再生粗骨料混凝土鋼筋銹蝕試驗研究

張椿民，連金明，劉鋒

（廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧530004）

再生粗骨料混凝土鋼筋銹蝕試驗研究

張椿民，連金明，劉鋒

（廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧530004）

為研究再生粗骨料取代率和水灰比在氯離子侵蝕環(huán)境下對再生混凝土鋼筋銹蝕規(guī)律的影響，對15種不同配合比的再生混凝土試件進行干濕循環(huán)試驗，采用半電池電位法檢測鋼筋銹蝕狀況.研究結果表明：相同條件下，與普通混凝土相比，再生混凝土的鋼筋電位增加較快，電位波動較大，取代率越高，抵抗鋼筋銹蝕能力越差，鋼筋越容易發(fā)生銹蝕；水灰比的增加從整體上提高混凝土的孔隙率，明顯縮短鋼筋開始銹蝕的時間，且對取代率越高的再生混凝土影響越顯著.

再生粗骨料混凝土；鋼筋銹蝕；再生骨料取代率；水灰比

0　引言

再生骨料混凝土是指將廢棄混凝土經(jīng)破碎、清洗、篩分而成的再生骨料，部分或全部代替天然骨料配置而成的新混凝土，簡稱再生混凝土［1］.再生混凝土的開發(fā)利用可解決大量廢棄混凝土處理困難問題，緩解天然骨料日趨匱乏和降低因大量砂石開采而造成的生態(tài)環(huán)境破壞.目前，再生混凝土的研究主要集中于力學性能方面，耐久性的研究仍處于薄弱環(huán)節(jié)［2-3］.近年來，再生混凝土已逐漸應用于工程領域，由于受到大氣、土壤和水源等因素影響，再生混凝土也存在耐久性問題.

氯離子侵蝕導致的鋼筋銹蝕是引起混凝土結構耐久性降低甚至破壞的一個重要因素.當鋼筋周圍的混凝土自由氯離子達到一定濃度后，鋼筋表面的鈍化膜會遭到破壞，鋼筋失去保護而開始銹蝕，通常將這一濃度稱為臨界氯離子濃度［4］.影響臨界氯離子濃度的因素很多，包括材料自身性質、銹蝕環(huán)境和鋼筋-混凝土界面空隙等因素［5］.與普通混凝土相比，再生混凝土孔隙率較大，抗氯離子滲透性能較差［6］，鋼筋銹蝕出現(xiàn)較快，但由于再生混凝土內部界面過渡區(qū)的種類較多，電阻率差異較大［7］；此外，孔隙率增加會影響混凝土內部的濕度和含氧濃度，改變混凝土內部的pH值［8］，造成銹蝕環(huán)境差異；所以，不同骨料取代率可導致臨界氯離子濃度產(chǎn)生變化，從而使再生混凝土的鋼筋銹蝕機理變得更加復雜.為此，本文主要考慮取代率和水灰比2個影響因素，對再生混凝土在氯離子侵蝕環(huán)境下的鋼筋銹蝕規(guī)律進行試驗研究，研究結果可為再生混凝土耐久性的進一步研究和設計提供理論依據(jù).

1　試驗方案

1.1試驗材料

再生粗骨料采用C35的廢棄混凝土試塊經(jīng)人工破碎、篩分、清洗而得，天然骨料采用普通碎石骨料，粗骨料粒徑均為5mm～20mm，級配滿足連續(xù)級配要求.細骨料采用天然河砂，細度模數(shù)為2.6，水泥采用強度等級為42.5R的海螺牌普通硅酸鹽水泥，水為普通自來水.試驗采用直徑為20mm的HPB300級光圓鋼筋為銹蝕鋼筋.

1.2混凝土配合比

試驗考慮再生粗骨料取代率和水灰比2個影響因素，取代率有0，25％，50％，75％和100％五個水平，水灰比有0.4，0.5和0.6三個水平，共15種配合比.由于再生粗骨料吸水率較大，需進行預吸水處理，使其含水量達到飽和狀態(tài)的80％左右［9］.配合比按照普通混凝土設計，并測標準養(yǎng)護條件下28 d的混凝土抗壓強度值，如表1所示.

