格爾木地區(qū)普通鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)研究

王旭峰 張家暢 楊兵兵

（1洛陽路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471700；2永城市交通運(yùn)輸局，河南 永城 476600；3酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

格爾木不但作為新疆、西藏、青海三省的重要交通樞紐，還具有豐富的鹽湖資源、天然氣資源、石油資源和礦產(chǎn)資源。其先天優(yōu)勢(shì)奠定了自身發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，作為“一帶一路”發(fā)展中線的支線地區(qū)，其必將迎來新的發(fā)展高潮。然而格爾木地區(qū)干旱、少雨、早晚溫差大、風(fēng)沙大、環(huán)境復(fù)雜多變[1]，以及鹽漬土、鹽湖廣泛分布，使得鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施在冷熱交替作用下、干濕交替作用下、以及氯鹽、硫酸鹽、重碳酸鹽[2]等有害鹽類等的耦合作用下，使的鋼筋混凝土保護(hù)層剝落、混凝土裂縫開展、鋼筋嚴(yán)重銹蝕的現(xiàn)象發(fā)生[3-4]。造成了普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性難以滿足設(shè)計(jì)要求而過早失去承載力發(fā)生破壞。因此實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土的耐久性研究，及早的對(duì)鋼筋混凝土建筑進(jìn)行加固、維修具有重要的指導(dǎo)意義。

目前對(duì)鋼筋混凝土的耐久性研究主要是在室內(nèi)進(jìn)行模擬研究，通過加速的試驗(yàn)手段來反映建筑物的劣化過程，以一定的小數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)運(yùn)用數(shù)學(xué)等方法進(jìn)行模型的建立。但在室內(nèi)環(huán)境變化因素單一，不能較準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)實(shí)際復(fù)雜環(huán)境結(jié)合不足。本文將格爾木典型的鹽漬土地區(qū)作為研究對(duì)象，制備鋼筋混凝土試塊，通過電化學(xué)工作站對(duì)鋼筋的銹蝕進(jìn)行極化曲線分析[5-7]、非金屬超聲波檢測(cè)儀、質(zhì)量變化的相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)作為指標(biāo)[8]，對(duì)格爾木地區(qū)鹽漬土環(huán)境下普通鋼筋混凝土的耐久性進(jìn)行研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥選用甘肅祁連山水泥公司的42.5普通硅酸鹽水泥、粗集料采用蘭州華隴商砼公司提供的細(xì)石、細(xì)集料釆用蘭州安寧河沙、粉煤灰采用蘭州二熱廠生產(chǎn)的性能良好的二級(jí)粉煤灰、礦渣粉采用甘肅宏達(dá)建材公司提供的S95礦渣粉、減水劑采用蘭州華隴商砼公司提供的羥系減水劑,摻量為2.1%,減水率為18%，各原材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)如下；

表1 普通硅酸鹽水泥的性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

按照表6的配合比制備邊長(zhǎng)為100mm×100mm×400mm的鋼筋混凝土試塊。并按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對(duì)試塊養(yǎng)護(hù)28d，然后進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)（分別進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)、超聲波試驗(yàn)、電化學(xué)試驗(yàn)），將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鋼筋采用HPB300鋼筋，fy=300N/mm2，直徑8mm長(zhǎng)度為350mm，混凝土保護(hù)層厚度為10mm（A）和20mm（B）。長(zhǎng)度為100mm的銅絲線作為引線，一端與鋼筋纏繞，另一端置于混凝土外部，外露部分約為50mm。將養(yǎng)護(hù)好的試塊埋置于格爾木鹽漬土地區(qū)。埋置深度200mm（半埋），一段置于大氣中。每60d對(duì)試塊進(jìn)行一次質(zhì)量檢測(cè)，用電子天平稱取每次的質(zhì)量變化。然后進(jìn)行超聲波檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)分別為試塊上部、中部、下部，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在縱橫方向同時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)避開鋼筋。最后進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)采用三電極測(cè)試系統(tǒng)。以鋼筋作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極。每次電化學(xué)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)外部裸露銅絲線進(jìn)行環(huán)氧樹脂封涂，防止銹蝕老化。

