带裂缝混凝土氯离子扩散及碳化特性试验研究

张希瑾，田稳苓，王浩宇，卿龙邦，余建福

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401;2.天津住宅集团建设工程总承包有限公司，天津 300070)



带裂缝混凝土氯离子扩散及碳化特性试验研究

张希瑾1，田稳苓1，王浩宇2，卿龙邦1，余建福1

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401;2.天津住宅集团建设工程总承包有限公司，天津 300070)

针对带裂缝混凝土的氯离子扩散作用及碳化特性进行了试验分析，利用无损裂缝制备装置，预制了不同深度、厚度及不同间距的带裂缝混凝土试件，分别进行了氯盐溶液浸泡试验及快速碳化试验，并对二者的耦合作用进行了研究。得到了裂缝宽度、深度、裂缝间距及水灰比等因素对带裂缝混凝土试件氯离子扩散作用和碳化特性的影响，且随着碳化时间的增加，带裂缝混凝土试件的氯离子扩散深度减小，氯离子扩散对混凝土的抗碳化性能起到了一定的提高作用。

带裂缝混凝土; 氯离子扩散; 碳化特性; 耦合作用

1 引 言

混凝土结构耐久性是指在周围环境及内部材料因素作用下，混凝土结构及其构件不需要花费大量资金维修，也可以保证其使用性、安全性及外观要求的功能，是评价混凝土结构稳定性和使用年限的重要指标[1-2]。氯离子的扩散作用和碳化特性造成的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性能下降的主要原因。混凝土结构在服役期间会不可避免的会产生裂缝，裂缝会促进氯离子扩散作用和碳化反应，进一步降低混凝土结构的安全性和适用性。

国外学者研究发现[3-6]：无损法制备的带裂缝混凝土结构的试验结果具有较高的可靠性，方便数值模拟，而且便于实现对扩散模型的试验验证。氯离子扩散作用造成的钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性降低的主要原因[2]，一般可以将锈蚀机理分为四个方面，即破坏钝化膜、形成腐蚀电池、阳极去极化作用、导电作用[7]，通过研究氯离子在混凝土内的扩散过程来预测内部钢筋的脱钝时间。大气环境下，混凝土的碳化特性是导致钢筋锈蚀的重要因素，混凝土碳化与钢筋锈蚀条件及锈蚀速率有着密切联系[8]。混凝土的碳化作用消耗了混凝土内Ca(OH)2等碱性成分生成CaCO3，使基体pH值降低，钢筋脱钝锈蚀进而造成结构耐久性退化。王栋等[9]发现氯离子扩散系数随着碳化时间的增长呈现先降低后平稳而后升高的规律。陈伟等[10]通过试验研究了碳化和应力作用下混凝土中的氯离子迁移规律,结果表明，碳化龄期短的混凝土试件，氯离子扩散系数会有很大程度的下降，随着碳化时间的增加下降速度不断减缓。许晨等[11]通过研究得出了碳化作用使氯离子扩散系数降低的结论，碳化前期会产生氯离子浓度峰值，同时发现氯离子扩散使混凝土抗碳化能力显著增强，经扫描电子显微镜观察发现，氯离子的侵蚀作用有效减缓了二氧化碳气体的进入，其细化了混凝土的孔隙结构。

目前研究学者对于无损裂缝方法鲜有研究，且对带裂缝混凝土耐久性的研究尚处于起步阶段。针对这种情况，本文提出了一种无损制备裂缝装置，可以高效便捷地制备带裂缝混凝土试件。同时对带裂缝混凝土试件进行了氯盐溶液浸泡试验及快速碳化试验，并研究了其耦合作用，为混凝土结构的寿命预测提供试验及理论依据。

2 带裂缝试件的制备

2.1 试验原材料及配合比

混凝土试件的基本原材料为水泥、粉煤灰、粗骨料、细骨料、减水剂及水。为消除混凝土粗骨料对试验结果的影响，浇注带裂缝的立方体砂浆试件，其基本原材料为水泥、细骨料、水。

C40混凝土配合比见表1，28 d抗压强度平均值49.1 MPa。砂浆试件水灰比分别为0.4、0.5和0.6，其配合比见表2。

表1 C40混凝土配合比

表2 砂浆配合比

2.2 无损制备裂缝法

目前，国内外学者研究的裂缝特征参数主要包括：曲折性、连通性、裂缝尺度(长、宽、深)、开裂面粗糙度及裂缝截面形状(锥型或平行线型)[12-13]。裂缝产生方法包括破损法和无损法两种。无损法相比破损法，便于定量研究裂缝对混凝土各方面性能的影响。

