氯鹽和碳化雙重腐蝕對鋼筋混凝土強度的影響1)

袁偉靜

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

柳俊哲

(寧波大學)

氯鹽和碳化雙重腐蝕對鋼筋混凝土強度的影響1)

袁偉靜

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

柳俊哲

(寧波大學)

運用多試件重復測量設計的方差分析方法，并對原始數(shù)據(jù)分析采用Bonferroni法進行兩兩比較，測試碳化和氯鹽雙重腐蝕的試件強度，分析不同氯離子量和水灰比對不同齡期碳化后鋼筋混凝土抗折強度和抗壓強度的影響。結果表明：水灰比對混凝土試件強度影響顯著；隨著水灰比的增大，氯鹽對混凝土試件的強度有一定的促進作用。

鋼筋腐蝕；鋼筋混凝土；抗折強度；抗壓強度

林區(qū)橋梁的力學支撐中，混凝土中的鋼筋起到很大作用，鋼筋的銹蝕問題是研究的核心問題。從各個林區(qū)近幾年橋梁維修加固工程看，主要進行了鋼絲和鋼絞線對混凝土外部加固以及采用鋼板貼合、增設桁梁等方法[1-3]，目的是提高橋梁力學的承載能力?；炷林袖摻畹匿P蝕，表現(xiàn)較突出的是混凝土碳化以及氯離子的腐蝕[4-8]。氯離子對混凝土中鋼筋的腐蝕，表現(xiàn)在氯化鈣、氯化鈉等氯鹽作為混凝土常用的外加劑的頻繁使用[9-10]。它們在促凝、早強、降低冰點等方面有著顯著的作用，且廉價易得，使用方便。但是，這些氯鹽一般都將加劇混凝土中鋼筋的銹蝕，破壞混凝土內(nèi)部高堿環(huán)境，使鋼筋表面致密的鈍化膜遭到侵蝕[15-18]，氯鹽是鋼筋腐蝕的主要因素之一?；炷恋奶蓟?，是指空氣中的酸性氣體CO2與混凝土中的液相堿性物質(zhì)發(fā)生反應，使得混凝土堿性下降和混凝土中化學成分改變的中性化反應過程[11-12]。當中性化深度大于混凝土的保護層厚度時，會破壞保護層下鋼筋表面的鈍化膜，在鈍化膜被破壞后，伴隨著水和空氣的共同作用，鋼筋會出現(xiàn)銹蝕[13-14]。混凝土碳化的因素可分為：周圍環(huán)境因素、材料因素和施工因素等三大類。其中水灰比的多少直接影響碳化深度和滲透力問題，本文著重研究水灰比與氯離子以及各個碳化齡期的變化，目的是找到鋼筋混凝土的碳化和氯鹽復合作用對橋梁腐蝕的影響規(guī)律。

筆者針對林區(qū)橋梁出現(xiàn)的垮塌和腐蝕現(xiàn)象，運用多試件重復測量設計的方差分析方法，結合兩兩對比，分析不同氯離子含量和水灰比對不同齡期碳化后混凝土抗折和抗壓強度的影響，旨在為提高林區(qū)橋梁的堅固性和耐用性提供參考。

1 材料與方法

水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，取自黑龍江省興隆水泥有限公司生產(chǎn)的硅酸鹽水泥PO42.5，按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》檢驗，水泥符合GB 175—1999《硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥標準》要求。粉煤灰為普通二級灰，砂為普通河砂，其中砂細度模數(shù)為2.27，含水率為0.67%?；瘜W制劑為鉻酸鉀、氯化鈉、硝酸銀等。

將水泥石按照m(膠凝材料)∶m(砂)∶m(水)=1.00∶2.50∶0.45配比，期間放置鋼筋，制作長×寬×高為40 mm×40 mm×160 mm橋梁使用的鋼筋混凝土試件(為確保鋼筋混凝土試件內(nèi)部氯離子侵襲不受外部環(huán)境影響，制作時用塑料薄膜包裹水泥石試件)。

