混凝土桥梁接缝氯离子侵蚀试验研究

石庆波 张京京 周方南 王海良 赵静波 郭晓宇 张成龙

(1.中铁十八局集团有限公司 天津 300222；2.天津城建大学土木工程学院 天津 300384)

1 引言

混凝土桥梁结构一般采取分段浇筑或预制拼装施工，而非一次浇筑成型，因此桥梁结构存在各类形式的接缝在所难免。预制拼装出现的胶接缝[1－3]和分段现浇产生的湿接缝[4]是两种主要的接缝形式。目前，一部分混凝土桥梁建设于沿海、盐湖、盐碱地区域以及工业厂房附近，此外在我国北方冬季存在使用除冰盐的情况，这些都会使得桥梁结构存在遭受氯盐侵蚀的可能性。氯离子会通过保护层进入混凝土内部腐蚀钢筋，钢筋在氯离子的侵蚀下会逐渐锈蚀，锈蚀产物体积膨胀会使混凝土开裂，对桥梁结构的耐久性产生不利影响，导致构件力学性能退化，进而影响桥梁结构服役安全[5－6]。现阶段有关桥梁混凝土结构的耐久性研究主要集中于整体成型部分，而对接缝处混凝土的耐久性研究较少[7]。目前仅有李国平等[8]对分段成型的桥梁混凝土结构中的直接湿接缝、凿毛湿接缝、干接缝和环氧胶接缝4种接缝的抗氯离子侵蚀性能进行了试验研究。于东超[9]等以混凝土桥梁结构预制节段梁体接缝为研究对象，开展了梁体接缝在冻融和碳化共同作用下的耐久性试验。

氯离子侵入混凝土方式有多种，侵入机理也较为复杂，但最常见的侵入方式是扩散[10]。试验通常采取浸泡的方式来模拟扩散侵入[11]，然而桥梁结构构件并非均处于氯盐溶液中，相比于桥墩、承台、基础，桥梁上部结构更多时间暴露于大气中而非氯盐溶液之中，对处于海洋大气中的桥梁上部结构，应采用氯盐盐雾侵蚀环境来模拟桥梁上部结构所处的真实状态[12]。鉴于此，以直接胶接缝、打磨胶接缝、直接湿接缝和凿毛湿接缝4种接缝形式的混凝土试件为研究对象，以整体成型混凝土试件作为对比，通过氯盐浸泡与盐雾侵蚀来模拟桥梁下部结构与上部结构所处的氯盐环境，对其开展两种环境下的氯离子侵蚀试验，获得氯盐侵蚀环境下混凝土构件接缝处不同深度的氯离子浓度，研究不同接缝形式在不同氯盐侵蚀环境中的耐久性差异，以期为混凝土桥梁接缝局部区域的耐久性设计提供技术支撑和合理建议。

2 试验方法

2.1 试件设计

参照«普通混凝土配合比设计规程»(JGJ 55—2011)配制设计强度等级为C50的混凝土，其配合比见表1。其中，水泥标号为P.O 42.5，粗骨料最大粒径为25.0 mm，细骨料细度模数为2.8，外加剂采用标准型聚羧酸高性能减水剂。参照«普通混凝土拌合物性能试验方法标准»(GB/T 50080—2016)规定，测得混凝土坍落度为150 mm。

表1 C50混凝土配合比 kg/m3

采用3块尺寸为(100×100×100)mm混凝土立方体试块制作含有胶接缝或湿接缝的尺寸为(100×100×300)mm的棱柱体试块，即混凝土接缝试件，包括直接胶接缝、打磨胶接缝、直接湿接缝和凿毛湿接缝4种接缝形式试件，同时制作(100×100×300)mm整体成型混凝土棱柱体试件作为对比，待所有试件成型后置于水箱中室温养护28 d。不同接缝试件制作过程如图1所示。

图1 不同接缝试件制作过程

2.2 侵蚀环境及试件分组

试验主要对两种环境下4种接缝形式试件和整体成型试件经不同侵蚀周期后不同深度处混凝土中氯离子浓度差异进行对比研究。采用盐溶液浸泡试验模拟桥梁下部结构所处海洋环境。试验前将试件顶面(100×300 mm面)作为氯离子侵蚀的暴露面，其余各面涂抹石蜡予以密封；然后，将处理后的试件浸入于质量分数为5.0%的NaCl溶液中，保持盐溶液高出试件上表面30 cm；在室温下试件分别浸泡7 d、14 d、28 d、56 d。采用中性盐雾试验模拟桥梁上部结构所处海洋大气环境。试验前试件处理方式与盐溶液浸泡试验中试件相同；然后，将处理后的试件暴露面向上放置于盐雾箱内，盐水箱中放入质量分数为5.0%的NaCl溶液，并通过空气压缩装置向试件表面喷洒盐雾；试验过程中试验箱内温度恒定为35℃，盐雾侵蚀周期为7 d、14 d、28 d、56 d。

对于两种侵蚀环境，每种环境下按照侵蚀周期分为4组试件，每组均包含直接胶接缝、打磨胶接缝、直接湿接缝和凿毛湿接缝4种接缝形式试件和整体成型试件各1个，同时每个试件包含2个接缝界面，可形成平行试样。对于每个试件，4处粉末样本取样位置如图2中A、B、C、D点所示。其中，d为取样深度，将由4处粉末样本测得的氯离子质量分数平均值作为每个试件接缝处对应深度混凝土中氯离子浓度值，粉末样本的氯离子质量分数由绍兴科锐SSWY-820型氯离子含量快速测定仪测出。

