碳納米管混凝土與銹蝕鋼筋的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

尹 鵬，孫 敏，姜錦磊

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

美國學(xué)者曾用五倍定律形容銹蝕鋼筋對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，反映出腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)有著巨大的影響。早在20世紀(jì)60年代，在美國舊金山曾建造一座San Mateo-Hayward跨海大橋，由于地處浪濺區(qū)的原因，橋體的預(yù)制橫梁很快遭受到了侵蝕，結(jié)構(gòu)僅使用近20年，人們就耗費(fèi)巨資維修。2017年由蘇州交通工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司監(jiān)測(cè)的郭巷大橋，拱橋的兩側(cè)的欄桿出現(xiàn)了不同程度的露筋銹蝕破壞狀態(tài)（見圖1）。同樣位于木林路的西穆橋在底板出現(xiàn)0.015 m2露筋銹蝕（見圖2），可以發(fā)現(xiàn)兩者的鋼筋出現(xiàn)銹蝕，混凝土剝落間接地造成了結(jié)構(gòu)承載力的下降。劉西拉[1]認(rèn)為耐久性的好壞，首先應(yīng)該滿足設(shè)計(jì)使用年限，其次不要花費(fèi)大量的財(cái)力物力去維修以保證使用安全、美觀及功能。

Mangat和Elgarf[2]通過改變鋼筋的銹蝕率，研究鋼筋在銹蝕0%～5%范圍內(nèi)，鋼筋與混凝土的粘結(jié)改變，結(jié)果表明，在0.4%銹蝕率時(shí)，鋼筋與混凝土粘結(jié)有了一定的提升，此時(shí)內(nèi)部裂縫小于0.05 mm；但隨著銹蝕率的提升，混凝土與鋼筋的內(nèi)部裂縫越大，會(huì)影響兩者的粘結(jié)作用。Palsson和MIRZA[3]從一座廢棄的鋼筋混凝土橋中獲取了大量的銹蝕鋼筋，并將這些鋼筋按銹蝕劃分等級(jí)；然后進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，銹蝕鋼筋會(huì)隨著銹蝕率的提高，結(jié)構(gòu)主體的延性會(huì)越來越差。王慶霖[4]通過8根梁模擬不同部位和不同銹蝕長(zhǎng)度的粘結(jié)效果，驗(yàn)證了嚴(yán)重銹蝕的鋼筋，粘結(jié)力基本上會(huì)消失。王軍強(qiáng)[5]從自然環(huán)境銹蝕下橋梁結(jié)構(gòu)中提取了133根鋼筋，研究鋼筋的力學(xué)性能試驗(yàn)，表明銹蝕率越高，鋼筋的延性下降得越快，而脆性也會(huì)隨著銹蝕率的增加而增加。

工程上隨著鋼筋混凝土使用年限的增長(zhǎng)，專家研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到鋼筋遭受腐蝕后與混凝土之間的粘結(jié)力上，混凝土中的鋼筋在遭受氯離子的侵蝕后，會(huì)削弱鋼筋的有效截面面積，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生銹坑，會(huì)使鋼筋出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在疲勞荷載不斷作用下，會(huì)加速腐蝕介質(zhì)的滲透，使結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力下降，緊接著基體出現(xiàn)剝落，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷破壞，大大縮短了結(jié)構(gòu)的使用壽命。

圖1 欄桿露筋銹蝕

圖2 底板露筋銹蝕

而纖維的加入，一定程度上能夠填充水化物之間的縫隙，間接地阻止了氯離子的侵蝕，形成了一層保護(hù)膜作用。制備纖維混凝土不僅會(huì)減少粘結(jié)時(shí)間，而且提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)變形能力，同時(shí)可以阻止氯離子的侵蝕，一定程度上提升了耐腐蝕性能，成為了具有研究前景的方向。

Windle等人[6]通過制備碳納米管和聚乙烯醇復(fù)合型薄膜，并且測(cè)試了力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與加和定律十分吻合。鄧軼涵[7]通過制作42個(gè)拉伸構(gòu)件，研究不同摻量的聚乙烯醇在水泥基中對(duì)鋼筋粘結(jié)性能的影響，結(jié)果表明聚乙烯醇的摻量為1.17%，水泥復(fù)合材料與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度最大。高向玲[8-9]在高性能混凝土中分別添加0.2%碳纖維、0.3%鋼纖維，以及兩者混雜的纖維；經(jīng)試驗(yàn)表明，前期加0.2%碳纖維的混凝土的粘結(jié)性能高于加兩者混雜纖維的，但在后期混雜纖維的粘結(jié)性能則優(yōu)于單摻0.2%碳纖維的。李寧寧[10]指出摻入納米粘土后混凝土試件中鋼筋銹蝕率明顯降低，主要原因是納米粘土顆粒的小尺寸效應(yīng)與填充效應(yīng)，阻礙了氯離子的滲入進(jìn)而降低了鋼筋銹蝕率。

