海洋环境下裂缝混凝土氯盐腐蚀

金祖权^{1, 2}，赵铁军¹，陈惠苏²，庄其昌¹

(1. 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛，266033；

2. 东南大学 江苏省土木工程材料重点实验室，江苏 南京，211189)

摘要：研究劈裂裂缝混凝土在海水全浸区和潮汐区作用下的氯盐腐蚀规律。试验结果表明：裂缝混凝土在海水全浸区和潮汐区氯盐腐蚀规律相似，氯离子含量由表及里随深度增加而下降，后在8~12 mm深度以内形成稳定段。但潮汐区混凝土的氯离子扩散系数比海水全浸区服役的裂缝混凝土的大。裂缝混凝土稳定段氯离子含量随裂缝宽度增加而呈指数函数增加，裂缝周边区域稳定段氯离子含量则随裂缝宽度增加而呈二次函数增加。相比海水全浸区腐蚀，潮汐区裂缝宽度对混凝土中氯离子传输影响更大。依据数据拟合回归，当潮汐区混凝土裂缝宽度为0.265和0.480 mm时，海水全浸区混凝土裂缝宽度为0.292和1.200 mm时，裂缝左右5 mm区域和30 mm区域的氯离子扩散系数提高一个数量级。

关键词：裂缝；混凝土；潮汐区；海水全浸区；氯盐

中图分类号：TU528.01           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)07-2821-06

Chloride corrosion of splitting cracked concrete under marine environment

JIN Zu-quan^{1, 2}, ZHAO Tie-jun¹, CHEN Hui-su², ZHUANG Qi-chang¹

(1. School of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China;

2. Jiangsu Province Key Laboratory of Civil Engineering Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China)

Abstract: The chloride salt corrosion of concretes with different size splitting cracks under marine environment was investigated. The splitting crack width of concrete is 0.03-0.2 mm. The cracked concrete and sound concrete were placed in marine tidal zone and submerged zone for 30 d, and the chloride ion content in crack zone and perimeter zone of concrete were quantitatively determined. The experimental results show that the chloride ion content of cracked concrete decreases with the increase of depth, and then gets to remain steady from 8 mm to 12 mm. The chloride ion distribution in cracked concrete under tidal zone and submerged zone is similar, but the chloride diffusion coefficient of cracked concrete in tidal zone is higher than that in submerged zone. The relationship between chloride ion content in the steady zone of concrete and crack width can be regressed as the exponential function and quadratic function for the crack zone and the perimeter zone, respectively. The influence of splitting crack on chloride transport in concrete is greater in the marine tidal zone than that in the submerged zone. Based on the regression of experimental dada, the splitting crack width of concrete is 0.265 and 0.480 mm in the tidal zone; the chloride diffusion coefficient of cracked concrete improves 10 times compared with sound concrete in crack zone and in the perimeter zone. And the same result appears when the splitting crack width of concrete is 0.292 and 1.200 mm for concrete under the marine submerged zone.

Key words: crack; concrete; tidal zone; submerged zone; chloride salt

当前随着我国海洋建筑业规模的扩大，海洋工程混凝土结构耐久性受到越来越多的重视^[1]。然而，随着海工混凝土强度等级的提高、水胶比降低、胶凝材料用量增加，以及混凝土受荷过大等原因，海工混凝土常常带裂缝工作。针对表面裂宽大于内部裂宽的非贯穿性裂缝对混凝土耐久性的影响，Kwon等^[2-3]针对收缩裂缝的研究结果表明：收缩裂缝加速了混凝土中的氯离子扩散、增加混凝土碳化深度，但与表面裂缝宽度和混凝土对氯离子的结合能力有明显关系。Gowripalan等^[4-6]制备了表面裂宽为0.1 mm以上的荷载裂纹，从而获得荷载裂纹对钢筋锈蚀的影响，研究建议采用裂缝宽度/保护层厚度作为裂缝宽度设计的控制指标。考虑到贯穿性裂缝将会导致水分快速迁移至裂纹尖端并向裂纹两边扩散^[7]，Montes等^[8-10]在素混凝土或构件上预制了0.25 mm以上的裂纹，耐久性试验结果表明：氯离子渗透与裂缝深度密切相关，但宽度影响并不明显；如果裂缝为顺筋裂纹，则将大大加速钢筋锈蚀，但裂纹与钢筋相交则影响不明显。Wang等^[11-12]的水渗透试验结果表明混凝土临界裂缝宽度为50~100 μm，Djerbi等^[13]针对劈裂裂缝的稳态氯离子迁移试验表明，混凝土临界裂缝宽度为80 μm，而混凝土氯离子扩散系数提高一个数量级，则裂缝宽度应大于200 μm，且与混凝土类型相关。显然，裂缝对混凝土耐久性的影响不仅与裂缝宽度有关，且与裂缝形式、深度以及裂缝密度，并与混凝土对离子结合能力等材料因素密切相关。海洋工程调查表明：海洋潮汐区和浪溅区是海洋工程钢筋混凝土腐蚀最严重区域，海水全浸区混凝土中氯离子含量最高^[14-15]。为获得裂缝混凝土在海洋环境下的腐蚀损伤规律，并为混凝土结构裂缝控制设计和防护提供依据，本文作者通过实海暴露试验，研究了不同尺度劈裂裂缝混凝土在海水全浸区和潮汐区的氯离子传输规律。

