氯盐侵蚀环境下裂缝对混凝土内氯离子含量的影响分析

为探究氯盐侵蚀环境下钢筋混凝土构件的裂缝宽度与混凝土内氯离子含量的关系,利用混凝土氯盐干湿循环试验,采用NCL-AL型氯离子含量快速测定仪检测氯离子在混凝土中的侵蚀深度与含量.结果表明:裂缝加速了氯离子在混凝土内的传输,并为氯离子的二维扩散提供了条件;氯离子在裂缝周围区域扩散的影响深度为30~50mm;裂缝区域氯离子的浓度在35mm深度之后基本趋于稳定,在稳定阶段随着裂缝宽度的增大,氯离子的浓度逐渐增加;裂缝对混凝土内等效表观氯离子扩散系数的影响十分显著,氯离子扩散系数随裂缝宽度呈三次函数增加.     

收缩裂缝对混凝土氯离子渗透及碳化的影响

采用大板开裂方法制备了收缩裂缝宽度为0.07 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.4 mm和0.62mm的混凝土试件,对养护7 d的不同尺度裂纹混凝土海水浸泡腐蚀30 d,以及快速碳化14 d。测试混凝土裂缝处及周边区域的碳化深度、自由氯离子及总氯离子浓度。试验结果表明：混凝土的自由氯离子与总氯离子均随裂缝宽度增加而呈二次函数增加。氯离子在裂缝处的迁移速度高于周边区域,但收缩裂缝尖端增加了氯离子结合能力,降低了自由氯离子浓度。当收缩裂缝宽度小于0.07mm,混凝土裂缝区域碳化深度没有变化。当收缩裂缝宽度小于0.1 mm,混凝土氯离子扩散系数与碳化深度增加幅度很小;此后,随裂缝宽度增加,混凝土氯离子扩散系数与碳化深度均快速增加。此外,混凝土裂缝处碳化深度比周边区域高3 mm左右。     

氯盐环境下混凝土氯离子传输和钢筋锈蚀研究

通过对16组带裂缝100×100×400mm的短梁进行在氯盐溶液的干湿循环试验,以裂缝宽度、混凝土保护层厚度和钢筋直径为变量,研究不同裂缝宽度的钢筋混凝土裂缝周围和沿裂缝深度的氯离子含量,以及裂缝底端钢筋锈蚀长度,探讨氯离子传输规律;钢筋锈蚀长度的影响因素;并提出钢筋锈蚀长度预测模型。结果表明:氯离子在带裂缝混凝土中以二维扩散的方式扩散,氯离子在裂缝周围40～60mm区域的二维扩散效应表现得更加显著;混凝土深度为10mm范围内氯离子浓度随裂缝增大的趋势相对平缓,当深度10mm后,其趋势变大;裂缝宽度对钢筋锈蚀长度影响最大,当裂缝宽度w0.3mm时,钢筋锈蚀长度的预测值与试验值符合程度较好,钢筋锈蚀长度预测模型具有一定合理性。     

开裂混凝土氯离子扩散性能研究

为探索裂缝对开裂混凝土氯离子扩散性能的影响,采用无损裂缝制备方法预制相应裂缝宽度的混凝土试块,并进行70d自然浸泡试验后对混凝土内部氯离子浓度进行测定。试验结果表明:裂缝使氯离子在混凝土中加速扩散,且氯离子在裂缝周围区域影响范围约为30～80mm;氯离子浓度在20mm深度后增长显著并在35mm后趋于稳定;裂缝宽度对带裂缝混凝土氯离子扩散系数影响显著,可由裂缝宽度的三次函数描述带裂缝混凝土内氯离子传输规律。     

混凝土中的裂缝对氯盐侵蚀作用的影响

为了研究裂缝对氯离子侵蚀作用的影响,采用弯曲试验预先在混凝土梁中产生宽度不等的弯曲裂缝,然后通过3%NaC l盐溶液浸泡一定龄期后钻心取样,测定裂缝处混凝土内氯离子含量.试验结果表明,混凝土中裂缝对氯盐环境下氯离子渗透的影响是显著的,裂纹大大加快了氯离子的侵蚀速度.裂纹处(裂缝宽度120~500μm)氯离子浓度为相同浸泡龄期无裂纹处的2~3倍.浸泡30 d时,裂纹处氯离子含量随裂缝宽度增大而增加,60 d时氯离子含量基本达到饱和,不受裂缝宽度影响,此时氯离子含量受浸泡深度影响不大.未开裂混凝土,即使氯盐浸泡60 d,氯离子含量随浸泡深度仍呈逐渐减少的趋势.     