表1　試件配合比Tab.1 Mix proportions for concrete specimens

1.3試件設計

試件尺寸為80mm×80mm×200mm，中間埋置一根直徑為20mm的光圓鋼筋，如圖1所示.在澆筑混凝土前，鋼筋需除銹處理.為便于電位檢測，鋼筋一端需焊接導線；為避免試件端部鋼筋銹蝕，外露鋼筋和端面需用環(huán)氧樹脂密封處理.每種混凝土配合比制作3個試件，編為一個試驗組，試件編號為R Cxxxy－n，xxx代表取代率，y代表水灰比，n代表試件序號，如RC0256－2代表再生粗骨料取代率為25％，水灰比為0.6的第2個試件.

1.4干濕循環(huán)試驗及電位檢測

試驗采用半電池電位法檢測鋼筋電位，根據(jù)電位值判斷鋼筋的銹蝕狀況.為了控制鋼筋銹蝕速度，試驗采用干濕循環(huán)法，具體做法是：試件標準養(yǎng)護28 d后，將其在5％的NaCl溶液中浸泡3 d，然后在室內干燥環(huán)境中放置4 d，為一個循環(huán)周期，在每個周期的最后1 d，采用鋼筋銹蝕檢測儀（Procep Canin）檢測鋼筋電位，檢測完成后，又將試塊放入溶液中浸泡，開始新一輪循環(huán).半電池電位的檢測原理如圖2所示.

圖1　試件尺寸（mm）Fig.1 Details of specimens（mm）

圖2　半電池電位的檢測原理Fig.2 Principle of the half－cell method

每個試件設置12個測點，具體位置如圖3所示，取其中的最小值（電位值為負值）為試件的半電池電位（HCP），并求出同組3個試件的平均值.由于混凝土表面的濕潤程度會使測量值產(chǎn)生較大波動［10］，嚴重影響鋼筋銹蝕狀況的判斷；因此，在檢測前應使試件表面充分濕潤，同一測點進行2次檢測，前、后2次的電位差小于10mV時即認為濕潤程度滿足要求，并取后一次的讀數(shù)為該測點的實測電位值.此外，檢測時的環(huán)境溫度也會影響測點讀數(shù)，實測電位需根據(jù)環(huán)境溫度修正［11］.當電位小于－350mV時發(fā)生鋼筋銹蝕的概率大于90％，本次試驗?。?50mV作為鋼筋開始銹蝕的判段依據(jù)，即修正后的電位小于－350mV時，認為鋼筋開始銹蝕.

圖3　測點布置圖Fig.3 Arrangement of test points

2　試驗結果分析

本文一共進行了12次干濕循環(huán)，共經(jīng)歷了84 d，整個干濕循環(huán)過程中，外露鋼筋始終未發(fā)生銹蝕.同一試件，各測點半電池電位差異范圍為0～25mV，表明鋼筋基本發(fā)生均勻銹蝕，與試驗結束后，破碎周圍混凝土取出鋼筋的銹蝕狀況結果一致；同組試件，最終確定后電位差異范圍為0～30mV，表明同組試件鋼筋和混凝土間的電學活性的發(fā)展速度大致相同.干濕循環(huán)試驗結束后，試件表面變得更加粗糙.

2.1取代率影響分析

根據(jù)試驗結果，求出各組試件的電位平均值，做出各水灰比下不同取代率的鋼筋電位與時間關系曲線，如圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）.為了便于分析取代率對鋼筋銹蝕的影響，電位按式（1）處理：

式（1）中，n為混凝土試驗組名稱，如普通混凝土表示為NC，取代率為25％的再生混凝土表示為RC025. i為干濕循環(huán)序號，為相對電位值.顯然等于1，這樣與的差值就能反映取代率對半電池電位的影響.圖4（b）、圖5（b）、圖6（b）是不同試驗組Rnin值的散點圖，水平線是每個試驗組Rn

in的平均值.

