氯盐环境下开裂混凝土耐久性研究进展.pdf

第 3 2卷 第 4 期 2 0 1 5年 7月 建筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g V o 1 3 2 NO 4 J u l y 2 0 1 5 文章编号 ： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 2 l _ 1 0 0 氯盐环境下开裂混凝土耐久性研究进展 延永 东 ， 姚 昌建 ， 刘 ( 1 江苏大学土木2 1 2 程与力学学院， 江苏镇江2 1 2 0 1 3 ；2 荣桂 ， 陆春华 杭州光明建筑设计院有限公 司， 浙江杭州 3 1 0 0 0 0 ) 摘要 ： 为了明确裂缝对氯盐环境下钢筋混凝土结构耐久性的影响， 结合 已有文献分析 了荷载裂缝、 非荷栽裂缝及预制裂缝 下混凝土结构在氯盐环境下的耐久性 变化规律 ， 指 出了裂缝形式( 人 工裂 缝 、 自然裂缝) 、 宽度、 深度 、 间距等参数对混凝土渗透性及 氯离子传输 、 内部钢筋锈蚀的影响规律 ， 介 绍 了已有 的饱 和 与非饱 和状 态 下开 裂混凝 土 内氯 离子 传 输过 程 的模 型 ， 指 出了氯 盐环 境 下 开 裂 混凝 土耐 久性研 究 已得 出的基 本 结论及 需要 深入研 究的方 面 。所得 结论 可为 氯 盐环境 下开 裂混凝 土的后 期研 究提 供借 鉴 。 关键 词 ： 钢 筋 混凝 土 ； 裂 缝 ； 氯 离子 传输 ； 钢 筋锈蚀 中图分 类号 ： TU5 2 8 0 7 文献标 志码 ： A Re s e a r c h Pr o g r e s s o n Du r a b i l i t y o f Cr a c k e d Co nc r e t e Un d e r Ch l o r i d e En v i r o n me nt YAN Yo n g d o n g ，YAO Ch a n g j i a n ，LI U Ro n g g u i ，L U Ch u n h u a ( 1 S c h o o l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ，J i a n g s u Un i v e r s i t y ，Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3，J i a n g s u，Ch i n a ； 2 Ha n g z h o u Gu a n g mi n g Ar c h i t e c t u r a l De s i g n I n s t i t u t e ，Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 0，Z h e j i a n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：To r e v e a l t h e i n f l u e n c e o f c r a c k o n d u r a b i l i t y o f 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 u n d e r c hl o r i de e nv i r on me nt ，a u t h or s a n a l y z e d t he c ha n ge r ul e s a bo ut du r a bi l i t y o f c o nc r e t e wi t h l oa d c r a c ks，n on l o a d c r a c ks a nd a r t i f i c i a l c r a c k s b y c o m b i ni n g t he e xi s t e d r e f e r e n c e s Th e e f f e c t s o f c r a c k t y p e ( a r t i f i c i a l o r n a t u r a l c r a c k)，wi d t h，de p t h a n d d i s t a nc e o n c o nc r e t e d ur a bi l i t y whi c h c o nt