横向荷载裂缝对海洋浪溅区混凝土耐久性劣化影响*

黎鹏平， 付文金， 熊建波， 王胜年

(1 水工构造物耐久性技术交通运输部重点实验室，广州 510230；2 中交四航工程研究院有限公司，广州 510230)

0 引言

处于服役中的钢筋混凝土结构受到的环境侵蚀主要包括：环境中的氯离子渗透至钢筋表面且浓度达到临界浓度后，引起钢筋脱钝并锈蚀，在水分充足且氧气充分条件下钢筋进一步锈蚀膨胀，导致钢筋保护层开裂，最终引起结构的耐久性退化和承载力的降低[1-2]； 大气中的CO2引起混凝土表面碳化，酸雨引起混凝土表面中性化等，这些都会导致钢筋保护层中性化并引起钢筋脱钝； SO42-的侵蚀易引起混凝土中的水化硅酸钙凝胶强度降低； 冻融循环易引起混凝土结构开裂等[3]。大量研究及实体构件检测表明，海洋环境中氯离子引起的钢筋锈蚀是导致结构耐久性退化和承载力降低的关键因素，降低氯离子在钢筋混凝土内的渗透速率是提高钢筋混凝土结构耐久性使用年限最直接也是最有效的有段之一[4-5]。

混凝土是典型的固、液、气三相结构，所以从微观层次而言内部有较多的孔隙或裂缝，混凝土内存在固有裂缝，但内部固有裂缝与外部荷载产生的横向荷载裂缝对结构耐久性的影响显然不一致。国内外在考虑钢筋混凝土结构的承载力及使用寿命时都规定了一个允许裂缝宽度最大值，该值与服役环境、钢筋保护层厚度、构件强度等级及构件的形式等参数相关联，该值的范围通常为0.15～0.3mm，如美国规范ACI 224.1R[6]规定海洋浪溅区和水位变动区的受拉混凝土构件表面最大裂缝宽度限值为0.15mm，需要防水构件的最大裂缝宽度限定为0.10mm，我国在耐久性设计相关标准中裂缝的控制指标也不尽相同，如《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)[7]和《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》(JTG/T 3310—2019)[8]规定最大裂缝宽度不能超过0.20mm，而《水运工程混凝土质量控制标准》(JTS 202-2-2011)[9]将水位变动区和水下区的最大允许裂缝宽度值分别规定为0.25mm和0.30mm。

目前国内外关于横向荷载裂缝对混凝土耐久性的影响缺乏系统的评价体系，以往研究人员采取的裂缝制作方式、裂缝宽度、评判混凝土渗透性的试验方法以及侵蚀性介质都不相同，造成研究结果不具有对照性，部分试验结论甚至相互矛盾[10-11]。本文在参考国内外标准中的裂缝宽度限值的情况下，模拟海洋环境开展了氯离子在不同横向裂缝宽度浪溅区混凝土内的渗透试验，以混凝土的氯离子浓度和氯离子扩散系数来评价混凝土的抗渗透性能，从耐久性角度为裂缝宽度的最大允许值提供参考。

1 试验原材料和方法

1.1 试验原材料

水泥选用P·Ⅱ42.5R早强型硅酸盐水泥； 分别选用某电厂生产的Ⅱ级粉煤灰以及某钢厂生产的S95矿渣粉作为复合矿物掺合料，粉煤灰和矿渣粉的表观密度分别为2 170kg/m3和2 910kg/m3，各项性能指标均符合要求； 细骨料选用细度模数为2.8的Ⅱ区级配的西江砂，表观密度2 650kg/m3； 粗骨料选用最大粒径20mm的花岗岩级配碎石，表观密度2 650kg/m3； 外加剂选用减水率高于25%的聚羧酸高性能减水剂。

1.2 试验方案

混凝土设计强度等级为C45，水胶比为0.35，基于港珠澳大桥和深中通道等大型工程项目的试验和应用基础，采用粉煤灰和矿粉复掺的方式，并用纯水泥作对照试验，考虑与工程施工的结合程度，控制混凝土的入模坍落度为140～180mm，混凝土配合比见表1[12]。通过调整外加剂中引气剂组分来控制振捣后混凝土的含气量为2.5%±0.2%，试件拆模后置于标准养护室内养护至28d龄期。