为了能在混凝土的内部及侧面产生裂缝，针对不同种类试验的裂缝制备要求，本文提出了无损制备裂缝方法及试验装置。此装置可以通过改变试模的尺寸、形状及钢片的厚度和宽度，便于对存在单裂缝及多裂缝的混凝土结构进行耐久性试验研究。其制备过程如下：根据试验方案，定做不同厚度和宽度的高强度、高韧性不锈钢钢片，并通过试验装置将其固定(如图1所示)。图中序号代表含义依次为：1、不锈钢钢片，2、上部固定钢片，3、夹具，4、底部固定钢片，5、模板。在试件浇注24 h后脱模，养护至龄期后，使用电子万能试验机将钢片小心拔出，已拆除钢片的带裂缝混凝土试件如图2所示。

图1 试验装置三维图 Fig.1 Graphic model of experimental setup

图2 已拆除钢片的带裂缝混凝土试件Fig.2 Sheet steel pulled out from concrete specimens with cracks

2.2.1 立方体混凝土试件制作

在100 mm×100 mm×100 mm的砂浆试件上产生单裂缝及不同间距的双裂缝。其中单裂缝宽度0.2 mm、深度40 mm，双裂缝宽度0.2 mm、深度50 mm，裂缝间距分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm及60 mm。

2.2.2 圆柱体混凝土试件的制作

浇筑φ100 mm×200 mm圆柱体混凝土试块，将宽度为50 mm、不同厚度的钢片准确固定在可拆卸铸铁试模中间，将试模夹紧的同时钢片也会随之被夹紧和固定.试件达到养护龄期后利用电子万能试验机将钢片拔出，如图3所示。在切割机上精准定出切割位置，分别切出裂缝深度为5 mm、10 mm及15 mm的混凝土试件，制备完成的带裂缝圆柱体试件如图4所示。

图3 钢片拔出过程 Fig.3 Process of pulling out sheet steel

图4 制备完成的带裂缝圆柱体试件Fig.4 Cylinder specimen with cracks

3 带裂缝混凝土氯盐溶液浸泡试验

3.1 试验过程

将带裂缝试件置于氢氧化钙溶液中浸泡7 d以达到饱和状态，然后放入浓度为5%的氯化钠溶液开始自然浸泡，除开裂面及其对面，其他4个侧面用石蜡密封，持续30 d，日平均气温20 ℃。浸泡结束后取出试件，洗去试件表面盐溶液，抹去多余水分并晾干，将试块垂直于裂缝方向劈开，在断裂面喷洒0.1 mol/L的硝酸银溶液，15 min后以黑色记号笔勾勒出显色分界线，并用钢尺测量出显色分界线与试块底面之间的距离。由于饱和状态下氯离子在混凝土内的输运方式是基于氯离子浓度梯度引起的扩散作用，因此，称此距离为该试件的氯离子扩散深度。为消除试块边界效应的影响，只测量裂缝处及其左右5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm及40 mm处测量点的氯离子扩散深度，并对顶部及拐角位置进行加密测量，精确至0.1 mm。

3.2 单缝砂浆试件试验结果及分析

水灰比为0.4的单缝砂浆试件氯离子扩散深度如图5所示，根据试验数据绘制不同水灰比试件氯离子扩散深度如图6所示。

图5 单缝砂浆氯离子扩散深度 Fig.5 Chloride ion diffusion depth in single slit specimen

图6 不同水灰比试件氯离子扩散深度Fig.6 Chloride ion diffusion depth in different water cement ratio specimens

图7 X1～X5测量示意图Fig.7 The measuring schematic diagram of X1-X5

从图6中可以看出，单缝砂浆试件发生了沿裂缝开展方向及垂直于裂缝开展方向的扩散作用，随着水灰比的减小，砂浆试件的抗氯离子扩散性能明显提高。为了更好的了解裂缝对氯离子扩散过程的影响，测量各试件的非裂缝影响区域氯离子扩散深度X1、垂直于裂缝面的氯离子扩散深度X2、X3、X4及裂缝尖端与最大扩散深度间的距离X5，其中X3位于X2与X4对应位置中间，如图7所示，测量结果见表3。