對水灰比(質(zhì)量比)為0.3、0.4、0.5的試件，分別編號為H、G、K；對每個相同水灰比試件中加入不同的氯鹽量(按質(zhì)量計算)，按照試驗設計，加入的氯鹽量分別為0、0.3%、0.6%、1.0%。根據(jù)試件不同的水灰比、不同的氯鹽量，試件統(tǒng)一編號為：H1(水灰比0.3、氯鹽量0)、H2(水灰比0.3、氯鹽量0.3%)、H3(水灰比0.3、氯鹽量0.6%)、H4(水灰比0.3、氯鹽量1.0%)，G1(水灰比0.4、氯鹽量0)、G2(水灰比0.4、氯鹽量0.3%)、G3(水灰比0.4、氯鹽量0.6%)、G4(水灰比0.4、氯鹽量1.0%)，K1(水灰比0.5、氯鹽量0)、K2(水灰比0.5、氯鹽量0.3%)、K3(水灰比0.5、氯鹽量0.6%)、K4(水灰比0.5、氯鹽量1.0%)。每組試件做多組數(shù)據(jù)進行測試，運用方差分析取均值比對。

在試件養(yǎng)護3、7、28 d時，分別測定抗壓強度和抗折強度，分析其在氯鹽和碳化雙重作用下鋼筋混凝土試件的強度變化規(guī)律。

2 結果與分析

2.1氯鹽和水灰比雙重因素對鋼筋混凝土抗折強度的影響

采用Bonferroni法進行兩兩比較，試件在水灰比和氯離子不同的情況下的兩兩比對，反應出不同氯離子及不同水灰比試件在不同齡期對試件強度的影響。由表1可見：隨著齡期的增長，相同水灰比時，不同氯鹽量的試件抗折強度均有不同程度的增加，但各個試件增加程度略有不同。

表1 3組試件在相同水灰比、不同氯離子量時的各齡期試件抗折強度

試驗組試件抗折強度/MPa養(yǎng)護3d養(yǎng)護7d養(yǎng)護28dH1(水灰比0.3、氯鹽量0)2.344.865.86H2(水灰比0.3、氯鹽量0.3%)3.374.235.73H3(水灰比0.3、氯鹽量0.6%)3.744.865.70H4(水灰比0.3、氯鹽量1.0%)3.675.386.94G1(水灰比0.4、氯鹽量0)3.855.085.31G2(水灰比0.4、氯鹽量0.3%)2.735.475.59G3(水灰比0.4、氯鹽量0.6%)3.505.265.23G4(水灰比0.4、氯鹽量1.0%)3.605.736.54K1(水灰比0.5、氯鹽量0)2.512.702.93K2(水灰比0.5、氯鹽量0.3%)3.423.093.48K3(水灰比0.5、氯鹽量0.6%)3.253.334.67K4(水灰比0.5、氯鹽量1.0%)3.463.633.72

H4試件在養(yǎng)護7 d時，抗折強度變?yōu)樗膫€試件中最大，28 d時達到最高值；G組試件與H組試件變化趨勢相似，G4(即水灰比和氯鹽量本組最大值)在7、28 d時，抗折強度達到本組試件中最高；K組試件中，隨著氯離子量的增加，試件抗折強度逐漸增加，到28 d時K3試件抗折變化達到最大。由表1可見：水灰比為0.3、0.4時與水灰比0.5時，試件的抗折強度變化略有不同，主要表現(xiàn)在7 d和28 d的變化上；7 d時，水灰比為0.3、0.4時，氯離子量為1.0%的試件抗折強度最大；在28 d時，水灰比為0.3、0.4時，仍然是氯離子量為1.0%的試件抗折強度最大?？梢?，氯離子對水泥石試件抗折強度有一定促進作用。

由表2可見：氯離子相同情況下，隨著水灰比的增加，試件齡期增加抗折強度反而減小。當齡期為7 d時，氯離子含量為0時，抗折強度由4.98降低到2.87，當齡期為28 d時，抗折強度由6.01降為3.07，三組試件變化趨勢相同。但在養(yǎng)護3 d時，水灰比不同試件變化呈現(xiàn)出與其他試件不同的現(xiàn)象，水灰比為0.4時，達到峰值；可見，一定水灰比對試件抗折強度有一定促進作用，但在試驗范圍內(nèi)，增加水灰比反而會降低試件抗折強度。