表2 石子的性能指標(biāo)

表3 砂子性能指標(biāo)

表4 粉煤灰的性能指標(biāo)

表5 礦渣粉的性能指標(biāo)

表6 普通鋼筋混凝土配合比（kg/m3）

1.3 耐久性指標(biāo)

鋼筋混凝土試塊在格爾木鹽漬土地區(qū)，因受惡劣天氣以及氯鹽、硫酸鹽等有害鹽的影響，其質(zhì)量會(huì)不斷的損失。鋼筋在銹蝕過程中體積膨脹以及混凝土在外部荷載作用下會(huì)產(chǎn)生沿鋼筋發(fā)展的裂縫。因此選用相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)（ω1）作為鋼筋混凝土試塊耐久性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，來反映服役過程中的質(zhì)量損失。選用相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)（ω2）作為鋼筋混凝土試塊的耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)，來反映服役過程中裂縫的開展程度。選用腐蝕電流密度來反映鋼筋混凝土在服役過程中的銹蝕程度。

1.3.1 相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)

鋼筋混凝土相對(duì)質(zhì)量計(jì)算公式如下所示[9]：

其中：M0為初始質(zhì)量，Mt為t時(shí)刻的質(zhì)量。

氯氧鎂水泥涂層鋼筋混凝土相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)如下所示：

其中：ω1＜0，達(dá)到破壞；0≤ω1＜1，出現(xiàn)損傷未達(dá)到破壞；ω1≥1，未達(dá)到破壞且狀態(tài)良好。

1.3.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)

材料的相對(duì)動(dòng)彈性模量和超聲波波速有如下關(guān)系

E表示材料試驗(yàn)前的初始動(dòng)彈性模量和超聲波波速；

E表示材料在實(shí)驗(yàn)中第t次測(cè)得的動(dòng)彈性模量和超聲波速度。

混凝土耐久性指標(biāo)參考了喬宏霞[10]博士論文中對(duì)混凝土耐久性的評(píng)價(jià)方法，取相對(duì)動(dòng)彈性模量ω2作為鋼筋混凝土耐久性評(píng)價(jià)參數(shù)，其計(jì)算方法如下所示；

其中；ω2時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量比基準(zhǔn)值增加；

0＜ω2＜1時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量比基準(zhǔn)值降低，但未達(dá)到破壞；

ω2＜0，相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%，達(dá)到破壞。

1.3.3 鋼筋銹蝕參數(shù)

對(duì)于活化極化的控制的腐蝕體系，描述極化電流密度I與電極電位E的基本公式為

其中icorr為自然腐蝕電流密度，在腐蝕電化學(xué)中用其表示腐蝕速度，E為電極電位，Ecorr為自然腐蝕電位，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，F(xiàn)為Faraday常數(shù)，和為陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的傳遞系數(shù)，n為電極反應(yīng)速度控制步驟的得失電子數(shù)。腐蝕電流密度的大小可以反映鋼筋的銹蝕狀態(tài)，其大小與銹蝕的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表7所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

將A、B試塊按要求置于格爾木鹽漬土地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)暴露實(shí)驗(yàn)，并跟蹤檢測(cè)720d。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析如下。

2.1 相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)分析

每60d對(duì)試塊A、B進(jìn)行一次試驗(yàn)，跟蹤監(jiān)測(cè)720d，其相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)結(jié)果如圖1所示。

圖1 A、B試塊的相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)

從圖1中可以看出，隨著是時(shí)間的變化，A、B試塊的相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)分別在300d和480d達(dá)到最大值。此時(shí)的相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)分別為1.10和1.12左右。然后隨著時(shí)間的繼續(xù)增加不斷減小，在720d時(shí)時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)的相對(duì)棟彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)分別為0.79和0.80。在剛開始的相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)增加的原因分為兩個(gè)方面。一方面為混凝土吸收空氣中的CO2發(fā)生碳化，使其質(zhì)量增加。發(fā)生碳化的主要成分為混凝土水化后產(chǎn)生氫氧化鈣（Ca(OH)2）、水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）、未水化的硅酸三鈣（3CaO·SiO2）和硅酸二鈣（2CaO·SiO2）

