锈蚀作用下受荷混凝土中氯离子扩散试验

张宇天， 李泽栋， 李权权

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

锈蚀作用下受荷混凝土中氯离子扩散试验

张宇天， 李泽栋， 李权权

(湖北工业大学土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

利用持续荷载作用下通电加速锈蚀的试验，对不同荷载水平作用下受拉区不同裂缝宽度混凝土梁进行钻孔取样。采用NCL-AL型氯离子快速测定仪检测氯离子在混凝土中的侵蚀深度和含量，研究持续荷载作用下受拉区不同裂缝宽度处氯离子在混凝土中的扩散规律。结果表明：荷载和锈蚀耦合作用下产生的裂缝使得氯离子由一维扩散转变为二维扩散，且在钢筋周围产生聚集现象。氯离子含量受到持续荷载和裂缝间大小两者共同影响，试验表明混凝土中氯离子含量随裂缝荷载的增大而增加。

混凝土梁； 持续荷载； 氯离子； 锈蚀； 扩散

氯离子是导致钢筋锈蚀的主要元凶之一，大量研究表明混凝土中微量的氯离子含量可能会导致钢筋的腐蚀。而早前对混凝土结构遭受氯离子侵蚀的破坏研究，主要集中在混凝土结构本身处于无应力状态。但是对实际服役钢筋混凝土结构而言，在持续荷载与环境因素共同作用下，正常使用过程中混凝土结构往往是处于不同的应力状态并带裂缝工作的。裂缝的产生增大了氯离子的渗透速度，加快了钢筋锈蚀，从而导致混凝土结构寿命缩短。近年来,随着研究的深入，持续荷载作用下氯离子渗透性研究取得一定进展[1-3]，大多数的混凝土渗透性的变化规律研究主要包括轴向受拉、轴向受压、弯曲荷载作用；一般认为，对持载混凝土，混凝土的渗透性受轴向拉力的影响；对于受弯构件，开裂前，受拉区的氯离子移动速率随拉应力的增大而增大，但是开裂后裂缝对氯离子渗透性的影响也不可忽略。

钢筋的锈蚀是导致混凝土破坏主要因素之一，其氯离子的扩散受到荷载作用的极大影响，探讨荷载作用下开裂混凝土中氯离子扩散规律对耐久性影响，一直以来都是重要的研究课题。

1 试验研究

1.1试验设计

通过持续荷载作用下加速锈蚀试验，研究不同荷载水平和受拉区裂缝宽度的混凝土梁中氯离子扩散。本试验制作了5根钢筋混凝土梁试件，分别标记梁试件为L-0、L-1、L-2、L-3、L-4(L-0：参考梁，实验梁L-1、L-2、L-3分别表示持续荷载为极限荷载的0、30%、60%，L-4表示荷载为60%的加载卸载锈蚀梁)。所用试验梁尺寸均为150 mm×200 mm×1500 mm，其混凝土保护层厚度为25 mm，纵向受拉钢筋为2根直径14 mm三级钢筋，两端均竖向弯起50 mm，架立筋为2根直径10 mm三级钢筋，箍筋采用∅6@100。试验梁设计尺寸及配筋见图1。

图 1 梁的截面尺寸及配筋示意图 mm

试验锈蚀方案：由于实际生活当中钢筋的锈蚀属于一种非均匀性锈蚀，故而本试验采用更能与真实情况相契合的干湿循环通电加速锈蚀方案。首先在梁底从下往上依次包裹保水塑料布、吸水海绵、不锈钢丝网并绑扎固定。将5%NaCl溶液导入保水塑料布内，使液面接近受力纵筋，在实验过程中不时添加5%NaCl溶液，浸泡24 h(使5%NaCl溶液充分进入梁内)。本试验采用干3 d湿4 d的循环方案进行干湿处理，然后在恒定电压下进行电渗，即将混凝土内部不锈钢片与电源阳极相连发生电子转移，从而使氯离子到达钢筋表面并在其表面形成不均匀的分布排列，这样就可以模拟实际钢筋不均匀锈蚀。试验仪器采用DH1718E-3型双路跟踪稳压稳流电源。将预留在受拉纵筋上的导线与稳压稳流电源的阳极相连，而不锈钢网片则与其阴极相接，开始通电加速锈蚀。加速锈蚀方案见图2。

