荷載與環(huán)境共同作用對混凝土氯離子滲透性的研究進展

1、2015年第2期【總第304期)Number2in2015(TotalNo304)混凝土Concrete理論研究THEETICALRESEARCHdoi：103969／jissn1002—3550201502008荷載與環(huán)境共同作用對混凝土氯離子滲透性的研究進展楊濤，關博文，楊曉凱，李選文。陳華鑫(長安大學a公路學院Ib材料科學與：【程學院，陜西西安710064)摘要：鋼筋混凝土常作為負荷結(jié)構(gòu)用于道路、橋梁、隧道等工程中，然而由于氯離子

2、的侵蝕，導致混凝土過早劣化。在實際環(huán)境中，混凝土構(gòu)件在遭受氯離子侵蝕時，常要受到荷載和環(huán)境因素的影響。基于此，總結(jié)了近年來國內(nèi)外荷載(持續(xù)荷載、疲勞荷載)和環(huán)境因素(干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、碳化、其他腐蝕介質(zhì))共同作用下混凝土氯離子滲透性的研究進展，并評述了他們研究中存在的問題及不足，為今后的進一步研究提出一些建議。關鍵詞：荷載；干濕循環(huán)；凍融循環(huán)；碳化中圖分類號：TU52801文獻標志碼：A文章編號：1002；一3550(2015)02—

3、0029—04ResearchprogressonthechlideionpermeabilityofstressedconcretecouplingwithenvironmentsYANGTao，GUANBowen，YANGXiaokai，LIXuauwen，CHENHuaxin(aHighwayCollege；bSchoolofMaterialsScienceandEngineering，Changanuniversity，Xihn

4、710064，China)Abstract：Reinforcedconcreteisoftenusedasaloadstructureofroads，bridges，tunnelsandotherprojects，however，duetotheerosionofchlorideions，resultinginprematuredeteriorationofconcreteConcretestructureswhensubjectedt

5、ochlorideionpenetration，oftenhavetobeaffectedbyloadandenvironmentalfactorsBasedonit，thispapersummarizesthecouplingofload(continuousloads，fatigueloads)andenvironmentalfactors(freeze—thawcycles，wetanddrycycle，carbon~ion，ot

6、hercorrosivemedia)onchlorideionpermeabil—ityofconcretedomesticandaboardinrecentyears，reviewedtheproblemsanddeficienciesintheirstudies，andprovidesomesuggestionsforfurtherresearchinthefutureKeywords：loading；wetanddrycycle；

7、freeze—thawcycles；carbonation0引言鋼筋混凝土不僅具有混凝土抗壓強度高、施工簡便、可塑性好等優(yōu)點，而且克服了混凝土抗折強度低的缺點，常作為負荷結(jié)構(gòu)用于道路、橋梁、隧道、海港等工程中。然而在鹽堿地帶、近海地區(qū)、灑除冰鹽地區(qū)，混凝土經(jīng)常遭受氯離子的侵蝕，致使鋼筋混凝土發(fā)生鋼筋銹蝕，過早劣化，為國民經(jīng)濟帶來了巨大損失。前幾十年，研究荷載對混凝土氯離子滲透性的影響已較多，趙尚傳等、金偉良等、方永浩等對荷載作用下混凝土

8、中氯離子的滲透性進行了總結(jié)。而在服役使用期內(nèi)的鋼筋混凝土構(gòu)件，不僅需要承受荷載，還要承受環(huán)境因素的影響，如干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、碳化、化學介質(zhì)等。因此，研究荷載與干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、碳化、化學介質(zhì)等環(huán)境因素對混凝土中氯離子滲透性的影響顯得非常重要，也更加符合工程實際。近年來，各國研究者陸續(xù)開展了一些荷載與環(huán)境因素共同作用對氯離子滲透性的影響的研究。本研究主要介紹持續(xù)荷載、疲勞荷載與干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、碳化等環(huán)境共同作用對氯離子滲透性的影響