劈裂裂缝混凝土在海洋潮汐区的氯离子传输

研究了不同尺度劈裂裂缝混凝土在海洋潮汐区环境作用下的氯离子浓度分布、氯离子传输以及钢筋锈蚀规律.试验结果表明:劈裂裂缝在制备过程中存在裂缝回复,裂缝宽度应以卸载后位移传感器获得的裂纹宽度值为准.裂缝混凝土氯离子浓度随深度增加而下降,然后在10 mm深度以下形成稳定段.裂缝区域稳定段氯离子浓度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浓度则随裂缝宽度增加而线性增加;但与裂缝区域氯离子增加幅度相比,其增加幅度不明显.裂缝宽度大于0.05 mm,30d海洋暴露后混凝土裂缝面氯离子渗透深度近50 mm,沿垂直裂缝面向内平均渗透20 mm左右,钢筋表面锈蚀率快速增加.裂缝混凝土氯离子扩散系数与混凝土抗氯离子扩散能力、裂缝密度(包括裂缝的基体宽度/裂缝宽度)、裂缝对氯离子结合性能密切相关.当裂缝密度小于70时,裂缝混凝土氯离子扩散系数线性增加;距裂缝位置越近,混凝土氯离子扩散系数增加越大;裂缝越宽,其对混凝土影响范围越大.     

基于双向电迁移的开裂混凝土除氯阻锈效果

采用双向电迁移（BIEM）方法对沿海环境下的开裂混凝土进行修复,以排除裂缝附近富集的氯离子,并对钢筋进行阻锈防护. 通过测定阻锈剂浓度、氯离子质量分数以及钢筋极化曲线,研究不同裂缝宽度下BIEM的作用效应,并通过氯离子迁移特征试验对氯离子的迁移规律加以验证. 试验结果表明：开裂混凝土双向电迁移后,钢筋腐蚀电位均能恢复至较高水平;当裂缝宽度较小时,混凝土保护层中氯离子的迁移规律与未裂混凝土相近;当裂缝宽度大于0.3 mm时,裂缝处的氯离子排出效率随裂缝宽度的增加有所提高,但离裂缝较远处的氯离子排出效率有所降低.     

锈蚀作用下受荷混凝土中氯离子扩散试验

利用持续荷载作用下通电加速锈蚀的试验,对不同荷载水平作用下受拉区不同裂缝宽度混凝土梁进行钻孔取样。采用NCL-AL型氯离子快速测定仪检测氯离子在混凝土中的侵蚀深度和含量,研究持续荷载作用下受拉区不同裂缝宽度处氯离子在混凝土中的扩散规律。结果表明:荷载和锈蚀耦合作用下产生的裂缝使得氯离子由一维扩散转变为二维扩散,且在钢筋周围产生聚集现象。氯离子含量受到持续荷载和裂缝间大小两者共同影响,试验表明混凝土中氯离子含量随裂缝荷载的增大而增加。     

干湿循环作用下高韧性水泥基复合材料抗氯离子腐蚀寿命预测

为了预测干湿循环下高韧性水泥基复合材料(ECC)的使用寿命,首先,基于氯盐溶液传输边界条件、氯离子扩散侵蚀边界条件等建立以饱和度和时间为变量的氯离子侵蚀模型;然后,考虑腐蚀龄期、温度、物理吸附、化学结合以及饱和度等因素对混凝土的影响,并对氯离子扩散系数进行修正;最后,结合试验数据模拟氯离子侵蚀过程。试验结果表明,随着干湿循环次数的增加,ECC表层氯离子浓度和氯离子侵蚀深度随之增加;随着腐蚀龄期的增加,钢筋发生锈蚀的范围越来越大。当混凝土保护层厚度为50 mm时,内部钢筋不发生锈蚀的临界年限为7 a。     

