凍融環(huán)境下引氣混凝土的抗鋼筋銹蝕能力研究

馬志鳴+趙鐵軍+巴光忠+管庭

摘要：對(duì)帶鋼筋的普通混凝土及引氣混凝土試件進(jìn)行抗凍融循環(huán)試驗(yàn)，在不同凍融損傷程度下對(duì)試件進(jìn)行氯離子侵蝕試驗(yàn)。利用半電池電位法和線性極化法分別測(cè)定經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試件內(nèi)部鋼筋的電位和腐蝕電流密度，從而定量地確定混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕情況。研究結(jié)果表明：向混凝土內(nèi)部摻入一定比例引氣劑，可以提高混凝土的抗凍性能，從而增強(qiáng)其在腐蝕環(huán)境下抗鋼筋銹蝕能力，提高了混凝土的耐久性能；對(duì)試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)后，鋼筋的實(shí)際銹蝕情況與利用由化學(xué)方法測(cè)定結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：混凝土；引氣劑；凍融循環(huán)；鋼筋銹蝕；抗凍性能；腐蝕電流密度

中圖分類號(hào)：TU528.59文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

混凝土耐久性是影響其使用壽命的主要原因，混凝土提前發(fā)生破壞往往是由于其耐久性不足導(dǎo)致的，同時(shí)在惡劣外界環(huán)境下，由于其多孔的特殊結(jié)構(gòu)形式，更容易發(fā)生混凝土耐久性破壞。大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明，影響混凝土耐久性最主要的2個(gè)因素是氯離子侵蝕和凍融循環(huán)破壞，且在二者的耦合作用下，混凝土耐久性的劣化速率會(huì)加快，尤其對(duì)于已廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，氯離子侵入到混凝土內(nèi)部發(fā)生鋼筋銹蝕等一系列化學(xué)反應(yīng)，使其體積迅速膨脹而造成結(jié)構(gòu)耐久性破壞[15]。

向混凝土中摻入一定比例的引氣劑是提高混凝土抗凍性的有效方法，各國(guó)學(xué)者研究的主要方面是引氣劑對(duì)混凝土抗凍性能的影響，但是對(duì)不同凍融損傷下的引氣混凝土耐久性研究少之又少[610]?；诖?，本文中筆者研究引氣鋼筋混凝土在不同凍融損傷下的抗氯離子侵蝕（抗鋼筋銹蝕）性能，通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)、氯離子侵蝕試驗(yàn)，利用半電池電位法和線性極化法測(cè)定不同凍融損傷下試件內(nèi)部的鋼筋銹蝕情況，從而定量評(píng)定引氣混凝土在凍融損傷后的耐久性能，為今后引氣混凝土在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1原材料與配合比

為使混凝土試件受凍融損傷明顯，本試驗(yàn)采用水灰比為0.6的混凝土，引氣劑采用SJ3型三萜系粉末狀引氣劑，呈淺黃色。試驗(yàn)中的原材料均來(lái)自于山東青島，混凝土配合比如表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)的需要計(jì)算并稱取試驗(yàn)原材料，制備尺寸為280 mm×150 mm×75 mm的加鋼筋混凝土試件，如圖1所示。同時(shí)考慮保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋銹蝕的影響，本試驗(yàn)分別測(cè)定保護(hù)層厚度為15 mm和30 mm處混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕情況，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，2種位置處鋼筋銹蝕變化趨勢(shì)基本相同，故本文中僅討論保護(hù)層厚度為15 mm處鋼筋銹蝕情況。待試件成型48 h后拆模，將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[溫度（20±2） ℃、相對(duì)濕度R≥95%]養(yǎng)護(hù)24 d后取出，直接浸水4 d后即可開(kāi)始凍融循環(huán)試驗(yàn)。

2.1凍融循環(huán)與氯離子侵蝕試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)：將飽水后的加鋼筋混凝土試件取出，放入混凝土抗凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)內(nèi)進(jìn)行抗凍融循環(huán)試驗(yàn)，在凍融循環(huán)次數(shù)N分別為0（未受凍融損傷），10，50，100時(shí)將試件取出，然后進(jìn)行氯離子侵蝕試驗(yàn)，測(cè)定不同凍融損傷下，氯離子侵蝕對(duì)混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕的影響。

