氯離子作用下鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎性能試驗(yàn)研究

胡曦月 林大路 黃 魁

(河南省洛陽(yáng)市水利工程研究所，河南 洛陽(yáng) 471023)

氯離子作用下鋼筋混凝土構(gòu)件抗彎性能試驗(yàn)研究

胡曦月 林大路 黃 魁

(河南省洛陽(yáng)市水利工程研究所，河南 洛陽(yáng) 471023)

基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境下銹蝕脹裂問(wèn)題，研究了普通鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在不同濃度氯化鈉介質(zhì)中侵蝕后的各種性能，獲得了侵蝕后鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和規(guī)范修訂提供技術(shù)支撐。

氯鹽，鋼筋混凝土，抗彎性能，腐蝕率

0 引言

混凝土是多孔材料，水化過(guò)程中形成不同程度的毛細(xì)孔隙和微細(xì)裂紋。在正常使用條件下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常常受到周圍環(huán)境不同腐蝕介質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的退化，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的原因主要有：混凝土碳化、氯離子引起的鋼筋去鈍化和酸性物質(zhì)引起的鋼筋腐蝕，而由氯離子引起的鋼筋去鈍化最為直接、嚴(yán)重和普遍[1]。而在海洋、化工及鹽漬土地區(qū)，氯離子是引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要原因。

為了解決這一工程問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了一系列的研究與探索，取得了諸多研究成果。吳輝琴、程建棚、田毅等研究了混雜纖維加固混凝土梁抗彎承載力計(jì)算方法[2]，喬紅霞、陳丁山、何忠茂等對(duì)鹽漬土地區(qū)混凝土硫酸鹽腐蝕加速試驗(yàn)制度進(jìn)行了評(píng)價(jià)[3]，董建鋒，邢峰，戴虹等，研究了混凝土不同面的氯離子侵蝕規(guī)律[4]，劉影、金祖全、張宇研究了海水對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕的影響[5]，許豪文、刁波、沈孛等對(duì)裂縫及環(huán)境對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響進(jìn)行了研究[6]等等。這些研究成果反映了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下的損傷演化規(guī)律及其對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)一步研究提供了有益參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)試件

1)鋼筋：受力筋為HRB二級(jí)螺紋鋼，直徑6 mm，箍筋為直徑4 mm的8號(hào)鐵絲。

2)混凝土配制：水泥為32.5R普通硅酸鹽水泥，混凝土配制強(qiáng)度等級(jí)為C40混凝土。

3)鋼筋混凝土試件：長(zhǎng)×寬×高=500 mm×60 mm×120 mm。分3組，每組9根。標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊為100 mm的立方體，分3組，每組3塊。

鋼筋混凝土試件如圖1所示。

1.2 腐蝕環(huán)境設(shè)計(jì)

1)腐蝕介質(zhì)：4%NaCl溶液；8%NaCl溶液；16%NaCl溶液。

2)腐蝕試驗(yàn)周期：30 d。

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 腐蝕池

腐蝕池如圖2所示。

2.2 萬(wàn)能伺服試驗(yàn)機(jī)

600 WAW萬(wàn)能伺服試驗(yàn)機(jī)如圖3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 典型試件腐蝕情況

1)混凝土試塊：加速腐蝕后，典型的立方體混凝土試塊如圖4所示。

2)鋼筋混凝土試件：腐蝕后鋼筋混凝土試件如圖5所示。

由圖4，圖5可見(jiàn)，試件表層的水泥漿體主要成分為C3S，C2S，C4AF，C3A以及少量的游離CaO，MgO等，在腐蝕介質(zhì)作用下，是最易受到侵蝕的部分。腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，介質(zhì)濃度越高，腐蝕程度越嚴(yán)重。先是混凝土表面被腐蝕，出現(xiàn)蝕坑，露出砂、石子等粗細(xì)集料，繼而邊角疏松、裂縫以至于脫落、碎裂。

