張希瑾，田穩(wěn)苓，王浩宇，卿龍邦，余建福

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401;2.天津住宅集團(tuán)建設(shè)工程總承包有限公司，天津 300070)

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帶裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散及碳化特性試驗(yàn)研究

張希瑾1，田穩(wěn)苓1，王浩宇2，卿龍邦1，余建福1

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401;2.天津住宅集團(tuán)建設(shè)工程總承包有限公司，天津 300070)

針對(duì)帶裂縫混凝土的氯離子擴(kuò)散作用及碳化特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，利用無(wú)損裂縫制備裝置，預(yù)制了不同深度、厚度及不同間距的帶裂縫混凝土試件，分別進(jìn)行了氯鹽溶液浸泡試驗(yàn)及快速碳化試驗(yàn)，并對(duì)二者的耦合作用進(jìn)行了研究。得到了裂縫寬度、深度、裂縫間距及水灰比等因素對(duì)帶裂縫混凝土試件氯離子擴(kuò)散作用和碳化特性的影響，且隨著碳化時(shí)間的增加，帶裂縫混凝土試件的氯離子擴(kuò)散深度減小，氯離子擴(kuò)散對(duì)混凝土的抗碳化性能起到了一定的提高作用。

帶裂縫混凝土; 氯離子擴(kuò)散; 碳化特性; 耦合作用

1 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指在周?chē)h(huán)境及內(nèi)部材料因素作用下，混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件不需要花費(fèi)大量資金維修，也可以保證其使用性、安全性及外觀要求的功能，是評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用年限的重要指標(biāo)[1-2]。氯離子的擴(kuò)散作用和碳化特性造成的鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能下降的主要原因。混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間會(huì)不可避免的會(huì)產(chǎn)生裂縫，裂縫會(huì)促進(jìn)氯離子擴(kuò)散作用和碳化反應(yīng)，進(jìn)一步降低混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和適用性。

國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[3-6]：無(wú)損法制備的帶裂縫混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果具有較高的可靠性，方便數(shù)值模擬，而且便于實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散模型的試驗(yàn)驗(yàn)證。氯離子擴(kuò)散作用造成的鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的主要原因[2]，一般可以將銹蝕機(jī)理分為四個(gè)方面，即破壞鈍化膜、形成腐蝕電池、陽(yáng)極去極化作用、導(dǎo)電作用[7]，通過(guò)研究氯離子在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程來(lái)預(yù)測(cè)內(nèi)部鋼筋的脫鈍時(shí)間。大氣環(huán)境下，混凝土的碳化特性是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的重要因素，混凝土碳化與鋼筋銹蝕條件及銹蝕速率有著密切聯(lián)系[8]。混凝土的碳化作用消耗了混凝土內(nèi)Ca(OH)2等堿性成分生成CaCO3，使基體pH值降低，鋼筋脫鈍銹蝕進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)耐久性退化。王棟等[9]發(fā)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著碳化時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先降低后平穩(wěn)而后升高的規(guī)律。陳偉等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究了碳化和應(yīng)力作用下混凝土中的氯離子遷移規(guī)律,結(jié)果表明，碳化齡期短的混凝土試件，氯離子擴(kuò)散系數(shù)會(huì)有很大程度的下降，隨著碳化時(shí)間的增加下降速度不斷減緩。許晨等[11]通過(guò)研究得出了碳化作用使氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低的結(jié)論，碳化前期會(huì)產(chǎn)生氯離子濃度峰值，同時(shí)發(fā)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散使混凝土抗碳化能力顯著增強(qiáng)，經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，氯離子的侵蝕作用有效減緩了二氧化碳?xì)怏w的進(jìn)入，其細(xì)化了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。

目前研究學(xué)者對(duì)于無(wú)損裂縫方法鮮有研究，且對(duì)帶裂縫混凝土耐久性的研究尚處于起步階段。針對(duì)這種情況，本文提出了一種無(wú)損制備裂縫裝置，可以高效便捷地制備帶裂縫混凝土試件。同時(shí)對(duì)帶裂縫混凝土試件進(jìn)行了氯鹽溶液浸泡試驗(yàn)及快速碳化試驗(yàn)，并研究了其耦合作用，為混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)提供試驗(yàn)及理論依據(jù)。

