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預(yù)應(yīng)力混凝土抗氯離子侵蝕性能研究
鋼筋侵蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。氯離子侵蝕是鋼筋腐蝕的主要原因之一,也是影響混凝土結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。然而,目前國內(nèi)外對(duì)混凝土侵蝕的研究主要是在單個(gè)因素的侵蝕和負(fù)荷的影響下進(jìn)行的,這與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境不符。通過對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜的負(fù)荷進(jìn)行快速氯離子侵蝕試驗(yàn),我們研究了在負(fù)荷和氯離子侵蝕的同時(shí)影響混凝土的耐久性。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1u3000水泥水泥采用江南水泥廠生產(chǎn)的“金寧羊”牌42.5強(qiáng)度等級(jí)普通硅酸鹽水泥;細(xì)骨料采用蕪湖產(chǎn)河沙,細(xì)度模數(shù)2.4,級(jí)配Ⅱ區(qū);粗骨料采用最大粒徑為20mm的石灰?guī)r碎石;外加劑采用FDN減水劑.1.2表1顯示了材料配合比混凝土基本相同的情況1.3預(yù)應(yīng)力狀態(tài)試件制作混凝土試件分為無應(yīng)力、壓應(yīng)力、拉應(yīng)力狀態(tài)3類.對(duì)壓應(yīng)力、拉應(yīng)力狀態(tài)試件的制作分為3步:首先加工預(yù)埋鐵件,再按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù),最后按應(yīng)力水平施加荷載.試件尺寸均為100mm×100mm×400mm.1.3.1預(yù)應(yīng)力損失施加壓應(yīng)力試件見圖1,試件預(yù)先留有孔道,采用后張法,通過施加預(yù)應(yīng)力使試件產(chǎn)生預(yù)期的受壓狀態(tài).為減少預(yù)應(yīng)力損失,采用鐓頭錨具.加載時(shí)采用雙重控制:一是通過粘貼在預(yù)應(yīng)力筋上的電阻應(yīng)變片控制力筋的應(yīng)力值,二是通過張拉鋼筋時(shí)千斤頂油壓表的讀數(shù)控制施加于混凝土上的壓力值,并以油壓表讀數(shù)為準(zhǔn).施加的壓應(yīng)力σc控制為0.3fc,0.5fc,0.7fc(fc為試件混凝土的抗壓強(qiáng)度),見表2.1.3.2拉應(yīng)力狀態(tài)受鹽霧箱空間的限制,拉應(yīng)力狀態(tài)試件的氯離子侵蝕試驗(yàn)以試件的彎曲受拉代替軸向受拉.事實(shí)上,實(shí)際工程中軸向受拉情況很少,絕大部分情況都是彎曲受拉.拉應(yīng)力狀態(tài)試件見圖2.在螺桿及混凝土拉應(yīng)力作用一側(cè)貼應(yīng)變片,然后用扳手?jǐn)Q螺帽,施加荷載,通過其應(yīng)變片讀數(shù)來控制其應(yīng)力值.根據(jù)設(shè)計(jì)要求,施加拉應(yīng)力σt分別為0.3ft,0.5ft,0.7ft(ft為試件混凝土的抗拉強(qiáng)度),見表3.1.4特性侵蝕環(huán)境試驗(yàn)本試驗(yàn)選用FQY25型鹽霧箱作為混凝土試件氯離子的侵蝕環(huán)境,目的是模擬一些長期受空氣中含有一定NaCl成分侵蝕的海工建筑物受氯離子侵蝕的狀況.每批均用5%的NaCl溶液進(jìn)行噴霧.試驗(yàn)時(shí)間2個(gè)月.1.5試樣取樣和砂體砂漿制備本試驗(yàn)中的氯離子含量測(cè)定,采用測(cè)定硬化混凝土中砂漿的水溶性氯離子含量的方法,來計(jì)算氯離子含量及擴(kuò)散速度.在氯離子含量測(cè)定時(shí),最關(guān)鍵的一步是如何對(duì)試件進(jìn)行準(zhǔn)確取樣.本試驗(yàn)中試件暴露面分3層取樣,表面下0~1cm為第1層、1~2cm為第2層、2~3cm為第3層.在取每一層樣時(shí),可先用劈裂法將所取層劈裂成1cm厚的薄層,然后在混凝土中取出兩份均為50g砂漿,對(duì)于拉應(yīng)力試件取樣應(yīng)在中間純彎段10cm長的范圍內(nèi)進(jìn)行.取樣后的砂漿按《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTJ270—98進(jìn)行水溶性氯離子含量的測(cè)定.2試驗(yàn)結(jié)果2.1氯離子含量曲線用上述方法測(cè)定出混凝土試件不同應(yīng)力水平下的氯離子含量值,列于表4,表5.