碳化再生細(xì)骨料對(duì)再生混凝土及銹蝕鋼筋粘結(jié)性能的影響

鄭建嵐， 丁進(jìn)煒， 游 帆1, , 3

(1. 福建江夏學(xué)院工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 3. 福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 福州 350108)

0 引言

與天然骨料相比， 再生骨料表面附著老砂漿， 致使再生混凝土與鋼筋粘結(jié)性能不同于普通混凝土， 鋼筋銹蝕對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性影響極大[1-6]. 肖建莊等[7]研究表明銹蝕鋼筋與再生混凝土的粘結(jié)滑移曲線與普通混凝土相似. 楊海峰等[8-9]研究表明提高鋼筋的銹蝕率， 會(huì)降低鋼筋與再生混凝土粘結(jié)強(qiáng)度， 減弱鋼筋再生混凝土構(gòu)件的抗滑移性能； 并基于試驗(yàn)結(jié)果， 提出鋼筋再生混凝土粘結(jié)錨固計(jì)算模型. 王晨霞等[10]采用半梁式粘結(jié)試驗(yàn)研究銹蝕鋼筋與再生混凝土粘結(jié)滑移性能， 結(jié)果表明, 隨著鋼筋銹蝕率的增大， 粘結(jié)強(qiáng)度先增加后降低， 滑移值逐漸增大； 所得結(jié)論與已有的中心拔出試驗(yàn)結(jié)果基本一致. 上述對(duì)鋼筋銹蝕后與再生混凝土間粘結(jié)滑移性能研究主要集中在再生粗骨料混凝土方面， 而對(duì)于摻入再生細(xì)骨料的再生混凝土則缺乏相關(guān)研究.

利用水泥生產(chǎn)過程中排放的CO2對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理是近幾年提出來的新方法. 相關(guān)研究表明[11-13]， 采用碳化后再生骨料制備的再生混凝土， 可以提高其基本力學(xué)性能. 這主要是由于CO2能與再生骨料表面老砂漿中的氫氧化鈣和水化硅酸鈣發(fā)生反應(yīng)， 生成以碳酸鈣和硅膠為主的反應(yīng)產(chǎn)物， 填充老砂漿內(nèi)部的孔隙， 提高密實(shí)度， 減小吸水率， 增加再生骨料的強(qiáng)度. CO2碳化再生骨料能改善其基本性能， 固存水泥廠生產(chǎn)的CO2， 為建筑廢物的資源化利用和可持續(xù)發(fā)展提供了一條新的途徑.

本文在再生粗骨料取代率為70%的條件下， 以經(jīng)碳化后的再生細(xì)骨料取代率和鋼筋銹蝕率為主要參數(shù)， 對(duì)鋼筋與再生混凝土的粘結(jié)性能影響規(guī)律展開試驗(yàn)研究， 并與摻入未碳化的再生細(xì)骨料情況作對(duì)比.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

再生骨料來源于某公路路面改造工程產(chǎn)生的廢混凝土， 其強(qiáng)度約為C20， 齡期為23 a. 廢混凝土經(jīng)破碎、 篩分得到粒徑5～25 mm連續(xù)級(jí)配的再生粗骨料(RCA)和粒徑0.15～5 mm的再生細(xì)骨料(RFA). 再生粗骨料表觀密度為2 506 kg·m-3, 吸水率為4.7%， 壓碎指標(biāo)為13.2%. 未經(jīng)碳化再生細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為3.4， 表觀密度為2 518 kg·m-3， 空隙率為42%， 再生膠砂需水量比為1.25， 再生膠砂強(qiáng)度比為0.91.

采用42.5 普通硅酸鹽水泥(C)， 比表面積381 m2·kg-1， 天然粗骨料(NA)的粒徑為5～25 mm， 表觀密度2 652 kg·m-3， 吸水率1.32%， 壓碎指標(biāo)4%； 天然細(xì)骨料(S)為細(xì)度模數(shù)2.14的河砂， 表觀密度2 655 kg·m-3； 普通自來水(W)； 聚羧酸高效減水劑(SP).