氯離子不僅對(duì)鋼筋有較強(qiáng)的腐蝕作用，對(duì)混凝土也有腐蝕作用。氯離子與混凝土中的水化硫鋁酸鈣反應(yīng)產(chǎn)生具有膨脹性的氯鹽使混凝土脹裂，降低混凝土的強(qiáng)度。氯離子促使鋼筋去鈍化，使鋼筋成為活化態(tài)，在鋼筋表面形成多孔狀的銹層，使鋼筋的力學(xué)性能降低。氯離子對(duì)鋼筋與混凝土的腐蝕，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力降低。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)腐蝕率與時(shí)間的關(guān)系。

鋼筋混凝土試件腐蝕率與時(shí)間關(guān)系如圖6所示。

由圖6可以看出，腐蝕初期(<10 d)，試件質(zhì)量隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加，其質(zhì)量增加值與腐蝕介質(zhì)濃度負(fù)相關(guān)。早期階段由于混凝土材料本身的多孔性，為氯化鈉溶液浸入其中創(chuàng)造了條件。試件腐蝕率為：4%溶液中的變化較小約為5%，8%溶液中約為15%，16%溶液中最大約為25%。

從混凝土表面逐步擴(kuò)散至內(nèi)部孔隙，失水后形成氯化鈉晶體，使混凝土變得更加密實(shí)。當(dāng)混凝土孔隙被全部充滿，而環(huán)境溫濕度滿足要求時(shí)，孔隙中的氯化鈉將會(huì)形成膨脹性晶體，該過(guò)程從混凝土的表層逐漸向內(nèi)部發(fā)展，至混凝土中毛細(xì)空隙全部被充滿，混凝土變得更加密實(shí)。10 d～30 d，腐蝕率向相反方向發(fā)展，試件質(zhì)量逐漸減小，其質(zhì)量減小速率與腐蝕介質(zhì)濃度正相關(guān)。

2)腐蝕率與介質(zhì)濃度的關(guān)系。

鋼筋混凝土試件腐蝕速率與腐蝕介質(zhì)濃度關(guān)系如圖7所示。

從圖7中可以看出，鋼筋混凝土試件腐蝕速率與腐蝕介質(zhì)濃度呈線性關(guān)系。濃度越大，腐蝕速率越快。擬合的解析表達(dá)式為：y=a+bx，a=0.998,b=0.008 14。

3)荷載—撓度關(guān)系。

鋼筋混凝土構(gòu)件荷載—撓度關(guān)系如圖8所示。

圖8中曲線為構(gòu)件A1，A2，A3試驗(yàn)的平均值，其中，A1組試件未受腐蝕，A2組與A3組試件分別在4%和8%濃度腐蝕介質(zhì)中浸泡30 d。曲線反映了構(gòu)件受彎力學(xué)性能的特征，銹蝕梁與未銹蝕梁的荷載—撓度曲線形狀相似，表現(xiàn)為典型的適筋梁破壞形態(tài)。從試驗(yàn)后破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件橫向裂縫與銹蝕率有關(guān)，銹蝕率大時(shí)裂縫間距變大，數(shù)量減少并向跨中集聚，裂縫分布趨于不均；當(dāng)銹蝕率達(dá)到一定程度，粘結(jié)強(qiáng)度降低，變形協(xié)調(diào)關(guān)系變差，裂縫位置趨于跨中。

從圖8可以看出，腐蝕構(gòu)件的彈性模量降低，腐蝕介質(zhì)濃度越大，腐蝕越嚴(yán)重，彈性模量降低越大；A1組的極限承載力小于A2組，與鋼筋輕微銹蝕后(銹蝕率不超過(guò)5%)使鋼筋與混凝土之間機(jī)械嚙合力有所增強(qiáng)有關(guān)。由于構(gòu)件的鋼筋銹蝕率較低，劣化現(xiàn)象不明顯，不同組別的極限承載力差別不大，如A1組極限承載力為44.92 kN，A2組和A3組極限承載力分別為47.78 kN，42.86 kN。