a i ns p e ne t r a bi l i t y， c h l o r i d e i ng r e s s i o n a nd s t e e l c o r r o s i o n we r e po i nt e d o ut The mo de l s a bo ut c h l or i d e i o n t r a ns po r t a t i on i n c r a c ke d c o nc r e t e und e r s a t u r a t e d a n d un s a t ur a t e d s t a t e we r e a l s o i n t r o du c e d The ba s i c c on c l us i o ns a nd k e y p oi nt s n e e d e d i n f ur t h e r s t u dy we r e f i n a l l y pu t f or wa r d Th e o bt a i n e d r e s u l t s c a n be s e r v e d a s r e f e r e nc e s f or t he f ut u r e r e s e a r c h o n du r a b i l i t y o f c r ac ke d c o nc r e t e s und e r c hl o r i d e e nv i r o nme nt Ke y wo r ds ：r e i nf or c e d c on c r e t e；c r a c k；c h l or i de i o n t r a ns po r t a t i on；s t e e l c or r o s i o n 引 言 氯盐环境是混凝土结构在服役过程中遭遇的一 种 危险 环境 ， 其 中所 含 的 氯 离子 在 混 凝 土 内的侵 蚀 是 造 成钢筋 锈蚀 的主要原 因。各 国通过 研究 氯离 子 收稿 日期 ： 基金项 目： 作者简介 ： 在混凝土内的传输来预测内部钢筋的脱钝时间。以 往对 氯离 子在 混凝 土 中的传 输机 理研 究 主要针对 完 好的混凝土结构。作为一种非均质材料 ， 混凝土最 大的缺点是抗拉强度低 ， 在环境及荷载作用下 ， 很容 易 开裂 。实 际工 程 中经常 可 以看到 各种 原 因形 成 的 2 O 1 4 1 2 一 O 5 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 4 1 7 ， 5 1 2 7 8 2 3 0 ， 5 1 3 7 8 2 4 1 ) ； 江苏大学高级人才基金项 目( 1 2 8 1 4 8 0 0 0 2 ) ； 江苏省博士后基金项 目( 1 2 0 2 0 3 8 C) 延永东( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 陕西榆林人 ， 副教授 ， 工学博士 ， 博士后 ， E - ma i l y a n d u i s e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 建筑科 学与 工程 学报 2 O 1 5年 裂缝 ， 如荷载裂缝 、 收缩裂缝、 沉降裂缝 等 1 。混凝 土 的非均质 性使 得 裂 缝形 式 比较 复 杂 ， 宽度 、 深度 、 走向等具有一定的随机性 ， 且受水泥持续水化的影 响会发生一定程度的自愈 。裂缝表面具有较大的 特征表面积和化学活性， 容易加速其与外部物质的 交换 过程 3 。I s g o r 等 指 出 ， 裂缝 的一 系列参 数 将 改变混凝土的渗透性及有害物质在混凝土内的传输 方式 ， 由此 引起 的耐 久 性 问题 将 对 混 凝 土结 构 的失 效概率、 使用寿命及使用期的维护次数与成本产生 不利 影 响 ， 各 国学者 对 此 进行 了一 些 试 验研 究 与 理 论分析 。张士萍等 7 对不同裂缝宽度下氯离子、 二 氧化碳 、 水分 在开 裂 混 凝 土 内传 输 方 面 的研 究 进 行 了总结 。本 文根据 现有 文献 及研究 成果 完善 了这 些 总结 ， 指 出已经得 到 的结 论及 存在 的 问题 ， 并 为后 续研 究 提 出一 些建 议 ， 以期 为 氯盐 侵 蚀 环境 下 混 凝 土 结构 的耐久 性设计 及 开裂混 凝土结 构 的耐久 性寿 命预测与评估提供参考 。 