氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构劣化的一个主要原因，尤其是裂缝的存在会对混凝土的渗透性和耐久性产生直接影响^[1].混凝土裂缝的存在会为环境中的侵蚀物质如水、盐等提供路径，使它们沿着微裂缝通道进入混凝土保护层，进而到达钢筋所在处，促使钢筋表面的钝化膜提前脱钝，从而加速钢筋发生锈蚀^{[2, 3]}.在侵蚀介质的长期作用下，甚至会引起混凝土剥蚀、钢筋外露锈蚀的现象，这种破坏所带来的损失十分严重.在正常使用阶段，由于各种荷载作用和环境的影响，钢筋混凝土结构一般都是带裂缝承担荷载的^[4].因此，研究带裂缝混凝土结构的耐久性意义十分重大.Mustafa Sahmaran^[5-7]研究了裂缝宽度与氯离子扩散之间的关系，横向裂缝主要是通过预先设置来制成，结果表明带裂缝混凝土扩散系数比完好混凝土的扩散系数大1~2个数量级.刘荣桂^{[7, 8]}认为裂缝宽度是影响开裂混凝土内氯离子扩散系数的主要因素，并建立了采用裂缝宽度的二次函数来描述开裂和完好混凝土的氯离子扩散系数之间的关系.金伟良^{[9, 10]}等认为裂缝宽度对氯离子扩散系数的影响存在上下限值.而对于具体的上下限值的规定一直存在争议，还没有统一的意见.基于国内外标准规定的最大裂缝宽度一般在0.2~0.4 mm，广大研究学者在研究裂缝宽度对混凝土耐久性影响的试验中，所选取的裂缝宽度范围也大多在0~0.4 mm.但在实际工程结构中，由于各种原因使得这些限值的规定带有一定的主观性，当实际裂缝宽度处于最大裂缝宽度限制范围内时，不一定能保证结构的耐久性可靠，而实际裂缝宽度超出最大裂缝宽度限制范围时，也不能断定结构的耐久性失效.因此，有必要对更广范围内裂缝宽度与混凝土耐久性的关系开展研究.通过对分别预设0.2~0.8 mm裂缝宽度的不同钢筋混凝土构件进行氯盐干湿循环试验，研究不同裂缝宽度对氯离子含量及氯离子扩散系数的影响规律，以期最终为混凝土结构设计规范中裂缝控制标准的修订提供更为全面可靠的参考依据.

1 试验方案 1.1 试件材料参数

试件混凝土采用C30混凝土，水胶比为0.42，设计坍落度160～180 mm，搅拌站实测180 mm，黏聚性良好，保水性良好.选用尖峰水泥厂生产的强度等级为P.O42.5级的普通硅酸盐水泥；细骨料选用源于巴河的河沙，细度模数为2.7，颗粒级配属Ⅱ0区，砂率为39%；粗骨料采用产自乌龙泉的碎石，属于5～31.5 mm的连续级配；掺料为Ⅱ级粉煤灰；外加剂采用FDN-1型高效减水剂，具体参数如表 1所示.

1.2 试件尺寸设计

本试验采用100 mm×100 mm×400 mm的钢筋混凝土试件，试件预埋钢筋采用直径d分别为16和18 mm的HRB335级钢筋；保护层厚度c为20 mm；预设裂缝宽度w原计划采取0、0.25、0.5、0.75和1.0 mm五种不同宽度，但由于在混凝土浇筑过程中预设裂缝宽度发生了一定的变化，故最终以实测裂缝宽度值为准进行研究，原计划预设裂缝宽度与实测裂缝宽度值的对应关系如表 2所示.初始横向裂缝产生方式：在混凝土试件成型时埋入与预设裂缝宽度相同的不锈钢薄片从而诱导裂缝.试件详情如图 1所示.

1.3 试验方法

本试验方案采取氯盐干湿循环试验.为实现氯盐在混凝土表面的单面侵蚀，将试块四周涂抹环氧树脂胶后平铺放入装有质量分数为10%的氯化钠溶液的试验槽中，采用特殊手段使试验槽内溶液每天从槽底渗出1/10左右，每天定期补充溶液使溶液刚好淹没试块的侵蚀面.每24 h为一个循环周期，共浸泡45 d，为45次干湿循环.

2 试验结果及分析 2.1 氯离子含量检测

经历45次干湿循环后，将试块在高温下烘干.采用小型电钻取粉，利用离子选择电极法分析试块中氯离子的含量.取粉时，沿开裂侵蚀面裂缝处侧面取粉，取粉深度依次为5、10、20、35、50 mm共5个试样组；以开裂侵蚀面横向裂缝与钢筋交叉位置为起点，分别向裂缝两端沿钢筋布置方向对称取粉，取粉位置依次为5、10、20、35、50 mm共10个试样组.每个试块的钻孔数量为30~50个.将所有所取粉末置于烘箱中烘干至恒重，从每个试样组中取出1.5 g粉末，配以50 mL去离子水，利用NCL-AL型氯离子含量快速检测仪测定氯离子的含量，以其占混凝土质量的百分数来表示.

2.2 结果与分析

采用NCL-AL型氯离子含量快速检测仪测定氯离子的含量，以混凝土深度为横轴，氯离子的含量为纵轴，氯离子含量检测结果如图 2、3所示.图 2为裂缝周围区域氯离子含量分布，从图中可以看出：

1) 在完好混凝土试块中氯离子的浓度相比于在其他开裂混凝土试块中氯离子的浓度要低得多，并随着裂缝宽度的增大，同一位置处氯离子的浓度基本呈现递增趋势；

2) 对于开裂混凝土，由于裂缝宽度比较大，增加了氯离子侵入混凝土试块的侵蚀面，氯离子由原来只从开裂侵蚀面渗透侵入混凝土增加了从裂缝处侧面向混凝土内扩散的方式，此时氯离子在混凝土中的扩散由原来的一维扩散向二维扩散发展，裂缝宽度越大，裂缝周围区域氯离子的二维扩散效应越显著，并且随着距离裂缝处的距离增大，氯离子在混凝土中的浓度呈递减趋势.

