弯曲荷载作用对混凝土氯离子侵蚀影响

王海龙等：弯曲荷载作用对混凝土氯离子侵蚀影响　

圈圈　ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｌｗｊｚ．２０１５．０６．０１１　

弯曲荷载作用对混凝土氯离子侵蚀影响　

王海龙，张晓龙，俞秋佳，孙晓燕　（浙江大学结构工程研究所。杭州３１００５８）　

【摘要】试验研究了四点弯曲荷载长期持续作用下混凝土中氯离子的输运规律，以及早龄期（浇筑７ｄ以　内）加载的影响。试验结果表明：持续四点弯曲拉应力作用会增大混凝土的渗透性，并且随着荷载水平的增加，相　对氯离子扩散系数Ｄ　／Ｄ。随着荷载水平提高而呈非线性增大。纯弯段与弯剪段之间氯离子含量分布存在差异，这　

与弯剪段混凝土所受复杂应力状态有关。早龄期弯曲拉应力持续作用对后期混凝土耐久性能影响较小，这源于　早龄期混凝土抗拉强度的较快发展和较强的水化自愈合作用。　【关键词】　四点弯曲荷载；渗透性；氯离子；自愈合　【中图分类号】ＴＵ５２８．０　【文献标识码】Ｂ　【文章编号】　１００１—６８６４（２０１５）０６—００２７—０４　

ＥＦＦＥＣＴ　ｏＦ　ＦＬＥＸＵＲＡＬ　ＬｏＡＤＳ　ｏＮ　ＴＨＥ　ＣＨＬｏＲＩＩ）Ｅ　ＰＥＮＥＴＲＡＴＩｏＮ　ｏＦ　Ｃ０ｌＮＣＲＥＴＥ　

ＷＡＮＧ　ＨＡＩ—ｌｏｎｇ，　ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｌｏｎｇ，　ＹＵ　Ｑｉｕ－ｊｉａ，　ＳＵＮ　Ｘｉａｏ—ｙａｈ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００５８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ　ｏｆ　

ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｓｕｓｔａｉｎｅｄ　ｆｏｕｒ—ｐｏｉｎｔ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｌｏａｄｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｅａｒｌｙ　ａｇｅ　ｌｏａｄ－　ｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｔ　ａ　ｇｉｖｅｎ　ｄｅｐｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　８Ｕ８・　

ｔａｉｎｅｄ　ｆｌｅｘｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｌｅｖｅｌ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　

Ｄｉ／Ｄｏ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｙ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｐｕｒｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　

ｓｈｅａｒ—ｂｅｎｄｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｌａｒｇｅｌｙ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｓｔｒｅｓｓ　ｓｔａｔｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ－ｂｅｎｄｉｎｇ　ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　

ｅａｒｌｙ　ａｇｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｔｅｎｓｉｔｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｈａｓ　ｌｉｔｔｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｔ　ｌａｔｅｒ　ａｇｅ，ｗｈｉｃｈ　ｏｒｉｇｉｎａｔｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇ　ｈｙｄｒａｔｉｏｎ　ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｔ　ｅａｒｌｙ　ａｇｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｒ－ｐｏｉｎｔ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｌｏａｄ；ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｉｏｎ；ｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇ　

氯离子渗透引起的钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构　性能劣化的最主要原因之一，尤其是对长期处于盐渍　

侵蚀或者海洋环境的结构。众所周知，混凝土的渗透　

性很大程度上取决于混凝土内部孔隙分布与微裂缝　发展状态。而混凝土在服役期间所经受荷载作用势　

必会对混凝土内部造成损伤，影响混凝土的渗透性及　结构的使用寿命…。　

混凝土由于材料优势在受压方面受到极大青睐，　

然而现实中很大部分钢筋混凝土处于弯曲荷载作用　

下，导致混凝土承受拉应力或拉一剪复合应力作用，　内部孔隙与微裂缝沿着薄弱环节发展，有时不可避免　

的带着明显主裂缝进行工作。已有部分研究者　普　

遍认为，拉应力作用会增大混凝土的氯离子渗透性。　尽管目前研究对拉应力的作用达成共识，由于加载方　法和测量指标的不同，影响程度却大不相同”　。目前　

国内外研究多集中于混凝土受短期荷载作用卸载或　

持载后的耐久性能的研究，而实际混凝土多经受荷载　的长期持续作用，长期作用下除了荷载损伤加剧外，　

混凝土在湿润状态下会持续的发生水化修复　’　，也　可能存在一定程度的干燥收缩　和应力松弛　等作　

用。因此，需考虑荷载长期持续作用对耐久性的影响。　

为了探讨弯曲荷载持续稳定作用对混凝土氯离　

子渗透性能的影响，文中采用自行研制的可监控加载　

装置，通过试验探究弯曲荷载长期持续作用下混凝土　中氯离子的输运规律；同时考虑早龄期（浇筑７ｄ以　

内）加载的影响，研究混凝土的早期水化自愈合作用。　

［基金项目］　国家自然科学基金资助项目（５１１７８４１７，５１３７８４５６）；浙江省自然科学基金重点项目（ＬＺ１３Ｅ０８０００１）；留学归国人员择优基　金资助项目；