1 裂缝对 混凝土渗透性的影响 渗透性包括透气性和透水性 ， 是反映混凝土结 构耐久性的一个重要指标I 5 ， 也是影响氯离子在混 凝土内侵蚀速度的一个关键因素 。各国学者对开裂 混 凝 土 的渗 透性 变化进 行 了试 验研 究并 建立 了相应 的计算 方法 。 1 1 开 裂混凝 土渗 透性试 验 针对开裂混凝土的渗透性试验 ， 各 国学者采用 的开裂 试件 、 方 法 主要 有 ： 圆柱 体试 件 劈裂 试 验_ 8 。 ， 如 图 1所示 ， 其 中 ， F 为荷 载 ， L V DT 为开 裂 位移测量装 置； 棱柱体试 件直接拉伸试 验 1 ； 普通试件通过温度、 湿度等变化产生裂缝口 引。 垫条 试 件 LVD T 承 压板 图 1 混 凝 土 裂 缝 冤 厦 测试 装 置 Fi g 1 S e t u p f o r Me a s ur i n g Co n c r e t e Cr a c k W i d t h 通过 试 验得 到 的基本 结 论有 ： 开 裂 后普 通 混 凝土的渗透系数随裂缝 宽度 的增加逐渐增大 ， 其变 化规律如 图 2所示_ 8 ， 其 中 为残余横 向位 移， k 为不同张开位移下混凝土 的相对渗透系数 ， OC为 图 2 混凝土相对渗透 系数与残余横向位移的关系 Fi g 2 Re l a t i o n o f Re l a t i v e Pe r me a b i l i t y Co e f f i c i e n t a nd Re s i d ua l La t e r a l Di s pl a c e m e nt of Co nc r e t e 水灰 比 0 4 9的普通混 凝土 ， HP C为水 灰 比 0 2 9的 高性能混凝土 ， HP F R C为水灰 比 0 2 9且 内掺 1 ( 体积分数) 的钢纤维； 当裂缝宽度小 于 0 0 5 mm 时 ， 水分 渗透速 度几 乎不 变 ， 当裂缝 宽度介 于0 0 5 0 2 mm时， 水分渗透速度 明显加快 ， 但 当裂缝宽度 在 0 2 1 -ti m 以上时， 其增加趋势逐渐变缓 ， 试验时荷 载是否 作用 于开裂 混 凝 土 也对 其 试 验 结果 有 影 响 ， 如图 3 所 示 _ 1 。 。 ； 采 用直 接拉 伸混 凝 土试 件 来 产生 裂缝 ， 当混凝土受拉应变达到 1 X 1 0 时 ， 其渗透性 可增大 1 0 0倍 口 ； 受裂缝 形态 和界 面过 渡 区的影 响 ， 同样宽 度范 围 内普 通混凝 土 的渗透 性大 于砂浆 ， 而试件厚度对渗透性的影响很小_ g ； 混凝土 的渗 透性 与裂缝 分布 形 态及 连 通 性 有很 大 关 系 ， 均 布 裂 缝对 混凝 土的渗 透性影 响要 大 于 局部 裂 缝_ 】 ； 由 于裂缝处 自愈合的发生， 混凝土渗透系数随时间增 加逐渐降低 1 4 - 1 5 ； 粗糙裂缝表 面的微通道效应对 渗流过程影响显著 ， 使得表面粗糙度大的断裂面渗 流量 更大 ， 且 裂 隙 内 的水 分 呈 非 稳 态 流动 _ 1 ； 浸 泡不 久裂 缝 内水 分 即 达 到饱 和 ， 且 水 分 渗透 速 度 和 分 布与混 凝 土 内的初始相 对湿 度有关 l_ 】 。 ， l 目 魁 避 裂 缝宽度 ram 图 3 混 凝 土 渗 透 系 数 与 裂 缝 宽 度 的 关 系 Fi g 3 Re l a t i o n o f Pe r me a bi l i t y Co e f f i c i e nt a nd Cr a c k W i d t h o f Con c r e t e 1 2开裂 混凝土 渗透 性计算 裂缝处的水分流量及渗透系数可用平行板模型 来 计算 ， 但需 根据 裂 缝 的 曲折 性 、 粗 糙 性 、 自愈 合性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 延 永 东， 等 ： 氯 盐环境 下 开裂混 凝 土耐 久性研 究进 展 2 3 等特 点 进行修 正 。 