海水干湿循环下裂缝宽度对钢筋混凝土柱耐久性的影响.pdf

2 0 1 5年 第 5期 (总 第 3 0 7 期) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 5 ( T o t a l N o 3 0 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 5 0 0 5 海水干湿循环 下裂缝宽度 对钢 筋混凝土柱耐久性 的影 响 雷奕玮 ， 叶英华 。 沈孛 。 刁波 ( 1 北京航空航天大学 土木工程系，北京 1 0 0 1 9 1 ； 2 华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室 ， 广东 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要： 正常使用条件下， 裂缝在钢筋混凝土( R C) 结构 中不可避免 ， 沿海地区的 R C结构裂缝使氯离子更容易浸入混凝土腐蚀 钢筋， 严重影响结构耐久性。 在试验室模拟沿海地区环境 ， 对不 同宽度 的初始裂缝 ( 裂缝宽度 w分别为 0 、 0 0 7 、 0 1 、 0 1 4 mm) 的 R C柱试件进行 1 0 0次海水干湿循环侵蚀后， 测试其受拉侧保护层混凝土不同深度范围( 0 - 1 0 、 1 0 - 2 0 、 2 0 - 3 0m m) 的氯离子含量， 计算出表观扩散系数( D ) ， 并对构件寿命进行了预测。 结果表明： 与无裂缝柱相比， 当裂缝宽度 w O 1 m r n时， 氯离子含量差别 不大 ； 当0 1 m mw 0 1 4 m m时， 0 1 0 m m深的氯离子含量略有增加 ， 1 0 - 3 0 m l n深的氯离子含量明显增大 ， 达到无裂缝柱 的 1 7 9 3 1 2倍。 当 w 0 1 3 iT l r n时， 较无裂缝区缩短 8 0 以上。 关键词 ： 钢筋混凝土偏压柱； 氯离子 ； 干湿交替； 裂缝 ； 扩散系数 ； 寿命预测 中图分类号： T U 5 2 8 0 l 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 1 8 0 5 E ffe c t o f c r a c k wid t h s o n d u r a b i l i t y o f r e i n f or c e d c o n c r e t e c ol u mn s u n d e r s e a wa t e r we t dr y c y c l e s LEI Yi we i ， YE Yi n g hu a ， S HEN Be i ， DI AO Bo ， ( 1 De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e ri n g， B e i h a n g Un i v e r s i t y ， Be i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a； 2 S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f S u b t r o p i c a l A r c h i t e c t u r e S c i e n c e ， S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0， C h i n a ) Abs t r ac t ： I t i s i n e v i t a b l e t ha t c r a c k s e x i s t i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r uc t u r e s u n d e r s e r v i c e l o a d Cr a c k s c a n ma k e c o a s t a l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s v u l n e r a b l e t o c h l o ri d e i o n ， whic h s i g n i fi c a n tl y l o we r the i r d u r a b i l i ty T h e c o a s t a l e n v i r o n me n t wa s s i mu l a t e d i n the l a b o r a t o r y R e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s w e r e w i t h d i f f e r e n t i n i ti a l c r a c k s ( w i d t h s o f 0 ， 0 0 7 ， 0 1 ， 0 1 4I n n l ， r e s p e c ti v e l y ) A f t e r 1 0 