3)由于预设裂缝采用钢片预制，表面平整，可以认为氯离子在裂缝处向两侧的扩散深度一致，因此取粉工作是沿裂缝处对称向两侧取粉，由图可以看出，混凝土氯离子的浓度在距裂缝的距离大约为15~25 mm处时基本达到平衡，因此，裂缝处单侧扩散的影响深度大约在15~25 mm处，那么氯离子在裂缝周围区域扩散的影响深度大约为30~50 mm.

图 3为钢筋直径d为18和16 mm时裂缝处沿混凝土深度氯离子含量分布.由图可知：

1) 相比于开裂混凝土中氯离子的浓度，在完好混凝土中氯离子的浓度明显较小，同一深度处氯离子的浓度随着裂缝宽度的增大呈现递增趋势；

2) 随着侵蚀深度的增大，氯离子的浓度逐渐减小；

3) 在深度为10 mm范围内，随着裂缝宽度的增大，氯离子浓度增加的趋势比较小，此时裂缝处氯离子浓度大约是完好混凝土氯离子浓度的1.2~2.5倍.超出10 mm后，随着裂缝宽度的增大，氯离子的浓度增加的趋势明显增大，尤其在裂缝底端(20 mm)处，氯离子浓度差异显著，裂缝处氯离子浓度大约是完好混凝土氯离子浓度的2~6倍.

4) 裂缝区域氯离子的浓度在35 mm深度之后基本趋于稳定，在稳定段氯离子的浓度随着裂缝宽度的增大而增加；当w≤0.30 mm时，裂缝处氯离子浓度的下降趋势随着侵蚀深度的加深比较显著，但当w＞0.30 mm时，裂缝处氯离子浓度的下降趋势在裂缝端部处出现凸起，即出现一定程度的缓冲，此后氯离子的浓度随着侵蚀深度的加深而显著下降.

2.3 等效表观氯离子扩散系数分析

根据实测的氯离子含量数据结果，得出氯离子浓度的分布规律，采用Fick第二定律计算出氯离子扩散系数随裂缝宽度的分布，其结果如图 4所示.应予以指出的是：基于Fick第二定律计算氯离子扩散系数的方法仅适用于完好混凝土.参考文献[3]的做法，为与完好混凝土相区别，对带裂缝混凝土试件，将基于Fick第二定律直接计算得到的氯离子扩散系数称为等效表观氯离子扩散系数.

由图 4可知，混凝土内等效表观氯离子扩散系数受裂缝的影响十分明显，并且随着裂缝宽度的增大，氯离子在混凝土中的传输速率越大；当裂缝宽度w=0.2 mm时，此时混凝土的等效表观氯离子扩散系数为完好混凝土中等效表观氯离子扩散系数的3~4倍；当裂缝宽度w=0.4 mm时，此时混凝土的等效表观氯离子扩散系数为完好混凝土中等效表观氯离子扩散系数的6~7倍；当裂缝宽度w=0.8 mm时，此时混凝土的等效表观氯离子扩散系数为完好混凝土中氯离子扩散系数的8~10倍.由此看出，裂缝的存在对氯离子在混凝土中的传输起着十分显著的加速作用.

采用双重孔隙介质模型来分析氯离子在开裂混凝土中的传输，将裂缝宽度作为氯离子在混凝土内传输的主要影响因素，假设开裂混凝土中的等效表观氯离子扩散系数能通过完好混凝土中的氯离子扩散系数和裂缝宽度来进行描述：

不同裂缝宽度裂缝处的等效氯离子扩散系数的具体结果如表 3所示，应予以指出的是，表中裂缝宽度为0时，对应的氯离子扩散系数即为D₀.

对等效表观氯离子扩散系数和裂缝宽度进行数据拟合分析，采用裂缝宽度的三次函数来建立裂缝宽度与裂化因子之间的关系，得出影响等效表观氯离子扩散系数的裂化因子f(w)的表达式：

将式(2)代入式(1)，即可得出开裂混凝土中的等效表观氯离子扩散系数D(w)的表达式：

式中：D(w)为开裂混凝土裂缝处的等效表观氯离子扩散系数；f(w)为劣化因子，与裂缝宽度有关； D₀为完好混凝土的氯离子扩散系数.

3 结论

1) 裂缝的存在加速了氯离子侵入混凝土试块的侵蚀面，使得氯离子在混凝土中的扩散呈现二维扩散，裂缝宽度越大，裂缝周围区域氯离子的二维扩散效应越显著，并且，随着离裂缝的距离增大氯离子在混凝土中的浓度也增大.氯离子在裂缝周围区域扩散的影响深度为30~50 mm.

2) 随着裂缝宽度的增大，同一深度处氯离子的浓度呈现递增趋势；氯离子的浓度随着侵蚀深度的增大而逐渐减小；裂缝区域氯离子的浓度基本在35 mm深度之后趋于稳定，在稳定段氯离子的浓度随着裂缝宽度的增大而增加.

3) 裂缝对混凝土内等效表观氯离子扩散系数具有十分显著的影响，并且裂缝宽度越大，氯离子在混凝土中的传输速率越大；可由裂缝宽度的三次函数来描述裂缝混凝土氯离子扩散系数的递增规律.