氯離子侵蝕試驗(yàn)：對(duì)不同凍融損傷后的試件進(jìn)行烘干，并用石蠟將其除側(cè)面以及對(duì)面外的4個(gè)面密封，保證氯離子在毛細(xì)吸收作用下沿試件內(nèi)部一維擴(kuò)散，加鋼筋混凝土氯離子侵蝕試驗(yàn)示意如圖2所示，從試件與鹽水接觸時(shí)開(kāi)始定期測(cè)定鋼筋的半電池電位及腐蝕電流密度。

試驗(yàn)中采用甘汞半電池對(duì)混凝土中鋼筋的銹蝕狀況進(jìn)行檢測(cè)，其由于電極的電位穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。當(dāng)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)半電池時(shí)，其測(cè)出的半電池電位與鋼筋銹蝕狀況的關(guān)系見(jiàn)表2。在鋼筋銹蝕試驗(yàn)中，用導(dǎo)線將鋼筋和高阻抗電壓表一端相連，電壓表的另一端和電位已知的電極相連，然后將觸點(diǎn)在混凝土表面上移動(dòng)，如果混凝土中鋼筋各處的狀態(tài)不同，該標(biāo)準(zhǔn)電位與混凝土中鋼筋表面的半電池之間的電位差就會(huì)出現(xiàn)，從而測(cè)定混凝土中鋼筋的半電池電位變化，進(jìn)而反映混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕狀況。同時(shí)試驗(yàn)采用武漢科斯特公司生產(chǎn)的CS系列電化學(xué)工作站對(duì)鋼筋的銹蝕狀況進(jìn)行測(cè)量，腐蝕電流密度與鋼筋銹蝕狀況的關(guān)系如表3所示[1112]。3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量

降為95.2%，降低幅度為4.8%。對(duì)比上述數(shù)據(jù)結(jié)果可知，向混凝土中摻入一定比例的引氣劑可以有效地提高混凝土的抗凍融性能。究其原因有：引氣混凝土凍融破壞主要是由混凝土內(nèi)部孔隙自由水產(chǎn)生的，孔隙自由水在凍融循環(huán)作用下反復(fù)凍融，對(duì)孔隙壁產(chǎn)生膨脹壓力作用，最終導(dǎo)致混凝土疲勞破壞；向混凝土摻入引氣劑后，通過(guò)引氣劑的作用在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生許多獨(dú)立且均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡，在凍融循環(huán)作用下，可以大幅度緩解混凝土內(nèi)部膨脹壓力的作用，從而提高混凝土的抗凍性能。

3.2半電池電位法測(cè)定鋼筋銹蝕

Time in Air Entraining Concrete Specimen次數(shù)及侵蝕時(shí)間的增加而增加，并且普通混凝土試件半電池電位曲線變化幅度較引氣混凝土劇烈。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，普通混凝土試件和引氣混凝土試件的初始半電池電位均較低。由表2可知，鋼筋均為低度銹蝕。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為50時(shí)，普通混凝土試件的初始半電池電位為-125 mV，鋼筋接近于中度銹蝕；引氣混凝土試件的初始半電池電位為-45 mV，鋼筋處于低度銹蝕。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為100時(shí)，普通混凝土試件的初始半電池電位為-200 mV。由表2還可知，此時(shí)鋼筋處于中度銹蝕。究其原因有：在凍融環(huán)境下由于水中氯離子的存在，當(dāng)試件受到嚴(yán)重的凍融損傷時(shí)，混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)程度大大降低，氯離子迅速侵入到試件內(nèi)部造成鋼筋的銹蝕，導(dǎo)致試件初始半電池電位較高，且當(dāng)侵蝕齡期達(dá)到25 d時(shí)，鋼筋已處于高度銹蝕狀態(tài)；引氣混凝土試件初始半電池電位較低，鋼筋為低度銹蝕，當(dāng)侵蝕齡期為200 d時(shí)，鋼筋僅處于中度銹蝕。