2 帶裂縫試件的制備

2.1 試驗(yàn)原材料及配合比

混凝土試件的基本原材料為水泥、粉煤灰、粗骨料、細(xì)骨料、減水劑及水。為消除混凝土粗骨料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，澆注帶裂縫的立方體砂漿試件，其基本原材料為水泥、細(xì)骨料、水。

C40混凝土配合比見(jiàn)表1，28 d抗壓強(qiáng)度平均值49.1 MPa。砂漿試件水灰比分別為0.4、0.5和0.6，其配合比見(jiàn)表2。

表1 C40混凝土配合比

表2 砂漿配合比

2.2 無(wú)損制備裂縫法

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的裂縫特征參數(shù)主要包括：曲折性、連通性、裂縫尺度(長(zhǎng)、寬、深)、開(kāi)裂面粗糙度及裂縫截面形狀(錐型或平行線型)[12-13]。裂縫產(chǎn)生方法包括破損法和無(wú)損法兩種。無(wú)損法相比破損法，便于定量研究裂縫對(duì)混凝土各方面性能的影響。

為了能在混凝土的內(nèi)部及側(cè)面產(chǎn)生裂縫，針對(duì)不同種類(lèi)試驗(yàn)的裂縫制備要求，本文提出了無(wú)損制備裂縫方法及試驗(yàn)裝置。此裝置可以通過(guò)改變?cè)嚹５某叽?、形狀及鋼片的厚度和寬度，便于?duì)存在單裂縫及多裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)研究。其制備過(guò)程如下：根據(jù)試驗(yàn)方案，定做不同厚度和寬度的高強(qiáng)度、高韌性不銹鋼鋼片，并通過(guò)試驗(yàn)裝置將其固定(如圖1所示)。圖中序號(hào)代表含義依次為：1、不銹鋼鋼片，2、上部固定鋼片，3、夾具，4、底部固定鋼片，5、模板。在試件澆注24 h后脫模，養(yǎng)護(hù)至齡期后，使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)將鋼片小心拔出，已拆除鋼片的帶裂縫混凝土試件如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置三維圖 Fig.1 Graphic model of experimental setup

圖2 已拆除鋼片的帶裂縫混凝土試件Fig.2 Sheet steel pulled out from concrete specimens with cracks

2.2.1 立方體混凝土試件制作

在100 mm×100 mm×100 mm的砂漿試件上產(chǎn)生單裂縫及不同間距的雙裂縫。其中單裂縫寬度0.2 mm、深度40 mm，雙裂縫寬度0.2 mm、深度50 mm，裂縫間距分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm及60 mm。

2.2.2 圓柱體混凝土試件的制作

澆筑φ100 mm×200 mm圓柱體混凝土試塊，將寬度為50 mm、不同厚度的鋼片準(zhǔn)確固定在可拆卸鑄鐵試模中間，將試模夾緊的同時(shí)鋼片也會(huì)隨之被夾緊和固定.試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)將鋼片拔出，如圖3所示。在切割機(jī)上精準(zhǔn)定出切割位置，分別切出裂縫深度為5 mm、10 mm及15 mm的混凝土試件，制備完成的帶裂縫圓柱體試件如圖4所示。

