鋼筋混凝土堿骨料膨脹對(duì)鋼筋銹蝕影響試驗(yàn)研究

張 媛,李鵬飛,弓扶元

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院,重慶 400047; 2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

0 引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用壽命期限內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)不同的劣化機(jī)制[1]。研究表明:堿骨料反應(yīng)(Alkali-aggregate Reaction,以下簡(jiǎn)稱AAR)過程中,凝膠體吸水膨脹導(dǎo)致水泥漿體-骨料界面處開裂,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,裂縫持續(xù)發(fā)展,為氯離子和其他腐蝕性物質(zhì)提供到達(dá)鋼筋表面的渠道[2-4],從而縮短了鋼筋銹蝕反應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間。但同時(shí),AAR凝膠及銹蝕產(chǎn)物也會(huì)遷移至預(yù)先存在的孔隙及裂縫中,影響銹蝕反應(yīng)程度[5-6]。從鋼筋銹蝕反應(yīng)環(huán)境的角度來看,界面上AAR凝膠的存在減弱了鋼筋所處的堿性環(huán)境,并且AAR導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部縱向裂縫會(huì)增加局部氯離子的侵入。盡管對(duì)AAR和鋼筋銹蝕的原因、機(jī)理和影響已有大量研究,但多數(shù)研究成果較為分散,并未對(duì)影響機(jī)理進(jìn)行量化研究分析。本文以試驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),在獲得不同程度AAR損傷試件后進(jìn)行鋼筋銹蝕損傷試驗(yàn),研究材料劣化指標(biāo),量化AAR膨脹對(duì)鋼筋銹蝕的影響,以期為鋼筋銹蝕方向的研究提供試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)材料及方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料參數(shù)

AAR在材料層面會(huì)導(dǎo)致混凝土化學(xué)成分的改變,AAR產(chǎn)物的膨脹會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。如何定量分析在AAR反應(yīng)過程中鋼筋混凝土膨脹性能的變化是關(guān)鍵。在試驗(yàn)中,考慮了不同鋼筋直徑和不同加速損傷時(shí)間作為研究參數(shù)。試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥(PO 42.5)[7],用于制備混凝土的粗骨料,尺寸為5～20 mm,細(xì)骨料(中砂)的細(xì)度模數(shù)為3.827,為了改善混凝土的流動(dòng)性,選用了高性能聚羧酸減水劑。試件混凝土強(qiáng)度等級(jí)參考工程項(xiàng)目按C30設(shè)計(jì),并按28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù),測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)立方體試件平均軸心抗壓強(qiáng)度為31.6 MPa,設(shè)計(jì)的混凝土配合比見表1。試驗(yàn)選用國(guó)標(biāo)HRB400帶肋鋼筋,鋼筋直徑分別為12 mm和20 mm,選取同一批鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn),獲得變形鋼筋力學(xué)性能見表2。

表1 混凝土配合比

表2 鋼筋材料性能

1.2 骨料堿活性檢測(cè)

在進(jìn)行試驗(yàn)之前,對(duì)試驗(yàn)選用的粗骨料(石子)和細(xì)骨料(砂)[8]進(jìn)行堿活性檢測(cè)。骨料堿活性檢測(cè)按照SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[9]快速砂漿棒法(ASTM C1260)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范要求,對(duì)試驗(yàn)用砂進(jìn)行篩分,并將粗骨料進(jìn)行粉碎以達(dá)到規(guī)定篩分級(jí)配。將中砂和粗骨料按規(guī)范配比澆筑3個(gè)25.4 mm×25.4 mm×285.0 mm的砂漿棒試件,兩端中心有探頭,砂漿棒試件的膨脹率按公式(1)計(jì)算,以3個(gè)試件的測(cè)量平均值作為一定齡期的膨脹率試驗(yàn)值。

(1)

式中:εt為試件浸泡堿溶液在第t天時(shí)的膨脹率,%;Lt為試件在第t天的測(cè)量長(zhǎng)度,mm;L0為試件的初始長(zhǎng)度,mm;Δ為測(cè)頭(即預(yù)埋測(cè)釘?shù)拈L(zhǎng)度),mm。