单 一裂缝 下 混凝 土 的渗透 系数 k 可 以表 示 为 kv O 一 警 ( 1 ) 多裂缝 下混 凝 土的渗 透 系数 k 可 以表示 为 kv 一 ( 2) 式 中 ： 硼 为裂缝 宽度 ； S 为裂 缝平 均 间 距 ； 为考 虑 裂 缝 曲折性和粗 糙性 的折减 系数 ， Ak h a v a n等_ 1 指 出， 当裂缝处的雷诺数小 于 2 3 0 0且液体流动属于 稳定层流时 ， e r ( 1 +8 8 R ) ， r为表征裂缝 曲折 性 的参数 ， r 一 ( X L ) 。 ， 为 试 件长 度 ， L 为裂 缝 的有 效 长 度 ， R 为 表 征 裂 缝粗 糙 度 的参 数 ， R 一 R ( 2 w) ， R 为 实 际裂缝 表 面 与 裂缝 光 滑 表 面 之 间 的平均 距离 。 自愈合会使裂缝处的渗透性逐渐减小 ， 渗透量 随时 间变 化 的关 系 可用下 式来 表示 L 1 妇 q ( f ) q o 一6 5 硼 t 。 一 1 0 叫 。 ( 3 ) 式 中 ： q 为 t 时 刻 的 渗透 速 度 ； q 。为初 始 时刻 的水 流速度 ； W 为表 面平均 裂缝 宽度 。 2 裂 缝 对 氯 离 子在 混 凝 土 内传 输 的 影响 氯离 子侵入 混凝 土并 造成 钢筋 锈蚀 是氯 盐环 境 下混 凝 土耐久 性破 坏 的主 要 表 现形 式 ， 混 凝 土 开 裂 后氯离子传输会 发生一定的变化， 各国对 此进行 了 一 些 试验 和理 论研 究 。 2 1 氯离 子在开 裂 混凝 土 内的传输 试验 各 国对 氯离 子在 开裂混 凝土 内的传输试 验 主要 考 虑 了裂缝形 式 ( 人工 裂缝 、 荷载 裂缝 、 收缩 裂缝 ) 及 宽度 ( 0 0 3 t0 6 mm) 对裂缝处及其附近混凝 土内 氯 离子 含量 的影 响 。人工 裂缝通 过 在混凝 土 浇筑过 程中插入一定厚度的不锈钢片到指定深度来得到 ， 其优点是试验结果明确， 也方便进行数值模拟 ； 缺点 是裂 缝 面处 砂浆 较 多 ， 也不 能反 映 真 实裂 缝 的 曲折 性 。Ma r s a v i n a等口 。 。 采用此方法研究 了氯离子在裂 缝处 的 侵蚀 。 自然裂 缝 的 产 生有 5种 方 式 ： 对 梁 式试 件 施 加 弯 曲荷 载 ； 对 试 件 施 加 轴 向拉 力 ； 对 圆柱 体 试 件 施 加 径 向压 力 2 4 2 5 ， 如 图 1 所示 ； 采 用 楔 形 劈 裂 来 产 生 裂 缝 。 ， 如 图 4所 示 ； 通 过 中心膨 胀来 产生 裂缝 ； 采 用平 板法 产生 收缩裂缝。方式需要在混凝土受拉区配置一定数 量 的纵 向钢 筋 ， 裂缝 宽度 比较容 易控 制 ； 方 式 也需 要在混凝土内配置一定数量 的受拉钢筋， 且试件最 试 件 膨胀 芯 P VC带 约束箍 圈 4 楔 形 劈 裂 方 法 产 生 裂 缝 Fi g 4 Cr a c k b y Ex pa ns i v e Cor e M e t ho d 好做 成 哑铃型 以便 于施 加 荷 载 ； 方 式 需 要 L VDT 来控制裂缝宽度 ， 否则不容易得到宽度较小的裂缝； 方式 ， 需要 特 制 的加 载 仪器 ， 裂缝 宽度 也较 难控 制 ； 方 式 中裂 缝 宽度 、 数量 均难 以控 制 。 由于 方式 可实现加载与浸泡同时进行 ， 因此在研究中使用 较 多 。 通 过 对 实 际工 程 的调 查 和 室 内试 验 ， 得 出了如 下基 本 结论 ： 相 同侵 蚀 时间 内 ， 裂缝 处 的氯离 子浓 度 显著 增加 2 船 0 ； 侵蚀 一定 时 间后 ， 垂 直裂 缝路 径 的氯 离子浓 度 分布 与从暴 露表 面 向混凝 土 内的分 布 相似 l _ ； 裂 隙表 面在静 态溶 液 中对 离 子 的 吸 附 能 力远 大于 在动 态 溶液 中 的 吸附 能 力 ， 裂 隙 水 的流 动会显著提高裂 隙表面 的溶蚀速率 3 。 ； 短期侵 蚀下 ， 裂缝处的氯离子浓度与裂缝宽度有关 ， 而长期 侵 蚀下 ， 裂 缝 处 的氯 离 子 浓 度 受 裂 缝 宽 度 影 响很 小L 3 ； 传统的非稳态电迁移法不能用于测量开裂 混凝土 试件 的氯 离 子 扩 散 系数 ， 而稳 态 电迁 移 法 可 以通过氯离子流量和电流大小来评价其抗氯离子渗 透的能力_ 3 ； 裂缝的 自愈合效应可 以减小氯离子 在裂缝 处 的扩 散 系 数 。 州 ； 混 凝 土 内粉 煤 灰 掺 量 在 1 5 以上时能有效改善开裂混凝 土的抗 氯离子 渗透性能， 其等效氯离子扩散 系数是普通混凝土 的 1 8 1 6 E 。 。 