本文采用的纖維是目前研究較為普遍流行的碳納米管纖維（CNT），CNT目前被認(rèn)為是最具潛力的纖維，其不僅擁有穩(wěn)定的化學(xué)性能，而且還擁有抗壓強(qiáng)度高、高彈高模、耐腐性好、導(dǎo)電性佳等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

Shama Parveen[11]曾將碳納米管加入到水泥砂漿中，提出了碳納米管能夠填充水泥孔細(xì)結(jié)構(gòu)理論，試驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米管的加入不僅改善了微觀結(jié)構(gòu)，如圖3是碳納米管在微觀表現(xiàn)出來的針柱狀，能夠與水泥產(chǎn)生良好的協(xié)同作用。

圖3 CNT在水泥基內(nèi)部分布

1 碳納米管混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在進(jìn)行鋼筋粘結(jié)性能試驗(yàn)之前，先通過混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行配合比分析，以及檢驗(yàn)混凝土的質(zhì)量，為鋼筋粘結(jié)性能試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

1.1 試驗(yàn)材料

碳納米管購于蘇州第一元素技術(shù)有限公司；其主要參數(shù)如下表1所列。

表1 碳納米管的主要參數(shù)

混凝土材料及其參數(shù)數(shù)據(jù)——水泥：42.5號(hào)海螺牌普通硅酸鹽水泥；沙子：細(xì)度模數(shù)為2.91，粒徑級(jí)別為0.4 mm左右；石子：最大粒徑25 mm；水：普通自來水；減水劑：本試驗(yàn)所選用的減水劑為金星牌聚羧酸高效減水劑（JX10型），由蘇州市金星混凝土外加劑研究所有限公司提供。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文中兩種混凝土的配合比相同，見表2所列。

其中碳納米管混凝土中碳納米管的質(zhì)量是按照水泥質(zhì)量的0.3%添加，減水劑是水泥質(zhì)量的0.1%。以上兩種質(zhì)量百分比都是基于之前試驗(yàn)結(jié)論，得出的比較合理的參數(shù)值。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì) kg/m3

1.3 試塊成型

試驗(yàn)中所使用試驗(yàn)?zāi)＞吆驮囼?yàn)制備的方法采用《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13:2009）要求，試驗(yàn)中選取100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)試模，測(cè)試立方體抗壓強(qiáng)度，每組制備的試件的數(shù)量為3個(gè)，其中C表示普通混凝土，CFRC表示碳納米管混凝土，C1、C2、C3分別表示普通混凝土的三個(gè)試件，CFRC1、CFRC2、CFRC3分別表示碳納米管混凝土的三個(gè)試件。

C制備過程：首先，將石子、砂子和水泥裝進(jìn)收納箱中，稱取質(zhì)量，進(jìn)行1 min的攪拌，然后用電子秤稱取減水劑和水，將減水劑加入到稱取的一半水中，并用玻璃棒攪勻，倒入攪拌機(jī)攪拌1 min，最后將剩下的一半水加入攪拌機(jī)里，攪拌 1 min，完成制備過程。

CFRC制備過程：將稱取的砂、石及水泥和CNT加入到攪拌機(jī)里，攪拌120 s，加入減水劑和一半的水，攪拌60 s，最后將剩下的一半的水在加入攪拌機(jī)攪拌1min，完成制備。

1.4 試驗(yàn)加載控制

測(cè)試混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度 （采用無錫東儀制造的DY-2008混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，見圖5），加載速度控制在0.3～0.5 MPa/s，試驗(yàn)過程中保證承壓面與試驗(yàn)機(jī)壓面中心對(duì)準(zhǔn)，試驗(yàn)的結(jié)果保留兩位小數(shù)。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

C和CFRC的破壞形態(tài)如圖6所示。經(jīng)過28 d的養(yǎng)護(hù)后，在試驗(yàn)過程中，C的側(cè)面隨施加荷載的不斷加大出現(xiàn)剝落，直至試塊碎裂。CFRC從外觀看，較普通混凝土顏色要深，隨著荷載的提升，側(cè)面一小塊整體碎裂，且有伴隨幾條裂縫的產(chǎn)生，這與纖維發(fā)揮作用有關(guān)，整體呈現(xiàn)延性破壞。

C經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后，立方體抗壓強(qiáng)度值達(dá)到53.41 MPa；CNT纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到了59.05 MPa，較之C提升了10.6%；單摻CNT對(duì)混凝土的強(qiáng)度有很好的增強(qiáng)效果。對(duì)CNT能夠提升抗壓強(qiáng)度的主要原因是CNT屬于納米級(jí)纖維材料，它能夠填充水泥漿體中的毛細(xì)孔，引起混凝土中孔結(jié)構(gòu)改變，增強(qiáng)骨料與水泥漿體的聯(lián)結(jié)。