中砂和粗骨料在14 d內(nèi)的AAR膨脹率變化曲線如圖1,2所示。中砂和粗骨料砂漿棒試件的14 d膨脹率均大于0.2%,試件的誤差小于15%。根據(jù)規(guī)范要求,可判定試驗(yàn)中使用的中砂和粗骨料是具有堿活性的活性骨料。

圖1 粗骨料膨脹率曲線Fig.1 Coarse aggregate expansion rate curve

圖2 細(xì)骨料膨脹率曲線Fig.2 Fine aggregate expansion rate curve

1.3 試件及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)流程如圖3所示。將鋼筋混凝土試件設(shè)計(jì)為邊長(zhǎng)150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試件[10],在試件中心嵌入不同直徑的HRB400的帶肋鋼筋,選用12 mm和20 mm這2種直徑的鋼筋(D12,D20),鋼筋與混凝土的黏結(jié)段長(zhǎng)度la為5D(D為鋼筋直徑)[11]。試件澆筑脫模后,固化28 d,轉(zhuǎn)至80 ℃±0.5 ℃的純水中養(yǎng)護(hù)24 h,用精度為10 μm的千分尺測(cè)量試件初始長(zhǎng)度[12]。銹蝕鋼筋連接電源正極,負(fù)極連接碳棒浸入電解質(zhì)溶液中,形成回路,試驗(yàn)過程中控制通電電流0.04 A保持不變,開始加速鋼筋銹蝕。

注:l11t為1-1′兩點(diǎn)間第t天AAR膨脹測(cè)量長(zhǎng)度,l110為1-1′兩點(diǎn)間未膨脹測(cè)量原始長(zhǎng)度,l22t為2-2′兩點(diǎn)間第t天AAR膨脹測(cè)量長(zhǎng)度,l220為2-2′兩點(diǎn)間未膨脹測(cè)量原始長(zhǎng)度,l33t為3-3′兩點(diǎn)間第t天AAR膨脹測(cè)量長(zhǎng)度,l330為3-3′兩點(diǎn)間未膨脹測(cè)量原始長(zhǎng)度,單位均為mm。圖3 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)Fig.3 Experimental process design

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土AAR膨脹

兩種直徑鋼筋的AAR體積膨脹率隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖4可得,混凝土試件AAR體積膨脹率隨時(shí)間呈現(xiàn)出先增加后趨于緩慢不變的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)開始時(shí),在前5周內(nèi)AAR膨脹率隨時(shí)間線性增加,D12試件的體積膨脹率為0.5%,D20試件可達(dá)0.2%。此后,在80 d左右,膨脹速率變化趨于平緩,最終逐漸收斂。鋼筋直徑為12 mm和20 mm的拉拔試件的膨脹率在150 d時(shí)分別增加至0.677%和0.361%,混凝土試件鋼筋直徑尺寸越大、膨脹率越小,鋼筋對(duì)混凝土的AAR膨脹有約束效應(yīng)。

圖4 試件體積膨脹率變化Fig.4 Change in volume expansion rate of specimen

混凝土試件在前20 d的膨脹幾乎相同,反應(yīng)初期的混凝土AAR膨脹較小,此時(shí)所有試件均處于自由發(fā)展AAR膨脹狀態(tài),鋼筋的約束作用還并未有體現(xiàn)。在20 d后混凝土AAR產(chǎn)物的膨脹逐漸受到鋼筋的約束,曲線出現(xiàn)較明顯分歧點(diǎn),D20試件的膨脹速率較D12試件顯著減小,且鋼筋直徑越大,約束作用越強(qiáng),混凝土的膨脹速率也更小。在80 d時(shí),D12和D20試件的膨脹率隨時(shí)間的變化曲線趨于平緩。分析可知:混凝土中的活性骨料含量是一定的,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,活性骨料逐漸消耗,含量降低。在150 d時(shí),D20試件的膨脹率遠(yuǎn)小于D12試件。分析可知在AAR過程中,鋼筋對(duì)混凝土AAR反應(yīng)的膨脹具有約束作用。

2.2 鋼筋銹蝕試驗(yàn)結(jié)果

鋼筋的銹蝕率是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)件承載性能的主要參數(shù)。鋼筋混凝土試件中,鋼筋的理論銹蝕率依據(jù)法拉第定律進(jìn)行理論計(jì)算,即根據(jù)通電過程中的電流強(qiáng)度和通電時(shí)間,按公式(2)來計(jì)算理論質(zhì)量損失值:

(2)

式中:Δm為鋼筋銹蝕的損失質(zhì)量,g;M為鐵的摩爾質(zhì)量,56 g/mol;I為電流強(qiáng)度,A;T為時(shí)間,s;Z為鐵的價(jià)位,2,即離子在氧化還原過程中發(fā)揮的電子數(shù);F為法拉第常數(shù),96 500 As。

銹蝕試驗(yàn)擬討論4種不同銹蝕率對(duì)拉拔試件黏結(jié)性能的影響。測(cè)定銹蝕率的方法是在試件達(dá)到設(shè)計(jì)通電銹蝕時(shí)長(zhǎng)后,進(jìn)行拉拔試驗(yàn)獲得黏結(jié)強(qiáng)度,然后繼續(xù)拔出鋼筋,截出鋼筋-混凝土黏結(jié)段部分鋼筋進(jìn)行除銹處理,除銹前后稱重(m0和m1),最后根據(jù)公式(3)得到實(shí)際的試驗(yàn)質(zhì)量損失率η。通電加速銹蝕試驗(yàn)得到的結(jié)果如表3中所示。

表3 鋼筋銹蝕試驗(yàn)情況

(3)

鋼筋銹蝕試驗(yàn)后,黏結(jié)段鋼筋除銹前后鋼筋狀態(tài)如圖5所示。根據(jù)法拉第定理,鋼筋的銹蝕程度主要取決于其體積和質(zhì)量。馬良喆等[13]以鋼筋直徑為變量,探究了不同直徑鋼筋不同銹蝕情況下力學(xué)性能的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼筋直徑越大,銹蝕效果越不明顯,直徑較小的鋼筋更易出現(xiàn)明顯銹蝕痕跡。銹蝕試驗(yàn)過程中,隨著銹蝕反應(yīng)的開始,在試件的外表面觀察到了紅褐色鐵銹的生成。銹蝕先發(fā)生在鋼筋肋,隨著銹蝕反應(yīng)加劇,鋼筋肋出現(xiàn)較明顯銹坑、銹點(diǎn)。鋼筋銹蝕試驗(yàn)的最終銹蝕率因混凝土骨料分布的不均勻性和氯化鈉電解質(zhì)溶液的浸泡時(shí)間而呈現(xiàn)差異。

圖5 鋼筋銹蝕情況Fig.5 Corrosion of steel bars

2.3 AAR影響鋼筋銹蝕試驗(yàn)結(jié)果

本研究主要針對(duì)預(yù)先存在AAR損傷的鋼筋進(jìn)行銹蝕耦合損傷試驗(yàn)。將達(dá)到AAR設(shè)計(jì)損傷周期的試件轉(zhuǎn)至NaCl溶液中,使混凝土試件內(nèi)部形成電解質(zhì)溶液。然后通電開始加速銹蝕,分別以AAR膨脹率、鋼筋銹蝕率作為分析AAR損傷對(duì)鋼筋銹蝕影響的指標(biāo)。AAR反應(yīng)對(duì)鋼筋銹蝕率的影響曲線如圖6和圖7所示,AAR損傷后鋼筋銹蝕情況如圖8所示。

注:試件的編號(hào)AARx-RC為耦合損傷試驗(yàn)鋼筋編號(hào),其中AAR代表堿骨料反應(yīng),RC代表鋼筋銹蝕反應(yīng)(Reinforcement Corrosion),x為AAR試驗(yàn)天數(shù),每組設(shè)兩個(gè)拉拔試件,下圖同。圖6 D12耦合損傷鋼筋銹蝕率變化曲線Fig.6 Change curves of D12 coupled damage reinforcement rust rate

圖7 D20耦合損傷鋼筋銹蝕率變化曲線Fig.7 Change curves of D20 coupled damage reinforcement rust rate

注:試件的編號(hào)Dx-AARy-RCzDays為耦合損傷試驗(yàn)鋼筋編號(hào),其中x為鋼筋直徑,y為AAR試驗(yàn)天數(shù),z為鋼筋銹蝕試驗(yàn)天數(shù),每組設(shè)兩個(gè)拉拔試件。圖8 耦合損傷鋼筋銹蝕程度情況Fig.8 Corrosion degree of coupled damaged steel bars