1  实验

1.1  原材料及配合比

山水东岳P·O·42.5水泥(用于A和B)和P.I.52.5水泥(用于C)，粗骨料为青岛磊鑫5~20 mm的花岗岩碎石，连续级配，压碎值小于12%。细骨料为青岛大沽河砂场的中砂，细度模数为2.7。江苏博特聚羧酸高效减水剂，通过调整其掺量使得混凝土坍落度达到160~200 mm。混凝土配合比及相应强度测试结果如表1所示。

1.2  实验方法

成型成尺寸为100 mm×50 mm(直径×高)的混凝土试件，标准养护28 d后进行劈裂实验。采用日本津岛电子拉伸试验机进行劈裂试验，将混凝土试件置入自制的固定设备以防止试件受压时发生偏心移动，在加载过程中混凝土将沿荷载方向产生劈裂裂缝，劈裂裂缝加载装置如图1(a)所示。利用位移传感器控制裂缝宽度，当裂缝宽度达到0.03，0.05，0.10，0.15和0.20 mm左右时停止加载，卸载后再次读出位移传感器记录的混凝土裂缝宽度，并将其作为混凝土的裂缝宽度。每个裂缝尺度混凝土试件3个1组进行平行试验。对劈裂裂缝混凝土试件圆周进行环氧树脂封闭，然后置于青岛小麦岛海洋暴露站的海洋潮汐区、海水全浸区暴露腐蚀30 d，沿裂缝处(裂缝左右5 mm)按不同深度钻取混凝土粉末，然后在裂缝周边(裂缝左右30 mm)区域按深度研磨混凝土粉末进行分析，如图1(b)所示。采用水溶法测试上述粉末中的自由氯离子含量^[16]。

2  结果与分析

2.1  海水全浸区裂缝混凝土的氯离子含量分布

将不同尺度劈裂裂缝混凝土试件在海水全浸区腐蚀30 d后，采用水溶法测试裂缝处及裂缝周边区域自由氯离子，其结果如图2所示。由图2可知：裂缝混凝土氯离子含量均随深度的增加而降低，其中裂缝区域处在10 mm深度之后基本趋于稳定，裂缝周边区域则在12~15 mm以后趋于稳定。裂缝处稳定段氯离子含量高于裂缝周边区域的氯离子含量。

2.2  海洋潮汐区裂缝混凝土的氯离子含量分布

裂缝混凝土在海洋潮汐区腐蚀30 d后，采用水溶法测试混凝土裂缝处和裂缝周边氯离子含量，其结果如图3所示。

表1  混凝土配合比及抗压强度

Table 1  Mix proportion and compressive strength of concretes

图1  劈裂裂缝混凝土制备及氯离子取样照片

Fig.1  Photos of preparation of splitting crack concrete and its chloride corrosion powder sampling range

图2  海水全浸区裂缝混凝土氯离子含量分布

Fig.2  Chloride ion distribution in cracked concrete under marine submerged zone

由图3可知，裂缝混凝土在潮汐区的氯离子传输规律与海水全浸区相似。裂缝的影响主要体现在稳定段氯离子含量变化，随裂缝宽度增加，稳定段氯离子含量相应增加。此外，混凝土强度等级的增加有助于提高混凝土抗氯离子渗透能力。

2.3  裂缝对氯离子含量分布的影响

由图2和3可知：裂缝宽度对混凝土表面层氯离子含量影响不确定；但在稳定段，氯离子含量随裂缝宽度增加而增加。但相比于裂缝区域，裂缝周边区域稳定段氯离子含量增加幅度不明显。求出裂缝混凝土稳定段氯离子平均值，并与非裂缝混凝土稳定段氯离子含量相减，从而建立稳定段氯离子含量差与裂缝宽度的关系，其结果如图4所示。