圖3 鋼片拔出過(guò)程 Fig.3 Process of pulling out sheet steel

圖4 制備完成的帶裂縫圓柱體試件Fig.4 Cylinder specimen with cracks

3 帶裂縫混凝土氯鹽溶液浸泡試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

將帶裂縫試件置于氫氧化鈣溶液中浸泡7 d以達(dá)到飽和狀態(tài)，然后放入濃度為5%的氯化鈉溶液開(kāi)始自然浸泡，除開(kāi)裂面及其對(duì)面，其他4個(gè)側(cè)面用石蠟密封，持續(xù)30 d，日平均氣溫20 ℃。浸泡結(jié)束后取出試件，洗去試件表面鹽溶液，抹去多余水分并晾干，將試塊垂直于裂縫方向劈開(kāi)，在斷裂面噴灑0.1 mol/L的硝酸銀溶液，15 min后以黑色記號(hào)筆勾勒出顯色分界線，并用鋼尺測(cè)量出顯色分界線與試塊底面之間的距離。由于飽和狀態(tài)下氯離子在混凝土內(nèi)的輸運(yùn)方式是基于氯離子濃度梯度引起的擴(kuò)散作用，因此，稱(chēng)此距離為該試件的氯離子擴(kuò)散深度。為消除試塊邊界效應(yīng)的影響，只測(cè)量裂縫處及其左右5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm及40 mm處測(cè)量點(diǎn)的氯離子擴(kuò)散深度，并對(duì)頂部及拐角位置進(jìn)行加密測(cè)量，精確至0.1 mm。

3.2 單縫砂漿試件試驗(yàn)結(jié)果及分析

水灰比為0.4的單縫砂漿試件氯離子擴(kuò)散深度如圖5所示，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制不同水灰比試件氯離子擴(kuò)散深度如圖6所示。

圖5 單縫砂漿氯離子擴(kuò)散深度 Fig.5 Chloride ion diffusion depth in single slit specimen

圖6 不同水灰比試件氯離子擴(kuò)散深度Fig.6 Chloride ion diffusion depth in different water cement ratio specimens

圖7 X1～X5測(cè)量示意圖Fig.7 The measuring schematic diagram of X1-X5

從圖6中可以看出，單縫砂漿試件發(fā)生了沿裂縫開(kāi)展方向及垂直于裂縫開(kāi)展方向的擴(kuò)散作用，隨著水灰比的減小，砂漿試件的抗氯離子擴(kuò)散性能明顯提高。為了更好的了解裂縫對(duì)氯離子擴(kuò)散過(guò)程的影響，測(cè)量各試件的非裂縫影響區(qū)域氯離子擴(kuò)散深度X1、垂直于裂縫面的氯離子擴(kuò)散深度X2、X3、X4及裂縫尖端與最大擴(kuò)散深度間的距離X5，其中X3位于X2與X4對(duì)應(yīng)位置中間，如圖7所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各測(cè)量點(diǎn)數(shù)值

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，相同水灰比情況下，X2值大于X1，究其原因是裂縫面和下表面的雙向擴(kuò)散作用形成了邊角效應(yīng)。X3值大于X4值，說(shuō)明裂縫深度值越大，垂直于裂縫開(kāi)展方向的擴(kuò)散作用逐漸減弱。X4值與X5值近似相等，表明裂縫尖端的氯離子擴(kuò)散作用對(duì)X4點(diǎn)和X5點(diǎn)的影響近似相等，從擴(kuò)散深度圖像上可以看出，其影響區(qū)域接近半圓形，由此推斷出高于裂縫尖端位置的氯離子擴(kuò)散作用，主要是以裂縫尖端為圓心的點(diǎn)擴(kuò)散。

3.3 雙縫砂漿試件試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制不同水灰比雙縫試件的氯離子擴(kuò)散深度，如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可知，當(dāng)裂縫間距較小時(shí)，0.4水灰比試件的氯離子擴(kuò)散曲線類(lèi)似于由兩個(gè)單縫砂漿氯離子擴(kuò)散曲線簡(jiǎn)單組合而成，在雙縫間幾乎未發(fā)生交互影響。0.5水灰比試件的雙縫間產(chǎn)生了較為明顯的擴(kuò)散交互作用，與單縫砂漿相比，雙縫砂漿擴(kuò)散曲線的最高點(diǎn)由兩條裂縫的正上方轉(zhuǎn)移到了兩條裂縫的中心位置，雙縫氯離子擴(kuò)散時(shí)的最高點(diǎn)位置比單縫最高點(diǎn)高出1.2 mm。0.6水灰比試件受到了兩條裂縫的顯著影響，頂部曲線類(lèi)似于拋物線，與單縫砂漿相比，曲線最高點(diǎn)同樣由裂縫的正上方轉(zhuǎn)移到了兩條裂縫的中心位置，雙縫氯離子擴(kuò)散時(shí)的最高點(diǎn)位置比單縫最高點(diǎn)高出1.1 mm。當(dāng)裂縫間距較大時(shí)，0.4和0.5水灰比試件的雙縫擴(kuò)散交互作用不明顯，而對(duì)于0.6水灰比試件，裂縫間距較大，交互影響程度減小。