表3 各测量点数值

由表3中数据可以看出，相同水灰比情况下，X2值大于X1，究其原因是裂缝面和下表面的双向扩散作用形成了边角效应。X3值大于X4值，说明裂缝深度值越大，垂直于裂缝开展方向的扩散作用逐渐减弱。X4值与X5值近似相等，表明裂缝尖端的氯离子扩散作用对X4点和X5点的影响近似相等，从扩散深度图像上可以看出，其影响区域接近半圆形，由此推断出高于裂缝尖端位置的氯离子扩散作用，主要是以裂缝尖端为圆心的点扩散。

3.3 双缝砂浆试件试验结果及分析

根据试验数据绘制不同水灰比双缝试件的氯离子扩散深度，如图8和图9所示。

由图8和图9可知，当裂缝间距较小时，0.4水灰比试件的氯离子扩散曲线类似于由两个单缝砂浆氯离子扩散曲线简单组合而成，在双缝间几乎未发生交互影响。0.5水灰比试件的双缝间产生了较为明显的扩散交互作用，与单缝砂浆相比，双缝砂浆扩散曲线的最高点由两条裂缝的正上方转移到了两条裂缝的中心位置，双缝氯离子扩散时的最高点位置比单缝最高点高出1.2 mm。0.6水灰比试件受到了两条裂缝的显著影响，顶部曲线类似于抛物线，与单缝砂浆相比，曲线最高点同样由裂缝的正上方转移到了两条裂缝的中心位置，双缝氯离子扩散时的最高点位置比单缝最高点高出1.1 mm。当裂缝间距较大时，0.4和0.5水灰比试件的双缝扩散交互作用不明显，而对于0.6水灰比试件，裂缝间距较大，交互影响程度减小。

图8 裂缝间距10 mm的双缝试件氯离子扩散深度 Fig.8 Chloride ion diffusion depth in double slits specimens with 10 mm cracks spacing

图9 裂缝间距20 mm的双缝试件氯离子扩散深度Fig.9 Chloride ion diffusion depth in double slits specimens with 20 mm cracks spacing

4 带裂缝混凝土的碳化特性试验研究

混凝土的碳化特性是引起钢筋锈蚀的重要因素之一，而裂缝的存在对于混凝土中二氧化碳的扩散起到了促进作用，本文针对带裂缝混凝土的碳化特性进行了试验研究，为带裂缝混凝土碳化特性机理的研究提供了相应数据支撑。

4.1 试验过程

依据试验规范[14]，试件养护28 d后，放置两天进行碳化试验，使用电热鼓风干燥箱将试件在60 ℃下烘干48 h。经烘干处理后的试件，除开裂面及其对面，其他4个侧面用石蜡密封，然后将密封好的试件置于碳化箱中。碳化至3 d、7 d、14 d和28 d后，从碳化箱中取出试件，进行破型，刮去断面上残存的粉末，喷上浓度为1%的酚酞酒精溶液，观察和记录各测量点碳化深度，已碳化区呈现无色，未碳化区呈现粉红色。测量并记录裂缝处及其左右5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm处测量点的碳化深度，精确至0.1 mm。

4.2 试验结果

4.2.1 单缝砂浆试件试验结果及分析

图10 单缝砂浆试件碳化图Fig.10 Carbonization in single slit specimen

水灰比0.6，碳化至14 d时单缝砂浆试件的碳化情况如图10所示。

根据所测数据绘出不同碳化时间及不同水灰比试件碳化深度示意图，如图11及图12所示。

由图11及图12可知，各试件碳化深度的最大值产生于裂缝处，碳化作用区域近似呈现倒“V”形。研究发现：在裂缝处至其左右5 mm范围内，裂缝与表面交界处形成双向碳化作用，二氧化碳从两个方向进行碳化，加大了裂缝周围的碳化深度。

水灰比对砂浆的抗碳化性能有着显著影响，碳化时间相同时，低水灰比砂浆试件的抗碳化性能较好。其主要原因有两点，一是水灰比增大，砂浆内部的孔隙率增大，二氧化碳扩散系数增大，从而加快了砂浆的碳化速度；二是一部分二氧化碳沿裂缝通道直接进入砂浆中，在表面形成双向碳化作用，这两种作用叠加从而加快了砂浆的碳化速度。在水灰比一定的条件下，砂浆孔隙中的二氧化碳与基体中的碱性物质反应时间越长，砂浆表层碳化越充分，裂缝面对侧的碳化深度明显增加。