浙江大学海洋交叉引导基金资助项目　２８　低温建筑技术　２０１５年第６期（总第２０４期）　

１试验设计　（１）　试件制作与养护。试验设计混凝土强度等　级为Ｃ２５，水灰比为０．５７，水泥采用钱潮牌４２．５级普　通硅酸盐水泥，安定性良好；细骨料采用颗粒级配良　好的天然河砂，属中砂；粗骨料采用碎石，５—２０ｍｍ连　

续级配；拌合水采用自来水。混凝土配合比设计见表　１。所有试件均在同一批次浇筑。试件成型后２４ｈ后　拆模，置于常温常压环境浇水养护，然后进行试验。　

表１　混凝土配合比　

水泥混凝土材料用量／ｋｇ・ｍＩ３　品种　水泥砂子石子水　水舭　触　

ＰＯ．４２．５　３６８　６１９　１２０２　２１０　０．５７　Ｃ２５　无掺合料　

试件尺寸为１２０ｍｍ×１８０ｍｍ×１　ｌＯＯｍｍ的钢筋混　凝土梁，净跨为９００ｍｍ，纵向主筋为２　１０，架立筋为　

２ｔＩ￣６，箍筋为　６＠１５０，保护层厚度为３０ｍｍ。共需梁　ｌ８根，其中１根梁作为对比梁，３根梁用于确定浇筑后　３ｄ、７ｄ和２８ｄ养护梁的开裂荷载，测量依据ＧＢ５００１０　

—２００２（（混凝土结构设计规范》。　（２）持续加载。持载装置如图１所示。该装置　采用螺栓自锚固方法进行加载，装置主要包括螺栓、　螺杆和垫片。通过拧紧上端螺栓进行加载，荷载大小　

由上端两垫片间的ＮＨＳ３３ｔ称重传感器进行实时监　控。加载过程定期监测荷载值，当观测到应力水平降　至设计应力的９５％，拧紧螺栓再加载。　

图１持载装置（ｍｍ）　

表２　持续弯曲荷载混凝土试件加载过程　

试件加载水平Ａ以开裂荷载Ｐ　为基准，见表２。　

早龄期（３ｄ、７ｄ）试件选取开裂荷载的７０％，养护至　２８ｄ的试件选取开裂荷载的２０％、５０％、７０％、８５％　和１００％。　（３）　氯离子含量测试。所有试件均养护至２８ｄ　

后，除弯曲受拉平面外，其余面用石蜡密封，保证一维　侵蚀。然后置于５％的ＮａＣ１溶液经１４ｄ的干湿循环，　干燥和湿润时间相等。经５６ｄ（４个循环周期），进行　取粉ＲＣＴ试验，测试混凝土不同深度的自由氯离子含　

量，后采用Ｆｉｃｋ第二定律进行拟合得表观氯离子扩散　系数。取样点位置见图１，其中纯弯段１处，弯剪段取　样５处，每处５ｍｍ取一个粉样，取样至４０ｍｍ。　

２试验结果与讨论　

术　啊　缸　键　瑶　壬　堪　赠　

深度，ｍｍ　

图２　Ｔ２８组纯弯段氯离子含量随深度的变化规律　

（１）纯弯段荷载水平的影响。图２为Ｉ２８组试　件不同荷载水平Ａ持载作用下纯弯段点１处各层氯离　

子含量分布情况。从图中可看出，随着渗透深度增　加，所有试件氯离子含量呈非线性降低。相比非承载　试件　，承受持载的试件氯离子浓度要明显偏高，说　

明持续拉应力作用会增大混凝土渗透性。对图２数据　采用Ｆｉｅｋ第二定律拟合得到表观氯离子扩散系数　Ｄ…。图３为拟合所得不同荷载水平作用下的表观氯　

离子扩散系数Ｄ；与对比组试件表观氯离子扩散系数　

Ｄ。的比值（即相对氯离子扩散系数Ｄｉ／Ｄ。）随着荷载　

水平的变化情况。可看出，Ｄ；／Ｄ。随着荷载水平提高　

呈非线性增大；只有当达到开裂荷载后，Ｄ；／Ｄ。明显降　

低。观察试件情况发现降低原因：混凝土开裂，裂缝　的出现导致混凝土内应力一定程度的降低，损伤降低。　（２）　弯剪段氯离子含量变化情况。图４所示为　０．８５荷载水平试件纯弯段（点１）与弯剪段（点２、３、４、　

５、６）氯离子含量的分布情况图。图根据已知测试点　数据采用水平与垂直方向等差分布进行绘制。从图　中可以看出，纯弯段与弯剪段之间氯离子含量分布不　同，从点１至点６的方向氯离子浓度先少量增加（点　２），然后下降（点３、点４），然后再上升（点５、点６）。　

这可能与混凝土的受力状态有关，纯弯段（点１）内混　凝土受单纯的弯曲拉应力，而弯剪段受到弯曲拉应力　和剪应力的共同作用，剪应力在弯剪段内保持不变，　

弯曲拉应力从右向左线性降低。点２距离纯弯段很