圖8 裂縫間距10 mm的雙縫試件氯離子擴(kuò)散深度 Fig.8 Chloride ion diffusion depth in double slits specimens with 10 mm cracks spacing

圖9 裂縫間距20 mm的雙縫試件氯離子擴(kuò)散深度Fig.9 Chloride ion diffusion depth in double slits specimens with 20 mm cracks spacing

4 帶裂縫混凝土的碳化特性試驗(yàn)研究

混凝土的碳化特性是引起鋼筋銹蝕的重要因素之一，而裂縫的存在對(duì)于混凝土中二氧化碳的擴(kuò)散起到了促進(jìn)作用，本文針對(duì)帶裂縫混凝土的碳化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為帶裂縫混凝土碳化特性機(jī)理的研究提供了相應(yīng)數(shù)據(jù)支撐。

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范[14]，試件養(yǎng)護(hù)28 d后，放置兩天進(jìn)行碳化試驗(yàn)，使用電熱鼓風(fēng)干燥箱將試件在60 ℃下烘干48 h。經(jīng)烘干處理后的試件，除開(kāi)裂面及其對(duì)面，其他4個(gè)側(cè)面用石蠟密封，然后將密封好的試件置于碳化箱中。碳化至3 d、7 d、14 d和28 d后，從碳化箱中取出試件，進(jìn)行破型，刮去斷面上殘存的粉末，噴上濃度為1%的酚酞酒精溶液，觀察和記錄各測(cè)量點(diǎn)碳化深度，已碳化區(qū)呈現(xiàn)無(wú)色，未碳化區(qū)呈現(xiàn)粉紅色。測(cè)量并記錄裂縫處及其左右5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm處測(cè)量點(diǎn)的碳化深度，精確至0.1 mm。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 單縫砂漿試件試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖10 單縫砂漿試件碳化圖Fig.10 Carbonization in single slit specimen

水灰比0.6，碳化至14 d時(shí)單縫砂漿試件的碳化情況如圖10所示。

根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)繪出不同碳化時(shí)間及不同水灰比試件碳化深度示意圖，如圖11及圖12所示。

由圖11及圖12可知，各試件碳化深度的最大值產(chǎn)生于裂縫處，碳化作用區(qū)域近似呈現(xiàn)倒“V”形。研究發(fā)現(xiàn)：在裂縫處至其左右5 mm范圍內(nèi)，裂縫與表面交界處形成雙向碳化作用，二氧化碳從兩個(gè)方向進(jìn)行碳化，加大了裂縫周?chē)奶蓟疃取?/p>

水灰比對(duì)砂漿的抗碳化性能有著顯著影響，碳化時(shí)間相同時(shí)，低水灰比砂漿試件的抗碳化性能較好。其主要原因有兩點(diǎn)，一是水灰比增大，砂漿內(nèi)部的孔隙率增大，二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)增大，從而加快了砂漿的碳化速度；二是一部分二氧化碳沿裂縫通道直接進(jìn)入砂漿中，在表面形成雙向碳化作用，這兩種作用疊加從而加快了砂漿的碳化速度。在水灰比一定的條件下，砂漿孔隙中的二氧化碳與基體中的堿性物質(zhì)反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，砂漿表層碳化越充分，裂縫面對(duì)側(cè)的碳化深度明顯增加。

4.2.2 雙縫砂漿試件試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)為100 mm的立方體雙縫砂漿試件，表4是雙縫砂漿的碳化深度匯總信息。

圖11 水灰比0.4碳化深度示意圖 Fig.11 Carbonization depth in specimens with water cement ratio=0.4