在碳化箱中對(duì)再生細(xì)骨料進(jìn)行碳化處理， 控制CO2濃度在17%～23%， 濕度在65%～75%， 溫度在15～25 ℃. 碳化7 d后再生細(xì)骨料的再生膠砂需水量比和強(qiáng)度比分別為1.19、 0.94.

再生粗骨料取代率為70%的條件下， 分別以未碳化及碳化后的再生細(xì)骨料配置再生混凝土(RAC)， 其取代率分別為0%、 20%、 30%、 40%， 試件配合比見表1. 采用變形鋼筋， 鋼筋材料性能詳見表2.

表1 試件的配合比

注： 編號(hào)RAC-X-Y、 RAC-X-YC， RAC為再生混凝土，X為再生粗骨料取代率(%)，Y為再生細(xì)骨料取代率(%),YC為碳化再生細(xì)骨料取代率(%).

表2 鋼筋材料性能

1.2 試件制作

根據(jù)文獻(xiàn)[14]的要求， 采用邊長(zhǎng)為10d的混凝土立方體試件， 鋼筋布置在立方體中軸線上， 埋入部分的長(zhǎng)度和無粘結(jié)部分長(zhǎng)度各為5d， 鋼筋自由端伸出混凝土試件表面的長(zhǎng)度為20 mm. 同時(shí)在加載端用5d長(zhǎng)的塑料套管把非粘結(jié)區(qū)的鋼筋和混凝土隔離. 澆筑混凝土前， 采用環(huán)氧樹脂涂抹非粘結(jié)段的鋼筋， 防止試驗(yàn)過程中發(fā)生銹蝕. 按不同目標(biāo)鋼筋銹蝕率(0%、 1%、 2%、 4%)， 每個(gè)配合比制作4組拉拔試件， 總共28組， 養(yǎng)護(hù)至28 d， 試件如圖1所示.

1.3 試件銹蝕方法和鋼筋實(shí)際銹蝕率

為加速鋼筋銹蝕， 采用室內(nèi)通電銹蝕法. 試驗(yàn)前將試件完全浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% NaCl溶液中4 d. 通電銹蝕過程中， 試件半浸泡于溶液， 采用串聯(lián)方式將配合比及鋼筋銹蝕率相同的3個(gè)試件的鋼筋接于DH1718E-4型穩(wěn)壓穩(wěn)流電源正極， 將銅管置于溶液中并接于電源負(fù)極， 銹蝕過程保持電流強(qiáng)度為0.05 A. 在銹蝕過程中， 除自由端和加載端外， 定期翻轉(zhuǎn)試件表面， 確保鋼筋均勻銹蝕， 銹蝕試驗(yàn)裝置如圖2所示. 根據(jù)文獻(xiàn)[15]方法測(cè)定鋼筋銹蝕量， 鋼筋理論銹蝕率為0%、 1%、 2%、 4%的試件， 其實(shí)際平均銹蝕率如表3所示.

圖1 中心拉拔試件(單位： mm)Fig.1 Center pull-out specimen size(unit： mm)

圖2 銹蝕實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Corrosion test

表3 鋼筋實(shí)際銹蝕情況

注： RAC-X-Y-Z、 RAC-X-YC-Z，Z為鋼筋理論銹蝕率.

1.4 拉拔試驗(yàn)

圖3 拉拔試驗(yàn)Fig.3 Test device

采用如圖3所示的吊籃蘭裝置進(jìn)行拉拔試驗(yàn)， 在電液伺服試驗(yàn)機(jī)上加載. 為保證鋼筋與受荷方向不偏斜， 在加荷端設(shè)有穿心球鉸. 加載時(shí)， 下夾具固定， 上夾具與臺(tái)座共同帶動(dòng)吊籠與混凝土試件一起上升. 在鋼筋自由端、 混凝土表面、 加載端鋼板左右兩側(cè)各安裝高精度位移傳感器， 見圖3所示. 鋼筋和混凝土的平均粘結(jié)應(yīng)力τ及鋼筋平均滑移S的計(jì)算見文獻(xiàn)[16].