混凝土开裂部位氯离子渗透试验研究

为研究混凝土裂缝宽度和深度对裂缝表面氯离子渗透的影响,制作了带裂缝的钢筋混凝土试件并进行了氯离子渗透研究.采用氯离子溶液浸泡时未开裂的试件、开裂试件的横断面进行研究.对于开裂的试件,通过对比裂缝的宽度、深度和裂缝表面氯离子渗透情况,并与未开裂试件断面氯离子渗透情况进行对比分析.研究结果表明,裂缝宽度对于裂缝表面氯离子渗透几乎没有影响,表面氯离子渗透主要与裂缝深度有关.对混凝土开裂部位的耐久性研究方法提出了新的观点,对混凝土结构耐久性的研究具有重要的参考价值.     

Non-steady state chloride migration and binding in cracked self-compacting concrete

We adopted a notch method to study the influence of crack width (macro level) on chloride transport and binding of cracked concrete under a non-steady state migration test. The results show that migration coefficient of cracked concrete increases with increasing crack width up to a critical value (0.43 mm), for the whole concrete or the area close to crack; the increase of migration coefficient could be independent from crack parameter when a critical crack width is reached. For chloride binding, Langmuir isotherms of cracked concrete samples exhibit the similar decreasing trend as crack width increases from 0.27 to 1.96 mm. The increased current value could be responsible for the trend based on the hypothesis of electric force.     

Chloride diffusivity in flexural cracked Portland cement concrete and fly ash concrete beams

In order to examine the effect of load-induced transverse cracks on the chloride penetration in flexural concrete beams, two different concretes, Portland cement concrete（PCC） and fly ash concrete（FAC）, were tested with various crack widths. Total 14 reinforced concrete（RC） beams, ten of which were self-anchored in a three-point bending mode, were immersed into a 5% NaCl solution with the condition of dry-wet cycles. Then, the free chloride ion contents were determined by rapid chloride testing（RCT） method. Based on the proposed analytical models of chloride penetration in sound and cracked concrete subjected to dry-wet cycles, the apparent chloride diffusion coefficient and chloride diffusivity of concrete were discussed. It can be found that the performance of chloride diffusivity in both concretes will be improved with the increase of crack width, and that the influence of convection action will also be augmented. Based on the two samples obtained in sound concrete after 15 and 30 cycles, the time-exponent, m, for chloride diffusion coefficient was determined to be 0.58, 0.42, 0.62 and 0.77 for PCC1, PCC2, FAC1 and FAC2 specimens, respectively. Finally, two influencing factors of fly ash content and crack width on chloride diffusivity were obtained by regression analysis of test data, and it can be seen that factors kf and kw can be expressed with quadratic polynomial functions of fly ash content, f, and crack width, w, respectively.     

饱和状态下开裂混凝土内的氯离子输运

为得出饱和状态下氯离子在开裂混凝土内的输运规律,将饱和状态分为溶液静止和溶液流动2种情况;同时分别考虑表面氯离子质量分数与氯离子扩散系数的时变性和氯离子在混凝土内的线性结合理论,对前者采用传统的双重孔隙介质模型,对后者则采用二维扩散模型进行分析.基于Fick第二定律得出氯离子在裂缝和开裂附近混凝土内输运的计算方程,并根据裂缝自愈的影响对2种模型进行了修正.分别采用这2种模型对所设计的氯离子在预开裂混凝土试件内的侵蚀进行了计算.对比裂缝附近不同时间混凝土内氯离子质量分数的试验结果表明：短期侵蚀采用2种模型计算的结果均接近于试验值,长期侵蚀采用二维扩散模型能得到更加精确的结果.该结果为氯盐侵蚀下的混凝土结构耐久性设计与评估提供了参考.     