I s ma i l 等 进行了不同宽度裂缝下砂浆和砌 体试件在静止 Na C | 溶液中的浸泡， 然后沿垂直裂 缝方 向进 行 了取 样 测 试 ， 并 与 从 暴 露表 面取 样 得 到 的结果 进行 了比较 ， 发现 随裂缝 宽 度增 加 ， 同一深 度 的氯 离子 含量 逐渐 增大 ， 当砂 浆裂 缝宽 度达 到O 3 2 5 mm和砌体裂缝宽度达到 0 0 6 mm 时， 垂直裂缝方 向的传输与沿暴露表面的传输类似， 如图 5所示 。 由此 可 见 ， 裂 缝 宽 度对 氯 离 子在 开 裂 附 近混 凝 土内的短期传输有很大影响， 这一影响可以用裂缝 内氯离子 扩散系数 D 来体 现。Ol g a等 。 发现裂 缝内氯离子扩散系数与混凝土 自身材料无关 ， 只与 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 建筑科 学 与工程 学报 2 0 1 5血 删 蜓 隹 匣 骣 删 蝗 褪 图 5 试件沿垂直裂缝方向的氯离子质量分数分布 Fi g 5 Di s t r i b u t i o n s o f Chl o r i de I o n Ma s s Fr a c t i o n o f S pe c i me ns i n Pe r pe n di c u l a r t o - c r ac k Di r e c t i o n s 裂缝 宽度 和环境 条件 有关 。另外 一些学 者研 究发 现 裂缝 内的氯离子扩散系数 D 随着裂缝宽度 的变化 存在上下限【 4 ， 如表 1所示 ， 其中上限为氯离子在 水中的扩散系数， 下 限为氯离子在相应混凝土 内的 扩散 系数 。 表 1 影响 D 的裂缝宽度上下限 Ta b1 Uppe r a n d Lo we r Li mi t a t i o ns o f Cr a c ki ng W i dt h s f orD 数据来源 1 “ m 2 “ m 材料 文献E 4 1 5 0 1 O 0 混凝土 文献 2 6 3 O 1 O 0 砌体 文献 2 7 3 O 1 2 5 砂浆 文献 5 3 3 0 混凝土 文献E 4 2 7 5 混凝土 文献 4 3 3 0 8 0 混凝土 1 O 0 海工混凝土收缩裂缝 文献E 4 4 5 o 海工混凝土劈拉裂缝 注 ： 1 ， W2分别 为裂 缝 冤 厦F限 和 上 限 。 笔 者对 已有 文献 中的试 验 结果 进 行 了 总结 ， 得 出了裂缝宽度在 0 0 3 0 1 2 5 mm 之间 D 的计算 公 式_ 4 ， 即 D 一 一 3 6 x p 一 0 0 8 。 叫 + 2 8 。 I ( 4 ) 叫1 叫叫2 J 2 2饱 和 状 态 下 氯 离 子 在 开 裂 混 凝 土 内 的 传 输 计算 根据混凝土裂缝开展情形 ， 可将饱和状态下氯 离子在开裂混凝土内的传输分为单一裂缝与多裂缝 2种情形分别进行分析。 2 2 1 单一 裂缝 下氯 离子的传 输计 算 单一裂缝下氯离子传输 的计算 目前主要采用 2 类方 法来 进行考 虑 ： 一 类为 简化分 析方 法 ， 即不改 变 原始传输方程 ， 只在有关参数( 主要为氯离子扩散系 数) 的计算 中加入裂缝修正系数 ； 另外一类为精确分 析方法， 主要是考虑氯离子在裂缝中传输的特殊性 建立新 的方程。前者较为简单， 可得出方程 的解 析 解 ， 但在裂缝位置计算所得误差会较大 ， 适合于只考 虑裂缝宏观作用的情况 ， 可在混凝土结构耐久性设 计规 范 中采用 ， 但 需 得 出不 同开 裂 情况 下 较 为 准 确 的修正参数； 后者较为复杂 ， 一般无法得 出方程的解 析解 ， 只能采用数值方法或其他方法求解近似解 ， 因 此不 太适 用于混 凝 土结 构 耐 久 性设 计 规 范 ， 但 可 以 准确 预测裂 缝位 置 的氯 离 子 浓 度变 化 规 律 ， 因此适 用 于分析裂 缝位 置氯 离子 的详细分 布 。 Kw o n等 4 与陆春华等 采用第 1类方法研 究了一定条件下裂缝对氯离子扩散 系数的修正， 得 出了早 期 收 缩 裂缝 与 弯 曲荷 载 裂 缝 下 修 正 系数 k 的计 算方 法 。 早期 收缩裂 缝下 的修正 系数 是 为 忌 一3 1 6 1 w + 4 7 3 w+ 1硼 1 0 mm ( 5 ) 弯曲荷载裂缝下的修正系数 愚 为 忌 f 一4 7 1 8 w 一 8 1 8 w+ 1叫 1 0 mm ( 6 ) 根据 混凝 土孑 L 隙液是否 饱 和可将 氯离 子在 开裂 混凝土内的传输分为饱和与非饱和 2种情况。