根據(jù)上述不同應(yīng)力水平下混凝土試件中氯離子含量的檢測(cè)結(jié)果,描繪了如下3種氯離子含量曲線:壓應(yīng)力狀態(tài)(受壓試件A面)氯離子含量曲線(圖3(a)),壓應(yīng)力狀態(tài)(受壓試件B面)氯離子含量曲線(圖3(b));拉應(yīng)力及無應(yīng)力狀態(tài)氯離子含量曲線(圖4).在壓應(yīng)力狀態(tài)中,試件的兩個(gè)暴露面(A,B面)在鹽霧箱中擺放的位置不同,A面朝上,B面朝下.它們受鹽霧侵蝕環(huán)境存在較大差別,因此分兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析.拉應(yīng)力及無應(yīng)力狀態(tài),由于受施加荷載方法及鹽霧箱設(shè)備等因素的制約,只能橫行放置,施加拉應(yīng)力的混凝土部位以側(cè)向鹽霧侵蝕為主,且與壓應(yīng)力狀態(tài)試件分批制作、分批噴霧試驗(yàn),為消除以上各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,另將拉應(yīng)力及無應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)分析.2.2試驗(yàn)結(jié)果的擬合研究者通常認(rèn)為氯離子在混凝土中的擴(kuò)散符合Fick第二定律:?C?t=De?2C?x2(1)其邊界條件為C=C0,x=0,t>0;初始條件為C=0,x>0,t=0.求解式(1)得1?CC0=erfx2Det√即C(x?t)=C0[1?erfx2Det√]式中:C(x,t)——混凝土深度x處、t時(shí)刻的氯離子含量,%;C0——混凝土表面的氯離子含量,%;De——氯離子有效擴(kuò)散系數(shù),10-6mm2/s.由式(1)可知,混凝土試件中氯離子侵蝕速度在相同外界環(huán)境條件下主要取決于氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù),而到目前為止,大多研究者均未考慮應(yīng)力水平對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響.式(1)中的De是在無應(yīng)力狀態(tài)下試驗(yàn)而得.事實(shí)上,應(yīng)力水平對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響是不容忽視的.拉應(yīng)力在混凝土中產(chǎn)生的微裂縫使氯離子的擴(kuò)散系數(shù)增大,從而加快了氯離子的腐蝕過程,減短結(jié)構(gòu)的使用壽命.相反,壓應(yīng)力作用會(huì)使混凝土更加密實(shí),從而降低氯離子的擴(kuò)散速度.根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果,可知應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與無應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)及所加名義應(yīng)力值存在相關(guān)關(guān)系.通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,推導(dǎo)出如下經(jīng)驗(yàn)公式.a.壓應(yīng)力狀態(tài)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式(a)壓應(yīng)力狀態(tài)(受壓試件A面)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式:DσC=De+A1σC+A2σC2(2)式中:DσC——壓應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù),10-6mm2/s;De——無應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù),10-6mm2/s;σC——名義壓應(yīng)力值,MPa;A1,A2——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),分別為0.08446和-0.01100.(b)壓應(yīng)力狀態(tài)(受壓試件B面)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式:DσC=De+B1σC+B2σC2(3)式中:DσC,De,σC——同式(2);B1,B2——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),分別為0.09295和-0.01896.b.