圖5 DY-2008混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)

2 銹蝕鋼筋粘結(jié)性能試驗(yàn)

2.1 制作銹蝕鋼筋混凝土試件

本試驗(yàn)配合比與抗壓試驗(yàn)的配合比相同，攪拌工藝與抗壓試驗(yàn)攪拌工藝相同，在試件的制作過程中，使用的模具為可拆卸式，在150 mm×150 mm×150 mm試模的兩側(cè)中心處對(duì)稱打一個(gè)直徑為20 mm的圓孔，如圖7所示，將鋼筋穿插兩個(gè)孔之后，將預(yù)先制備好的直徑為25 mm、長(zhǎng)度為60 mm的PVC管與鋼筋一起插入試模內(nèi)。為了防止振搗過程中PVC管滑移，偏離非粘結(jié)段，故采用較細(xì)的鋼絲捆綁外露的鋼筋勾拉住內(nèi)側(cè)的PVC管，達(dá)到固定PVC管在加載端起始位置處的目的。

圖6 立方體試件破壞形態(tài)

圖7 試件樣圖

圖8 混凝土預(yù)處理

為達(dá)到模擬海水腐蝕的效果，本文采用濃度為5%的氯化鈉溶液，將形成的溶液靜置 3 h，期間用玻璃棒對(duì)溶液每隔0.5 h攪拌一次，使氯化鈉溶液能夠完全稀釋在水中。如圖8所示，緊接著將已經(jīng)養(yǎng)護(hù)好的試塊放到溶液中浸泡，需要注意的是將自由端和受拉端鋼筋靠近混凝土的兩側(cè)進(jìn)行蠟處理，預(yù)先將購買的石蠟在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)熔化，在兩側(cè)鋼筋與混凝土接觸面處，均勻滴上石蠟，冷卻至石蠟密封混凝土，目的防止鋼筋混凝土試塊浸泡過程中，兩側(cè)鋼筋與混凝土接觸面過早銹蝕，導(dǎo)致試驗(yàn)出現(xiàn)偏差，同時(shí)對(duì)混凝土兩側(cè)外露的鋼筋用保鮮膜進(jìn)行嚴(yán)實(shí)的包裹，防止外露鋼筋銹蝕后極限承載力下降。

2.2 腐蝕電流大小及時(shí)間的確定

應(yīng)用電化學(xué)腐蝕法對(duì)鋼筋加速銹蝕。試驗(yàn)前根據(jù)電化學(xué)原理推導(dǎo)，通過改變鋼筋的電流大小和通電時(shí)間，計(jì)算出鋼筋銹蝕量[12]。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論銹蝕量，設(shè)定電流強(qiáng)度，根據(jù)公式（1），即

式中，i是電流密度，mA/cm2；t是時(shí)間，s；D 是初始鋼筋的直徑，cm；ρs是銹蝕率。以此計(jì)算出通電的時(shí)間，對(duì)應(yīng)的銹蝕率ρ與t的關(guān)系見圖9。

電流密度是根據(jù)通過鋼筋的電流量與鋼筋橫截面面積的比值確定的，學(xué)者通過大量的試驗(yàn)證明電流密度一般控制在1 mA/cm2左右，試驗(yàn)中通過并聯(lián)方式將試件連接如圖10，通過穩(wěn)壓穩(wěn)流控制電流；然后通過歐姆表測(cè)出通過每根鋼筋電流的大小，計(jì)算最終的腐蝕時(shí)間，經(jīng)過計(jì)算，獲取1%、5%、10%的銹蝕率所需要的時(shí)間分別為 21.19、107.02、216.09 h。

本文鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力的測(cè)試方式采用中心拉拔試驗(yàn)法[13]，粘結(jié)破壞包括兩種方式，第一種鋼筋被剪切拔出，第二種是劈裂破壞，主要因?yàn)殇摻罾呤艿酵饬ψ饔?，擠壓混凝土最終出現(xiàn)劈裂破壞形態(tài)。通過中心拉拔試驗(yàn)研究CFRC與鋼筋的粘結(jié)力，用電化學(xué)腐蝕對(duì)鋼筋加速銹蝕，使用WG-3測(cè)定儀測(cè)試握裹力，比較不同銹蝕率的鋼筋與兩種混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的變化。

試驗(yàn)根據(jù)銹蝕率的而不同將試驗(yàn)分為A、B、C、D四組，試驗(yàn)結(jié)果圖片如圖11，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4所列，各類銹蝕程度混凝土的荷載與位移滑移量關(guān)系見圖12。