圖4　水灰比為0.4的再生混凝土試驗組電位時變曲線圖Fig.4 HCP versus time curve in recycled concrete with 0.4water cement ratio

圖5　水灰比為0.5的再生混凝土試驗組電位時變曲線圖Fig.5 HCP versus time curve in recycled concrete with 0.5water cement ratio

圖6　水灰比為0.6的再生混凝土試驗組電位時變曲線圖Fig.6 HCP versus time curve in recycled concrete with 0.6water cement ratio

試驗采用干濕循環(huán)方法加速銹蝕.從圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）中可發(fā)現(xiàn)：隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，每條曲線總體上都保持著上升趨勢，但再生混凝土鋼筋電位的增加較普通混凝土快，多條曲線局部存在波動現(xiàn)象.出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水分、氯離子等不斷擴散進入混凝土內部，自由氯離子濃度逐漸提高，混凝土內的自由氯離子可以強化離子通道，隨著混凝土中的自由氯離子濃度提高，其電阻率降低［7］，導電性能增強，鋼筋和混凝土間的電學活性隨之增大.當氯離子滲入到鋼筋表面并達到臨界氯離子濃度后，鈍化膜遭到破壞，氯離子與鐵元素發(fā)生化學反應，形成陰極區(qū)和陽極區(qū)，鋼筋開始出現(xiàn)銹蝕；隨著時間的延續(xù)，陰陽極區(qū)的范圍逐漸擴大，電化學腐蝕加劇，電位差逐漸增加.與普通混凝土相比，再生混凝土滲透性較強，氯離子擴散較快，相同環(huán)境下，因孔隙率較高導致其初始電位較普通混凝土大，后期的循環(huán)試驗中鋼筋電位的增加也較普通混凝土快；氯離子會導致混凝土的穩(wěn)定性降低，直接影響到與鋼筋電學活性的穩(wěn)定性，加之鋼筋表面的化學反應極不穩(wěn)定，與參與反應的離子濃度、溫濕度等有關，離子濃度和溫濕度的變化難以控制；因此，電位往往存在波動現(xiàn)象.此外，混凝土是一種離散性很大的材料，且再生混凝土的均勻性較普通混凝土差［12］，化學成分復雜.可見，試驗過程中鋼筋電位的波動是一種正?，F(xiàn)象，由多因素共同引起.

從圖4（b）、圖5（b）和圖6（b）中可看出：在水灰比相同的條件下，與普通混凝土相比，再生混凝土的取代率越高，其相對電位Rin的平均值越大.這表明：取代率越高，鋼筋和混凝土間的電學活性增大越快，鋼筋越容易銹蝕.這可從再生混凝土的內部組成和骨料缺陷2個方面進行分析：①對于內部組成，試驗采用普通混凝土配合比的計算方法配置再生混凝土，然后根據(jù)骨料吸水率附加用水，可取代率是再生粗骨料占總粗骨料的百分比，由于再生骨料中存在附著老砂漿，所用的配合比設計方法將會使得再生混凝土中的天然骨料較普通混凝土少，界面過渡區(qū)種類及數(shù)量增加.在再生粗骨料的砂漿附著率和水灰比相同的條件下，取代率越高的再生混凝土，其天然骨料含量越少，砂漿含量越多，而混凝土的滲透性主要取決于砂漿和界面過渡區(qū)性質，天然粗骨料基本可看作不可滲透的密實材料［13］；因此，取代率越高，再生混凝土的孔隙率越大，抗氯離子滲透性越低，電阻率越小.②對于骨料缺陷，與天然骨料相比，再生骨料存在較大的初始缺陷.一方面，原生混凝土在長期服役過程中，荷載、碳化［14］、徐變等因素使得附著砂漿內部存在微裂紋；另一方面，在將廢棄混凝土加工成再生骨料的過程中，會對骨料內部產(chǎn)生新的損傷，特別是由附著老砂漿和天然骨料構成的老界面過渡區(qū)，力學性能原本就較薄弱，加之破碎時的外力作用，出現(xiàn)微裂紋的可能性大大增加；因此，再生骨料大多存在初始缺陷，這些初始缺陷將使得養(yǎng)護成型后的再生混凝土存在初始損傷，且取代率越高，初始損傷的程度和微裂紋的分布范圍越大，氯離子等有害物質的輸送通道越多，混凝土電阻率衰減速度越快.