图 2 混凝土梁加速锈蚀方案

试验加载方式：采用两集中力对称加载，通过对参考梁的静载试验得到其极限承载力Pu，然后根据极限荷载的0、30%、60%的荷载水平进行持续加载，持续加载时间根据钢筋锈蚀达到10%所需时间确定，纯弯长度设置为500 mm，支座到自由端为150 mm。试验梁加载装置见图3。

图 3 加载装置设备图

1.2试验材料

水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，砂为天然河砂，粗骨料为最大骨料粒径不超过31.5 mm的碎石；减水剂选用的是SH-高效聚羧酸减水剂。混凝土设计强度C30，配合比设计：水170 g、水泥190 g、砂750 g、石1100 g、减水剂0.034 g。

1.3试验氯离子渗透指标的测量

承载力试验结束后，用抹布清洁混凝土梁底部，并用SW-LW-101裂缝观测仪(精度为0.02 mm)对受拉区试验梁底部的横向裂缝进行测量，记号笔作出相应标记。采用手持式小型电钻沿试件侵蚀面竖直方向进行钻孔取粉，钻孔进入深度为50 mm，共为8层，分别是0～5 mm，5～10 mm，10～15 mm，15～20 mm，20～25 mm，25～30 mm, 30～40 mm, 40～50 mm，用小圆柱尺子精确控制取样深度；取粉位置为以裂缝观测仪所测横向裂缝两侧5 mm范围内区域。所取粉末用可封闭塑料袋密封保存并注明相关位置信息。再将所有粉末通过0.63 mm筛，烘干至恒重，之后取出冷却至室温，然后用万分之一天平在每个试样组中取1.5 g粉末，将所取得的粉末加入50 mL去离子水，盖上胶皮塞(防止水分散失)，将所获得的溶液放置在HY-2调速振荡器中充分震荡30 min。最后为了测定氯离子占比，采用NCL-AL型氯离子含量快速检测仪进行试验。

2 试验结果分析

2.1荷载水平对氯离子扩散规律的影响分析

赵尚传等[4]在弯曲荷载作用下氯离子扩散规律试验研究中表明，当梁受到弯曲荷载时，受拉区产生的拉应力导致混凝土内部微观结构裂缝及损伤，且混凝土的孔缝尺寸增加，使混凝土孔径分布发生变化，孔隙率和平均孔径增大。本次试验验证了该理论分析的适应性。

图4给出了不同荷载等级和加载卸载梁条件下纯弯段内非裂缝区域内氯离子含量随混凝土深度变化的规律：随着持续荷载的增加，氯离子在混凝土保护层厚度内的质量分数明显增加；在距离混凝土表面深度范围内，氯离子含量随加载数值的增大而增加；在检测氯离子含量过程中发现：在距离混凝土表面20～30 mm处，氯离子含量出现增长趋势，可能是因为钢筋在通电锈蚀情况下，氯离子会向电势大的方向定向迁移，因此铁基体表面会聚集大量的氯离子，从而有效破坏钢筋表面钝化膜，引起钢筋锈蚀、结构劣化和不稳定。

图 4 受拉非裂缝区域氯离子含量分布

在荷载情况下，混凝土中的受力钢筋附近存在着大量氯离子，钢筋表面浊点与混凝土中氢氧根离子发生中和，使孔隙内pH值下降，导致覆盖在表面的保护膜发生破坏，最终使混凝土中钢筋锈蚀。

