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第 43 卷第 7 期 中南大学学报自然科学版 Vol.43 No.7 2012 年 7 月 Journal of Central South University Science and Technology July 2012 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 812 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1672−7207201207−2821−06 Chloride corrosion of splitting cracked concrete under marine environment JIN Zu-quan1, 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 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 中南大学学报自然科学版 第 43 卷 2822 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 50100 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PO42.5 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 520 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 160200 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 mm50 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 1a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 1b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 1215 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 材料用量/kgm−3 抗压强度/MPa 混凝土 水泥 超细矿粉 粉煤灰 砂 石 水 3 d 7 d 28 d A 230 60 726 1 184 200 8.5 16.8 23.5 B 360 720 1 080 190 17.7 24.4 34.9 C 230 138 92 690 1 150 161 26.2 39.7 56.1 第 7 期 金祖权，等海洋环境下裂缝混凝土氯盐腐蚀 2823 a 裂缝制备装置；b 混凝土劈裂裂缝及取样区间 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 a A 系列混凝土，裂缝处氯离子分布；a′ A 系列混凝土，裂缝周边氯离子分布；b B 系列混凝土，裂缝处氯离子分布； b′ B 系列混凝土，裂缝周边氯离子分布；c C 系列混凝土，裂缝处氯离子分布；c′ C 系列混凝土，裂缝周边氯离子分布 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 中南大学学报自然科学版 第 43 卷 2824 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1 w baC−。 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。 a A 系列混凝土，裂缝处氯离子分布；a′ A 系列混凝土，裂缝周边氯离子分布；b B 系列混凝土，裂缝处氯离子分布； b′ B 系列混凝土，裂缝周边氯离子分布；c C 系列混凝土，裂缝处氯离子分布；c′ C 系列混凝土，裂缝周边氯离子分布 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 第 7 期 金祖权，等海洋环境下裂缝混凝土氯盐腐蚀 2825 a 裂缝处；b 裂缝周边 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 2 bwwaC。 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。 a 裂缝处；b 裂缝周边 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。 bw w aDDe/ 0 1 式中 Dw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 中南大学学报自然科学版 第 43 卷 2826 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 812 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。 参考文献 [1] 金祖权, 赵铁军, 候保荣, 等. 胶州湾海底隧道衬砌混凝土服 役寿命预测研究[J]. 土木建筑与环境工程, 2009, 316 86−91. 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