饱和 状态下的计算方法主要有离散裂缝模型和弥散裂缝 模 型 。离 散裂缝 模 型适合 于单一 裂缝 或开 裂情 况 比 较 复杂 的情况 L 4 。 裂缝 内氯 离子 传输方程 为 孥一 ( D cr孥一 “ 孥) + 2- - D 。 C m a( 7 ) 混凝 土 内氯离 子传输 方程 为 一 D o + a- E D 。 ( 8 ) 式 中 ： c C 分别 为裂 缝 内和混 凝 土 内 的氯 离 子浓 度 ； D。为氯离子在混凝土 内的扩散 系数 ； 为混凝 土 孔 隙率 。 由于裂缝 中的部分氯离子在传输过程 中会通过 裂 缝壁 向 两 侧 混 凝 土 内 扩 散 ， 因 此 计 算 时 需 要 将 式 ( 7 ) ， ( 8 ) 结合起来进行考虑 。 各 国学者在具体计算过程中采用离散裂缝模型 较多 ， 且进 行 了一 些 改进 。L i 等_ 4 根 据裂 缝 内氯 离 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 延 永 东， 等 ： 氯盐环 境 下开裂 混凝 土耐 久性研 究进展 2 5 子浓度与流动速度之间的关系， 将氯离子在裂缝 内 的扩散 分 为努森 流 ( Kn u d s e n F l o w) 和 粘性 流 ( Vi s C O U S F l o w) 2种形 式 ， 分别得 出了这 2 种 情形 下氯 离 子扩散系数 ， 并考虑表面氯离子浓度的时间依赖性 ， 利用分解法得到了不同流动速度下裂缝 内氯离子浓 度的计算公式 。Ka t o等 通过对裂缝处和裂缝周 围混 凝 土 内氯离子 浓度 的不 断迭 代来 简化 计算 氯离 子在开裂混凝土内的扩散。另外 ， 氯离子传输方 式 与 溶液 是否 发生 流动 有关 ， 若溶 液不 发生 流动 ， 则 氯 离子传输 以扩散为主 ； 若溶液发生流动， 则在裂缝内 对 流与 扩散 均需 考虑 。 2 2 2 多裂 缝 下氯 离子 的传输 计算 当混 凝 土 表 面 出现 的 裂缝 较 多且 间距 较 小 时 ， 氯 离 子通过 相邻 2 条 裂缝 侵入 混凝 土后 会在 部分 区 域耦合， 造成其浓度 与单一裂缝 内侵入的有很大不 同， 此时精确结果应通过确立合适的传输方程和边 界条 件来 得到 。由于裂 缝路径 的曲折性 与 氯离子 在 昆 凝土孔隙内传输的复杂性 ， 这一 目的很难达到 ， 为 此各 国学者借用弥散裂缝模型的概念来简化考虑裂 缝对氯离子传输过程 的影响 ， 即假设氯离子传输方 程与 在普 通混 凝 土 内相 似 ， 只在 表 观 扩 散 系数 的计 算中考虑裂缝宽度与裂缝 间距的影响进行修正 ， 所 得 到 的等效扩 散 系数 D 的计 算公 式为 _ 4 。 D= D。 + D ( 9 ) 这 种方 法概 念 明确 ， 计 算简 单 ， 且 具有 一定 的精 度 ， 可用 于混 凝 土 结构 耐 久 性 设 计 规 范 。如 日本 混 凝 土学 会 ( J a p a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ) _ 5 妇 采 用 这种 方 法来考虑多裂缝对氯离子在混凝土 内传输的影 响， 其 提 出弯 曲荷载 作用 下 设计 扩 散 系 数 D 的计 算方 法 为 Dd 一 7 D。 + ( ) D ( 1 0 ) Y s U 式 中： 7为与材料有关的系数 ； 叫 为允许裂缝宽度。 2 3 非饱 和状 态 下氯 离 子 在 开 裂 混凝 土 内的 传 输 计 算 混凝 土 的非 饱 和 状 态存 在 情 形较 多 ， 如海 洋 浪 溅 区 、 潮位 变动 区等 。这 一 状 态 下氯 离 子 在 完 好 混 凝土内的传输方式主要是对流和扩散。氯离子传输 过程与混凝 土 的水 分饱 和度及 其变 化密 切相关 。 B o u l f i z a 等 。 建立 了干 湿循 环作 用下水 分 和氯 离 子 在 开 裂混凝 土 内传输 的二维传 输耦 合模 型 ， 即 a( O _ C) 一 ( O D 一 c) ) _ = 一 一 一 一 “ L l l t H o f i O 工 i 式 中 ： 为混 凝 土 ( 裂 缝 ) 的含 水 量 ； C 为 混 凝 土 ( 裂 缝) 内的氯离子浓度 ； D 为氯离子二维扩散系数 ； 为 水分 流动 速度 ； ， ， 均 为位 置坐标 。 