圖12 水灰比0.5碳化深度示意圖Fig.12 Carbonization depth in specimens with water cement ratio=0.5

WatercementratioSlitsspacing/mmAveragecarbonizationdepthonslits/mmAveragecarbonizationdepthbetweenslits/mmAveragecarbonizationdepthontheoppositeside/mm0.4102.71.51.20.4202.51.41.20.4302.61.31.30.4402.51.31.30.4502.51.31.20.4602.51.31.30.51010.28.05.80.52010.67.96.60.53012.07.26.50.54010.76.46.30.55011.96.36.00.56013.26.66.50.61019.814.410.90.62021.413.311.00.63019.111.710.90.64019.611.59.50.65018.710.49.80.66020.010.09.4

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同裂縫間距、水灰比的雙縫砂漿試件碳化深度示意圖，如圖13和圖14所示。

由表4可以看出，水灰比對(duì)碳化作用影響很大，水灰比越低，砂漿的抗碳化能力越強(qiáng)。這與混凝土材料本身的特性是密不可分的，減小水灰比，混凝土的孔隙率減小，密實(shí)度提高，空氣中的水分及二氧化碳浸入混凝土體內(nèi)較困難，減緩了混凝土的碳化作用。當(dāng)砂漿的水灰比一定時(shí)，裂縫間距增大，裂縫間平均碳化深度緩慢減小。這是因?yàn)榱芽p間砂漿受到左右裂縫和上表面共三個(gè)方向的碳化作用。當(dāng)兩條裂縫的間距較遠(yuǎn)時(shí)，裂縫間砂漿的三個(gè)方向碳化作用減弱，當(dāng)兩條裂縫的間距足夠遠(yuǎn)時(shí)，裂縫及其周邊的碳化深度與單縫砂漿裂縫處的碳化深度類(lèi)似，遠(yuǎn)離兩條裂縫處的砂漿與無(wú)裂縫砂漿的碳化深度類(lèi)似。

從圖13和圖14中可以看出，對(duì)于0.6水灰比的雙縫砂漿試件，縫間混凝土碳化深度曲線呈現(xiàn)“U”形，當(dāng)裂縫間距為10 mm時(shí)，縫間混凝土的碳化作用受裂縫的影響比較明顯。當(dāng)裂縫間距超過(guò)30 mm時(shí)，裂縫對(duì)縫間混凝土的碳化作用幾乎已無(wú)影響。同樣根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們對(duì)0.4、0.5水灰比的砂漿可以得到相似的結(jié)論，0.5水灰比的雙縫砂漿試件其縫間距超過(guò)30 mm時(shí)，影響已經(jīng)不明顯；而0.4水灰比的雙縫砂漿試件當(dāng)其縫間距超過(guò)20 mm時(shí)，影響不明顯。

圖13 裂縫間距為10 mm的碳化深度 Fig.13 Carbonization depth in specimens with 10 mm cracks spacing

圖14 裂縫間距為60 mm的碳化深度Fig.14 Carbonization depth in specimens with 60 mm cracks spacing

圖15 混凝土試件碳化情況Fig.15 Carbonization depth in concrete specimens

4.2.3 帶裂縫混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的C40混凝土試件。裂縫寬度為0.3 mm，深度為60 mm的試件碳化至14 d，試驗(yàn)過(guò)程如圖15所示。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)匯總，見(jiàn)表5。

由表5中數(shù)據(jù)可知，裂縫處的碳化深度在11.9～18.5 mm范圍內(nèi)，裂縫面對(duì)側(cè)的平均碳化深度在9.5～11.7 mm之間，裂縫處混凝土的最大碳化深度是裂縫面對(duì)側(cè)混凝土的1.78倍，可見(jiàn)裂縫的存在對(duì)混凝土碳化作用有著重要影響。根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，得到裂縫寬度與裂縫處碳化深度之間及裂縫深度與裂縫處碳化深度之間的關(guān)系，如圖16 及圖17所示。

表5 混凝土試件的碳化深度及放大系數(shù)

圖16 裂縫寬度與裂縫處碳化深度的關(guān)系Fig.16 The relationship of cracks width and carbonization depth