0w e t d r y c y c l e s ， t h e c hl o rid e c o n t e n t i n c o n c r e t e c o v e r i n d e p t hs o f 0-1 0， 1 0-2 0， 2 03 0 mm wa s t e s t e d， r e s p e c tiv e l y T he n the c h l o rid e d i f f u s i o n c o e ffic i e n t s ( D ) a n d s e r v i c e l i f e we r e c a l c u l a t e d As a r e s u l t ， fi r s t l y ， wh e n w 0 1 mm， c h l o ri d e c o n t e n t c h a n g e s l i t t l e wh e n 0 1 iT l r n w0 1 4 mm， the c h l o rid e c o nt e n t i n d e p th o f01 0 mm i n c r e a s e s s l i g h tl y， wh i l e c hl o rid e c o n t e n t i n d e p th o f 1 0 -3 0 i n I n i n c r e a s e s s i g n i fic a n t l y， wh i c h i s 1 7 9 -3 1 2 t i me s t h a t o f c o l u mn wi tho u t c r a c k s S e c o n d l y， wh e n w 0 1 mm ， D i n c r e a s e s s l i g htl y a s c r a c k wi d th i n c r e a s e s W h e n O 1 mm w 0 1 4 mm ， D i n c r e a s e s s i g ni fic a n tly a n d i t s 3-5 t i me s t h a t o f c o l u mn wi tho ut c r a c k s A f o r m u l a i s p r o p o s e d t o c o n s i d e r the e f f e c t o f w o n D ， wh i c h a g r e e s we l l wi th the e x p e rime n t r e s u l t s Fi n a l l y， i t s h o ws tha t s e rvi c e l i f e s i g n i fic a n tl y r e d u c e s whe n c r a c k wi d t h i nc r e a s e s W h e n wO 1 3 i n l n， the r e d u c t i o n c a n be mo r e tha n 8 0 c o mp a r e d t o are a o f n o c r a c k Ke y wor ds： r e i n f o r c e d c o n c r e t e e c c e n t r i c c o l u mn； c h l o rid e； we td r y c yc l e； c r a c k； d i f f us i o n c o e ffi c i e n t ； s e r v i c e l i f e p r e di c t i o n 0 引 言 在沿海环境下 ， 正常工作状态下 的钢筋混凝 土( R C) 结构在使用荷载作用下会出现裂缝 ， 海水 中的氯离子易于 通过裂缝快速进 入混凝 土 ， 到达钢筋表面 ， 引起钢筋锈 蚀和? 昆 凝土开裂、 剥落等 J ， 对 混凝 土结构安全性和耐久 性产生不利影响 。 因此 ， 研究混凝 土结 构裂缝对氯离 子扩 散 的影 响 对 提 高 结 构 耐 久 性 有 重要 意 义。 P a P a wi n 、 C o s t a 等发现海 水浸泡 后的带裂缝 R C结构 ， 氯 离子浓度在裂缝中沿深度方向先增加 ， 在某一深度达到峰 值后再而减小。 G o w r i p a l a n等 建议将 w c ( 最大裂缝 宽 度 保护层厚度 ) 作为重要参数来 控制开裂对 氯离子扩散 的影 响； K w o n等 分别对实际使用 8年和 1 1 年 的码头平 板进行取样测试 ， 发现随裂缝宽度增大 ， 表层 氯离子含量 没有明显差别 ， 深层氯离子含量 明显增 大 ， 氯 离子扩散 系 数增大。 Z h a n g 等在试验室通过对 R C梁施 加持续荷 载 使梁带有裂缝 ， 经过 1 5次干湿交替后测试 氯离子含量 并 计算氯离子扩散 系数 ， 提 出了修正 F i c k第二定律的方法来 考虑裂缝宽度对氯离子扩散系数的影响。 