由图4可知：混凝土裂缝区域稳定段的氯离子含量随裂缝宽度增加而呈指数函数增加，其关系可表示为。式中：C为稳定段氯离子含量差，%；w为裂缝宽度，mm。相比于海水全浸区腐蚀，潮汐区裂缝宽度对混凝土中氯离子传输更敏感。因此，裂缝混凝土在潮汐区服役，其裂缝宽度控制应严于海水全浸区。

图3  浪溅区裂缝混凝土中氯离子的分布

Fig.3  Chloride ion distribution in cracked concrete in marine tidal zone

图4  裂缝宽度对稳定段氯离子含量的影响

Fig.4  Effects of crack width on chloride ion content in steady zone of concrete

裂缝周边区域稳定段氯离子含量则随裂缝宽度增加而呈二次函数增加，其关系符合。式中：C为稳定段氯离子含量之差，%；w为裂缝宽度，mm；a和b为试验常数。但与裂缝区域的氯离子含量变化相比，裂缝对其周边区域的氯离子含量影响相对较小。此外，无论混凝土所处区域为海水全浸区还是潮汐区，裂缝宽度对混凝土裂缝周边区域的氯离子含量分布影响规律基本一致。

2.4  裂缝对混凝土氯离子扩散系数的影响

根据Duracrete得到混凝土在海水全浸区和潮汐区的表面层氯离子含量，依据裂缝混凝土氯离子含量分布，按照Fick第二定律计算出海水全浸区和潮汐区裂缝混凝土的表观氯离子扩散系数。建立裂缝混凝土氯离子扩散系数/非裂缝混凝土氯离子扩散系数比值与裂缝宽度的关系，其结果如图5所示。

图5  裂缝宽度对混凝土氯离子扩散系数的影响

Fig.5  Effects of crack width on chloride diffusion coefficient of concrete

由图5可知：裂缝混凝土氯离子扩散系数随裂缝宽度增加而增加，其关系符合指数函数关系，如式(1)所示。

               (1)

式中：D_w为裂缝宽度为w的裂缝混凝土氯离子扩散系数，m²/s；D₀为非裂缝混凝土氯离子扩散系数，m²/s。

根据图5和回归的指数函数可知：(1) 混凝土在潮汐区腐蚀暴露，其氯离子扩散系数大于海水全浸区腐蚀的混凝土，且潮汐区裂缝混凝土对裂缝宽度变化更敏感。其原因在于：潮汐区的干湿作用产生的毛细吸力不仅加速氯离子的渗透速度，而且劣化了混凝土性能。(2) 裂缝宽度对混凝土中氯离子传输影响在裂缝处大，而在裂缝周边幅度降低。因此，裂缝对混凝土氯离子扩散系数的影响不仅应考虑裂缝宽度，而且应考虑裂缝密度指数(裂缝宽度/基体宽度)。(3) 依据数据拟合回归，当潮汐区和海水全浸区混凝土裂缝宽度分别为0.265和0.292 mm时，裂缝左右5 mm区域(裂缝处)氯离子扩散系数增加10倍。当潮汐区和海水全浸区混凝土裂缝宽度达到0.48和1.20 mm，裂缝左右30 mm区域(裂缝周边)氯离子扩散系数提高1个数量级。

3  结论

(1) 裂缝混凝土无论在海水全浸区还是在潮汐区腐蚀，其氯离子含量均随深度增加而下降，然后在8~12 mm深度以后形成稳定段。相比于海水全浸区腐蚀，潮汐区裂缝宽度对混凝土中氯离子传输更敏感，其混凝土的氯离子扩散系数大。

(2) 裂缝混凝土稳定段氯离子含量随裂缝宽度增加而呈指数函数增加，裂缝周边区域稳定段氯离子含量则随裂缝宽度增加而呈二次函数增加；裂缝混凝土氯离子扩散系数随裂缝宽度呈指数增加。

(3) 依据数据拟合回归，海洋潮汐区混凝土裂缝宽度为0.265和0.480 mm时，海水全浸区混凝土裂缝宽度为0.292和1.200 mm时，裂缝左右5 mm区域和30 mm区域的氯离子扩散系数提高一个数量级。

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(编辑 陈爱华)

收稿日期：2011-09-23；修回日期：2011-12-11

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178230，50708046)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2009FQ011)；江苏省土木工程材料重点实验室基金资助项目

通信作者：金祖权(1977-)，男，四川南充人，博士，教授，从事高性能混凝土制备及性能研究；电话：15964239984；E-mail: jinzuquan@126.com