鋼筋銹蝕程度和除銹后測(cè)得的銹蝕率隨著AAR反應(yīng)時(shí)間的增加而增大。分析鋼筋銹蝕反應(yīng)機(jī)理可知,鋼筋銹蝕反應(yīng)的啟動(dòng)與鋼筋界面臨界氯離子濃度有關(guān)[14]。Takahashi等[15]的試驗(yàn)研究指出,鋼筋表面孔隙溶液中的羥基離子可通過與反應(yīng)的硅氧烷基團(tuán)相互作用而被消耗掉。作為這種反應(yīng)的結(jié)果,AAR凝膠可能會(huì)降低鋼筋表面孔隙溶液的pH值,以此來降低臨界氯離子濃度,加速鋼筋銹蝕反應(yīng)的反應(yīng)速率。此外,縫隙的存在和鋼筋表面不連續(xù)的AAR凝膠堆積會(huì)導(dǎo)致不同的表面環(huán)境,從而降低鋼筋的氯離子臨界濃度,加快銹蝕反應(yīng)發(fā)生。同時(shí),AAR反應(yīng)產(chǎn)生的凝膠體會(huì)填充混凝土內(nèi)部孔隙及裂縫,導(dǎo)致銹蝕試驗(yàn)中出現(xiàn)“氯化物堵塞”情況,較多積聚的氯化物參與鋼筋銹蝕反應(yīng),從而導(dǎo)致銹蝕更明顯、銹蝕率更高。

許多研究證實(shí),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫提供了氯離子進(jìn)入鋼筋表面的途徑[3-4],因?yàn)锳AR會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂,而裂縫會(huì)加速氯離子的運(yùn)輸。因此,AAR增加了混凝土中氯離子的傳輸速度,增加了銹蝕反應(yīng)的速度。另外,AAR損傷破壞了混凝土本身的力學(xué)性能,而鋼筋周圍密實(shí)性差的混凝土,可能會(huì)使鋼筋-混凝土界面出現(xiàn)較大的裂縫孔隙,較大的孔隙中氧氣含量高,使銹蝕反應(yīng)充分發(fā)生,產(chǎn)生大量的鐵銹。當(dāng)鐵銹的積累和體積膨脹產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力超過混凝土覆蓋層的極限抗拉強(qiáng)度時(shí),導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂以及隨后更多的氧氣(和水)進(jìn)入,可能形成更嚴(yán)重的腐蝕破壞。

3 結(jié) 論

本文基于鋼筋尺寸、損傷時(shí)間等因素,探討鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)AAR對(duì)銹蝕的影響,通過AAR損傷后銹蝕獲得的材料損傷指標(biāo),量化其影響,明確了膨脹率和銹蝕率之間的動(dòng)態(tài)量化關(guān)系,闡明了AAR對(duì)銹蝕的影響機(jī)制,得到以下結(jié)論。

(1) 鋼筋銹蝕程度和除銹后測(cè)得的銹蝕率隨著AAR反應(yīng)時(shí)間的增加而增大。

(2) 鋼筋表面孔隙溶液中的羥基離子可以通過與AAR反應(yīng)的硅氧烷基團(tuán)相互作用而被消耗掉。長(zhǎng)期存在的AAR凝膠可能會(huì)降低鋼筋表面孔隙溶液的pH值,以此降低臨界氯離子濃度,加速鋼筋銹蝕反應(yīng)的反應(yīng)速率。

(3) 縫隙的存在和鋼筋表面不連續(xù)的AAR凝膠堆積會(huì)導(dǎo)致不同的表面環(huán)境形成,從而降低鋼筋的氯離子臨界濃度,加快銹蝕反應(yīng)發(fā)生。

(4) AAR裂縫開展會(huì)使更多的氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部并加速銹蝕反應(yīng)發(fā)生。

(5) AAR凝膠體會(huì)填充混凝土內(nèi)部孔隙及裂縫,導(dǎo)致銹蝕試驗(yàn)中“氯化物堵塞”情況出現(xiàn),較多積聚的氯化物參與鋼筋銹蝕反應(yīng),導(dǎo)致銹蝕更強(qiáng)、銹蝕率更高。