石慶波 張京京 周方南 王海良 趙靜波 郭曉宇 張成龍

(1.中鐵十八局集團有限公司 天津 300222；2.天津城建大學土木工程學院 天津 300384)

1 引言

混凝土橋梁結構一般采取分段澆筑或預制拼裝施工，而非一次澆筑成型，因此橋梁結構存在各類形式的接縫在所難免。預制拼裝出現(xiàn)的膠接縫[1－3]和分段現(xiàn)澆產(chǎn)生的濕接縫[4]是兩種主要的接縫形式。目前，一部分混凝土橋梁建設于沿海、鹽湖、鹽堿地區(qū)域以及工業(yè)廠房附近，此外在我國北方冬季存在使用除冰鹽的情況，這些都會使得橋梁結構存在遭受氯鹽侵蝕的可能性。氯離子會通過保護層進入混凝土內(nèi)部腐蝕鋼筋，鋼筋在氯離子的侵蝕下會逐漸銹蝕，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹會使混凝土開裂，對橋梁結構的耐久性產(chǎn)生不利影響，導致構件力學性能退化，進而影響橋梁結構服役安全[5－6]?，F(xiàn)階段有關橋梁混凝土結構的耐久性研究主要集中于整體成型部分，而對接縫處混凝土的耐久性研究較少[7]。目前僅有李國平等[8]對分段成型的橋梁混凝土結構中的直接濕接縫、鑿毛濕接縫、干接縫和環(huán)氧膠接縫4種接縫的抗氯離子侵蝕性能進行了試驗研究。于東超[9]等以混凝土橋梁結構預制節(jié)段梁體接縫為研究對象，開展了梁體接縫在凍融和碳化共同作用下的耐久性試驗。

氯離子侵入混凝土方式有多種，侵入機理也較為復雜，但最常見的侵入方式是擴散[10]。試驗通常采取浸泡的方式來模擬擴散侵入[11]，然而橋梁結構構件并非均處于氯鹽溶液中，相比于橋墩、承臺、基礎，橋梁上部結構更多時間暴露于大氣中而非氯鹽溶液之中，對處于海洋大氣中的橋梁上部結構，應采用氯鹽鹽霧侵蝕環(huán)境來模擬橋梁上部結構所處的真實狀態(tài)[12]。鑒于此，以直接膠接縫、打磨膠接縫、直接濕接縫和鑿毛濕接縫4種接縫形式的混凝土試件為研究對象，以整體成型混凝土試件作為對比，通過氯鹽浸泡與鹽霧侵蝕來模擬橋梁下部結構與上部結構所處的氯鹽環(huán)境，對其開展兩種環(huán)境下的氯離子侵蝕試驗，獲得氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土構件接縫處不同深度的氯離子濃度，研究不同接縫形式在不同氯鹽侵蝕環(huán)境中的耐久性差異，以期為混凝土橋梁接縫局部區(qū)域的耐久性設計提供技術支撐和合理建議。

2 試驗方法

2.1 試件設計

參照?普通混凝土配合比設計規(guī)程?(JGJ 55—2011)配制設計強度等級為C50的混凝土，其配合比見表1。其中，水泥標號為P.O 42.5，粗骨料最大粒徑為25.0 mm，細骨料細度模數(shù)為2.8，外加劑采用標準型聚羧酸高性能減水劑。參照?普通混凝土拌合物性能試驗方法標準?(GB/T 50080—2016)規(guī)定，測得混凝土坍落度為150 mm。

表1 C50混凝土配合比 kg/m3

采用3塊尺寸為(100×100×100)mm混凝土立方體試塊制作含有膠接縫或濕接縫的尺寸為(100×100×300)mm的棱柱體試塊，即混凝土接縫試件，包括直接膠接縫、打磨膠接縫、直接濕接縫和鑿毛濕接縫4種接縫形式試件，同時制作(100×100×300)mm整體成型混凝土棱柱體試件作為對比，待所有試件成型后置于水箱中室溫養(yǎng)護28 d。不同接縫試件制作過程如圖1所示。