其具體的化學(xué)方程式如下[12]。

另一方面可能是由于鹽漬土中含有大量的引起鋼筋銹蝕的氯離子。氯離子侵入混凝土內(nèi)部后達(dá)到鋼筋表面，引起鋼筋表面鈍化膜的破壞，使得混凝土中鋼筋的銹蝕，造成鋼筋的質(zhì)量增加。其具體的化學(xué)方程式如下[13]。

經(jīng)過最大值后，鋼筋混凝土相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)不斷降低，一方面其原因是由于格爾木地區(qū)風(fēng)沙較大，外部荷載和作用使得鋼筋混凝土質(zhì)量減小。另一方面是由于鹽漬土中的硫酸根離子侵入混凝土內(nèi)部生成石膏，石膏的生成會(huì)造成體積膨脹，其膨脹為原來的1.24倍[14]，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致混凝土剝落。以及鈣礬石的生成，鈣礬石的生成會(huì)使體積增大為原來的2.77[15]倍，從而引起混凝土膨脹破壞。

圖2 A、B試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)

2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)分析

從圖2中可以看出，隨著時(shí)間的推移A、B鋼筋混凝土試塊相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)不斷增加。A試塊在300d時(shí)增加到最大值，此時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)值為1.17。B試塊在420d增加到最大值，此時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)為1.18。A、B試塊在各自峰值以后其相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)不斷的減小，在720d時(shí)達(dá)到最小值。A試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)值為0.71，B試塊的相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)值為0.77。其相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)增加的原因可能是混凝土的碳化生成碳酸鈣等使得密度增加。其相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)減小的原因一方面是由于氯離子的侵入加速了鋼筋的銹蝕。鋼筋的銹蝕物的生成，體積膨脹在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，促使了混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)生。另一方面由于硫酸根離子的侵入，產(chǎn)生石膏和鈣礬石，使得混凝土內(nèi)部體積膨脹，進(jìn)一步促使混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生。上述綜合原因造成了鋼筋混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的減小。

表7 腐蝕電流密度與鋼筋銹蝕程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]

圖3 A試塊0d-720d極化曲線圖

2.3 極化曲線分析

將制備好的試塊A、B標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后測(cè)得第一次的腐蝕電流密度作為試塊A、B的基準(zhǔn)值。在試塊埋置在格爾木地區(qū)后每60d對(duì)試塊進(jìn)行一次電化學(xué)試驗(yàn)。其結(jié)果如圖3、圖4所示。

從圖3（a）中可以看出在0d時(shí)試塊A的腐蝕電位大概處于-0.78V左右，60d時(shí)腐蝕電位負(fù)向移動(dòng)-0.87V左右，電位負(fù)向移動(dòng)表明鋼筋的銹蝕很容易發(fā)生。此時(shí)此階段鋼筋發(fā)生銹蝕。從60d到120d腐蝕電位正向移動(dòng)，此時(shí)表明鋼筋的銹蝕不容易發(fā)生，其原因可能是鋼筋表面銹蝕層的形成抑制了銹蝕的進(jìn)一步發(fā)生。從120d到360d腐蝕電位繼續(xù)正向移動(dòng)，表明隨著腐蝕的進(jìn)行銹蝕物的不斷產(chǎn)生，鋼筋的腐蝕愈發(fā)困難，但是銹蝕仍是在不斷的進(jìn)行中。從圖3（b）中可以看出420d時(shí)陽極極化曲線特別陡峭，而陰極極化曲線相對(duì)平緩，此時(shí)表明塔菲爾斜率βα很大，即鋼筋的銹蝕不易發(fā)生。從420d到480d腐蝕電位正向移動(dòng)，480d到540d腐蝕電位負(fù)向移動(dòng)，540d到600d腐蝕電位又正向移動(dòng)，600d到660d又負(fù)向移動(dòng)，660d到720d腐蝕電位變化不大，如此反復(fù)正負(fù)向移動(dòng)的原因可能是鋼筋在銹蝕過程中銹蝕物的產(chǎn)生對(duì)腐蝕的抑制，腐蝕物產(chǎn)生后由于氯離子具有很強(qiáng)的穿透性，其繼續(xù)向基體內(nèi)部侵蝕，使得腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生又會(huì)造成新腐蝕產(chǎn)物對(duì)氯離子的阻擋，使得腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生困難。從圖4（a）中可以看出從0d到360d陽極極化曲線一值都很陡峭，表明鋼筋的腐蝕較困難。而圖3（a）相對(duì)來說陽極極化曲線較平緩，其原因可能是由于試塊B的混凝土保護(hù)層比試塊A的厚，混凝土保護(hù)層阻止了氯離子侵入其內(nèi)部，延緩了到達(dá)鋼筋基體的時(shí)間，從而使得在原有的堿性環(huán)境下鋼筋表面的鈍化膜保存完整，抑制了銹蝕的發(fā)生。而圖4（b）420d到720d陽極極化曲線相對(duì)較緩，此時(shí)鋼筋的銹蝕容易發(fā)生，其原因是氯離子已侵入混凝土內(nèi)部達(dá)到基體表面，使得鋼筋的鈍化膜破壞，腐蝕易發(fā)生。