9、。1持續(xù)荷載與環(huán)境因素對氯離子滲透的影響11持續(xù)荷載與干濕循環(huán)共同作用Yoon等對100mlTlX150mmx1170mm鋼筋混凝土混凝土用四點加載法施加不同應力水平的持續(xù)荷載，同時置于3％NaC1鹽池中進行干濕循環(huán)(浸泡4d，干燥3d)，用半電池電位法和電動電流法測試混凝土內(nèi)鋼筋的起始銹蝕時間。發(fā)現(xiàn)施加應力的混凝土梁比未施加應力的梁起銹時間短，且應力水平越高，鋼筋的起始銹蝕時間越短。即在干濕循環(huán)制度下，彎曲荷載越大，氯離子的侵蝕速度越

10、快。Castel等先對承受彎曲荷載的混凝土試件用鹽霧噴6年，然后置于干濕循環(huán)環(huán)境之中，14年后測試混凝士受拉區(qū)的氯離子含量。與不施加荷載的混凝土試件相比，發(fā)現(xiàn)應變最大區(qū)的氯離子滲透系數(shù)比無應變區(qū)增加40％。Wang等對比了人工潮汐環(huán)境和鹽霧噴灑環(huán)境中施加不同應力水平彎曲荷載的混凝土梁的氯離子擴散系收稿日期：2014—07—23基金項目：國家自然科學基金項目(51308062)；中國博士后科學基金項目(2013M540726)；“十二五”

11、國家科技支撐項目(2011BAE27B04)29學兔兔www.xuetutu.com海水中混凝土鋼筋的腐蝕更嚴重。由此可見，疲勞荷載和干濕循環(huán)都促進了鋼筋的腐蝕，促進了氯離子的侵蝕。蔣金洋等在氯鹽的干濕循環(huán)中，發(fā)現(xiàn)在抗壓疲勞荷載和抗彎曲疲勞荷載下，循環(huán)次數(shù)存在一臨界值，當循環(huán)次數(shù)超過這一值時，氯離子擴散系數(shù)急劇增大。孫偉、蔣金洋等先對高性能混凝土(HPC)和高性能纖維混凝土(HPFRCC)試件施加疲勞彎曲荷載，使混凝土試件產(chǎn)生不同程度的

12、殘余應變，然后在35％NaC1溶液中對混凝土干濕循環(huán)，20次于濕循環(huán)(60d)之后測試受拉區(qū)不同深度處氯離子的含量。發(fā)現(xiàn)隨著殘余應變的增大，混凝土內(nèi)部的氯離子含量增加，氯離子擴散系數(shù)增大。殘余應變存在6010～、12010兩個關鍵點，當殘余應變小于6010～，氯離子擴散系數(shù)變化很?。划敋堄鄳兇笥?20lO～，氯離子擴散系數(shù)急劇增大，HPC和HPFRC的氯離子的擴散系數(shù)都達到未疲勞損傷昆凝土的2倍以上。并擬合得出HPC和HPFRC氯離子

13、擴散系數(shù)與殘余應變存在指數(shù)關系。Pack等調(diào)查了11座潮汐區(qū)橋齡為0654865年的橋墩的氯離子擴散情況，發(fā)現(xiàn)相同深度處氯離子的含量隨時問增長而增加，氯離子的表觀擴散系數(shù)隨時間的增長缺逐漸減小，并且建立潮汐區(qū)長期氯離子擴散系數(shù)隨時間的關系：Dm((睪)㈩式中：D(t)——時刻的擴散系數(shù)；D——f時刻的擴散系數(shù)(通常指28d)；m——時間因子。Pack等建立的氯離子擴散系數(shù)隨時間的關系模型基于實際工程環(huán)境，橋梁橋墩不僅承受由橋梁自重引起壓

14、荷載、車輛引起的疲勞荷載，而且遭受海水漲潮、退潮引起的干濕循環(huán)和氯鹽侵蝕，真實的反映了氯離子的擴散情況。然而，筆者沒有考慮交通條件、海水干濕循環(huán)條件等因素對氯離子擴散系數(shù)的影響，當此模型用于其他交通、侵蝕條件時，誤差會較大，適用性不高。22疲勞荷載與凍融循環(huán)共同作用Trottier、Forgeron等研究了疲勞荷載與凍融循環(huán)交互作用對混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩者共同作用與單一因素作用相比，混凝土性能劣化不太明顯。李文婷等認為只有當疲勞荷載