笔 者也 尝试 建立 了非 饱 和状态 下氯 离子 在开 裂 混凝土内传输的统一模型 5 ， 即 ， 一 ： = = = d i v D l ( s ) g r a d ( C f ) +c f DH 2 0 g r a d ( s ) ( 1 2 ) 式 中 ： D 。 为 混 凝 土 ( 裂 缝 ) 内 的 水 分 扩 散 系数 ， 与 混凝土孔隙及裂缝分 布有关 ； D ( s) 为混凝 土 ( 裂 缝 ) 内 与 饱 和 度 有 关 的氯 离 子 扩 散 系数 ， S为 饱 和 度 ； C ， C r 分别为总氯离子浓度和 自由氯离子浓度 。 式 ( 1 3 ) 既适用 于 混凝 土 ， 也 适用 于裂缝 ， 只是混 凝 土 和裂缝 中部 分参 数 的取值 有所 不 同。 另 外 ， Ka t o _ 5 叩通过对 裂缝 内和混 凝 土 内氯 离 子 传输过程的不断迭代计算了干湿交替作用下氯离子 在 自然开裂混凝土 内的传输 ， 所得结果与试验结果 吻合较好。陆春华等 通过分析受 弯混凝 土内的 氯 离 子含量 ， 发 现 当裂缝 宽度小 于 0 3 mm 时 ， 可 以 近似采用等效扩散模 型计算开 裂截面 的氯离子 含 量， 其 中等效扩散系数 的劣化特性可用裂缝宽度的 多项 函数 表示 。 目前各 国对非饱 和状 态下 氯 离子在 多裂 缝混 凝 土 的传输 研究 较 少 ， 还 没 有 明 确 的计 算 方 法 。鉴 于 这种 情形 在海 洋环 境 中不 可 避 免 ， 因 此 有必 要 加 强 这方 面 的研究 。 3 氯盐 环 境 下开 裂 混 凝 土 内 的钢 筋 锈蚀 氯离 子在 开 裂 昆 凝 土 内的侵 入最 终会 对 内部 的 钢筋产生一定 的影响。各国学者采用不同的检测方 法对氯盐环境下受弯开裂构件内的钢筋锈蚀进行了 研究 。S a g u e s 等 通 过试 验 发现 裂 缝 会 导 致 开 裂 区氯离 子局 部侵 蚀加 快 ， 钢 筋脱 钝 时间缩 短 ， 尤 其早 期荷载裂缝会将钢筋直接暴露在有害物质 中， 为钢 筋锈蚀提供极其便利的条件 。Vi d a l 等 通过试验 研究了不同锈蚀情况下混凝 土保护层的开裂情况 ， 并 建立 了相 应 的模型 。J a f f e r 等 采用 如 图 6所示 的装置研究了氯盐环境下受弯开裂普通混凝土及高 性 能混 凝 土 中钢 筋一 混 凝 土 界 面 及 裂 缝 面 处 的 钢筋 锈蚀量及其分布， 发现普通混凝土和高性能混凝 土 裂缝 两 侧钢 筋锈 蚀 产 物 分 布 长 度分 别 为 4 0 mm 和 7 5 mm。在 动荷 载 作 用 下 ， 裂 缝 的 开 合 还会 导致 钢 筋 锈蚀 产物 从 钢 筋一 混 凝 土 表 面 扩 散 到 裂缝 和混 凝 土 孔 隙 中 ， 引起 二次锈 胀 开裂 。 S i s t o n e n等 。 从 电化 学 角 度 探 讨 了 长 期 氯 盐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 建筑科学与工程学报 2 O 1 5年 连接气缸 的 载施加 支架 杆 架 图 6 对 梁 施加 动 力 荷载 的装 置 Fi g 6 Se t up f or App l y i ng Dy n ami c Lo a d t o Be a ms 浸泡环 境下 开裂 混凝土 内热 浸镀 锌钢筋 的 3种锈蚀 机理 ： 叩和 相 的局 部 脱钝 ； 非均 匀 镀 锌层 的 叩和 相的局部脱钝和镀锌层裂缝共同作用导致镀锌层剥 离； 非均匀镀锌层 的 呀相的全部脱钝和 相的部分 脱钝及铁基体的开裂导致镀锌层和铁基体的分离 。 这些锈 蚀 与 混 凝 土 密 实 性 之 间 没 有 不 同程 度 的关 系。S a r a s wa t h y等 9 进行了氯盐环境 中悬臂加 载 开裂混凝土板的钢筋锈蚀试验， 测试了其开路 电位 、 线性极 化电阻、 自由氯离子含量、 p H 值 、 钢筋质量 损失等 。发 现 当裂缝 宽 度 为 0 1 mm 时 ， 钢 筋 的锈 蚀 电位 变化 没有 一定 的规 律 性 ， 线 性极 化 电阻 和 钢 筋锈蚀 量 、 自由氯离 子 含 量 增 加 ， p H 值 则 减 小 0 4 左右 。