圖1 不同接縫試件制作過程

2.2 侵蝕環(huán)境及試件分組

試驗主要對兩種環(huán)境下4種接縫形式試件和整體成型試件經(jīng)不同侵蝕周期后不同深度處混凝土中氯離子濃度差異進行對比研究。采用鹽溶液浸泡試驗模擬橋梁下部結構所處海洋環(huán)境。試驗前將試件頂面(100×300 mm面)作為氯離子侵蝕的暴露面，其余各面涂抹石蠟予以密封；然后，將處理后的試件浸入于質(zhì)量分數(shù)為5.0%的NaCl溶液中，保持鹽溶液高出試件上表面30 cm；在室溫下試件分別浸泡7 d、14 d、28 d、56 d。采用中性鹽霧試驗模擬橋梁上部結構所處海洋大氣環(huán)境。試驗前試件處理方式與鹽溶液浸泡試驗中試件相同；然后，將處理后的試件暴露面向上放置于鹽霧箱內(nèi)，鹽水箱中放入質(zhì)量分數(shù)為5.0%的NaCl溶液，并通過空氣壓縮裝置向試件表面噴灑鹽霧；試驗過程中試驗箱內(nèi)溫度恒定為35℃，鹽霧侵蝕周期為7 d、14 d、28 d、56 d。

對于兩種侵蝕環(huán)境，每種環(huán)境下按照侵蝕周期分為4組試件，每組均包含直接膠接縫、打磨膠接縫、直接濕接縫和鑿毛濕接縫4種接縫形式試件和整體成型試件各1個，同時每個試件包含2個接縫界面，可形成平行試樣。對于每個試件，4處粉末樣本取樣位置如圖2中A、B、C、D點所示。其中，d為取樣深度，將由4處粉末樣本測得的氯離子質(zhì)量分數(shù)平均值作為每個試件接縫處對應深度混凝土中氯離子濃度值，粉末樣本的氯離子質(zhì)量分數(shù)由紹興科銳SSWY-820型氯離子含量快速測定儀測出。

圖2 取樣位置(單位:mm)

3 試驗結果及分析

3.1 鹽溶液浸泡試驗

圖3為鹽溶液環(huán)境下4種接縫試件和整體成型試件混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)。經(jīng)7 d氯離子侵蝕后，所有試件混凝土中氯離子濃度隨侵蝕深度變化近似為直線，滿足線性梯度變化關系；經(jīng)14 d、28 d、56 d氯離子侵蝕后，混凝土中氯離子濃度隨侵蝕深度呈曲線變化，且隨深度增加曲線趨于平緩，尤其在深度達到40 mm后更為明顯。這表明不同深度處氯離子已經(jīng)開始逐漸累積，鹽顆粒結晶阻塞混凝土內(nèi)部孔隙，使得氯離子隨深度增加擴散速率減慢。對比同一深度處不同侵蝕周期混凝土中氯離子濃度可知，距暴露面越近氯離子濃度隨時間增加越快，擴散速率也較大；隨深度增加，氯離子濃度增加逐漸變緩。

圖3 鹽溶液環(huán)境下不同試件混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)

圖4為鹽溶液浸泡28 d和56 d后4種接縫試件和整體成型試件中氯離子濃度對比曲線?？梢姡行问浇涌p試件混凝土中氯離子濃度均高于整體成型試件，即接縫處確為混凝土耐久性薄弱位置；4種接縫試件混凝土中氯離子濃度總體上呈現(xiàn)出濕接縫小于膠接縫、鑿毛(或打磨)小于不做處理的規(guī)律。針對濕接縫耐久性優(yōu)于膠接縫的情況，究其原因在于，膠接縫中環(huán)氧樹脂膠與兩側混凝土界面層的氯離子更易于通過該路徑擴散；而濕接縫兩側均為混凝土，相較于膠接縫更接近為一個整體，故濕接縫處混凝土中氯離子濃度較低，此類接縫抗氯離子侵蝕能力更好。針對界面鑿毛或打磨處理優(yōu)于不做處理的情況，究其原因在于:(1)打磨與鑿毛均是對接縫界面處混凝土表面水泥砂漿基體進行清除，而水泥砂漿是氯離子擴散的主要通道，界面處理后水泥砂漿基體大量減少，氯離子侵蝕路徑減少，故打磨或鑿毛提高了界面抗氯離子侵蝕能力；(2)初始接縫界面粗骨料較少，鑿毛處理使得混凝土內(nèi)部粗骨料呈暴露狀態(tài)，而氯離子通過粗骨料擴散更加困難，故鑿毛有利于提高接縫處耐久性。