銹蝕量較小時(shí)(約<1%)，鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度高于無(wú)銹鋼筋且隨銹蝕量增大而增大。當(dāng)銹蝕率約為1%～3%時(shí)，銹脹初裂，粘結(jié)力與無(wú)銹蝕時(shí)接近并隨裂縫寬度增大而降低；當(dāng)銹蝕率為4%～8%時(shí)，混凝土保護(hù)層銹脹裂縫迅速發(fā)展直至混凝土剝落破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

1)腐蝕初期，腐蝕率向負(fù)方向發(fā)展，試件質(zhì)量隨時(shí)間增加而增加，其增加值與腐蝕介質(zhì)濃度負(fù)相關(guān)；中后期，腐蝕率向正方向發(fā)展，試件質(zhì)量隨時(shí)間增加而減小，其質(zhì)量減小值與腐蝕介質(zhì)濃度正相關(guān)。

2)鋼筋混凝土試件腐蝕速率與腐蝕介質(zhì)濃度呈線性關(guān)系，介質(zhì)濃度越大，腐蝕速率越快。表示為：y=a+bx,a=0.998,b=0.008 14。

3)銹蝕率小于1%時(shí)，構(gòu)件表面無(wú)明顯腐蝕變化，粘結(jié)強(qiáng)度高于無(wú)銹蝕構(gòu)件并隨銹蝕量的增大而增大；當(dāng)銹蝕率約為1%～3%時(shí)，銹脹初裂，粘結(jié)強(qiáng)度與無(wú)銹蝕構(gòu)件的相近且隨裂縫寬度增大而降低；當(dāng)銹蝕率約為4%～8%時(shí)，銹脹裂縫發(fā)展逐漸加快，粘結(jié)強(qiáng)度迅速降低，最終構(gòu)件失去承載力。

4)構(gòu)件的彈性模量隨介質(zhì)濃度的增大而降低，鋼筋銹蝕率較低時(shí)對(duì)構(gòu)件受力性能影響不明顯，構(gòu)件的裂縫與鋼筋銹蝕率有關(guān)。銹蝕率增大，裂縫間距變大、分布不均、數(shù)量減少并向跨中集聚，當(dāng)銹蝕率達(dá)到一定程度，粘結(jié)強(qiáng)度降低，裂縫位置趨于跨中。

[1] MEHTA P K.Durability of concrete-fifty years of progress[J].ACI SP,1991(126)：1-31.

[2] 吳輝琴,程建棚，田 毅，等.混雜纖維加固混凝土梁抗彎承載力計(jì)算方法的研究[J].混凝土，2012(6)：11-33.

[3] 喬紅霞，陳丁山，何忠茂，等.鹽漬土地區(qū)混凝土硫酸鹽腐蝕加速試驗(yàn)制度評(píng)價(jià)[J].混凝土，2012(10)：1-3.

[4] 董建鋒，邢 峰，戴 虹，等.混凝土不同面的氯離子侵蝕規(guī)律研究[J].混凝土，2013(1)：18-20.

[5] 劉 影，金祖全，張 宇.海水對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕的影響研究[J].混凝土，2016(6)：38-41.

[6] 許豪文，刁 波，沈 孛，等.裂縫及環(huán)境對(duì)混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響[J].混凝土，2016(7)：45-48.

Experimental research on flexural performance of steel reinforced concrete members under the chlorine salt action

Hu Xiyue Lin Dalu Huang Kui

(HenanLuoyangHydrologyEngineeringResearchInstitute,Luoyang471023,China)

Based on steel reinforced concrete structure corrosion expansion problems under chlorine salt environment, the paper studies common steel reinforced concrete bending members after corrosion under different concentration sodium chlorine media, and obtains various steel reinforced concrete bending members testing results after corrosion, which has provided some technical support for structural durability design and regulations modification.

chlorine salt, steel reinforced concrete, flexural performance, corrosion rate

1009-6825(2017)01-0065-03

2016-10-27

胡曦月(1998- )，女

TU375

A