圖9 銹蝕率與時(shí)間關(guān)系圖

圖10 連接方式

圖11 混凝土在不同銹蝕率下破壞形態(tài)

表4 拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖12 荷載與位移滑移量關(guān)系

A組為未銹蝕時(shí)，從圖12（a）、（e）能夠明顯地觀察到自由端位移變化遠(yuǎn)小于加載端。當(dāng)C的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，自由端的位移只有0.50 mm，而加載端的滑移量已經(jīng)達(dá)到了1.44 mm；當(dāng)CFRC的自由端值為0.47 mm，加載端位移值為1.34 mm。C的極限粘結(jié)力值為126.53 kN，CFRC的極限粘結(jié)力為138.47 kN。CFRC的粘結(jié)力較C有了一定的提升，這是因?yàn)镃FRC的劈裂性能得到了改善，延緩了鋼筋被拔出的時(shí)間，最終提高了混凝土與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度。

B組為銹蝕率是1%時(shí)，拉拔后自由端和加載端粘結(jié)滑移關(guān)系見圖12（b）、（f），與未銹蝕階段相比較，C和CFRC兩者變化不明顯，C的極限粘結(jié)力為136.95 kN，CFRC的極限粘結(jié)力為144.13 kN，數(shù)值上均較C未銹前有了一定的提升，鋼筋微量銹蝕會(huì)增強(qiáng)與混凝土的粘結(jié)力，因?yàn)殇摻钌倭康匿P蝕會(huì)產(chǎn)生微量的堆積物，少量的產(chǎn)物會(huì)使混凝土與鋼筋兩側(cè)面發(fā)生擠壓作用，增大了內(nèi)部摩阻力，最終導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力有了一定的提升。

C組是鋼筋銹蝕率達(dá)到5%時(shí)，見圖12（c）、（g）。觀察發(fā)現(xiàn)CFRC粘結(jié)-滑移曲線中的上升階段變的更加的平緩。從破壞特征來看，C的破壞出現(xiàn)一條貫穿混凝土的裂縫，CFRC同樣出現(xiàn)貫穿基體的裂縫。此時(shí)C的最大粘結(jié)力達(dá)到120.56 kN，CFRC的最大粘結(jié)力達(dá)到122.48 kN，從上述現(xiàn)象反映出，隨著銹蝕率不斷的提升，內(nèi)部鋼筋銹蝕面不斷增大，鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用開始下降，而如果鋼筋被拉出卻能保持試件整體未被破壞，說明內(nèi)部仍然有作用力，雖然此時(shí)內(nèi)部鋼筋遭到侵蝕，仍然不可忽略基體自身的作用力。

D組是在達(dá)到鋼筋銹蝕率10%時(shí)，見圖12（d）、（h）。從破壞的特征來看，C里面的鋼筋被直接拔出；CFRC斷裂成三個(gè)部分貫穿整個(gè)試塊。觀察發(fā)現(xiàn)粘結(jié)-滑移曲線中的上升階段C、CFRC出現(xiàn)重合，兩種混凝土的極限粘結(jié)力值都較初始的值下降了很多，C的最大粘結(jié)力為105.88 kN，CFRC的最大粘結(jié)力為117.18 kN，隨著銹蝕率的逐漸加大，粘結(jié)力下降的越快，內(nèi)部的鋼筋由于銹蝕表面的變形肋被磨平，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的咬合力下降，最終使粘結(jié)力下降。然而CFRC的最大荷載較C的粘結(jié)力大，說明了內(nèi)部的鋼筋與混凝土的粘結(jié)效果比較好，也可以推斷鋼筋的實(shí)際銹蝕低于C的內(nèi)部鋼筋，驗(yàn)證了CNT具有很好的耐腐蝕效果。

3 結(jié)論

（1）單摻CNT對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有很好的增強(qiáng)效果，CNT屬于納米級(jí)纖維材料，它能夠填充水泥漿體中的毛細(xì)孔，引起混凝土中孔結(jié)構(gòu)改變，增強(qiáng)骨料與水泥漿體的聯(lián)結(jié)。

（2）不同銹蝕程度下，CNT混凝土的最大荷載都比素混凝土的粘結(jié)力大，說明內(nèi)部的鋼筋與混凝土的粘結(jié)效果比較好，也可以推斷鋼筋的實(shí)際銹蝕低于素混凝土的內(nèi)部鋼筋。

（3）CNT纖維在銹蝕過程中能夠起到一定的耐腐作用，隨著銹蝕程度的加深，CNT不斷發(fā)揮作用，納米級(jí)的纖維能夠填充內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使鋼筋與混凝土的相互作用面更加緊密，對(duì)混凝土進(jìn)行二次保護(hù)，使結(jié)構(gòu)具備了更加優(yōu)越的耐腐蝕性能。