表2 3組試件在相同氯離子量、不同水灰比時的各齡期試件抗折強度

試驗組試件抗折強度/MPa養(yǎng)護3d養(yǎng)護7d養(yǎng)護28dH1(水灰比0.3、氯鹽量0)2.234.986.01G1(水灰比0.4、氯鹽量0)3.785.235.54K1(水灰比0.5、氯鹽量0)2.612.873.07H2(水灰比0.3、氯鹽量0.3%)3.214.555.78G2(水灰比0.4、氯鹽量0.3%)2.745.315.43K2(水灰比0.5、氯鹽量0.3%)3.363.023.45H3(水灰比0.3、氯鹽量0.6%)4.014.995.97G3(水灰比0.4、氯鹽量0.6%)3.505.325.45K3(水灰比0.5、氯鹽量0.6%)3.233.474.51H4(水灰比0.3、氯鹽量1.0%)3.515.206.89G4(水灰比0.4、氯鹽量1.0%)3.535.456.47K4(水灰比0.5、氯鹽量1.0%)3.253.703.99

2.2氯鹽和水灰比雙因素對鋼筋混凝土抗壓強度的影響

采用Bonferroni法對兩兩因素進行對比，重復獲取不同數(shù)據(jù)進行均量分析，得到試件在相同水灰比下，氯離子對抗壓強度的影響。由表3可見：當水灰比相同時，氯離子量增加，均使試件抗壓強度有所增加，但增加幅度不同。當水灰比為0.3(H組)、氯離子量為1.0%時，抗壓強度最大。當水灰比為0.3(H組)，3 d時的抗壓強度，由強到弱依次為H4、H1、H2、H3；7 d時的抗壓強度，由強到弱依次為H4、H3、H1、H2；28 d時的抗壓強度，由強到弱依次為H4、H1、H2、H3。當水灰比為0.4(G組)，氯離子量為0.6%時抗壓強度最大。當水灰比為0.5(K組)，氯離子為1.0%時，抗壓強度最大?？梢?，氯離子對水泥石抗壓強度有一定影響，當氯離子量為1.0%時，抗壓強度最大。

由表4可見：當氯離子量相同時，水灰比在不同齡期的抗壓強度略有增長。當氯離子量相同時，試件的抗壓強度變化取決于水灰比的大小，抗壓強度由強到弱，基本依次為水灰比為0.3的抗壓試件、水灰比為0.4的抗壓試件、水灰比為0.5的抗壓試件。可見，抗壓強度的大小與不同水灰比密切相關，基本上呈現(xiàn)，相同氯離子條件下，水灰比與抗壓強度呈反比例的變化趨勢。

表3 3組試件在相同水灰比、不同氯離子量時的各齡期試件抗壓強度

試驗組試件抗壓強度/MPa養(yǎng)護3d養(yǎng)護7d養(yǎng)護28dH1(水灰比0.3、氯鹽量0)32.6737.6546.92H2(水灰比0.3、氯鹽量0.3%)32.2534.6943.10H3(水灰比0.3、氯鹽量0.6%)27.0440.1842.07H4(水灰比0.3、氯鹽量1.0%)33.3346.9247.09G1(水灰比0.4、氯鹽量0)24.0226.8937.65G2(水灰比0.4、氯鹽量0.3%)21.7228.9337.73G3(水灰比0.4、氯鹽量0.6%)26.0727.5341.28G4(水灰比0.4、氯鹽量1.0%)21.8329.1136.57K1(水灰比0.5、氯鹽量0)10.3818.4522.73K2(水灰比0.5、氯鹽量0.3%)14.0818.6526.25K3(水灰比0.5、氯鹽量0.6%)16.2320.7527.30K4(水灰比0.5、氯鹽量1.0%)16.2222.3726.77