圖7　取代率與鋼筋開始銹蝕時間關系圖Fig.7 Relational graph of replacement ratio and initial time of steel corrosion

圖8　水灰比與鋼筋開始銹蝕時間關系圖Fig.8 Relational graph of water cement ratio and initial time of steel corrosion

圖7是各水灰比下取代率與鋼筋開始銹蝕時間的關系圖，該圖呈現(xiàn)出再生混凝土開始銹蝕時間基本上要比同配合比的普通混凝土短，且隨取代率的增加呈逐漸縮短趨勢.RC100y（y為4，5，6）試驗組與NC000y試驗組相比，開始銹蝕時間均縮短了33.3％.由此可見，取代率的增加未能使得臨界氯離子濃度往有利的方向改變或改變的程度仍未能延緩鋼筋銹蝕的發(fā)生，再生混凝土抵抗鋼筋銹蝕的能力較普通混凝土差，且取代率越高，其護筋性能越差，鋼筋越容易發(fā)生銹蝕.

2.2水灰比影響分析

圖8是水灰比與鋼筋開始銹蝕時間的關系圖，從圖中可看出：不論是普通混凝土還是再生混凝土，鋼筋開始銹蝕的時間均隨水灰比的增大而明顯提前，NC0006試驗組與NC0004試驗組相比，開始銹蝕時間提前了50％；RC0506與RC0504相比，開始銹蝕時間提前了55％；RC1006與RC1004相比，開始銹蝕時間提前了50％.與取代率的影響對比可發(fā)現(xiàn)，水灰比對開始銹蝕時間的影響更突出，這是因為：水灰比的增大從整體上提高了混凝土的孔隙率和密實度，降低了混凝土電阻率，滲透性增強，氯離子更容易侵入；此外，有研究表明，水灰比的增加會使得臨界氯離子濃度減?。?］，主要原因是水灰比的增加將使得混凝土配合比中的水泥用量降低（如表1所示），從而造成混凝土堿性降低，對鋼筋表面鈍化膜的保護作用減弱.對于再生混凝土，同時增大取代率和水灰比形成的雙重不利作用將使得鋼筋開始銹蝕的時間減少得更明顯.

3　結論

通過干濕循環(huán)法對再生混凝土試件進行加速銹蝕試驗，可以得出以下結論：

1）在相同的氯離子侵蝕環(huán)境下，與普通混凝土相比，再生混凝土鋼筋電位的增加較快，穩(wěn)定性較差；

2）再生混凝土抵抗鋼筋銹蝕的能力較普通混凝土差，取代率越高，鋼筋越容易發(fā)生銹蝕，對于本文試驗研究，相同條件下，全再生混凝土比普通混凝土鋼筋開始銹蝕的時間短33.3％；

3）相同條件下，與取代率對鋼筋開始銹蝕時間的影響相比，水灰比的影響更為突出，水灰比的增大將從整體上提高再生混凝土的孔隙率和滲透性，降低混凝土內部堿性，減小臨界氯離子濃度，從而明顯縮短鋼筋開始銹蝕的時間.

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（學科編輯：黎婭）

Experimental study on steel corrosion in recycled aggregate concrete

ZHANG Chun-min,LIAN Jin-ming,LIU Feng
(School of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning530004,China)

To study the influence of recycled aggregate replacement ratio and water cement ratio on steel corrosion in recycled concrete structure under chloride environment,the wetting and drying cycles were carried out on recycled concrete specimens with 15 kinds of mix proportions,the steel corrosion was detected by half-cell potential method.The research results show that the potential growth of recycled concrete is faster than that of ordinary concrete under the same conditions,and the potential fluctuation is larger than that of ordinary concrete.The higher the replacement rate,the worse the ability to resist steel corrosion，the more prone to steel corrosion.The increase of water cement ratio improves the porosity of concrete on the whole and significantly shortens the initial time of steel corrosion.The higher the replacement rate of recycled concrete,the more significant this effect.

recycled aggregate concrete;steel corrosion;recycled aggregate replacement ratio;water cement ratio

TU528.04

A

2095-7335（2016）03-0076-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.014

2016-03-17

廣西教育廳基金項目（YB2014022）資助.

張椿民，碩士研究生，研究方向：混凝土結構，E-mail：zhangcmd＠foxmail.com.