拉應(yīng)力狀態(tài)下氯離子擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式:Dσt=De+C1σt+C2σt2(4)式中:Dσt——拉應(yīng)力狀態(tài)下氯離子有效擴(kuò)散系數(shù),10-6mm2/s;De——無應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù),10-6mm2/s;σt——名義拉應(yīng)力值,MPa;C1,C2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),分別為-0.01250和0.20820.利用上述公式計(jì)算的應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的擴(kuò)散系數(shù)與其實(shí)測(cè)值的最大偏差、均方誤差等均符合擬合精度要求.采用擬合后的公式,可完全滿足需要.在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于無應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù)可較方便地通過試驗(yàn)得出,根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式,便可推知應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù)的大小,再利用公式(1)來推知實(shí)際工程應(yīng)用中混凝土試件的氯離子擴(kuò)散情況,因此這些經(jīng)驗(yàn)公式的建立具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際意義.3試驗(yàn)結(jié)果及分析a.不同應(yīng)力水平下氯離子的侵蝕速度不同.施加壓應(yīng)力,混凝土的氯離子侵蝕速度減小;施加拉應(yīng)力,侵蝕速度增大.應(yīng)力水平不同時(shí),氯離子的侵蝕速度亦不同.究其原因,主要是因?yàn)槭┘討?yīng)力之后對(duì)混凝土內(nèi)部的微細(xì)裂縫起到了抑制或擴(kuò)展的作用.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)因?qū)炷令A(yù)先施加了壓應(yīng)力,以使其在使用過程中,不產(chǎn)生或產(chǎn)生較小的拉應(yīng)力,將有利于提高混凝土的耐久性.b.水灰比對(duì)氯離子的侵蝕速度影響明顯.試驗(yàn)結(jié)果表明,水灰比與氯離子侵蝕速度明顯相關(guān).水灰比小,則氯離子侵蝕明顯減慢,抗氯離子侵蝕能力明顯加強(qiáng).其原因主要是水灰比小的混凝土,水泥水化后殘留的水分少,混凝土密實(shí)性高,孔隙率小,鹽霧不易滲透與擴(kuò)散.因而抗侵蝕能力大大加強(qiáng).c.不同環(huán)境下,氯離子的擴(kuò)散速度不同.氯離子侵入混凝土中一般有以下幾個(gè)途徑:(a)作為混凝土的組分;(b)通過擴(kuò)散作用進(jìn)入;(c)在干濕條件下通過毛細(xì)管吸入;(d)在壓力水的作用下滲透.在本試驗(yàn)中,第一種情況不存在,第3種情況因筆者沒有采用干濕交替的侵蝕條件也不存在.因此,第2種和第4種情況是可能存在的兩種侵入方式.對(duì)于壓應(yīng)力狀態(tài)的A面是以擴(kuò)散和滲透共同作用進(jìn)行侵蝕的,而且其鹽霧噴灑面廣量大,因而A面氯離子的侵蝕深度及含量尤為明顯;而B面則以擴(kuò)散作用為主,且其噴霧量和噴霧強(qiáng)度明顯減小,因而氯離子的侵蝕速度明顯減慢.而拉應(yīng)力及無應(yīng)力狀態(tài),主要是側(cè)向擴(kuò)散為主,兼有微弱的橫向滲透,其侵蝕程度大為減弱.4抗氯離子侵蝕能力變化的數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證a.本文提出了在應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行氯離子侵蝕快速試驗(yàn)的方法,使混凝土的氯離子侵蝕試驗(yàn)更吻合于實(shí)際工作狀況,試驗(yàn)結(jié)果更有價(jià)值.b.本文建立了混凝土試件在應(yīng)力狀態(tài)下氯離子侵蝕速度的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型,但由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限,加之離散性較大,因此,對(duì)本文所建立的氯離子擴(kuò)
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