖2 可知，應(yīng)力水平對(duì)混凝土表面氯離子含量具有明顯影響，相同試驗(yàn)周期內(nèi)混凝土應(yīng)力水平越高，其表面氯離子含量越低，兩者基本呈線性關(guān)系，且隨試驗(yàn)周期增長(zhǎng)，應(yīng)力水平對(duì)表面氯離子含量的影響程度加大，表面氯離子含量的降幅增大.

圖1 不同深度處氯離子含量分布Fig.1 Distribution of chloride ion concentration at different depths

圖2 不同應(yīng)力水平下混凝土的表面氯離子含量Fig.2 Surface chloride ion concentration in concrete under different stress levels

由圖2還可知，隨著干濕循環(huán)周期的增長(zhǎng)，在無應(yīng)力的情況下，表面氯離子含量逐漸增加并趨于平穩(wěn)，這與文獻(xiàn)［16］的描述一致；在壓應(yīng)力作用下，應(yīng)力水平一定時(shí)，試件表面氯離子含量隨試驗(yàn)周期增長(zhǎng)而先增大后減小，且隨著應(yīng)力水平的增加其變化幅度減小.

2.3 對(duì)流區(qū)特征

由圖1可見：試件F0，F(xiàn)2 和F4 的對(duì)流區(qū)深度主要集中在2mm 附近；而試件F6的對(duì)流區(qū)深度基本在3mm 以上.這說明應(yīng)力水平較高時(shí)，對(duì)流區(qū)深度受到一定影響，但具體影響規(guī)律尚待進(jìn)一步研究.

圖3為不同應(yīng)力水平下混凝土的峰值氯離子含量（wp）.由圖3 可見，峰值氯離子含量隨應(yīng)力水平和試驗(yàn)周期的變化規(guī)律與表面氯離子含量的變化規(guī)律十分類似.

圖3 不同應(yīng)力水平下混凝土的峰值氯離子含量Fig.3 Peak value of chloride ion concentration in concrete under different stress levels

2.4 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

沿傳輸路徑，取峰值點(diǎn)后不同深度處的氯離子含量，由Fick第二定律可求得試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù).計(jì)算表明，取不同深度處氯離子含量值求得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)值雖有差異，但波動(dòng)不大，故取傳輸區(qū)平穩(wěn)段內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的平均值作為承壓混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)（D），D 值隨應(yīng)力水平的變化如圖4所示.由圖4可見，在應(yīng)力水平較低（20%以內(nèi)）時(shí)，壓應(yīng)力的存在會(huì)使氯離子擴(kuò)散系數(shù)減?。坏S著應(yīng)力水平的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)反而增大.這與文獻(xiàn)［17］對(duì)承壓素混凝土內(nèi)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的研究結(jié)果相似.進(jìn)一步分析可知，承壓混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化規(guī)律與未承壓試件相似，均隨試驗(yàn)周期的增長(zhǎng)而減小，且在240d周期內(nèi)承壓試件D 值的降低速度似乎更快，這可能與試件在長(zhǎng)期受壓過程中產(chǎn)生徐變從而有利于其內(nèi)部損傷的愈合有關(guān).

圖4 氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力水平的變化Fig.4 Chloride ion diffusion coefficient varying with stress levels

充分考慮應(yīng)力水平和試驗(yàn)周期對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合分析，可得出在壓應(yīng)力狀態(tài)下混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)與應(yīng)力水平和服役時(shí)間（即試驗(yàn)周期）的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：D0為應(yīng)力水平為0，周期為28d時(shí)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)；λσ為應(yīng)力水平；t為服役時(shí)間；t0為基準(zhǔn)服役時(shí)間，t0＝28d；a，b，c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別為－6.499×10－12，2.532×10－11和0.804 3.根據(jù)式（1）得到混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的擬合曲線，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，見圖5（a）～（c）.由圖5（a）～（c）可見，兩者的相關(guān)性很好（R2＝0.95）.

為進(jìn)一步驗(yàn)證式（1）的適用性，將文獻(xiàn)［17］中采用NEL法測(cè)得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)值用式（1）進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5（d）所示.由圖5（d）可見，隨應(yīng)力水平增長(zhǎng)兩者變化規(guī)律一致，但數(shù)值大小有所差異，究其原因，除試驗(yàn)誤差外可能主要與本文和文獻(xiàn)［17］確定氯離子擴(kuò)散系數(shù)的方法不同有關(guān).