圖17 裂縫深度與裂縫處碳化深度的關(guān)系Fig.17 The relationship of cracks depth and carbonization depth

由圖16可知，當(dāng)裂縫寬度大于0.1 mm時(shí)，裂縫處混凝土的碳化深度隨裂縫寬度的增加而顯著增長(zhǎng)。對(duì)比表5中無(wú)裂縫試件的混凝土碳化深度，可以看出裂縫寬度對(duì)于混凝土碳化的影響并未存在明顯的閾值，碳化深度值始終呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。而從圖17中可以看出，裂縫深度為0～40 mm時(shí)，裂縫處混凝土的碳化深度隨著裂縫深度的增加而增加。當(dāng)裂縫深度在40～60 mm時(shí)，裂縫處的碳化深度不再隨裂縫深度的增加而增長(zhǎng)，而是趨于一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值，這說(shuō)明當(dāng)裂縫寬度在0.1～0.3 mm范圍內(nèi)時(shí)，裂縫深度存在閾值，且為40 mm。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于裂縫較深時(shí)，隨空氣進(jìn)入的二氧化碳將要被消耗完時(shí)，外部二氧化碳無(wú)法及時(shí)進(jìn)入裂縫內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充，導(dǎo)致裂縫內(nèi)二氧化碳濃度較低，碳化反應(yīng)緩慢。

5 碳化作用與帶裂縫混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能的耦合作用

5.1 碳化對(duì)帶裂縫抗氯離子擴(kuò)散性能的影響

圖18 試件斷面圖Fig.18 Sectional view of concrete specimens

試驗(yàn)采用φ100 mm×50 mm的帶裂縫圓柱體混凝土試件，試件裂縫寬度為0.2 mm，深度為10 mm。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行碳化試驗(yàn)，將圓柱體試件的側(cè)面涂蠟，使二氧化碳只能從試件的頂部和底端部進(jìn)入。碳化至3 d、7 d和14 d時(shí)，部分試件進(jìn)行碳化深度測(cè)量，另一部分試件進(jìn)行RCM試驗(yàn)，試驗(yàn)施加30 V的直流電場(chǎng)，持續(xù)通電24 h。

5.1.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

碳化14 d，并經(jīng)過(guò)RCM試驗(yàn)后的試件斷面如圖18所示。為了更好的分析碳化作用對(duì)混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能的影響，將不同碳化時(shí)間的碳化深度、氯離子擴(kuò)散深度及擴(kuò)散系數(shù)總結(jié)見(jiàn)表6。

表6 各試件的碳化深度、氯離子擴(kuò)散深度及擴(kuò)散系數(shù)

由表6中數(shù)據(jù)可知，隨著碳化時(shí)間的增長(zhǎng)，帶裂縫混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散深度逐漸降低，碳化作用使混凝土抗氯離子擴(kuò)散性能增加。CO2與混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCO3，CaCO3填充了混凝土孔隙，混凝土試件孔隙率降低，在一定程度上阻礙了氯離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，早期碳化作用對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散深度的變化起到了更為明顯的影響。

5.2 氯離子擴(kuò)散作用對(duì)帶裂縫混凝土抗碳化性能的影響

圖19 試件斷面圖Fig.19 Sectional view of specimens

試驗(yàn)采用φ100 mm×50 mm的帶裂縫圓柱體混凝土試件，裂縫寬度為0.2 mm，深度為10 mm。養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行RCM試驗(yàn)，通電時(shí)間分別為8 h、16 h和24 h，然后部分試件進(jìn)行氯離子擴(kuò)散深度測(cè)量，另一部分試件進(jìn)行碳化試驗(yàn)，碳化時(shí)間為14 d。

經(jīng)過(guò)16 h的 RCM試驗(yàn)并碳化14 d后的試件斷面如圖19所示，將不同試驗(yàn)時(shí)間的氯離子擴(kuò)散深度及碳化深度總結(jié)見(jiàn)表7。