开裂混凝土中氯离子扩散行为的细观数值模拟

为了研究氯离子在开裂混凝土中的扩散性能,考虑混凝土细观结构的非均质性,将含有裂纹的混凝土试件视为由砂浆基质、骨料、界面过渡区以及裂纹组成的四相复合材料,建立了带有单条裂纹的二维细观有限元模型.数值模型中,骨料不具有渗透能力,砂浆基质和界面中的氯离子扩散性能由水灰比确定,裂纹相中氯离子扩散系数与裂纹宽度的定量关系由文献中已有试验数据的拟合获得.研究了骨料分布形式对氯离子扩散行为的影响,分析并探讨了不同裂纹宽度下混凝土中的氯离子扩散行为.数值结果与试验数据的良好吻合说明了该方法的准确性.研究结果表明:骨料的随机分布形式基本不影响混凝土中氯离子的扩散行为;裂纹宽度小于50μm时,混凝土中氯离子的扩散行为基本不受裂纹的影响;裂纹宽度介于50~170μm时,氯离子的扩散随裂纹宽度增大而明显加剧;裂纹宽度大于170μm时,氯离子在裂纹附近的扩散趋于二维扩散形态.     

混凝土收缩裂缝几何特征及其对氯离子渗透的影响

为准确表达收缩裂缝的几何特征并分析其对混凝土中氯离子渗透规律的影响,通过对干缩开裂混凝土板进行取样,观测和统计分析了收缩裂缝的几何特征,并采用ASTM法研究了裂缝对混凝土中氯离子渗透的影响规律.结果表明:混凝土收缩裂缝存在显著的深宽比特征,其均值约为44.31,开裂角度均值约为2.6度;对比不同的裂缝宽度表征参量如最大宽度、最小宽度、平均宽度以及比表面积等与ASTM法6 h电通量关系后发现,最大宽度是表征裂缝对开裂混凝土渗透性影响的适宜参量;开裂混凝土中氯离子的渗透系数与裂缝最大宽度成正线性关系,并且当收缩裂缝宽度小于0.18 mm时,裂缝对渗透系数影响可以忽略.收缩裂缝的宽度变化会显著影响混凝土的抗渗性能,实际工程中应该根据混凝土保护层厚度来确定其容许的最大裂缝宽度.     

Chloride ion transmission model under the drying-wetting cycles and its solution

The chloride ion transmission model considering diffusion and convection was established respectively for different zones in concrete by analyzing chloride ion transmission mechanism under the dryingwetting cycles. The finite difference method was adopted to solve the model. The equation of chloride ion transmission model in the convection and diffusion zone of concrete was discreted by the group explicit scheme with right single point （GER method） and the equation in diffusion zone was discreted by FTCS difference scheme. According to relative humidity characteristics in concrete under drying-wetting cycles, the seepage velocity equation was formulated based on Kelvin Equation and Darcy＇s Law. The time-variant equations of chloride ion concentration of concrete surface and the boundary surface of the convection and diffusion zone were established. Based on the software MATLAB the numerical calculation was carried out by using the model and basic material parameters from the experiments. The calculation of chloride ion concentration distribution in concrete is in good agreement with the drying-wetting cycles experiments. It can be shown that the chloride ion transmission model and the seepage velocity equation are reasonable and practical. Studies have shown that the chloride ion transmission in concrete considering convection and diffusion under the drying-wetting cycles is the better correlation with the actual situation than that only considering the diffusion.     

环境和荷载对RC柱滞回性能和氯质量分数的影响

为研究不同持续荷载比例（持续偏压荷载占极限偏压荷载的比例）和不同环境对RC（reinforced concrete）柱的滞回性能和氯质量分数影响,试验室模拟了沿海地区RC结构的工作条件. 持续荷载比例分别为0、0.2和0.35的RC柱试件, 经历100次海水干湿循环或置于大气环境100 d后,进行低周水平反复加载试验并测试受拉区混凝土的氯离子质量分数. 结果表明,持续偏压荷载使海水干湿循环柱和大气环境柱的滞回曲线均呈现明显的不对称性,且前者的不对称性甚于后者. 当水平荷载产生的截面应力分布与持续偏压荷载的同向且持续荷载比例为0.35时,海水干湿循环柱的峰值荷载和耗能能力分别是大气环境柱的0.89和0.57倍;反之,前者分别是后者的1.04和1.08倍. 持续偏压荷载耦合海水干湿循环作用后,距受拉表面20 mm和40 mm深处,受拉混凝土的氯离子质量分数均是持续偏压荷载单独作用（即大气环境柱）的3倍以上. 可见,持续偏压荷载耦合海水干湿循环作用加速了氯离子的渗透和滞回性能的劣化.