本研究在试验室模拟沿海地 区环境 ， 通过持续偏压使 柱试件受拉侧 产生不 同宽度 的初 始裂缝 ( 裂缝 宽度 w分 别为 0 、 0 0 7 、 0 1 、 0 1 4 mm) 模 拟结构正常工作状态 ， 柱试 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 1 0 1 2 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 1 1 7 8 0 2 0、 5 1 1 0 8 0 1 5 ) ； 亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题 ( 2 0 1 3 K A 0 3 ) 1 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 氯离子含量沿深度分布 各柱试件氯离子含量沿深度 的分布情况见图 4 。 各深 度范 围内的氯离子含量指该深度范围内第 2 - 6测点( 不考 虑几乎不受拉力 的测点 1 、 7 ) 的氯离子含量平均值。 分析 C O L一 0可以看出 ： 大气环境下 ， 随侵蚀深度增加 ， 氯离子 含量几乎 没有 变化。 分 析 C O L一1 C O L一4可以看 出 ： 1 0 0次海水干湿交替循环作用后 ， 氯离子沿 深度方 向的分 布规律相似 ； 0 1 0 m l T l 的氯离子含量明显大于 1 0 3 0 m i l l ； l O 2 0 IT l r l l 和 2 0 - 3 0 n !l i n 氯离子含量差别不大。 2 2 裂缝宽度 对氯离子含量的影响 将柱试件受拉侧混凝土试样细分为裂缝 区和无裂缝 区， 示意见图 2 ， 由于不同柱试 件的裂缝分布情况不 同， 其 各 区内的测点数量也有差异。 取区内相应测点的平均值 。 计算柱试件 C O L一 2 C O L一 4裂缝 区和无裂缝 区各 深度范围内氯离子含量与 C O L一1 氯离子含量的比值 ， 见 表 3 。 与 C O L一 1 的 0 1 0 m i l l 氯离子含量 比较 ， 其他试件 的无裂缝区差别不大 ， 裂缝 区略有增大； 与 C O L一 1的1 0 3 0 m r n 氯离子含量比较 ， w 0 1 I n l T l 的C O L一 2 无裂缝区和裂 缝区均未增大； w 0 1 n T IT l 的 C O L一 3 C O L一 4 无裂缝区略 有增大 ， 裂缝区有明显增大， 为 C O L一 1 的 1 7 9 - 3 1 2 倍 。 表 3各柱试件和 C OL 一1氯离子含量比较 3 氯 离子扩散 系数分析 3 1 分析模型 以 F i c k第二定律为基础 的关于氯离子在无裂缝 混凝 土中扩散的研究成果 指出氯离子浓度的计算式 ： c t - c 煮 ( 1 ) 2 0 l。 垛 衽 o 0 0 ： 2 0 0： 3 0 0： 4 0 0： 5 0 0 ：6 0 0 ：7 0 0 ： ： 测点位鼍 ， m 雌 ： ： 式 中： t 。 ( t ) 混凝土在海水 中浸泡开始 ( 结束 ) 的时间， 均从混凝土制备完成起算 ， S ； 从混凝土表面起算的深度 ， m； C ) 深度 处在 t 时刻的氯离子浓度 ， m 3 ； c 。 表面平衡浓度 ； P 矿一高斯误差函数 ； D 氯离子在无裂缝混凝 土 中的表观扩散 系数 ， m s 。 为了考虑裂缝宽度 W对表观扩散系数的影响 ， 本研究 引入 对D 对进行修正， 并结合式( 1 ) ， 提出在带裂缝混 凝土中氯离子浓度的计算式， 见式( 2 ) ： C x =C E 1 ( 2 ) D = D 式 中： D 考虑裂缝宽度影 响的氯离子在混凝土中的表 观扩散系数； 裂缝宽度 W对 D 的影响系数 ， 与 W相关 ， 简 称裂缝影响系数 ， 无量纲 ； 其他同上 。 以下 除特殊说明 ， 扩散系数均指表观扩散系数。 3 2 各柱试件的扩散 系数 随裂缝位置的 变化 本试验中， C O L一1 C O L一 4的 t o 、 t 已知 ， 结合 试验 测得三个 深度层的 、 C 1 ) ， 应用式( 2 ) ， 用 ma t l a b拟合可 得到 C 。 和 JD 。 图 5 、 6是每个测 点的扩散系数和实 际取 样位置 的对 应图。 可以看 出 ： C O L一 1是无裂缝柱 ， 7个测 点 的 D 值 比较接 近； 对 于 C OL一2 C OL一4， 各柱试件上无裂缝 的 几个测点 的 D 比较 接 近； 带裂 缝 的测 点 ( C O L一34 、 C O L一 3 5 、 C O L一 4 2 、 C O L一 4 5 ) 的 D 大于其 他测 点 ， 而且随裂缝宽度增加 ， 此规律更加 明显 。 其 中， C O L x Y 指 C O L X柱狈 4 点 Y 。 3 3 不同柱的扩散 系数 比较 将 C O L一 1 - C O L- 4的扩散系数绘制于图 7中， 比较 图 7中各 陆线 ， 可以看出： W 0 1 m i l l 的 C O L一 2的D 大 小与 C O L一1接近 ； W0 1 mm 的 C O L一 3 C O L一 4的 D 整体上大于 C O L一1 - C O L 2 ， 其 中带裂缝的测点的 D 明显增大。 可见 ， 扩散系数 D 随裂缝宽度 W增加而增大。 