預(yù)應(yīng)力混凝土抗氯離子侵蝕性能研究

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。然而，目前國內(nèi)外對混凝土侵蝕的研究主要是在單個因素的侵蝕和負荷的影響下進行的，這與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實際運行環(huán)境不符。通過對混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜的負荷進行快速氯離子侵蝕試驗，我們研究了在負荷和氯離子侵蝕的同時影響混凝土的耐久性。1試驗設(shè)計1.1u3000水泥水泥采用江南水泥廠生產(chǎn)的“金寧羊”牌42.5強度等級普通硅酸鹽水泥;細骨料采用蕪湖產(chǎn)河沙,細度模數(shù)2.4,級配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)計要求進行混凝土澆筑與養(yǎng)護,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.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以試件的彎曲受拉代替軸向受拉.事實上,實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,然后用扳手擰螺帽,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度),見表3.1.4特性侵蝕環(huán)境試驗本試驗選用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溶液進行噴霧.試驗時間2個月.1.5試樣取樣和砂體砂漿制備本試驗中的氯離子含量測定,采用測定硬化混凝土中砂漿的水溶性氯離子含量的方法,來計算氯離子含量及擴散速度.在氯離子含量測定時,最關(guān)鍵的一步是如何對試件進行準確取樣.本試驗中試件暴露面分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,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)進行.取樣后的砂漿按《水運工程混凝土試驗規(guī)程》JTJ270—98進行水溶性氯離子含量的測定.2試驗結(jié)果2.1氯離子含量曲線用上述方法測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,因此分兩種情況進行對比分析.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,為消除以上各因素對試驗結(jié)果的影響,另將拉應(yīng)力及無應(yīng)力狀態(tài)進行單獨分析.2.2試驗結(jié)果的擬合研究者通常認為氯離子在混凝土中的擴散符合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)力水平對氯離子擴散的影響.式(1)中的De是在無應(yīng)力狀態(tài)下試驗而得.事實上,應(yīng)力水平對氯離子擴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)力作用會使混凝土更加密實,從而降低氯離子的擴散速度.根據(jù)本次試驗結(jié)果,可知應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴散系數(shù)與無應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴散系數(shù)及所加名義應(yīng)力值存在相關(guān)關(guān)系.通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合,推導(dǎo)出如下經(jīng)驗公式.a.壓應(yīng)力狀態(tài)下氯離子擴散系數(shù)的經(jīng)驗公式(a)壓應(yīng)力狀態(tài)(受壓試件A面)下氯離子擴散系數(shù)的經(jīng)驗公式:DσC=De+A1σC+A2σC2(2)式中:DσC——壓應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴散系數(shù),10-6mm2/s;De——無應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴散系數(shù),10-6mm2/s;σC——名義壓應(yīng)力值,MPa;A1,A2——經(jīng)驗系數(shù),分別為0.08446和-0.01100.(b)壓應(yīng)力狀態(tài)(受壓試件B面)下氯離子擴散系數(shù)的經(jīng)驗公式:DσC=De+B1σC+B2σC2(3)式中:DσC,De,σC——同式(2);B1,B2——經(jīng)驗系數(shù),分別為0.09295和-0.01896.b.拉應(yīng)力狀態(tài)下氯離子擴散系數(shù)的經(jīng)驗公式:Dσt=De+C1σt+C2σt2(4)式中:Dσt——拉應(yīng)力狀態(tài)下氯離子有效擴散系數(shù),10-6mm2/s;De——無應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴散系數(shù),10-6mm2/s;σt——名義拉應(yīng)力值,MPa;C1,C2為經(jīng)驗系數(shù),分別為-0.01250和0.20820.利用上述公式計算的應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的擴散系數(shù)與其實測值的最大偏差、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.在實際工程應(yīng)用中,由于無應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴散系數(shù)可較方便地通過試驗得出,根據(jù)上述經(jīng)驗公式,便可推知應(yīng)力狀態(tài)下氯離子的有效擴散系數(shù)的大小,再利用公式(1)來推知實際工程應(yīng)用中混凝土試件的氯離子擴散情況,因此這些經(jīng)驗公式的建立具有一定的理論價值和實際意義.3試驗結(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,氯離子的侵蝕速度亦不同.究其原因,主要是因為施加應(yīng)力之后對混凝土內(nèi)部的微細裂縫起到了抑制或擴展的作用.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.水灰比對氯離子的侵蝕速度影響明顯.試驗結(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.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,混凝土密實性高,孔隙率小,鹽霧不易滲透與擴散.因而抗侵蝕能力大大加強.c.不同環(huán)境下,氯離子的擴散速度不同.氯離子侵入混凝土中一般有以下幾個途徑:(a)作為混凝土的組分;(b)通過擴散作用進入;(c)在干濕條件下通過毛細管吸入;(d)在壓力水的作用下滲透.在本試驗中,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.對于壓應(yīng)力狀態(tài)的A面是以擴散和滲透共同作用進行侵蝕的,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面則以擴散作用為主,且其噴霧量和噴霧強度明顯減小,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)學模型驗證a.本文提出了在應(yīng)力狀態(tài)下進行氯離子侵蝕快速試驗的方法,使混凝土的氯離子侵蝕試驗更吻合于實際工作狀況,試驗結(jié)果更有價值.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)測數(shù)學模型,但由于試驗數(shù)據(jù)有限,加之離散性較大,因此,對本文所建立的氯離子擴