根據(jù)半電池電位法測(cè)定鋼筋銹蝕數(shù)據(jù)可知，在相同凍融循環(huán)作用下，引氣混凝土試件內(nèi)部鋼筋具有較低的銹蝕程度，這是由于引氣劑的存在提高了混凝土的抗凍性能，降低凍融損傷程度，從而提高了試件抗氯離子侵蝕性能，降低了抗鋼筋銹蝕風(fēng)險(xiǎn)。endprint

3.3線性極化法測(cè)定鋼筋銹蝕

圖5，6分別為采用線性極化法測(cè)定普通混凝土試件和引氣混凝土試件腐蝕電流密度隨氯離子侵蝕時(shí)間變化曲線。從圖5，6可以看出，試件的腐蝕電流密度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)和侵蝕齡期的增加而增圖5普通混凝土試件線性極化法測(cè)試結(jié)果隨時(shí)間

變化曲線

Concrete Specimen加。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，根據(jù)不同試件的初始腐蝕電流密度及表3可知，普通混凝土試件和引氣混凝土試件內(nèi)部鋼筋均處于鈍化狀態(tài)。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為50時(shí)，普通混凝土試件的初始腐蝕電流密度為0.1 μA·cm-2，此時(shí)鋼筋趨近于低銹蝕速率至中銹蝕速率，引氣混凝土試件初始腐蝕電流密度約為0.03 μA·cm-2，處于鈍化狀態(tài)，當(dāng)侵蝕齡期為200 d時(shí)，普通混凝土試件和引氣混凝土試件鋼筋分別處于中銹蝕速率至高銹蝕速率和鈍化狀態(tài)。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為100時(shí)，普通混凝土試件腐蝕電流密度隨侵蝕時(shí)間變化呈突變式增加，在較短侵蝕時(shí)間內(nèi)鋼筋處于中銹蝕速率至高銹蝕速率，而對(duì)于引氣混凝土試件，即使侵蝕齡期達(dá)到200 d時(shí)，試件內(nèi)部鋼筋銹蝕速率仍較低，說(shuō)明引氣混凝土試件在不同凍融損傷下仍具有較好的抗氯離子侵蝕性能和抗鋼筋銹蝕能力。

對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下、侵蝕齡期為200 d的普通混凝土試件和引氣混凝土試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，實(shí)際情況下不同試件內(nèi)部鋼筋銹蝕情況分別如圖7，8所示。從圖7，8可以看出，摻入引氣劑混凝土內(nèi)部鋼筋幾乎無(wú)銹蝕，而普通混凝土試件內(nèi)部鋼筋圖7普通混凝土試件內(nèi)部鋼筋銹蝕情況

Air Entraining Concrete Specimen銹蝕程度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加重，由實(shí)際情況得出的鋼筋銹蝕程度與通過(guò)半電池電位法及線性極化法測(cè)定出的結(jié)果相一致。這說(shuō)明引氣劑的摻入不僅可以提高混凝土抗凍性能，同時(shí)也提高了不同凍融損傷下抗鋼筋銹蝕能力，從而也提高了混凝土的耐久性能。4結(jié)語(yǔ)

（1）引氣混凝土試件相對(duì)普通混凝土試件具有較好的抗凍性能，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，引氣混凝土試件較普通混凝土試件的抗鋼筋銹蝕能力大幅度提高。

（2）由半電池電位法和線性極化法測(cè)定試件鋼筋銹蝕結(jié)果可知，試件的半電池電位和腐蝕電流密度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)及氯離子侵蝕時(shí)間的增加而增加，在相同條件下，引氣混凝土試件相對(duì)普通混凝土試件具有較低的半電池電位和腐蝕電流密度，大大降低了試件內(nèi)部鋼筋的銹蝕程度和銹蝕速率。同時(shí)由實(shí)際試件的劈裂試驗(yàn)可知，混凝土試件內(nèi)部鋼筋實(shí)際銹蝕情況與電化學(xué)測(cè)定得出的結(jié)果一致。

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