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試件破壞過程及峰值拉拔力

試件的破壞形式主要為： 鋼筋拔出破壞和再生混凝土劈裂破壞. 當(dāng)鋼筋拔出破壞時(shí)， 原先伸出自由端混凝土表面20 mm的鋼筋由于加載端拉拔， 已經(jīng)進(jìn)入試件內(nèi)部， 從鋼筋孔位可明顯看到肋前的再生混凝土基本被剪碎， 并可清晰看到鋼筋被拔出時(shí)由于機(jī)械咬合力作用在混凝土表面留下的痕跡. 當(dāng)再生混凝土劈裂破壞時(shí)， 再生混凝土試件的劈裂方向沿著垂直于鋼筋縱肋方向， 肋前的再生混凝土有部分被擠碎， 但還未被完全剪斷. 各試件平均峰值拉拔力Pu見表4.

表4 峰值拉拔力

2.2 粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線及其特征點(diǎn)

圖4給出了在各組鋼筋銹蝕率不變的情況下， 碳化再生細(xì)骨料及其取代率對(duì)試件粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的影響對(duì)比情況. 由圖4可看出， 不同碳化再生細(xì)骨料取代率的試件其粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線與普通混凝土具有相似的變化規(guī)律. 根據(jù)特征點(diǎn)可分為5個(gè)階段， 其特征點(diǎn)隨碳化再生細(xì)骨料取代率不同而變化. 與再生細(xì)骨料未經(jīng)碳化處理的試件相比， 經(jīng)碳化處理的試件峰值粘結(jié)應(yīng)力有所提高， 且殘余段較為平緩.

圖4 碳化再生細(xì)骨料及其取代率對(duì)試件粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線的影響Fig.4 Influence of replacement rate of recycled fine aggregate on bond stress-slip curves of test piece

圖5給出了在各組再生細(xì)骨料取代率相同的情況下， 鋼筋銹蝕率對(duì)試件粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的影響. 由圖5可看出， 與普通混凝土相比， 不同鋼筋銹蝕率的試件其粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線具有相似的變化規(guī)律. 特征點(diǎn)隨鋼筋銹蝕率而變化， 鋼筋銹蝕率為2%時(shí)， 試件峰值粘結(jié)應(yīng)力最大， 相應(yīng)殘余應(yīng)力較大， 曲線越趨于平緩.

選取微滑移點(diǎn)(Ss,τs)、 劈裂點(diǎn)(Scr,τcr)， 并計(jì)算滑移段的粘結(jié)剛度K2[16-17] ， 其結(jié)果見表5.

圖5 鋼筋銹蝕率對(duì)試件粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線的影響Fig.5 Influence of corrosion rate of steel bar on bond stress-slip curves of test piece

表5 滑移段的粘結(jié)剛度

3 主要因素對(duì)再生混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的影響分析

3.1 碳化再生細(xì)骨料及鋼筋銹蝕率對(duì)峰值拉拔力的影響

由表4得到在相同鋼筋銹蝕率情況下， 碳化再生細(xì)骨料及其取代率對(duì)試件峰值拉拔力的影響， 見圖6. 從圖6可以看出， 隨著未碳化再生細(xì)骨料取代率的增加， 峰值拉拔力明顯下降， 如在鋼筋銹蝕率為0%的情況下， 再生細(xì)骨料取代率為20%、 30%、 40%的試件其峰值拉拔力比未摻入再生細(xì)骨料的試件分別降低了5.2%、 7.5%、 12.4%. 碳化再生細(xì)骨料明顯提高了試件的峰值拉拔力， 如在鋼筋銹蝕率為0%的情況下， 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%、 30%、 40%的試件比再生細(xì)骨料未碳化的的情況分別提高了4.4%、 4.9%、 4.8%； 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%與未摻再生細(xì)骨料組對(duì)比基本持平， 其峰值拉拔力僅降低了1.02%. 鋼筋銹蝕率在2%以內(nèi)時(shí)， 碳化再生細(xì)骨料的作用明顯， 如鋼筋銹蝕率為2%、 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%時(shí)， 試件峰值拉拔力比未摻再生細(xì)骨料提高了1.0%.