2.2裂缝对氯离子扩散规律影响分析

在弯曲荷载作用下混凝土梁底横向开裂，吸水海绵中的氯离子将以裂缝为通道，在电势作用下快速渗入混凝土，其发生移动的速率逐渐变大，从而使得钢筋开始锈蚀的时间提前，减少使用时间。图5为不同持续荷载作用下梁裂缝处与非裂缝处氯离子含量分布随取样深度变化的示意图，从L-2和L-3梁氯离子分布图可以看出，整体而言，非裂缝处含量远远低于裂缝处氯离子的含量；同时伴随着裂缝宽度的不断变大，处于同一深度处混凝土内氯离子的含量呈现递增的趋势；而氯离子的含量则伴随侵蚀深度的加深而逐渐下降。当深度为50 mm时，梁L-3裂缝处氯离子含量是非裂缝处氯离子含量的1.3-1.8倍，裂缝和非裂缝处氯离子含量差进一步表明钢筋混凝土结构对裂缝控制大小重要性。

图 5 氯离子含量随深度变化示意图

图6为加载卸载作用下梁裂缝处与非裂缝处所取氯离子含量随取样深度变化的示意图，从图6可以看出，与施加60%持续荷载相比，在相同深度处，其所对应的氯离子含量，无论是裂缝还是非裂缝处，均大于加载卸载梁氯离子含量，这是因为加载卸载梁存在着“自闭和”现象，即混凝土裂缝处水泥后期发生水化现象生成CaCO3等物质填充于裂缝。

图 6 加载卸载作用下氯离子含量随深度变化示意图

3 结论

1)混凝土受到外加持续荷载作用时，其各相界面发生变化并产生微裂纹，使得混凝土内部空隙增多，孔径平均大小发生改变，水分和侵蚀介质的内外传输能力提高，氯离子渗入深度大。另外，氯离子的含量随荷载水平的增大而呈现增加趋势。

2)非裂缝处含量远远低于裂缝处氯离子的含量，非裂缝处氯离子含量随深度的增加而降低，即离混凝土表面越近，氯离子含量越高；同时，混凝土中氯离子浓度与裂缝宽度成正相关。

3)持续荷载作用下加速锈蚀，氯离子含量在钢筋周围及20～30 mm深度范围内会产生一个峰值，受力钢筋周围氯离子含量增加，主要是由于覆盖在钢筋表面上的钝化膜发生化学反应。

4)加卸载梁存在着“自闭和”现象，即混凝土裂缝处水泥后期发生水化现象生成CaCO3等物质能填塞水泥石中的毛细空隙，形成致密结构，混凝土中渗透阻力增大。

[1] 袁迎曙，余索.锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化[J].建筑结构学报,1997(4):51-57.

[2] 金伟良，赵羽习.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试验研究[J].工业建筑,2001(5): 9-11,

[3] 史庆轩，李小健.锈蚀钢筋混凝土偏心受压构件承载力试验研究[J].工业建筑,2001(5):14-17.

[4] 赵尚传,贡金鑫,水金锋.弯曲荷载作用下水位变动区域混凝土中氯离子扩散规律试验[J].中国公路学报,2007,20(4): 77-82,

[责任编校：张岩芳]

ExperimentalStudyonMechanicsBehaviorsofReinforcedConcreteBeamsunderSustainedLoadandCorrosion

ZHANG Yutian, LI Zedong, LI Quanquan

(SchoolofCivilEngin. &Architecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

In this paper, under the action of sustained load, the drilling of different concrete beams with different crack width under different load levels is carried out. The erosion depth and content of chloride ions in concrete were measured by NCL-AL type chloride ion rapid detector. The diffusion law of chloride ion in concrete under different crack width under continuous load was studied. The results show that the cracks produced by the coupling of load and corrosion make the chloride ion from one-dimensional diffusion to two-dimensional diffusion, and the aggregation phenomenon occurs around the steel bar. The chloride ion content is affected by the continuous load and the size of the cracks. The results indicate that the chloride ion content in the concrete increases with the increase of the crack load.

reinforced concrete beam；sustained load；The chloride ion；steel corrosion; diffusion

2016-10-10

湖北省桥梁安全监控技术及装备技术研究中心开放基金(QLZX2014006)

张宇天(1991-)， 男，湖北监利人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为结构工程

1003-4684(2017)05-0030-03

TU 375.1

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