鋼筋銹脹下混凝土抗壓強(qiáng)度退化試驗(yàn)研究

楊建宇，夏彬華，李榮軍，楊偉軍，蔣雯麗

(1長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410114；2長沙理工大學(xué) 城南學(xué)院，湖南長沙410015)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民日常生活出行、用電的激增，國內(nèi)各地興建了大量的地鐵、特高壓輸電工程。這些工程在使用的過程中，部分會(huì)受到由電位差引起的雜散電流的侵?jǐn)_，這些雜散電流會(huì)加速混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕，銹蝕產(chǎn)物的體積是原有體積的2～6倍[1]，由于周圍混凝土的約束，鋼筋與混凝土界面間產(chǎn)生銹脹力，當(dāng)銹脹應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土出現(xiàn)裂縫。隨著銹脹力的發(fā)展，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子超過斷裂韌性，裂紋擴(kuò)展也將進(jìn)入不穩(wěn)定擴(kuò)展，直至保護(hù)層開裂，混凝土截面受到損傷，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性降低[2]。洪舒賢等[3]試驗(yàn)研究表明，外加電場(chǎng)環(huán)境下，鋼筋的銹蝕速度加快；楊向東[4]探討了混凝土中鋼筋銹蝕量與外加電流大小及腐蝕時(shí)間之間的關(guān)系，認(rèn)為外加電流加速了鋼筋的腐蝕，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性；陸晨浩、李旭等[5-6]進(jìn)行了通電加速鋼筋銹蝕對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響試驗(yàn)研究；Zhang等[7]給出了在不同電流強(qiáng)度情況下，鋼筋銹蝕產(chǎn)物膨脹的不同系數(shù)；徐玉野[8]對(duì)銹蝕鋼筋混凝土短柱的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；曹芙波[9]通過對(duì)鋼筋通電加速銹蝕的方法，分析相同強(qiáng)度條件下不同鋼筋直徑和銹蝕率對(duì)混凝土梁力學(xué)性能的影響；楊建宇[10]研究得到了混凝土在不同電流強(qiáng)度下的抗壓強(qiáng)度退化理論模型。

綜上所述，目前關(guān)于電流作用對(duì)鋼筋混凝土性能的影響研究主要集中在鋼筋力學(xué)性能退化以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性能上，對(duì)于電流作用下鋼筋銹脹導(dǎo)致的混凝土抗壓強(qiáng)度退化機(jī)理并不明確，且相關(guān)研究較多是理論推導(dǎo)，缺少試驗(yàn)分析，然而研究混凝土抗壓強(qiáng)度退化機(jī)理對(duì)于工程的使用壽命預(yù)測(cè)具有重要意義。因此，本文對(duì)電流作用下鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度的變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到與外加電流強(qiáng)度以及通電時(shí)間有關(guān)的鋼筋銹脹混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)變退化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與配合比

原材料為：P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.5的天然河砂；粗骨料為粒徑5~16 mm的連續(xù)級(jí)配碎石。配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)操作

制作邊長為150×150×150 mm的混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，在試塊中心位置埋有一根直徑為12 mm的無銹鋼筋并在兩端外露15 mm，用于連接電線，如圖1所示。將試件分成5組，每組35個(gè)試件。分別通以0、0.2、0.5、0.8、1.4A的電流。在當(dāng)天和 開 始 通 電 后 第2、4、6、8、10、12d分別在各組取出5個(gè)進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，取其平均值。

圖1 埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件

試件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期后，將試件分組放入盛裝有5%濃度的氯化鈉溶液的容器中進(jìn)行腐蝕。在容器內(nèi)放置兩列，用導(dǎo)線將每列試件串聯(lián)起來，將導(dǎo)線的金屬芯綁在試件兩端的裸露鋼筋上，為防止導(dǎo)線松動(dòng)脫落，用絕緣膠帶捆綁將導(dǎo)線固定在試件上。將每列試件的一端通過導(dǎo)線與恒壓恒流電源正極相接，另一端接上一根單獨(dú)的鋼筋并將鋼筋置于溶液中，再通過導(dǎo)線將電源負(fù)極連上一根非活性電極，同時(shí)將電極放入溶液中，使每列試件與最大輸出電流為5A的恒壓恒流電源構(gòu)成一個(gè)通電串聯(lián)回路，如圖2所示。

圖2 埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度試件通電銹蝕圖

因?yàn)樵谕唤M串聯(lián)回路中，電流是處處相等的，所以同一組的6個(gè)試件在試驗(yàn)中將處于相同外加條件下，即電流加載大小和通電時(shí)間相同。在試驗(yàn)通電后將將恒壓恒流電源調(diào)至恒流模式，并將電流恒定在所需要的值。試驗(yàn)在恒溫恒壓條件下進(jìn)行，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在每組試件的試驗(yàn)后及時(shí)將容器內(nèi)的NaCl溶液進(jìn)行更換。浸泡過程中，溫、濕度均以試驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境為準(zhǔn)，不加任何控制，一旦達(dá)到設(shè)計(jì)腐蝕時(shí)間，將試件取出，使其干燥，進(jìn)行外觀檢查，準(zhǔn)備進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。通電作用下鋼筋銹蝕完成后，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]（GB/T 50081—2002）進(jìn)行混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?；炷猎嚰x不外露鋼筋的一面進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)于表面帶裂縫的混凝土試塊，其加載方向與裂縫垂直，如圖3所示。