表4 3組試件在相同氯離子量、不同水灰比時的各齡期試件抗壓強度

試驗組試件抗壓強度/MPa養(yǎng)護3d養(yǎng)護7d養(yǎng)護28dH1(水灰比0.3、氯鹽量0)32.3337.1145.00G1(水灰比0.4、氯鹽量0)25.7727.1433.13K1(水灰比0.5、氯鹽量0)11.1018.9721.07H2(水灰比0.3、氯鹽量0.3%)32.2434.0642.00G2(水灰比0.4、氯鹽量0.3%)22.2527.1334.09K2(水灰比0.5、氯鹽量0.3%)15.1118.9722.07H3(水灰比0.3、氯鹽量0.6%)27.0942.1442.98G3(水灰比0.4、氯鹽量0.6%)26.1727.2241.09K3(水灰比0.5、氯鹽量0.6%)16.1020.0726.34H4(水灰比0.3、氯鹽量1.0%)33.3347.0148.15G4(水灰比0.4、氯鹽量1.0%)22.1426.0034.14K4(水灰比0.5、氯鹽量1.0%)16.1520.0723.87

3 結論與討論

水灰比對混凝土試件強度變化影響顯著。經(jīng)分析，各組試件在3 d的抗折強度基本相近；但是，此時水灰比較小的組，抗壓強度較大；隨著養(yǎng)護齡期的增加，這個規(guī)律越明顯?？拐蹚姸?，水灰比為0.3的組，也逐漸超過了水灰比大的組，這和基本規(guī)律也是一致的。在試驗范圍內(nèi)，同等條件下，水灰比越大，試件的抗折強度和抗壓強度越小。首先要保證水泥水化要有足夠的水，但也不需水灰比過大；水灰比小的試件抗折強度，在養(yǎng)護3 d后還有一個大幅的增長過程，水灰比相對較大的在養(yǎng)護3 d后強度增長率已經(jīng)不是很大了，并且水灰比越大越明顯。但是，對于同一個試件的抗壓強度，卻相反，水灰比較小的試件抗壓強度，在養(yǎng)護3 d后強度的增長率不是很大；而水灰比較大試件的抗壓強度，在養(yǎng)護3 d后還有一個較大的增長率，并且也表現(xiàn)出水灰比越大規(guī)律越明顯的特征。

隨著水灰比的增大，氯鹽對于混凝土試件的強度有一定的促進作用。隨著氯鹽量的增加，抗折強度和抗壓強度都有所提高，但是，隨著養(yǎng)護齡期的增加，這些試件強度差異在逐漸縮小。氯鹽有細化混凝土內(nèi)部結構的作用，并且促進水泥水化的作用，一般會提高水泥試件的早期強度。雖然氯鹽會提高水泥試件的早期強度，但是，對于抗折強度和抗壓強度，影響的大小不一。對于抗折強度，水灰比小的試件，隨著氯鹽量的增加抗折強度增加的幅度和增長率都較大；而水灰比大的試件，抗折強度增加的幅度和增長率都相對前者小。即，對于抗折強度，隨著水灰比的增大，氯鹽對提高水泥試件的早期抗折強度的作用在削弱；而抗壓強度的規(guī)律則相反，隨著水灰比的增大，氯鹽對試件抗壓強度的影響在增加。

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EffectofChlorideandCarbonationCorrosionontheStrengthofReinforcedConcrete

//Yuan Weijing

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China);

Liu Junzhe

(Ningbo University)

Using the variance analysis of multi-specimen repeated measurement design and the Bonferroni method, we tested the strength of reinforced concrete with carbonized and chloride double corrosion, and studied the effects of different chloride ion and water-cement ratio on the flexural strength and compressive strength of reinforced concrete with varied ages after carbonation. The water-cement ratio has a significant effect on the strength of concrete specimen. With the increase of water-cement ratio, the chloride salt could improve the strength of the reinforced concrete.

Steel corrosion; Reinforced concrete; Flexural strength; Compressive strength

TB304

1)國家自然科學基金項目(51278255，51478227)；寧波市重大科技計劃(2013C51006)。

袁偉靜，女，1976年7月生，東北林業(yè)大學工程技術學院，博士研究生；現(xiàn)工作于黑龍江工程學院藝術與設計學院。E-mail：357457486@qq.com。

2017年7月12日。

責任編輯：張 玉。

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(10)：94-96.