圖5 氯離子擴(kuò)散系數(shù)擬合曲線與試驗(yàn)值的比較Fig.5 Comparison of fitting curves and experimental values of chloride ion diffusion coefficient

2.5 承壓混凝土氯離子傳輸機(jī)理分析

綜上可見，壓應(yīng)力對(duì)干濕交替環(huán)境下混凝土內(nèi)氯離子傳輸?shù)娜^程均有影響，但對(duì)峰值氯離子含量wp前后傳輸進(jìn)程的影響規(guī)律并不相同，在wp之前，隨應(yīng)力水平增大表面和峰值氯離子含量均減?。ㄒ妶D2，3）.這表明壓應(yīng)力的施加阻礙了氯離子的傳輸，而在wp之后，由氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律（見圖4）可知，壓應(yīng)力對(duì)氯離子傳輸效率的延滯影響僅在應(yīng)力水平較?。?0%以內(nèi)）范圍內(nèi)有效，當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)壓應(yīng)力則利于氯離子遷移.這可能是由于混凝土表層和內(nèi)部的氯離子傳輸機(jī)理以及壓應(yīng)力對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外影響特性不同所致，具體分析如下：

應(yīng)力存在會(huì)改變混凝土的微孔隙結(jié)構(gòu)，壓應(yīng)力可使混凝土內(nèi)與其垂直方向的部分微裂紋和孔隙被壓實(shí)，與其平行方向的損傷缺陷產(chǎn)生和發(fā)展，且隨應(yīng)力水平的增加其影響更加顯著［17］.氯離子在混凝土內(nèi)的傳輸進(jìn)程與混凝土的孔隙率、孔結(jié)構(gòu)及孔徑分布密切相關(guān)，混凝土的氯離子滲透性由其微觀結(jié)構(gòu)特征所決定［18］，因而壓應(yīng)力的施加必將對(duì)混凝土內(nèi)氯離子的傳輸進(jìn)程產(chǎn)生影響.

文獻(xiàn)［19］對(duì)已有研究進(jìn)行了總結(jié)，指出干濕交替環(huán)境下混凝土內(nèi)氯離子含量達(dá)到峰值之前，氯離子侵入方式主要為對(duì)流傳質(zhì)，無水頭壓力時(shí)，產(chǎn)生對(duì)流的主要機(jī)理是毛細(xì)吸附作用，即氯離子的遷移是伴隨水分的滲透而產(chǎn)生的；但越過峰值之后，氯離子向混凝土內(nèi)部侵入的主要機(jī)理轉(zhuǎn)為擴(kuò)散作用，其遷移的驅(qū)動(dòng)機(jī)制是濃度差.

文獻(xiàn)［20］表明，在壓荷載作用下，當(dāng)荷載低于60%極限荷載時(shí)，混凝土的水滲透系數(shù)隨應(yīng)力水平的增大近似按負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系衰減，所示規(guī)律與本文對(duì)流區(qū)內(nèi)氯離子的傳輸特性十分吻合.究其原因，在此應(yīng)力水平范圍內(nèi)，對(duì)于混凝土試件表層水滲透性而言，軸向壓力引起的與受力方向平行缺陷擴(kuò)展較與受力方向垂直缺陷“愈合”對(duì)水滲透性的影響要小，且隨承壓時(shí)間的延長(zhǎng)，2 個(gè)方向壓、拉徐變的產(chǎn)生導(dǎo)致兩者差別進(jìn)一步增大，其表現(xiàn)規(guī)律如圖2，3所示.

文獻(xiàn)［21］研究表明，混凝土構(gòu)件表面以下0.1mm內(nèi)是凈漿層；0.1～5.0mm 范圍為砂漿層，內(nèi)部不含或僅含少量粗骨料；5.0 mm 以下才為混凝土，表層混凝土比內(nèi)部混凝土水膠比大（可達(dá)內(nèi)部混凝土水膠比的2倍），孔隙多，且孔隙連通性高.