混凝土配合比及基本性能 表1

1.3 试验方法

裂缝宽度取值分别为0.1，0.15，0.20，0.25mm。裂缝制作步骤如下：试验采用尺寸为100mm×100mm×500mm的钢筋混凝土梁，梁体内预埋两根直径为8mm的普通圆钢以控制裂缝制作时试件不发生脆性断裂，混凝土试件养护结束后采用四点加载的方式使混凝土试件预开裂，并利用裂缝宽度观测仪同步监测裂缝宽度，裂缝宽度达到设定值时卸除预加载装置。再采用试验装置对混凝土试件的裂缝宽度进行精确调整，待裂缝宽度调整到试验设定值后对试验装置进行锁定，并定期对外部荷载进行调整以控制裂缝宽度在试验过程中保持稳定，试件裂缝加载过程及裂缝调整装置见图1[13]。

图1 混凝土结构裂缝宽度控制

将预先制作不同裂缝宽度的试件置于干燥环境中，待试件表面干燥后再用无色透明的环氧树脂对试件的两个侧面进行封闭，使氯离子只能从混凝土的暴露面垂直向里渗透。将预处理好的混凝土试件放置于海洋环境试验箱的浪溅区。海洋环境试验箱的温度控制为(25±1)℃，浪溅区环境湿度为60%±5%，喷淋溶液中的氯离子浓度约1.50%±0.1%，定期对氯离子浓度进行监测。浪溅区每天设置6个循环，每次喷淋时间为15min，结束后自动烘干，保证每次喷淋前试件表面都处于干燥状态。

浪溅区混凝土试件经过56d和90d暴露试验后，卸载外部裂缝宽度调整装置并将暴露面置于自动磨粉试验机中，垂直于暴露面从表面沿裂缝深度方向取样，每层取样厚度不超过1mm，最大取样深度为14mm，混凝土试件取样示意图和实物图见图2。

图2 混凝土试件取样示意图和实物图

混凝土试件中不同深度处获取的粉样预处理按照相关标准中的要求进行，粉样中的氯离子浓度采用瑞士某公司的复合电极自动电位滴定仪测定，最后利用菲克第二扩散定律进行拟合获得氯离子扩散系数的解析解[14]。

2 试验结果及分析

2.1 表面横向裂缝宽度对混凝土内不同深度的氯离子浓度影响

混凝土表面横向裂缝宽度对暴露56d龄期混凝土试件不同深度的氯离子浓度分布影响见图3。由图3(a)可见，对于纯水泥混凝土试件，混凝土内同一深度处的氯离子浓度随裂缝宽度的增加而增大； 对于复合掺合料混凝土试件，尽管测试结果有一定的离散，但混凝土试件内同一深度处的氯离子浓度总体上随裂缝宽度的增加而增大，当裂缝宽度增加至0.25mm时，混凝土试件内的氯离子浓度要明显高于裂缝宽度为0.10mm试件在同样深度处的氯离子浓度。比较图3(a)，(b)可见，裂缝宽度相同时且混凝土深度超过4mm后，相比于纯水泥混凝土试件，复合掺合料混凝土试件内相同深度处的氯离子浓度要较低，如裂缝宽度为0.25mm、混凝土深度12mm处纯水泥混凝土试件的氯离子浓度达到0.1522%，但复合掺合料混凝土试件的氯离子浓度降低为0.088%。

图3 裂缝宽度对暴露56d混凝土试件不同深度的氯离子浓度分布影响

混凝土表面横向裂缝宽度对暴露90d龄期混凝土试件不同深度的氯离子浓度分布影响见图4。由图4可知，对于暴露90d龄期的混凝土试件，不论是纯水泥混凝土试件还是复合掺合料混凝土试件，相同深度处的氯离子浓度总体上随裂缝宽度增大而提高，当裂缝宽度增加至0.25mm时，混凝土试件内的氯离子浓度分布要明显的高于裂缝宽度为0.10mm试件在同样深度处的氯离子浓度。同时比较图4(a)，(b)可知，在裂缝宽度相同且混凝土深度超过6mm后，相比于纯水泥混凝土试件，复合掺合料混凝土试件的氯离子浓度要较低。

