压荷载对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

钱邵同

(广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

0 前 言

钢筋锈蚀是引起当今世界混凝土破坏以及锈蚀的主要原因，而氯离子侵蚀又是导致钢筋锈蚀的主要因素[1]，因此，研究混凝土中抗氯离子的渗透性能对混凝土的耐久性设计具有重要的参考意义。目前评价混凝土氯离子渗透性能的方法有很多，包括水压力法、氯离子渗透实验法以及透气法。其中氯离子渗透实验法又包括自然扩散法、干湿循环加速法以及外加电场加速法[2]。这些方法都是基于无荷载水平下，这种理想条件下的实验难以模拟实际工况中复杂的应力状态。基于此，本文将很多学者关于压荷载对混凝土的抗渗透性能的影响研究进行了细分、归纳和总结。

1 单轴压荷载

按加载性质将单轴压荷载分为一次预压荷载、持续压荷载以及循环压荷载。

研究预压荷载作用下抗氯离子渗透性能，实际上是研究混凝土卸载后产生的损伤对氯离子渗透的影响[2]。Misturu Saito[3]研究了一次预压荷载作用后混凝土中的氯离子渗透性能。研究结果表明混凝土即使遭受到90%的极限荷载，荷载引起的微裂缝对氯离子渗透性能也只有略微的影响。此外，何亚伯等[4]通过渗透氯离子实验(NEL法)指出，在预压荷载加载条件下，氯离子扩散系数呈现先下降后上升的趋势，应力比为0.2时氯离子扩散系数最低。

然而混凝土在实际工况中往往是荷载和氯盐同时作用，荷载的持续存在加速了裂缝的发展，加速了氯离子的扩散。所以为了更接近真实的工况，孙继承等[5]基于改进的NEL法研究了持续压荷载作用下混凝土中氯离子渗透性能，并用应力比与氯离子扩散系数表征氯离子在混凝土中的入侵程度，实验结果表明，普通混凝土存在一个所谓的临界应力，其值为0.3。当应力比小于0.3时，混凝土中的氯离子扩散系数随着应力比的增大而增大，当应力比大于0.3时，混凝土中的氯离子扩散系数随着应力比的增大而减小。Wang等[6]基于改进的快速氯离子迁移装置，研究了持续压荷载作用下混凝土中氯离子渗透性能。也得到了相似的结论。普通混凝土的临界应力为0.3，且提出了氯离子扩散系数D/D0(当前荷载对应的氯离子扩散系数与无应力状态下的氯离子扩散系数的比值)与压应力比之间的分段线性关系式。然而李维红等[7]的研究结果与上述研究者略有差异，李维红等采用了自然扩散法研究了持续压荷载作用下混凝土抗氯离子渗透性能，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的小梁，荷载水平分别为0%、30%、60%的极限荷载。基于Fick第二定律测得的氯离子含量随着荷载等级增加出现先增大后减小的趋势，这可能是由于试件尺寸以及表征氯离子扩散程度方式的差异性。此外，本文将部分学者[5-6，8-10]关于持续压荷载对混凝土的渗透性能的影响研究结果进行了归纳，试件尺寸以及测试方法等如表 1所示，实验数据如图 1所示。由于各研究者在试件尺寸、测试手段以及实验环境有所差异，为了更好地比较总结，本文采用了归一化处理，使得纵坐标的量纲为1。即图1横坐标S/S0表示当前荷载与极限荷载的比值，纵坐标f(S)/f(S0)表示当前应力状态氯离子扩散系数与无应力状态氯离子扩散系数的比值。

表1 持续压荷载下采用的试件尺寸、加载方式及测试方法

图1 f(S)/f(S0)随S/S0的变化

从图 1可知，尽管各研究者采用的氯离子测试手段有所不同，氯离子扩散系数基本上都是随着荷载的递增出现先减小后增大的趋势，临界应力基本上都是0.3，且当应力水平在0.6及以上时，部分氯离子扩散系数趋近于无应力状态下，还有一部分甚至远远超过了无应力状态下的。这是因为刚开始由于荷载使得混凝土中的毛细孔隙以及微裂缝减小或闭合，阻碍了氯离子在混凝土中的传输。当单轴状态下的压应力持续增大导致混凝上土内部的界面过渡区和基体之间的裂缝搭接，使得氯离子更容易扩散和传输，进而导致氯离子扩散系数的增大[11]。

循环压荷载，作为一种用于模拟地震的荷载。由于其反复作用会引起混凝土的损伤，研究的难度大，可见的报道比较少。Misturu Saito等[3]研究表明混凝土在60%～80%极限荷载的循环荷载作用下，氯离子渗透性突然增大。然而混凝土遭受到极限荷载50%的循环荷载时，即使重复一百万次，也只有略微的影响。张武满等[12]研究循环荷载次数对氯离子透过性能的影响，研究结果显示40%和80%极限荷载的5次重复荷载增大了氯离子透过性能，且40%和80%极限荷载的基准混凝土的氯离子透过数量分别增加了34.2%和85.0%。上述研究结果表明，循环压荷载也存在一个所谓的临界应力，当应力水平低于这个临界应力时，即使遭受多次重复荷载，混凝土损伤程度也很低。然而不同研究者的临界应力略有差异。一方面，混凝土本身就是一种随机复合材料，此外加载方式的复杂性以及测试条件的差异性加大了研究结果的离散型。因此，对于后续临界应力的确定有待进一步的研究。

2 结 论

整体而言，现在的研究方向逐渐细化，考虑的也愈加周全。但总体来说，还是有很多有待研究的地方。在压荷载方面，最近几年已经有很多研究持续压荷载文献报道过，然而目前研究单轴压荷载的占绝大多数，研究混凝土在双轴压荷载作用下的氯离子渗透性能的文献很少，研究混凝土在持续双轴压荷载作用下的氯离子渗透性能的文献更是未见报道，然而混凝土结构的确会处于这样一种实际工况，另一方面，目前研究氯离子渗透性能的文献大多只是在实验的基础上阐述结论，少有文献进一步总结提炼建立相应的数学模型。

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