橡膠集料鋼筋混凝土抗高溫氯離子侵蝕試驗研究

王立強(qiáng)，李艷茹*，朱 涵

(1.海軍勤務(wù)學(xué)院，天津 300450；2.天津大學(xué)，天津 300072)

我國南方沿海及近海地區(qū)的碼頭、橋梁、道面等混凝土結(jié)構(gòu)，長期處于高溫、高濕、高鹽環(huán)境下，受氯離子侵蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重[1-3]。內(nèi)部鋼筋的腐蝕會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的開裂、破損而使結(jié)構(gòu)發(fā)生早期損壞，降低或喪失結(jié)構(gòu)的耐久性。目前關(guān)于氯離子在混凝土中的傳輸機(jī)理研究相對較多[4-6]。已有研究表明，粉煤灰、礦渣粉、硅灰等活性摻合料對改善結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕性能有顯著作用[7]。本文主要研究橡膠集料混凝土用于沿海工程結(jié)構(gòu)的抗氯離子腐蝕性能。將普通混凝土和橡膠摻量橡膠集料混凝土試件分別置于常溫(20℃±5℃)和高溫(60℃)3.5% NaCl溶液中，采用通電方式對試件進(jìn)行加速腐蝕試驗，并根據(jù)試件通電時間長短、試件內(nèi)部鋼筋電位值、試件表面銹跡的嚴(yán)重程度情況作為橡膠集料混凝土腐蝕程度的判別控制條件，對橡膠集料混凝土在常溫和高溫環(huán)境下抗氯離子侵蝕能力進(jìn)行研究。

1 試驗概況

1.1 試驗配合比

表1 橡膠集料技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of crumb rubber

試驗所用橡膠集料采用常溫干法生產(chǎn)的橡膠細(xì)顆粒，規(guī)格為16目，表觀密度1 020 kg/m3，吸水率4.5%。橡膠集料具體技術(shù)指標(biāo)見表1。其他材料為：強(qiáng)度等級42.5硅酸鹽水泥； 5～20 mm連續(xù)級配碎石；中砂(細(xì)度模數(shù)2.5)，減水劑為UNF-5非引氣型萘系高效減水劑，減水率15%。

試驗采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，試件配合比見表2。每種配合比制作4組試件，無筋試件和有筋試件各2組，其中1組留做抗壓強(qiáng)度試驗，1組留做抗侵蝕試驗。混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，振動成型，有筋試件成型時，在試件中插入Φ8的鋼筋，一側(cè)鋼筋保護(hù)層厚度為20 mm。試件在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。

表2 試件配合比Tab.2 Mix proportion of the specimen kg/m3

1.2 試驗裝置與試驗方法

圖1 加速銹蝕試驗裝置Fig.1 Electrified accelerate corrosion experiment instrument

正常工程環(huán)境下，混凝土內(nèi)的鋼筋腐蝕是一種緩慢而復(fù)雜的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象。由于真實自然環(huán)境中鋼筋腐蝕需要時間較長，通常采用在試驗條件下電解腐蝕的方法加速鋼筋銹蝕[8]。本試驗加速試驗裝置如圖1所示。試驗裝置中，試件預(yù)埋鋼筋作為陽極，試件下部放置鋼絞線作為陰極，直流電源正極串聯(lián)阻值為10歐姆的固定電阻與鋼筋連接，3.5%NaCl溶液作為電解液，各部分通過導(dǎo)線與直流穩(wěn)壓電源連接，形成腐蝕電池回路。試驗過程中，由于鋼筋被施加陽極電流，腐蝕速度加快，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的開裂速度加快，據(jù)此可研究混凝土耐腐蝕情況。

氯離子侵蝕試驗采用常溫與高溫的對比試驗。兩組試件達(dá)到規(guī)定的齡期后，分別放入常溫箱與高溫恒溫箱中，按照圖1進(jìn)行電路的連接。直流電源的電壓輸出范圍為0～30 V，最大輸出電流為5A。在常溫箱與高溫箱中分別放入濃度為3.5%的NaCl溶液，以溶液高度剛好到達(dá)試件的一半為準(zhǔn)[9]。由于本實驗旨在測試橡膠集料混凝土在沿海環(huán)境下的耐腐蝕性能，考慮到我國沿海地區(qū)工程所處最高環(huán)境溫度一般在60℃以下，故恒溫箱溫度設(shè)定在60℃。

由于混凝土試件的尺寸比較小，每個試件只設(shè)置1個鋼筋電位值測點，位于立方體試件中心處。試驗開始后，每天用鋼筋銹蝕儀測量各試件鋼筋電位值，直到鋼筋被完全銹蝕為止。

2 試件常、高溫氯離子加速腐蝕試驗結(jié)果及分析

2.1 橡膠摻量對混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度的影響

表3 不同試件抗壓強(qiáng)度Tab.3 The compressive strength of different specimens

按GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試新拌橡膠集料混凝土拌合物的和易性。拌制過程中發(fā)現(xiàn)，新拌混凝土粘聚性及保水性良好，但隨著橡膠摻量的增大，混凝土流動性降低。試驗中通過調(diào)節(jié)減水劑含量改善新拌混凝土和易性，塌落度均控制在150～180 mm。