圖4 B試塊0d-720d極化曲線圖

2.4 腐蝕電流密度變化分析

鋼筋混凝土試塊A、B的腐蝕電流密度計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 試塊A、B的腐蝕電流密度

從圖5中可以看出試塊A、B的腐蝕電流密度隨時(shí)間的增長(zhǎng)在不斷的增加，基準(zhǔn)值分別為0.0825μA·cm-2和0.0383μA·cm-2。從表7腐蝕電流密度與鋼筋銹蝕情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出，此時(shí)鋼筋處于未銹蝕狀態(tài)，此狀態(tài)一直持續(xù)到60d。A試塊從120d到660d腐蝕電流密度不斷增大，并且在 0.1μA·cm-2＜icoorA＜0.5μA·cm-2，表明此階段試塊A一直處于低腐蝕狀態(tài)。從660d往后試塊A的腐蝕電流密度大于0.5μA·cm-2，表明自660d后試塊A處于中等銹蝕狀態(tài)。試塊B從60d到720d其腐蝕電流密度一直處于0.1μA·cm-2＜icoorB＜0.5μA·cm-2之間，表明試塊B自60d后一直處于低腐蝕的狀態(tài)。雖然試塊A較試塊B保護(hù)層厚度略大10mm但是從銹蝕狀態(tài)來看其保護(hù)效果并非很顯著，只對(duì)鋼筋進(jìn)入中等銹蝕狀態(tài)起到了很小的作用。

3 結(jié) 語

1）利用相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)、相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)和腐蝕電流密度的大小可以從多方面對(duì)鋼筋混凝土的耐久性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。并且從相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)和相對(duì)質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)的增加和衰減速率可以看出，利用非金屬超聲波檢測(cè)法得到的相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)可以更好的作為耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）混凝土保護(hù)層厚度雖然可以在一定程度上對(duì)鋼筋起到保護(hù)作用，但是在長(zhǎng)期的服役過程中并不能對(duì)鋼筋的銹蝕起到?jīng)Q定性的保護(hù)作用。

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姚燕院長(zhǎng)為張鳳棣先生賀期頤壽誕

11月8日，我國(guó)混凝土科學(xué)的一代宗師吳中偉院士的夫人張鳳棣先生喜迎百歲壽辰。中國(guó)建材集團(tuán)副董事長(zhǎng)、中國(guó)建材總院院長(zhǎng)姚燕親自帶領(lǐng)中國(guó)建材集團(tuán)和中國(guó)建材總院相關(guān)人員來到吳師母的家中祝賀。除了生日蛋糕和鮮花，姚燕還送上了為師母百歲壽辰精心準(zhǔn)備的禮物——百歲祝壽文集，這是由行業(yè)內(nèi)50余位與吳中偉院士共同工作的同事、朋友、學(xué)生和吳中偉青年科技獎(jiǎng)獲得者為吳師母百歲壽辰獻(xiàn)上的祝福，先生看了非常高興，仔細(xì)閱讀了每一個(gè)祝福。