图4 裂缝宽度对暴露90d混凝土试件不同深度的氯离子浓度分布影响

比较图3和图4可知，裂缝宽度相同时混凝土内同一深度处的氯离子浓度随着试验龄期的延长而提高，90d龄期试件的氯离子浓度要高于56d龄期的试件。

2.2 表面横向裂缝宽度对混凝土氯离子扩散系数影响

混凝土表面横向裂缝宽度对暴露56d和90d龄期时纯水泥混凝土试件和复合掺合料混凝土试件氯离子扩散系数的影响见图5。由图5可知，对于相同的混凝土配合比，不论是纯水泥混凝土试件还是复合掺合料混凝土试件，氯离子扩散系数均随横向裂缝宽度的增加而增大，裂缝宽度相同时，暴露龄期90d试件的氯离子扩散系数要低于暴露龄期56d的试件，原因为随着暴露龄期延长混凝土内的复合掺合料会进一步水化，造成复合掺合料混凝土试件的密实度提高。当裂缝宽度由0.10mm增加至0.15mm时，试件的氯离子扩散系数变化并不明显，但裂缝宽度进一步提高到0.25mm后氯离子扩散系数显著提高，如56d龄期的纯水泥混凝土试件，裂缝宽度由0.10mm增加至0.15mm时氯离子扩散系数增加约18%，但进一步增加裂缝宽度至0.25mm后，与裂缝宽度为0.10mm的试件相比扩散系数提高约3倍。比较图5(a)，(b)可知，暴露龄期和裂缝宽度相同时，纯水泥混凝土试件的氯离子扩散系数约为复合掺合料混凝土试件的2～3倍。

图5 横向裂缝宽度对混凝土试件氯离子扩散系数影响

由于复合掺合料的水化速度和水化程度要低于纯水泥，随着暴露龄期的延长，复合掺合料的水化也会接近稳定，所以采用暴露龄期为90d试件的氯离子扩散系数与裂缝宽度进行曲线拟合，拟合结果分别见图5(a)，(b)中扩散系数与裂缝宽度的关系式，纯水泥混凝土试件的氯离子扩散系数和复合掺合料混凝土试件的氯离子扩散系数均与裂缝宽度近似呈指数函数关系，与胶凝材料的体系无直接关系，胶凝材料体系仅影响指数函数中的固定值。

分析混凝土表面宏观可见裂缝对氯离子侵蚀的影响可知：表面裂缝的存在加快了水分在混凝土内的渗透，可使裂缝周围的胶凝材料水化更加充分，其产物将使裂缝部分愈合从而延缓各种离子渗透，但是表面裂缝也为溶液渗透及各种氯离子侵蚀提供了一个良好的通道； 此外混凝土试件出现横向裂缝后靠近裂缝处的混凝土拉应力为零，而拉应力的降低可有效地提高混凝土的抗渗性[15-16]，所以混凝土横向裂缝宽度对混凝土结构抗渗透性的影响是几个因素相互影响的综合体现。

3 结论

(1)混凝土试件同一深度处的氯离子浓度不仅随裂缝宽度的增加而增大，还随暴露龄期的延长而增加。裂缝宽度相同时且混凝土内部超过一定深度后，相比于纯水泥混凝土试件，复合矿物掺合料混凝土试件的氯离子浓度要较低。

(2)混凝土试件的氯离子扩散系数随裂缝宽度的增加而增大，混凝土裂缝宽度由0.10mm增加至0.15mm时，氯离子扩散系数的变化并不显著，裂缝宽度进一步提高到0.25mm后，与裂缝为0.10mm的试件相比氯离子扩散系数提高约3倍。

(3)暴露龄期90d纯水泥试件的氯离子扩散系数和复合掺合料试件的氯离子扩散系数均与裂缝宽度近似呈指数函数关系，胶凝材料组成体系仅影响函数的固定值。