經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，對有筋及無筋試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，對于有筋及無筋試件，加入5%的橡膠后，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低30%左右，而加10%的橡膠以后，混凝土的強(qiáng)度降低將近50%。從有筋與無筋的混凝土強(qiáng)度相比較，我們可以看出，普通混凝土有筋試件的強(qiáng)度比無筋的強(qiáng)度大13%左右，5%橡膠摻量橡膠混凝土有筋比無筋的強(qiáng)度大6.3%左右，而10%摻量的橡膠混凝土有筋與無筋的強(qiáng)度基本上不變。由此可見，隨著橡膠集料的摻入，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能也逐漸降低。

2.2 鋼筋腐蝕試驗數(shù)據(jù)

試驗所測混凝土中鋼筋的電位值如表4。

表4 電位值測量數(shù)據(jù)Tab.4 Data of electric potential value mv

2.3 測試結(jié)果分析

2.3.1 溫度對鋼筋銹蝕情況的影響

由表4及圖2鋼筋電位值變化情況可以看出，在高溫條件下，鋼筋銹蝕的情況隨著時間的加長而銹蝕得越嚴(yán)重。其中，高溫條件下鋼筋銹蝕的程度比在常溫的條件下發(fā)展迅速，而且銹蝕情況更加嚴(yán)重。高溫條件下的鋼筋混凝土保護(hù)層裂縫出現(xiàn)的比常溫條件下早，且同一天的裂縫寬度明顯比常溫條件下要大。

2-a 普通混凝土常、高溫電位值2-b 5%橡膠摻量橡膠集料混凝土常、高溫電位值2-c 10%橡膠摻量橡膠集料混凝土常高溫電位值圖2 溫度對電位值測量值影響Fig.2 The influence of temperature to electric potential value

3-a 常溫下試件電位值3-b 高溫下試件電位值圖3 橡膠摻量對試件電位值測量值影響Fig.3 The influence of crumb rubber proportion to electric potential value

2.3.2 橡膠摻量對鋼筋銹蝕情況的影響

由表4及圖3可見，由于試件尺寸較小，鋼筋腐蝕比較快，所以在通電5 d后，電位值的變化都不太明顯。常溫下?lián)饺胂鹉z粉的混凝土中鋼筋的銹蝕情況明顯的比普通混凝土好，摻量越大銹蝕情況越輕。對于高溫試件，在高溫第8 d，雖然普通混凝土與橡膠混凝土的銹蝕情況都比較嚴(yán)重，但仍然可以看到摻入橡膠粉的試件銹蝕情況略輕，這一現(xiàn)象在高溫第3 d的圖片中更加明顯。鋼筋的銹蝕情況間接反映了橡膠集料混凝土在氯鹽侵蝕環(huán)境下的抗?jié)B透能力。由以上分析可以得出結(jié)論：在常溫和高溫環(huán)境下，橡膠集料的摻入增強(qiáng)了混凝土抗氯離子侵蝕能力。隨著橡膠摻量的增大，混凝土抗氯鹽侵蝕能力越來越強(qiáng)。

表5 腐蝕后的混凝土試塊初始裂縫寬度Tab.5 The initial widths of eroded specimens mm

2.3.3 橡膠摻量對鋼筋混凝土抗裂性能的影響

裂縫測寬儀測量的腐蝕后試塊初始裂縫寬度如表5所示。由表5可以看出，相同通電時間、相同溫度環(huán)境和相同水灰比的情況下，橡膠摻量越高，混凝土中鋼筋銹蝕后體積膨脹使混凝土產(chǎn)生的裂縫寬度越小，試件表面的銹跡也越少。這與文獻(xiàn)[9]的試驗結(jié)果是一致的。試驗結(jié)果說明，橡膠顆粒的摻入可以在一定程度上改善鋼筋混凝土的銹蝕開裂情況，從而提高鋼筋混凝土的耐久性。這種趨勢在高溫環(huán)境下尤其明顯。第3 d高溫狀態(tài)下，10%橡膠摻量試件表面開裂情況明顯少于同等條件下的普通混凝土試件。

混凝土試件的抗裂性和抗氯離子侵蝕能力有一定的相關(guān)性。橡膠集料鋼筋混凝土抗侵蝕能力的增強(qiáng)，一方面是因為與普通混凝土相比，橡膠集料混凝土彈性模量較低，變形能力更強(qiáng)，抗裂性能更好，從而減少了腐蝕性氣體或液體進(jìn)入混凝土內(nèi)部的途徑。另一方面，從微觀角度上，橡膠集料與水泥砂漿界面處微型空氣泡群的存在，切斷了橡膠集料混凝土毛細(xì)孔的連續(xù)性，從而提高了橡膠集料混凝土的抗?jié)B能力[10]。因此，隨著混凝土中橡膠摻量的增加，在相同的腐蝕環(huán)境下，混凝土中鋼筋的銹蝕程度逐漸減輕。

3 結(jié)論

(1)隨著橡膠摻量的提高，橡膠集料混凝土有筋試件與無筋試件的強(qiáng)度差異越來越不明顯，10%摻量的橡膠混凝土有筋與無筋的強(qiáng)度基本無異。(2)在一定的橡膠集料摻量范圍內(nèi)，橡膠集料摻入的比例越高，橡膠集料混凝土的抗裂性能越好，混凝土的抗氯離子侵蝕能力越強(qiáng)。(3)在60℃氯離子腐蝕環(huán)境下，橡膠集料鋼筋混凝土的耐腐蝕能力隨著橡膠集料摻量的提高而提高，因此，在高溫高氯離子侵蝕環(huán)境中，一定橡膠摻量范圍內(nèi)的橡膠集料混凝土具有更好的耐久性。