混凝土保护层锈胀裂缝扩展规律试验研究

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发布时间：2021-09-17

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混凝土保护层锈胀裂缝扩展规律试验研究
施志业，郑建军，周欣竹
(浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310014)
摘要：基于通电加速腐蚀方法，研究了4种试件的表面开裂时间和表面裂缝宽度随时闻的演化。开裂初期。表面裂缝
宽度随时间缓慢增大。当裂缝宽度达到一定值后，表面裂缝宽度随时间迅速增大，最后呈稳定扩展趋势；纵向钢筋的
锈蚀并不均匀，钢筋面向保护层一侧的钢筋表面锈蚀较为严重。
关键词：混凝土；耐久性；保护层；裂缝宽度．
中图分类号：TU528．01 文献标志码：A
0 引盲
作为一种传统的结构形式，混凝土结构在土木工程领域
有着举足轻重的地位。但是长期以来，由于对沿海和道桥等在
环境或使用过程中存在大量氯离子的条件下的耐久性考虑不
足，目前已在国内外造成相当大的损失。因此，如何提高在氯
离子侵蚀条件下混凝土的耐久性能，是当前研究的热点问题。
在混凝土结构耐久性问题中，最主要的是钢筋锈蚀。钢
筋锈蚀不仅减少钢筋的截面积，降低结构的承载力，而且由
于钢筋锈蚀生成的锈蚀产物体积是原钢筋体积的2倍一4
倍，产生很大的锈胀力，造成混凝土保护层顺筋开裂、保护层
开裂[J】。一旦保护层开裂，外部环境中的腐蚀介质更容易侵
入到混凝土内部，加剧钢筋锈蚀，表面裂缝宽度进一步增大，
整个结构进人了一个恶性循环直至破坏。因此，研究保护层
表面裂缝宽度演化规律非常重要，一方面可为新建混凝土结
构的耐久性设计提供重要理论依据，另一方面也为服役结构
的维护，尤其是维修时间的选择提供重要参考。
目前国内外在理论分析和试验研究方面取得的进展中，
王海龙等基于断裂力学建立了混凝土锈胀开裂模型，通过引
入一些假设并考虑混凝土的软化特性，提出了混凝土保护层
锈蚀损伤全过程计算方法；郑建军等通过建立和求解微分
方程，获得保护层初裂时间、完全开裂时间和每一时刻的锈
胀力[3 ；李海波等用通电加速腐蚀方法研究了表面裂缝宽度
与钢筋锈蚀率之间的对应关系；Weye~等通过内掺氯离子
的加速方法模拟了混凝土保护层锈胀开裂，获得了各种条件
下的初裂时间[5]。但是在保护层开裂后的裂缝随时间的演化
规律方面还鲜有文献记载，因此，本文将在前人工作的基础
上利用通电加速腐蚀方法研究保护层表面开裂后，在不同影
响因素下，裂缝随时间演化规律。
1 混凝土保护层开裂过程
在沿海混凝土结构中，由于在海水中大量存在氯盐化
合物，通过各种物理化学作用，氯离子会穿过混凝土保护层
而到达钢筋表面，当氯离子浓度达到一定值时，即使混凝土
内部的pH值较高，也会破坏钢筋钝化膜，钢筋表面的钝化
膜破坏后，环境中的氧气和水逐渐透过保护层到达钢筋表
面，发生电化学腐蚀而生成锈蚀产物[6】。锈蚀产物的化学成
分十分复杂，而且随着环境的改变而变化，文献[5]把锈蚀产
物统一表示成m·Fe(OH)：n·Fe(OH)，P·H20，并给出了各种
锈蚀产物的体积膨胀率。由于混凝土在浇筑和硬化过程中，钢
筋表面形成一层水膜，使得钢筋与混凝土界面处的水灰比较
大，形成高孔隙率的界面层，另外由于混凝土浇捣受钢筋的影
响，界面层往往不能充分密实使得钢筋与混凝土之间存在厚
度约为12．5 m的环形孔隙。因此，在钢筋锈蚀初期，所产
生的锈蚀产物主要用来填充界面环形孔隙，并不产生锈胀力
(图1a)。当所产生的锈蚀产物体积大于界面环形孔隙体积后，
由于锈蚀产物对周围的混凝土施加径向膨胀压力，使周围混
凝土产生环向拉应力(图1b)。而混凝土的抗拉强度较低，一
旦环向拉应力大于混凝土抗拉强度，混凝土保护层内侧首
先开裂，并且裂缝沿径向不断向外传播而最终贯穿整个保
护层，随后表面裂缝宽度随时间不断增大(图lc)r~J。
2 试验材料和方案
2．1 试验材料
本试验采用湖北黄石华新水泥厂生产的52．5水泥。细
骨料采用级配良好并经过筛分的河砂，细骨料粒径为0．15—
4．25 mm，细度模数为2．6。粗骨料经过清洗和过筛，去除杂
质和泥块，骨料粒径为5—20 mm。减水剂采用江苏建科院生
产的聚羧酸系减水剂。用自来水进行拌和。钢筋选用
HRB335级钢筋。
2．2 试验方案
本试验混凝土按体积法配制，各水灰比的配合比和力
学性能如表1所列。混凝土构件尺寸为150 mmxl50 ram~
400 mm，在模板的相应位置钻孔用于固定预埋钢筋并控制
保护层厚度，在制模时钢筋两端各露出混凝土50 mm用于