图2 取样位置(单位:mm)

3 试验结果及分析

3.1 盐溶液浸泡试验

图3为盐溶液环境下4种接缝试件和整体成型试件混凝土中氯离子质量分数。经7 d氯离子侵蚀后，所有试件混凝土中氯离子浓度随侵蚀深度变化近似为直线，满足线性梯度变化关系；经14 d、28 d、56 d氯离子侵蚀后，混凝土中氯离子浓度随侵蚀深度呈曲线变化，且随深度增加曲线趋于平缓，尤其在深度达到40 mm后更为明显。这表明不同深度处氯离子已经开始逐渐累积，盐颗粒结晶阻塞混凝土内部孔隙，使得氯离子随深度增加扩散速率减慢。对比同一深度处不同侵蚀周期混凝土中氯离子浓度可知，距暴露面越近氯离子浓度随时间增加越快，扩散速率也较大；随深度增加，氯离子浓度增加逐渐变缓。

图3 盐溶液环境下不同试件混凝土中氯离子质量分数

图4为盐溶液浸泡28 d和56 d后4种接缝试件和整体成型试件中氯离子浓度对比曲线。可见，所有形式接缝试件混凝土中氯离子浓度均高于整体成型试件，即接缝处确为混凝土耐久性薄弱位置；4种接缝试件混凝土中氯离子浓度总体上呈现出湿接缝小于胶接缝、凿毛(或打磨)小于不做处理的规律。针对湿接缝耐久性优于胶接缝的情况，究其原因在于，胶接缝中环氧树脂胶与两侧混凝土界面层的氯离子更易于通过该路径扩散；而湿接缝两侧均为混凝土，相较于胶接缝更接近为一个整体，故湿接缝处混凝土中氯离子浓度较低，此类接缝抗氯离子侵蚀能力更好。针对界面凿毛或打磨处理优于不做处理的情况，究其原因在于:(1)打磨与凿毛均是对接缝界面处混凝土表面水泥砂浆基体进行清除，而水泥砂浆是氯离子扩散的主要通道，界面处理后水泥砂浆基体大量减少，氯离子侵蚀路径减少，故打磨或凿毛提高了界面抗氯离子侵蚀能力；(2)初始接缝界面粗骨料较少，凿毛处理使得混凝土内部粗骨料呈暴露状态，而氯离子通过粗骨料扩散更加困难，故凿毛有利于提高接缝处耐久性。

3.2 中性盐雾试验

图5为盐雾环境下4种接缝试件和整体成型试件混凝土中氯离子质量分数。由图5可知，经不同时间氯离子侵蚀后，混凝土中氯离子浓度随侵蚀深度均呈曲线变化，且随深度增加曲线趋于平缓；与盐溶液浸泡环境相比，在盐雾侵蚀前期(7 d)，所有试件混凝土中氯离子浓度随侵蚀深度变化不再呈线性关系，这说明在盐雾环境下氯离子的扩散受侵蚀深度的影响更为明显，该环境下随侵蚀深度增加，氯离子质量分数下降更为显著。

图6为盐雾侵蚀28 d和56 d后4种接缝试件和整体成型试件中氯离子浓度对比曲线。综合图6可知，无论是盐溶液浸泡环境还是盐雾侵蚀环境，4种接缝试件的耐久性均表现为:打磨胶接缝优于直接胶接缝，凿毛湿接缝优于直接湿接缝。

图6 盐雾侵蚀28 d和56 d后不同试件中氯离子质量分数对比

3.3 氯离子扩散系数

基于Fick第二定律，混凝土内部任意时刻不同深度处的氯离子质量分数可按式(1)计算，采用式(1)进行拟合得出4种接缝试件以及整体成型试件的混凝土氯离子扩散系数，以期为实际工程耐久性设计提出建议。

式中:c为侵蚀深度xmm处氯离子质量分数，%；t为侵蚀时间，d；D为氯离子扩散系数，m2/s；cs为混凝土表面氯离子质量分数，%；erf(˙)为高斯误差函数。

两种环境下不同试件中混凝土氯离子扩散系数如图7所示。综合图7a与图7b可知，盐溶液浸泡和盐雾侵蚀环境下，混凝土氯离子扩散系数均随时间增加而减小，并逐渐趋于稳定；盐溶液浸泡环境中试件混凝土氯离子扩散系数要高于盐雾侵蚀环境中对应试件混凝土氯离子扩散系数。

图7 两种环境下不同试件中混凝土氯离子扩散系数

4 结论与建议

(1)接缝部位为混凝土抗氯离子侵蚀薄弱部位，接缝处由于混凝土非整体成型，接缝界面存在水泥砂浆基体，对氯离子扩散的阻碍作用减弱。

(2)盐溶液浸泡环境与盐雾侵蚀环境下4种接缝试件的耐久性总体表现为:湿接缝优于胶接缝、凿毛(打磨)处理优于不做处理；随氯离子侵蚀时间增加，不同种类接缝处混凝土的耐久性差异逐渐减小。

(3)经相同时间侵蚀后，盐雾环境下混凝土受侵蚀程度与盐溶液浸泡环境下接近，但盐雾环境下试件表面氯离子浓度大于盐溶液浸泡环境下的试件，随深度增加盐雾环境下试件氯离子浓度逐渐小于浸泡环境下的试件。

(4)盐雾环境下接缝处的氯离子侵蚀防护对提高桥梁耐久性十分重要，宜优先采用经界面处理的湿接缝工艺。