氯盐环境下开裂混凝土耐久性研究进展

延永东　姚昌建 刘荣桂 陆春华

摘要：为了明确裂缝对氯盐环境下钢筋混凝土结构耐久性的影响，结合已有文献分析了荷载裂缝、非荷载裂缝及预制裂缝下混凝土结构在氯盐环境下的耐久性变化规律，指出了裂缝形式（人工裂缝、自然裂缝）、宽度、深度、间距等参数对混凝土渗透性及氯离子传输、内部钢筋锈蚀的影响规律，介绍了已有的饱和与非饱和状态下开裂混凝土内氯离子传输过程的模型，指出了氯盐环境下开裂混凝土耐久性研究已得出的基本结论及需要深入研究的方面。所得结论可为氯盐环境下开裂混凝土的后期研究提供借鉴。

关键词：钢筋混凝土；裂缝；氯离子传输；钢筋锈蚀

中图分类号：TU528.07 文献标志码：A

0引 言

氯盐环境是混凝土结构在服役过程中遭遇的一种危险环境，其中所含的氯离子在混凝土内的侵蚀是造成钢筋锈蚀的主要原因。各国通过研究氯离子在混凝土内的传输来预测内部钢筋的脱钝时间。以往对氯离子在混凝土中的传输机理研究主要针对完好的混凝土结构。作为一种非均质材料，混凝土最大的缺点是抗拉强度低，在环境及荷载作用下，很容易开裂。实际工程中经常可以看到各种原因形成的裂缝，如荷载裂缝、收缩裂缝、沉降裂缝等[1]。混凝土的非均质性使得裂缝形式比较复杂，宽度、深度、走向等具有一定的随机性，且受水泥持续水化的影响会发生一定程度的自愈[2]。裂缝表面具有较大的特征表面积和化学活性，容易加速其与外部物质的交换过程[3]。Isgor等[4]指出，裂缝的一系列参数将改变混凝土的渗透性及有害物质在混凝土内的传输方式，由此引起的耐久性问题将对混凝土结构的失效概率、使用寿命及使用期的维护次数与成本产生不利影响，各国学者对此进行了一些试验研究与理论分析[5-6]。张士萍等[7]对不同裂缝宽度下氯离子、二氧化碳、水分在开裂混凝土内传输方面的研究进行了总结。本文根据现有文献及研究成果完善了这些总结，指出已经得到的结论及存在的问题，并为后续研究提出一些建议，以期为氯盐侵蚀环境下混凝土结构的耐久性设计及开裂混凝土结构的耐久性寿命预测与评估提供参考。

1裂缝对混凝土渗透性的影响

渗透性包括透气性和透水性，是反映混凝土结构耐久性的一个重要指标[5]，也是影响氯离子在混凝土内侵蚀速度的一个关键因素。各国学者对开裂混凝土的渗透性变化进行了试验研究并建立了相应的计算方法。

1.1开裂混凝土渗透性试验

针对开裂混凝土的渗透性试验，各国学者采用的开裂试件、方法主要有：①圆柱体试件劈裂试验[8-10]，如图1所示，其中，F为荷载，LVDT为开裂位移测量装置；②棱柱体试件直接拉伸试验[11-13]；③普通试件通过温度、湿度等变化产生裂缝[13]。

通过试验得到的基本结论有：①开裂后普通混凝土的渗透系数随裂缝宽度的增加逐渐增大，其变化规律如图2所示[8]，其中δres为残余横向位移，k为不同张开位移下混凝土的相对渗透系数，OC为

ent of Concrete

水灰比0.49的普通混凝土，HPC为水灰比0.29的高性能混凝土，HPFRC为水灰比0.29且内掺1%（体积分数）的钢纤维；②当裂缝宽度小于0.05 mm时，水分渗透速度几乎不变，当裂缝宽度介于0.05～0.2 mm时，水分渗透速度明显加快，但当裂缝宽度在0.2 mm以上时，其增加趋势逐渐变缓，试验时荷载是否作用于开裂混凝土也对其试验结果有影响，如图3所示[10]；③采用直接拉伸混凝土试件来产生裂缝，当混凝土受拉应变达到1×10-3时，其渗透性可增大100倍[12]；④受裂缝形态和界面过渡区的影响，同样宽度范围内普通混凝土的渗透性大于砂浆，而试件厚度对渗透性的影响很小[9]；⑤混凝土的渗透性与裂缝分布形态及连通性有很大关系，均布裂缝对混凝土的渗透性影响要大于局部裂缝[13]；⑥由于裂缝处自愈合的发生，混凝土渗透系数随时间增加逐渐降低[14-15]；⑦粗糙裂缝表面的微通道效应对渗流过程影响显著，使得表面粗糙度大的断裂面渗流量更大，且裂隙内的水分呈非稳态流动[16]；⑧浸泡不久裂缝内水分即达到饱和，且水分渗透速度和分布与混凝土内的初始相对湿度有关[17]。

1.2开裂混凝土渗透性计算

裂缝处的水分流量及渗透系数可用平行板模型来计算，但需根据裂缝的曲折性、粗糙性、自愈合性等特点进行修正。

单一裂缝下混凝土的渗透系数kv0可以表示为

kv0=ξw212（1）

多裂缝下混凝土的渗透系数kv可以表示为

kv=ξw312s（2）

式中：w为裂缝宽度；s为裂缝平均间距；ξ为考虑裂缝曲折性和粗糙性的折减系数，Akhavan等[18]指出，当裂缝处的雷诺数小于2 300且液体流动属于稳定层流时，ξ=τ/（1+8.8R1.5r），τ为表征裂缝曲折性的参数，τ=（Xmax/Le）2，Xmax为试件长度，Le为裂缝的有效长度，Rr为表征裂缝粗糙度的参数，Rr=Ra/（2w），Ra为实际裂缝表面与裂缝光滑表面之间的平均距离。

自愈合会使裂缝处的渗透性逐渐减小，渗透量随时间变化的关系可用下式来表示[19]

q（t）/q0=65w-1.05mt-1.3+4w-105w5.8m（3）

式中：q（t）为t时刻的渗透速度；q0为初始时刻的水流速度；wm为表面平均裂缝宽度。

2裂缝对氯离子在混凝土内传输的影响

氯离子侵入混凝土并造成钢筋锈蚀是氯盐环境下混凝土耐久性破坏的主要表现形式，混凝土开裂后氯离子传输会发生一定的变化，各国对此进行了一些试验和理论研究。

2.1氯离子在开裂混凝土内的传输试验

各国对氯离子在开裂混凝土内的传输试验主要考虑了裂缝形式（人工裂缝、荷载裂缝、收缩裂缝）及宽度（0.03～0.6 mm）对裂缝处及其附近混凝土内氯离子含量的影响。人工裂缝通过在混凝土浇筑过程中插入一定厚度的不锈钢片到指定深度来得到，其优点是试验结果明确，也方便进行数值模拟；缺点是裂缝面处砂浆较多，也不能反映真实裂缝的曲折性。Marsavina等[20]采用此方法研究了氯离子在裂缝处的侵蚀。自然裂缝的产生有5种方式：①对梁式试件施加弯曲荷载[21-22]；②对试件施加轴向拉力[23]；③对圆柱体试件施加径向压力[24-25]，如图1所示；④采用楔形劈裂来产生裂缝[26-27]，如图4所示；⑤通过中心膨胀来产生裂缝；⑥采用平板法产生收缩裂缝。方式①需要在混凝土受拉区配置一定数量的纵向钢筋，裂缝宽度比较容易控制；方式②也需要在混凝土内配置一定数量的受拉钢筋，且试件最好做成哑铃