3.2 中性鹽霧試驗

圖5為鹽霧環(huán)境下4種接縫試件和整體成型試件混凝土中氯離子質(zhì)量分數(shù)。由圖5可知，經(jīng)不同時間氯離子侵蝕后，混凝土中氯離子濃度隨侵蝕深度均呈曲線變化，且隨深度增加曲線趨于平緩；與鹽溶液浸泡環(huán)境相比，在鹽霧侵蝕前期(7 d)，所有試件混凝土中氯離子濃度隨侵蝕深度變化不再呈線性關系，這說明在鹽霧環(huán)境下氯離子的擴散受侵蝕深度的影響更為明顯，該環(huán)境下隨侵蝕深度增加，氯離子質(zhì)量分數(shù)下降更為顯著。

圖6為鹽霧侵蝕28 d和56 d后4種接縫試件和整體成型試件中氯離子濃度對比曲線。綜合圖6可知，無論是鹽溶液浸泡環(huán)境還是鹽霧侵蝕環(huán)境，4種接縫試件的耐久性均表現(xiàn)為:打磨膠接縫優(yōu)于直接膠接縫，鑿毛濕接縫優(yōu)于直接濕接縫。

圖6 鹽霧侵蝕28 d和56 d后不同試件中氯離子質(zhì)量分數(shù)對比

3.3 氯離子擴散系數(shù)

基于Fick第二定律，混凝土內(nèi)部任意時刻不同深度處的氯離子質(zhì)量分數(shù)可按式(1)計算，采用式(1)進行擬合得出4種接縫試件以及整體成型試件的混凝土氯離子擴散系數(shù)，以期為實際工程耐久性設計提出建議。

式中:c為侵蝕深度xmm處氯離子質(zhì)量分數(shù)，%；t為侵蝕時間，d；D為氯離子擴散系數(shù)，m2/s；cs為混凝土表面氯離子質(zhì)量分數(shù)，%；erf(˙)為高斯誤差函數(shù)。

兩種環(huán)境下不同試件中混凝土氯離子擴散系數(shù)如圖7所示。綜合圖7a與圖7b可知，鹽溶液浸泡和鹽霧侵蝕環(huán)境下，混凝土氯離子擴散系數(shù)均隨時間增加而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定；鹽溶液浸泡環(huán)境中試件混凝土氯離子擴散系數(shù)要高于鹽霧侵蝕環(huán)境中對應試件混凝土氯離子擴散系數(shù)。

圖7 兩種環(huán)境下不同試件中混凝土氯離子擴散系數(shù)

4 結論與建議

(1)接縫部位為混凝土抗氯離子侵蝕薄弱部位，接縫處由于混凝土非整體成型，接縫界面存在水泥砂漿基體，對氯離子擴散的阻礙作用減弱。

(2)鹽溶液浸泡環(huán)境與鹽霧侵蝕環(huán)境下4種接縫試件的耐久性總體表現(xiàn)為:濕接縫優(yōu)于膠接縫、鑿毛(打磨)處理優(yōu)于不做處理；隨氯離子侵蝕時間增加，不同種類接縫處混凝土的耐久性差異逐漸減小。

(3)經(jīng)相同時間侵蝕后，鹽霧環(huán)境下混凝土受侵蝕程度與鹽溶液浸泡環(huán)境下接近，但鹽霧環(huán)境下試件表面氯離子濃度大于鹽溶液浸泡環(huán)境下的試件，隨深度增加鹽霧環(huán)境下試件氯離子濃度逐漸小于浸泡環(huán)境下的試件。

(4)鹽霧環(huán)境下接縫處的氯離子侵蝕防護對提高橋梁耐久性十分重要，宜優(yōu)先采用經(jīng)界面處理的濕接縫工藝。