試件軸向受壓時(shí)，在與受力垂直方向，隨壓應(yīng)力增加，表層混凝土初始缺陷“愈合”量增多，但因內(nèi)部混凝土更為密實(shí)，故在相同應(yīng)力水平下，試件單位體積內(nèi)缺陷可“愈合”總量較表層少；在與受力平行方向，內(nèi)部混凝土缺陷發(fā)展受豎向壓應(yīng)力的影響特性也與表層相同，但與素混凝土試件不同的是，雖然軸壓柱內(nèi)鋼筋與混凝土的縱向應(yīng)變相同，但橫向應(yīng)變并不相同，這是因?yàn)殇摻畹牟此杀容^混凝土的大，所以導(dǎo)致受力鋼筋對(duì)其周圍混凝土產(chǎn)生擠壓作用，使混凝土圍繞鋼筋環(huán)向受拉，且拉應(yīng)力大小隨軸壓力增加而增大，隨混凝土距鋼筋表面距離增加而減小，這一作用促使內(nèi)部混凝土與受力平行方向損傷加劇.此外，就傳輸機(jī)理而言，由于內(nèi)部混凝土中氯離子通過擴(kuò)散向內(nèi)遷移，氯離子直徑約為水分子直徑的1／2，可以通過比水分子更小的孔徑向內(nèi)傳輸，因而在同等損傷程度下內(nèi)部混凝土較表層與受力方向平行損傷的相對(duì)量將增加，即“有害通道”增加.

綜上可知：在低應(yīng)力水平時(shí)（20%以內(nèi)），由于混凝土柱受力處于彈性階段，混凝土內(nèi)部微裂縫等缺陷幾乎不擴(kuò)展，壓應(yīng)力在與受力垂直和平行兩個(gè)方向的總效應(yīng)對(duì)內(nèi)部混凝土的影響與表層類似，增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)性，使氯離子擴(kuò)散系數(shù)減??；但隨著壓應(yīng)力增大，混凝土受力進(jìn)入彈塑性階段，軸壓引起的混凝土橫向膨脹效應(yīng)疊加鋼筋擠壓混凝土引起的環(huán)向受拉作用造成內(nèi)部混凝土與受力平行方向的損傷較表層更為嚴(yán)重，而與受力垂直方向可“愈合”缺陷的總量較表層卻少，加之“有害通道”增加，綜合效應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)部混凝土孔隙、裂縫等缺陷增多，使氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大，并隨應(yīng)力水平增加而增大（如圖4）.但是，由于混凝土的隨時(shí)長(zhǎng)自愈合性，以及徐變引起試件內(nèi)鋼筋與混凝土發(fā)生應(yīng)力重新分配使混凝土壓應(yīng)力減小，從而使內(nèi)部混凝土的損傷可隨時(shí)長(zhǎng)恢復(fù)，因此相同應(yīng)力水平下的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)將隨試驗(yàn)周期而減小.

3 結(jié)論

（1）相同條件下，應(yīng)力水平越高，混凝土表面氯離子含量越低，兩者呈線性關(guān)系，且隨試驗(yàn)周期增長(zhǎng)，應(yīng)力水平影響程度增大；應(yīng)力水平一定時(shí)，混凝土表面氯離子含量隨試驗(yàn)周期增長(zhǎng)而先增大后減小，且隨應(yīng)力水平增加而變化的幅度減??；峰值氯離子含量受應(yīng)力水平和試驗(yàn)周期的影響規(guī)律與表面氯離子含量的規(guī)律相似.

（2）應(yīng)力水平恒定時(shí)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨試驗(yàn)周期的增長(zhǎng)而減小，變化規(guī)律與未受荷試件相似；但在相同條件下，隨應(yīng)力水平增加，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)先減小后增大，臨界應(yīng)力水平為20%.

（3）干濕交替環(huán)境下，壓應(yīng)力對(duì)鋼筋混凝土柱中氯離子不同傳輸機(jī)制的影響特性不同：壓應(yīng)力能有效降低混凝土表層的毛細(xì)吸附作用，從而延滯氯離子通過對(duì)流傳質(zhì)進(jìn)入混凝土的進(jìn)程；但對(duì)混凝土內(nèi)部擴(kuò)散傳質(zhì)而言，類似阻滯效應(yīng)僅限于低應(yīng)力水平（20%以內(nèi)），在高應(yīng)力水平下，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力水平增加而增大，氯離子遷移進(jìn)程加快.

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