F r a n c o i s 等_ 6 0 _ 在前期研究中发现 0 5 mm以 下的裂缝对钢筋锈蚀的发展有不同程度 的影响， 超 出此 范 围则 影 响程 度基 本 不 变 ， 而 在后 期 的研 究 中 却发现裂缝本身及其宽度对钢筋锈蚀影响很小 6 。 J a c o b s e n等 指 出 0 4 mm 以下 的裂 缝 对 钢 筋 锈 蚀没有影响； 目前大部分研究针对 的是普通混凝土， 对高性 能 混凝土 中裂 缝 的影 响研 究 较少 。P o u r s a e e 等_ 6 。 研 究 了横 向裂缝 和纵 向裂 缝 对 高 性 能 混 凝 土 内钢 筋锈蚀 的影 响发 现 ： 纵 向开裂 后 ， 由于 钢筋直 接 暴露在锈蚀环境 中且面积较大 ， 因此混凝土的高性 能无 法发 挥作用 ； 横 向开 裂后 ， 由于氯 离子 在高性 能 混凝土裂缝壁处传输较普通混凝土要慢 ， 裂缝 自愈 合更明显 ； 裂缝路径 的特殊性使得高性能混凝土相 比于普通混凝土能发挥一定 的阻锈作用 ， 但效果不 如其 在完 好混 凝 土 内 的作用 。Ar y a等 钉采用 在 浇 筑混 凝 土时预埋 不 锈 钢 薄 片 的方 法来 产 生 裂 缝 ， 研 究 了混凝 土裂 缝频 数 ( 每 米长度 内的裂缝数 量 ) 及裂 缝 密度 ( 每米 长度 内总 的裂缝 宽度 ) 对 内部 钢筋 锈蚀 的影响 ， 发现减小裂缝频数可 以降低钢筋 的锈蚀速 度 和锈 蚀量 。 综 上所述 ， 裂缝 处 的钢筋 会发 生提前 锈蚀 ， 裂缝 频 数 ( 或 密度 ) 对锈 蚀量 及锈蚀 速度 的影 响要 大于裂 缝宽度 ， 目前只有一些定性的结果 ， 缺乏裂缝参数与 钢筋 锈蚀参 数之 间 的定量计算 方法 。 4氯盐环境下开裂混凝土结构 的耐久 性评估与寿命预测 混凝土开裂后对其进行耐久性评估及剩余寿命 预测 具有重 要意 义 。由于裂缝 处 的钢筋 锈蚀情 形 与 其他 地方有 较大 差别 ， 因此 准 确 评 价结 构 的服 役状 态是评估整个结构的关键 ， 选择合理的极 限状态则 是对 开 裂 混 凝 土 进 行 剩 余 寿 命 预 测 的 关 键 。 L u 等_ 6 建 立 了除 冰盐 环 境 下 受 弯 开 裂 钢筋 混 凝 土 桥 梁 中箍筋 和受拉 主 筋初 锈 时 间 的可 靠 度 预测 模 型 ， 其失效概率 P， ( ) 表示为 P ( ) 一PE C f C ( S ， ) ( 1 3 ) 式 中 ： C 为钢 筋表 面 的I 临界 自由氯 离子 浓度 ( 取 为 0 1 0 0 2 5 水泥 质量 的均匀 分布 ) ； C( S ， f ) 为 计 算得 到 的钢 筋表 面 自由氯离 子浓 度 。 采用 Mo n t e C a r l o模拟 得到 的不 同 时间下 初 锈 概率 Pi ( ) 如图 7所示 ， 其 中， P 为锈蚀 概率 最 大值 。 时 I司 年 ( b ) 主筋 二维 侵蚀( 考 虑开裂) 一维侵 蚀( 考虑 开裂) - 二维 侵蚀( 不 考虑开裂) 一维侵 蚀( 不考 虑开裂) 尸j一；1 0 图 7 桥梁 中箍 筋与主筋 的初锈概率 Fi g 7 Pr o b a bi l i t i e s o f Co r r o s i o n I ni t i a t i o n o f S t i r r u p a nd Lo n g i t u d i n al Re i nf o r c e me nt i n Br i dg e s 由图 7可 以看出， 裂缝会使钢筋的初锈时间提 前， 并使得同一时间下的锈蚀概率增大 ， 其中二维侵 蚀下的锈蚀概率要大于一维侵蚀下的结果 。K wo n 等 4 。 采用可靠度方法对早期开裂混凝土码头在氯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 延永 东， 等 ： 氯盐环境下开裂混凝土耐久性研究进展 2 7 盐环境下的耐久性寿命进行了预测 ， 结果表明， 随着 裂缝宽度的增大， 混凝土的预期寿命逐渐减小 。另 外 ， 裂缝对混凝土结构耐久性及其寿命 的影响存在 一 定的变数 ， 实际应用过程 中可采用不确定性分析 方法 ， 如伍振志等I 6 采用模糊综合评价方法分析了 裂缝 对 隧道管 片结 构耐 久性 的影 响 。 5 结 语 ( 1 ) 混凝土开裂后其渗透性增加 ， 渗透系数与裂 缝宽度 、 裂缝曲折性及粗糙性有关 ， 且 由于 自愈合的 发 生 ， 其 渗透 速度 会逐 渐减 缓 。 ( 2 ) 开 裂