由表4得到在相同再生細(xì)骨料取代率情況下， 鋼筋銹蝕率對(duì)試件峰值拉拔力的影響， 見圖7所示. 由圖7可以看出， 當(dāng)鋼筋銹蝕率在4%以內(nèi)時(shí)， 鋼筋銹蝕能提高試件的峰值拉拔力， 提高的程度隨鋼筋銹蝕率的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)， 其中以鋼筋銹蝕率為2%時(shí)最為顯著， 如在碳化再生細(xì)骨料取代率為30%的情況下， 鋼筋銹蝕率為1%、 2%、 4%的試件比鋼筋未銹蝕的試件分別提高了2.6%、 7.7%、 2.2%.

圖6 碳化再生細(xì)骨料及其取代率對(duì)峰值拉拔力的影響Fig.6 The effect of carbonized RFA replacement ratio on peak bond strength

圖7 鋼筋銹蝕率對(duì)峰值拉拔力的影響Fig.7 The effect of theoretical corrosion rate on peak bond strength

3.2 碳化再生細(xì)骨料及鋼筋銹蝕率對(duì)滑移段粘結(jié)剛度的影響

由表5可看出， 碳化再生細(xì)骨料提高了試件在滑移段的粘結(jié)剛度， 其中以取代率為30%最為明顯， 如在鋼筋銹蝕率為0%的情況下， 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%、 30%、 40%的試件比未碳化的情況分別提高了20.2%、 75.6%、 24.6%. 當(dāng)鋼筋銹蝕率在2%以內(nèi)時(shí)， 30%碳化再生細(xì)骨料取代率能明顯提高試件在滑移段的粘結(jié)剛度， 如在鋼筋銹蝕率為1%的情況下， 碳化再生細(xì)骨料取代率為30%的試件比取代率為0%、 20%、 40%分別提高了88.0%、 66.0%、 32.2%.

當(dāng)鋼筋銹蝕率在4%以內(nèi)時(shí)， 鋼筋銹蝕能提高試件在滑移段的粘結(jié)剛度， 提高程度隨鋼筋銹蝕率的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)， 其中以鋼筋銹蝕率為2%時(shí)提高程度最大， 如在碳化再生細(xì)骨料取代率為40%的情況下， 鋼筋銹蝕率為1%、 2%、 4%的試件比鋼筋未銹蝕的試件分別提高了10.9%、 42.8%、 34.7%.

4 結(jié)語

1) 碳化再生細(xì)骨料明顯提高了鋼筋再生混凝土的峰值拉拔力， 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%與未摻再生細(xì)骨料組對(duì)比基本持平， 其峰值拉拔力僅降低了1.02%. 鋼筋銹蝕率在2%以內(nèi)時(shí)， 碳化再生細(xì)骨料的作用明顯， 如鋼筋銹蝕率為2%、 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%時(shí)， 試件峰值拉拔力比未摻再生細(xì)骨料提高了1.0%.

2) 當(dāng)鋼筋銹蝕率在4%以內(nèi)時(shí)， 鋼筋銹蝕能提高鋼筋再生混凝土峰值拉拔力， 提高的程度隨鋼筋銹蝕率的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)， 其中以鋼筋銹蝕率為2%時(shí)最為顯著.

3) 當(dāng)再生細(xì)骨料取代率在40%以內(nèi)時(shí)， 碳化再生細(xì)骨料提高了鋼筋再生混凝土在滑移段的粘結(jié)剛度， 其中以取代率為30%最為明顯. 當(dāng)鋼筋銹蝕率在4%以內(nèi)時(shí)， 鋼筋銹蝕能提高鋼筋再生混凝土在滑移段的粘結(jié)剛度， 提高程度隨鋼筋銹蝕率的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)， 其中以鋼筋銹蝕率為2%時(shí)提高程度最大.