表7 氯離子擴(kuò)散深度及碳化深度

由表7中的數(shù)據(jù)分析可知，未經(jīng)過(guò)RCM試驗(yàn)而直接進(jìn)行14 d碳化試驗(yàn)的帶裂縫混凝土試件的碳化深度平均值為11.2 mm，明顯高于經(jīng)過(guò)RCM試驗(yàn)的三種不同試驗(yàn)時(shí)間的帶裂縫混凝土試件。隨著RCM試驗(yàn)時(shí)間的增加，氯離子擴(kuò)散深度增加，而碳化深度逐漸降低，說(shuō)明氯離子擴(kuò)散作用對(duì)混凝土的抗碳化性能起到了一定的增強(qiáng)效果，原因是氯離子擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的Friedl鹽在孔隙中的沉積及C-S-H膠凝表面形成的化學(xué)吸附層都會(huì)細(xì)化孔隙尺寸，使孔隙結(jié)構(gòu)變得致密，對(duì)二氧化碳?xì)怏w的進(jìn)入起到了阻礙作用，繼而提高了帶裂縫混凝土試件的抗碳化能力。

6 結(jié) 論

本文利用無(wú)損裂縫制備裝置，預(yù)制了帶裂縫混凝土試件，分別進(jìn)行了氯鹽溶液浸泡試驗(yàn)和快速碳化試驗(yàn)，繼而進(jìn)行了二者的耦合作用研究，得到了以下主要結(jié)論：

(1)在氯鹽溶液浸泡試驗(yàn)中，帶裂縫砂漿試件中的氯離子會(huì)發(fā)生沿裂縫發(fā)展方向及垂直于裂縫發(fā)展方向的擴(kuò)散作用，隨著水灰比的減小，砂漿試件的抗氯離子擴(kuò)散性能明顯提高;

(2)裂縫與混凝土表面交界處形成了雙向碳化作用，加大了裂縫周?chē)奶蓟绊憛^(qū)域，使碳化區(qū)域近似呈現(xiàn)倒“V”形。對(duì)于0.5及0.6水灰比雙縫砂漿試件，當(dāng)裂縫間距超過(guò)30 mm時(shí)，兩條裂縫對(duì)中心位置砂漿的碳化作用影響不明顯；而對(duì)于0.4水灰比試件，此閾值為20 mm;

(3)經(jīng)過(guò)碳化作用后的混凝土試件孔隙率降低，在一定程度上阻礙了氯離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，早期碳化作用對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散深度的變化趨勢(shì)起到了更為明顯的影響;

(4)隨著RCM試驗(yàn)時(shí)間的增加，帶裂縫混凝土氯離子擴(kuò)散深度逐漸增長(zhǎng)，混凝土的碳化深度逐漸降低，氯離子擴(kuò)散作用對(duì)混凝土的抗碳化性能起到了增強(qiáng)效果。

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Experimental Study on Chloride Ion Diffusion and Carbonation Characteristics of Concrete with Cracks

ZHANGXi-jin1，TIANWen-ling1，WANGHao-yu2，QINGLong-bang1，YUJian-fu1

(1.School of Civil and Transportation Engineering，Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Tianjin Housing Group Construction Engineering General Contraction,Tianjin 300070,China)

Considering chloride ion diffusion and carbonization properties of concrete with cracks, tests have been studied. With the help of non-destructively preparing crack device, different depth, thickness and spacing of concrete specimens with cracks are prefabricated, conducting chloride salt solution immersion and rapid carbonization tests, and studying their coupling effect. Effects of width, depth, crack spacing and water cement ratio on chloride ion diffusion and carbonization characteristics of concrete specimens with cracks are gained in this study. As carbonization time goes by, chloride ion diffusion depth of concrete specimen with cracks reduces, and better influence of the chloride ion diffusion on the carbonation resistance of concrete have been found.

concrete with crack;chloride ion diffusion;carbonation characteristic;coupling effect

國(guó)家自然科學(xué)基金(51309073)

張希瑾(1992-)，女,碩士研究生.主要從事高性能混凝土材料及其耐久性方面的研究.

王浩宇,博士.

TU528.01

A

1001-1625(2016)12-3972-09