4.2.2 双缝砂浆试件试验结果及分析

试验采用边长为100 mm的立方体双缝砂浆试件，表4是双缝砂浆的碳化深度汇总信息。

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

图12 水灰比0.5碳化深度示意图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

根据试验结果，绘制不同裂缝间距、水灰比的双缝砂浆试件碳化深度示意图，如图13和图14所示。

由表4可以看出，水灰比对碳化作用影响很大，水灰比越低，砂浆的抗碳化能力越强。这与混凝土材料本身的特性是密不可分的，减小水灰比，混凝土的孔隙率减小，密实度提高，空气中的水分及二氧化碳浸入混凝土体内较困难，减缓了混凝土的碳化作用。当砂浆的水灰比一定时，裂缝间距增大，裂缝间平均碳化深度缓慢减小。这是因为裂缝间砂浆受到左右裂缝和上表面共三个方向的碳化作用。当两条裂缝的间距较远时，裂缝间砂浆的三个方向碳化作用减弱，当两条裂缝的间距足够远时，裂缝及其周边的碳化深度与单缝砂浆裂缝处的碳化深度类似，远离两条裂缝处的砂浆与无裂缝砂浆的碳化深度类似。

从图13和图14中可以看出，对于0.6水灰比的双缝砂浆试件，缝间混凝土碳化深度曲线呈现“U”形，当裂缝间距为10 mm时，缝间混凝土的碳化作用受裂缝的影响比较明显。当裂缝间距超过30 mm时，裂缝对缝间混凝土的碳化作用几乎已无影响。同样根据试验数据，我们对0.4、0.5水灰比的砂浆可以得到相似的结论，0.5水灰比的双缝砂浆试件其缝间距超过30 mm时，影响已经不明显；而0.4水灰比的双缝砂浆试件当其缝间距超过20 mm时，影响不明显。

图13 裂缝间距为10 mm的碳化深度 Fig.13 Carbonization depth in specimens with 10 mm cracks spacing

图14 裂缝间距为60 mm的碳化深度Fig.14 Carbonization depth in specimens with 60 mm cracks spacing

图15 混凝土试件碳化情况Fig.15 Carbonization depth in concrete specimens

4.2.3 带裂缝混凝土试件试验结果及分析

试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的C40混凝土试件。裂缝宽度为0.3 mm，深度为60 mm的试件碳化至14 d，试验过程如图15所示。根据试验测量数据汇总，见表5。

由表5中数据可知，裂缝处的碳化深度在11.9～18.5 mm范围内，裂缝面对侧的平均碳化深度在9.5～11.7 mm之间，裂缝处混凝土的最大碳化深度是裂缝面对侧混凝土的1.78倍，可见裂缝的存在对混凝土碳化作用有着重要影响。根据表5中数据，得到裂缝宽度与裂缝处碳化深度之间及裂缝深度与裂缝处碳化深度之间的关系，如图16 及图17所示。

表5 混凝土试件的碳化深度及放大系数

图16 裂缝宽度与裂缝处碳化深度的关系Fig.16 The relationship of cracks width and carbonization depth

图17 裂缝深度与裂缝处碳化深度的关系Fig.17 The relationship of cracks depth and carbonization depth

由图16可知，当裂缝宽度大于0.1 mm时，裂缝处混凝土的碳化深度随裂缝宽度的增加而显著增长。对比表5中无裂缝试件的混凝土碳化深度，可以看出裂缝宽度对于混凝土碳化的影响并未存在明显的阈值，碳化深度值始终呈现增长趋势。而从图17中可以看出，裂缝深度为0～40 mm时，裂缝处混凝土的碳化深度随着裂缝深度的增加而增加。当裂缝深度在40～60 mm时，裂缝处的碳化深度不再随裂缝深度的增加而增长，而是趋于一个比较稳定的数值，这说明当裂缝宽度在0.1～0.3 mm范围内时，裂缝深度存在阈值，且为40 mm。造成这种现象的原因可能是由于裂缝较深时，随空气进入的二氧化碳将要被消耗完时，外部二氧化碳无法及时进入裂缝内进行补充，导致裂缝内二氧化碳浓度较低，碳化反应缓慢。