圖3 試件置于試驗(yàn)機(jī)墊板上

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

隨著通電時(shí)間的增加，混凝土試塊的外露鋼筋部位有銹跡流出，鋼筋也慢慢受到腐蝕，試驗(yàn)第4d所有試件沒有特別的變化，而對(duì)于因試驗(yàn)需求通電6d及以上，并且通電電流強(qiáng)度大小設(shè)定在0.8A及以上的試件，大約在通電第7～8d開始在外露鋼筋部位出現(xiàn)細(xì)微的裂縫。對(duì)于設(shè)定外加電流為0.8A及以上的試塊，當(dāng)通電8d后，試塊出現(xiàn)較為明顯的順筋裂縫。對(duì)于設(shè)定外加電流為1.4A的試塊（圖4），在通電12d后，試塊表面出現(xiàn)的順筋裂縫進(jìn)一步擴(kuò)張，裂縫穿透整個(gè)混凝土試塊，裂縫寬度也達(dá)到了1mm以上。通電腐蝕后混凝土受壓試驗(yàn)破壞整個(gè)過程與一般混凝土受壓試驗(yàn)破壞過程完全類似，出現(xiàn)第一條受壓試驗(yàn)裂縫后，所有試塊迅速被壓壞，破壞形態(tài)呈粉碎狀，如圖4所示。

圖4 埋有鋼筋的混凝土試塊受壓破壞形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前先測(cè)得無電流加速氯離子腐蝕混凝土試塊抗壓強(qiáng)度為35.115 MPa，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和用于對(duì)比分析。同樣為了對(duì)比分析，測(cè)試了有氯離子腐蝕、無通電腐蝕的埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度。分別通以0、0.2、0.5、0.8、1.4A電流腐蝕埋入混凝土試塊的鋼筋，在5%濃度NaCl溶液的相同腐蝕條件下，分別在通電時(shí)間為2、4、6、8、10、12d時(shí)測(cè)得五組抗壓強(qiáng)度平均值，并與35.115 MPa進(jìn)行對(duì)比，分析其下降程度，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 通電作用下混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)分析

由表2的混凝土抗壓強(qiáng)度平均值可得出，當(dāng)有外加電流時(shí)，隨著腐蝕時(shí)間的變化，腐蝕鋼筋對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。

圖5 鋼筋腐蝕時(shí)間對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表2和圖5可以看出：

（1）隨著試件通電銹蝕的時(shí)間增加，各組混凝土試件抗壓強(qiáng)度逐漸降低，說明鋼筋銹蝕影響很大，混凝土抗壓強(qiáng)度的降低不容忽視；

（2）當(dāng)無外加電流時(shí)，氯離子腐蝕鋼筋使混凝土抗壓強(qiáng)度幾乎沒有下降，說明本試驗(yàn)腐蝕時(shí)間沒有達(dá)到使鋼筋銹蝕產(chǎn)生銹脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降；但同樣的腐蝕時(shí)間，有外加電流情況混凝土抗壓強(qiáng)度急劇下降，外加電流為1.4A，腐蝕12d后，混凝土試件抗壓強(qiáng)度降低30.87%；

（3）外加電流越大，埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強(qiáng)度降低越快越大。當(dāng)外加電流為0.2、0.5、0.8、1.4A，腐蝕12d后，混凝土試件抗壓強(qiáng)度分別降低0.122%、16.321%、27.043%、30.87%，外加電流1.4A情況比外加電流0.2A情況下降速度快約250倍；

（4）圖5中曲線前期均有一平臺(tái)線，當(dāng)外加電流較小時(shí)，腐蝕鋼筋量較小，對(duì)埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強(qiáng)度幾乎無影響，表明未有鋼筋銹脹應(yīng)力產(chǎn)生。外加電流越小，平臺(tái)線走得越遠(yuǎn)，外加0.5A電流情況下，混凝土試件抗壓強(qiáng)度在6d后開始降低。外加電流越大，平臺(tái)線越短，外加1.4A電流情況下，混凝土試件抗壓強(qiáng)度在2d后開始降低；