15、或凍融循環(huán)使混凝土產(chǎn)生足夠多的裂縫，使局部軟化或裂縫連通，兩者共同作用才會使混凝土性能急劇下降。蔣金洋等副認為只有當混凝土的殘余應變大于6010時，疲勞荷載與凍融循環(huán)耦合作用下氯離子的擴散系數(shù)才會急劇增大。目前，研究疲勞荷載與凍融循環(huán)共同作用對混凝土性能的影響主要集中于結(jié)構(gòu)層面，研究對氯離子擴散性能的影響鮮有報道。蔣金洋等是根據(jù)疲勞荷載下載混凝土氯離子擴散性能和疲勞荷載下的抗凍性能，推斷出當混凝土的殘余應變大于6010時，疲勞荷載與凍融

16、循環(huán)耦合作用下氯離子的擴散系數(shù)才會急劇增大，并不是通過實際試驗得出的結(jié)論。在寒區(qū)灑除冰鹽的橋梁、路面，交通荷載、凍融、氯離子侵蝕同時作用，而現(xiàn)有文獻中，試驗條件都是對混凝土試件先施加疲勞荷載然后凍融循環(huán)或者先凍融循環(huán)然后施加疲勞荷載，并不是疲勞荷載與凍融循環(huán)的耦合作用對氯離子侵蝕的影響，不符合實際工程環(huán)境。23疲勞荷載與碳化共同作用的影響與持續(xù)荷載與碳化共同作用對混凝土氯離子侵蝕的影響一樣，研究疲勞荷載與碳化共同作用對混凝土氯離子侵蝕影

17、響的報道也很少。目前的研究主要集中于疲勞荷載對氯離子滲透性、疲勞荷載對碳化、碳化對氯離子滲透性的影響。從這些研究成果，可以做此推論：疲勞荷載與碳化共同作用下氯離子的擴散性能可以分為三個階段：第一階段，當疲勞荷載產(chǎn)生的殘余應變較小，主要表現(xiàn)為碳化對氯離子滲透性的影響；第二階段，當疲勞荷載產(chǎn)生的殘余應變達到某一值時，由于疲勞荷載使氯離子擴散系數(shù)顯著增大，表現(xiàn)為兩者共同作用對氯離子滲透性的影響；第三階段，當疲勞荷載產(chǎn)生的殘余應變較大時，氯離子

18、的擴散系數(shù)急劇增大，主要表現(xiàn)為疲勞荷載對氯離子滲透性的影響。3荷栽與其他環(huán)境因素共同作用的影響金祖權(quán)研究了持續(xù)彎曲荷載、硫酸鹽、氯鹽共同作用下混凝土氯離子的擴散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)與荷載、氯鹽溶液環(huán)境條件相比，在腐蝕初期，硫酸鹽的存在提高了混凝土的密買度，提高了混凝土抗氯離子擴散能力；在腐蝕后期，硫酸鹽使昆凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，顯著增加了氯離子的擴散系數(shù)。陳拴發(fā)等研究了交變荷載與硫酸鹽的腐蝕疲勞對高性能昆凝土滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)氯離子擴散系數(shù)隨試驗條件

19、的變化而變化，腐蝕疲勞條件下氯離子擴散系數(shù)最大，腐蝕條件下次之，標準養(yǎng)護條件下氯離子擴散系數(shù)最小，腐蝕疲勞和腐蝕都會降低混凝土的抗氯離子擴散能力。應力、硫酸鹽腐蝕介質(zhì)的耦合作用改變了水泥石的組成及結(jié)構(gòu)，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多的裂縫，氯離子抗擴散能力損失最大。WangCaihui等研究了疲勞荷載和溫度耦合作用對混凝土氯離子擴散性的影響。試驗中，用025、035、O4、045、05、055、06七個應力比的極限彎曲強度循環(huán)300萬次產(chǎn)生疲勞，

20、采用20、30、45、60℃四個溫度環(huán)境。發(fā)現(xiàn)由外至內(nèi)30mm厚度內(nèi)，在恒定溫度下，混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨疲勞應力比增大而增大；06的應力比的疲勞應力下，氯離子擴散系數(shù)隨溫度升高而增大。但是筆者沒有研究在其他恒定溫度或應力比下，氯離子擴散系數(shù)隨應力比或溫度的變化關系。4問題及思考綜上所述，國內(nèi)外對荷載與環(huán)境因素共同作用對混凝上氯離子擴散性能已作了一些研究，取得了不少成果，但也存在一些問題。(1)許多學者建立的氯離子擴散數(shù)值模型僅限于有