著 ： 测点位置y m 州 ： ： 裂缝2 裂 缝1 ( a ) C OL 1 扩散系数随裂缝位置的变化 ( b ) C O L 2 扩散系数随裂缝位置的变化 图 5 C OL 一 1 C OL 一 4扩散系数随裂缝位置变化 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 假定瞬时扩散系数 不再 随时间变化 的界 限时 间， 一般取 3 0年 ； m时间因子 ， 常值 ， 与混凝土 的配合 比及使用环 境的温度有关。 进行积分可求得 和 t 的关系见式 ( 6 ) 。 t t R 式 ( 6 ) 中的未知参数只有 f ， 可求解。 根据 文 献 1 3 中提供 的方 法 ， 假 定 m =0 3 ； 根 据 C E C S 2 2 0 混凝土结构耐久性评定标准 ， 假定临界氯离 子含量为 0 1 5 。 依据 以上理论方法进行寿命预测计算 。 4 2 寿命预测结果 表 5 各柱试件寿命预测结果 表 5给出各柱试件 寿命预测结果 。 其 中， 无裂缝区计 算寿命指柱试件上无裂缝区所有测点计算寿命的平均值； 寿命缩短率是指带裂缝测点 与其所属柱试 件无 裂缝区计 算寿命相 比减少的百分 比。 比较 C O L一 1 C O L一 4无裂缝 区计算寿命 ， 可以看 出 计算寿命 由 C O L一 1 至 C O L一 4呈缩短趋势 ， 猜测原 因可 能是持续荷载增加使 昆 凝土产生了更多的微裂缝 ， 从而导 致寿命缩短 。 比较裂缝 区不同裂缝 宽度对应 的寿命缩 短 率 ， 可 以看出， 随裂缝宽度增大 ， 计算寿命 明显缩短 ， 当裂 缝宽度 0 1 3 n l l l l 时 ， 较无裂缝区缩短 8 0 以上 。 5 结 论 ( 1 ) 经过海水干湿交替循环的柱试件 ， 氯离子沿深度 方 向的分布有相似的规律 ： 0 1 0 r a m 的氯离子含量 明显大 于 1 0 - 3 0 m lT l ； 1 0 2 0 m m 和 2 0 3 0 m m 氯离子 含量差别 不大。 ( 2 ) 与无裂缝柱相 比， 当裂缝宽度 w 0 1 mm 时， 氯 离子含 量 差 别不 大 ； 当 0 1 mmw0 1 4 mm 时， 0 1 0 m m深的氯离子含量略有增加 ， 1 0 3 0 m m 深的氯离子 含量 明显增大 ， 达到无裂缝柱的 1 7 9 3 1 2 倍 。 ( 3 ) 当裂缝 宽度 W 0 1 F f l l n ， 氯离子扩散 系数 D 随 W增大缓慢增长 ； 当 0 1 mmW0 1 4 m m， D 增长迅速 ， 达到无裂缝柱 的 3 5 倍 。 ( 4 ) 引入系数来考虑裂缝 宽度 w对氯离子扩 散系数 的影响， 所提出的D 的调整计算式的计算值与试验结果 吻合 良好 。 2 2 ( 5 ) 随裂缝宽度增大 ， 计算寿命 明显缩短 ， 当裂缝宽度 w0 1 3 l l l n l 时 ， 较无裂缝 区缩短 8 0 以上。 参考文献： 1 WI N P P ， WA T A N A B E M， MA C H I D A A P e n e t r a ti o n p r o fi l e o f c hl o r i d e i o n i n c r a c k e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 7 ) ： 1 0 7 3 1 0 7 9 1- 2 杜荣归 ， 刘玉 ， 林昌健 氯离子对钢筋腐蚀机理的影响及其研 究进展I- J 材料保护， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 6 ) ： 4 5 5 0 3 L U C， J I N W， L I U R R e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o ni n d u c e d c o v e r c r a c k i n g a n d i t s t i m e p re d i c ti o n f o r re i n f o r c e d c o n c r e t e s t la l c t u r e s J C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 1 1 ， 5 3 ( 4 ) ： 1 3 3 7 1 3 4 7 r 4 J A F R S J ， H A N S S O N C M C h l o r i d ei n d u c e d c o rr o s i o n p r o d u c t s o f s t e e l i n c r a c k e d - c o n c r e t e s u b j e c t e d t o di f f e r e n t l o a d i n g c o n d i ti o n s J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 2 ) ： 1 1 61 2 5 5 3沈孛， 张健 ， 耿娇， 等 偏压荷载与海水干湿作用后钢筋混凝土 柱滞回性能及微观结构试验研究 J 建筑结构学报， 2 0 1 4 ， ( 3 ) ： 1 6 4 1 6 7 6 C O S T A A， A P P L E T O N J C h l o ri d e p e n e t r a ti o n i n t o c o n c re t e i n ma r i ne e n v i r o n me n tP a r t I： M a i n p ara me t e r s a f f e c tin g c h l o ride p e n e tr a ti o n J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 9 ， 3 2( 4 ) ： 2 5 2 2 59 7 G O WR I P A L A N N， S I R I V I V A T N A N O N V， L I M C C C h l o ri d e d i f f u s i v i t y o f c o n c r e t e c r a c k e d i n fl e x u r e J C e me n t a n d C o n - c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 5 ) ： 7 2 5 7 3 0 8 K WO N S J ， N A U J ， P A R K S S S e r v i c e l i f e p r e d i c ti o n o f c o n c r e t e wh a r v e s wi t h e ar l y a g e d c r a c k： P r o b a bi l i s t i c a p p r oa c h f o r c h l o ri d e d i f f u s i o n J S tr u c t u r a l S a f e t y ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 7 5 8 3 r 9 Z HANG S F， L U C H， R L I U R G E x p e r i me n t al d e t e r mi n a t i o n o f c h l o ri d e p e n e t r a ti o n i n c r a c k e d c o n c r e t e b e a ms J P r o c e d i a E n g i n e e r i n g， 2 01 1， 2 4： 3 8 03 8 4 1 0 河野克哉， 市川牧彦， 梁承奎 ， 等 混凝土中钢筋锈蚀的氯离子 临界浓度及规范 J 混凝土世界 ， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 3 4 4 0 1 1 N I E L S E N E P ， G E I K E R M R C h l o ri d e d i f f u s i o n i n p a r ti a l l y s a m r a t e d c e me n t i t i o u s m a t e ri a l J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 ) ： 1 3 3 1 3 8 1 2 S T A N I S H K， T H O MA S M T h e U S e o f b u lk di f fus i o n t e s t s t o e s t a b - fi s h t i m e d e p e n d e n t c o n c re t e c h l o r i d e di f fus i o n c o e f fi c i e n ts J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 ) ： 5 5 6 2 1 3 MA N G A T P S ， MO L L O Y B T P r e di c ti o n o f l o n g t e r m c h l o ri d e c o n c e n tr a ti o n i n c o n c r e t e J Ma t e ri al s a n d s t r u c tu res ， 1 9 9 4 ， 2 7 ( 6 )： 3 3 83 4 6 第一作者： 雷奕玮( 1 9 9 0 一) ， 女， 硕士研究生， 主要从事钢筋混凝 土结构耐久性研究。 联系地址 ： 北京市海淀区学院路 3 7号 北京航天航空大学交通科 学与工程学院土木工程系工训楼东 4 1 9 ( 1 0 0 1 9 1 ) 联 系电话 ： 1 3 4 0 1 1 8 6 5 2 4 二 一 一 、 一 一0 一 一 三 、 堕m 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m