5 碳化作用与带裂缝混凝土抗氯离子扩散性能的耦合作用

5.1 碳化对带裂缝抗氯离子扩散性能的影响

图18 试件断面图Fig.18 Sectional view of concrete specimens

试验采用φ100 mm×50 mm的带裂缝圆柱体混凝土试件，试件裂缝宽度为0.2 mm，深度为10 mm。标准养护28 d后进行碳化试验，将圆柱体试件的侧面涂蜡，使二氧化碳只能从试件的顶部和底端部进入。碳化至3 d、7 d和14 d时，部分试件进行碳化深度测量，另一部分试件进行RCM试验，试验施加30 V的直流电场，持续通电24 h。

5.1.1 试验结果分析

碳化14 d，并经过RCM试验后的试件断面如图18所示。为了更好的分析碳化作用对混凝土抗氯离子扩散性能的影响，将不同碳化时间的碳化深度、氯离子扩散深度及扩散系数总结见表6。

表6 各试件的碳化深度、氯离子扩散深度及扩散系数

由表6中数据可知，随着碳化时间的增长，带裂缝混凝土的氯离子扩散系数及扩散深度逐渐降低，碳化作用使混凝土抗氯离子扩散性能增加。CO2与混凝土中的Ca(OH)2反应生成CaCO3，CaCO3填充了混凝土孔隙，混凝土试件孔隙率降低，在一定程度上阻碍了氯离子向混凝土内部的扩散，早期碳化作用对氯离子扩散系数及扩散深度的变化起到了更为明显的影响。

5.2 氯离子扩散作用对带裂缝混凝土抗碳化性能的影响

图19 试件断面图Fig.19 Sectional view of specimens

试验采用φ100 mm×50 mm的带裂缝圆柱体混凝土试件，裂缝宽度为0.2 mm，深度为10 mm。养护28 d后进行RCM试验，通电时间分别为8 h、16 h和24 h，然后部分试件进行氯离子扩散深度测量，另一部分试件进行碳化试验，碳化时间为14 d。

经过16 h的 RCM试验并碳化14 d后的试件断面如图19所示，将不同试验时间的氯离子扩散深度及碳化深度总结见表7。

表7 氯离子扩散深度及碳化深度

由表7中的数据分析可知，未经过RCM试验而直接进行14 d碳化试验的带裂缝混凝土试件的碳化深度平均值为11.2 mm，明显高于经过RCM试验的三种不同试验时间的带裂缝混凝土试件。随着RCM试验时间的增加，氯离子扩散深度增加，而碳化深度逐渐降低，说明氯离子扩散作用对混凝土的抗碳化性能起到了一定的增强效果，原因是氯离子扩散过程中产生的Friedl盐在孔隙中的沉积及C-S-H胶凝表面形成的化学吸附层都会细化孔隙尺寸，使孔隙结构变得致密，对二氧化碳气体的进入起到了阻碍作用，继而提高了带裂缝混凝土试件的抗碳化能力。

6 结 论

本文利用无损裂缝制备装置，预制了带裂缝混凝土试件，分别进行了氯盐溶液浸泡试验和快速碳化试验，继而进行了二者的耦合作用研究，得到了以下主要结论：

(1)在氯盐溶液浸泡试验中，带裂缝砂浆试件中的氯离子会发生沿裂缝发展方向及垂直于裂缝发展方向的扩散作用，随着水灰比的减小，砂浆试件的抗氯离子扩散性能明显提高;

(2)裂缝与混凝土表面交界处形成了双向碳化作用，加大了裂缝周围的碳化影响区域，使碳化区域近似呈现倒“V”形。对于0.5及0.6水灰比双缝砂浆试件，当裂缝间距超过30 mm时，两条裂缝对中心位置砂浆的碳化作用影响不明显；而对于0.4水灰比试件，此阈值为20 mm;

(3)经过碳化作用后的混凝土试件孔隙率降低，在一定程度上阻碍了氯离子向混凝土内部的扩散，早期碳化作用对氯离子扩散系数及扩散深度的变化趋势起到了更为明显的影响;

(4)随着RCM试验时间的增加，带裂缝混凝土氯离子扩散深度逐渐增长，混凝土的碳化深度逐渐降低，氯离子扩散作用对混凝土的抗碳化性能起到了增强效果。

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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

国家自然科学基金(51309073)

张希瑾(1992-)，女,硕士研究生.主要从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