（5）外加電流情況下，埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強(qiáng)度退化歷程可分為三階段。第一階段，腐蝕初期抗壓強(qiáng)度幾乎無變化，表明鋼筋尚未生銹或銹蝕到產(chǎn)生銹脹應(yīng)力；第二階段，到達(dá)某一時(shí)刻后，抗壓強(qiáng)度陡然急劇下降，表明鋼筋銹蝕到產(chǎn)生銹脹應(yīng)力，導(dǎo)致對(duì)埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響，發(fā)生質(zhì)的變化；第三階段，混凝土試件抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生變化后，變化減緩，后幾天的抗壓強(qiáng)度衰減幅度相比之前稍緩。在腐蝕初期，由于電流腐蝕導(dǎo)致的鋼筋銹脹尚未產(chǎn)生銹脹應(yīng)力或產(chǎn)生不大，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，而隨著銹蝕的發(fā)展，銹脹應(yīng)力增加，混凝土抗壓強(qiáng)度受到的影響愈加明顯。在通電初期，因?yàn)殇摻钿P蝕，大量銹蝕產(chǎn)物使鋼筋的體積開始膨脹，逐漸開始填充鋼筋與混凝土的間隙。所以，初期混凝土抗壓強(qiáng)度受到的影響較小或沒有。隨后由于鋼筋體積的持續(xù)脹大，混凝土內(nèi)部受到膨脹力的影響，開始出現(xiàn)微裂縫，使得混凝土抗壓強(qiáng)度比較明顯地下降。本試驗(yàn)結(jié)果與Liu[12]的銹裂三階段結(jié)論是吻合的。

由各組試驗(yàn)不同外加電流強(qiáng)度下的抗壓強(qiáng)度間的橫向比較，可以得出各組混凝土抗壓強(qiáng)度隨外加電流強(qiáng)度不同的變化關(guān)系，如圖6所示。

圖6 混凝土抗壓強(qiáng)度隨外加電流強(qiáng)度不同的變化

從表2和圖6可以看出：

（1）隨著外加電流強(qiáng)度的增長，各組鋼筋混凝土試件抗壓強(qiáng)度逐漸降低；

（2）圖6中曲線前期均有一平臺(tái)線，當(dāng)外加電流較小時(shí)，尤其是腐蝕時(shí)間較短時(shí)，腐蝕鋼筋量小或沒有，對(duì)埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強(qiáng)度幾乎無影響，表明未有鋼筋銹蝕銹脹應(yīng)力產(chǎn)生。腐蝕時(shí)間越長，使得混凝土抗壓強(qiáng)度開始降低的電流強(qiáng)度越??；

（3）電流強(qiáng)度越大，使得混凝土抗壓強(qiáng)度開始降低需要的腐蝕時(shí)間越短，這與Faraday第一電解定律是相符合的。

3.3 埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)變退化模型

文獻(xiàn)[10]中通過理論分析，建立了從混凝土中銹脹力產(chǎn)生到開裂的混凝土抗壓強(qiáng)度歷時(shí)退化模型，從中可看出鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土抗壓強(qiáng)度歷時(shí)退化模型主要與時(shí)間t和電流參數(shù)Z有關(guān)，電流參數(shù)Z主要由電流強(qiáng)度Iz決定，其它都是系數(shù)型參數(shù)，可歸納到變量的系數(shù)中，通過試驗(yàn)回歸得到。因此，可考慮建立埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)變退化模型為時(shí)間t和電流強(qiáng)度Iz的函數(shù)fc(t,Iz)，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到。

從圖5和圖6可以看出：一旦混凝土抗壓強(qiáng)度開始降低，或者說一旦銹脹應(yīng)力產(chǎn)生，當(dāng)電流強(qiáng)度Iz一定時(shí)，埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間t變化的關(guān)系用線性擬合較好，如圖7所示，擬合的相關(guān)系數(shù)均大于0.91；當(dāng)腐蝕時(shí)間t一定時(shí)，埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度隨電流強(qiáng)度Iz變化的關(guān)系同樣用線性擬合較好，如圖8所示，擬合的相關(guān)系數(shù)均大于0.847。

圖7 埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度與腐蝕時(shí)間的線性擬合關(guān)系

圖8 埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度與外加電流強(qiáng)度的線性擬合關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度腐蝕退化與腐蝕時(shí)間t和電流強(qiáng)度Iz的乘積成線性關(guān)系，因此可建立埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)變退化模型：

式中：a0、aI、at為系數(shù)。

由表2（只考慮混凝土抗壓強(qiáng)度開始降低部分?jǐn)?shù)據(jù)）回歸分析得到a0=45.54374、aI=-0.179563、at=-0.024959，即有：

擬合的相關(guān)系數(shù)為0.795，顯著性檢驗(yàn)通過，t檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)的概率小于0.05。

4 結(jié)論

（1）鋼筋通電加速銹蝕情況下，埋有鋼筋的混凝土試件抗壓強(qiáng)度退化歷程可分為三階段。第一階段，腐蝕初期抗壓強(qiáng)度幾乎無變化；第二階段，到達(dá)某一時(shí)刻后，陡然急劇下降；第三階段，抗壓強(qiáng)度衰減幅度稍緩。

（2）電流強(qiáng)度越大，混凝土抗壓強(qiáng)度開始降低的初始時(shí)間越早；在一定時(shí)間內(nèi)的小電流對(duì)混凝土構(gòu)件影響不明顯，而大電流作用時(shí)間長將會(huì)對(duì)構(gòu)件造成比較大的影響。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了鋼筋通電加速銹蝕情況下，埋有鋼筋的混凝土抗壓強(qiáng)度退化模型fc(t,Iz)，抗壓強(qiáng)度腐蝕退化與腐蝕時(shí)間t和電流強(qiáng)度Iz的乘積成線性關(guān)系，模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，具有一定的實(shí)用性和工程價(jià)值。