氯離子作用下鋼筋混凝土構件抗彎性能試驗研究

胡曦月 林大路 黃 魁

(河南省洛陽市水利工程研究所，河南 洛陽 471023)

氯離子作用下鋼筋混凝土構件抗彎性能試驗研究

胡曦月 林大路 黃 魁

(河南省洛陽市水利工程研究所，河南 洛陽 471023)

基于鋼筋混凝土結構在氯鹽環境下銹蝕脹裂問題，研究了普通鋼筋混凝土受彎構件在不同濃度氯化鈉介質中侵蝕后的各種性能，獲得了侵蝕后鋼筋混凝土受彎構件的多項試驗結果，為結構耐久性設計和規范修訂提供技術支撐。

氯鹽，鋼筋混凝土，抗彎性能，腐蝕率

0 引言

混凝土是多孔材料，水化過程中形成不同程度的毛細孔隙和微細裂紋。在正常使用條件下，鋼筋混凝土結構常常受到周圍環境不同腐蝕介質的侵蝕，導致結構力學性能的退化，影響結構的使用壽命。鋼筋混凝土結構腐蝕的原因主要有：混凝土碳化、氯離子引起的鋼筋去鈍化和酸性物質引起的鋼筋腐蝕，而由氯離子引起的鋼筋去鈍化最為直接、嚴重和普遍[1]。而在海洋、化工及鹽漬土地區，氯離子是引起鋼筋混凝土結構中鋼筋銹蝕的主要原因。

為了解決這一工程問題，國內外研究人員進行了一系列的研究與探索，取得了諸多研究成果。吳輝琴、程建棚、田毅等研究了混雜纖維加固混凝土梁抗彎承載力計算方法[2]，喬紅霞、陳丁山、何忠茂等對鹽漬土地區混凝土硫酸鹽腐蝕加速試驗制度進行了評價[3]，董建鋒，邢峰，戴虹等，研究了混凝土不同面的氯離子侵蝕規律[4]，劉影、金祖全、張宇研究了海水對混凝土中鋼筋銹蝕的影響[5]，許豪文、刁波、沈孛等對裂縫及環境對混凝土中氯離子擴散的影響進行了研究[6]等等。這些研究成果反映了鋼筋混凝土結構在不同環境條件下的損傷演化規律及其對結構性能的影響，對結構耐久性進一步研究提供了有益參考。

1 試驗概況

1.1 試驗試件

1)鋼筋：受力筋為HRB二級螺紋鋼，直徑6 mm，箍筋為直徑4 mm的8號鐵絲。

2)混凝土配制：水泥為32.5R普通硅酸鹽水泥，混凝土配制強度等級為C40混凝土。

3)鋼筋混凝土試件：長×寬×高=500 mm×60 mm×120 mm。分3組，每組9根。標準混凝土試塊為100 mm的立方體，分3組，每組3塊。

鋼筋混凝土試件如圖1所示。

1.2 腐蝕環境設計

1)腐蝕介質：4%NaCl溶液；8%NaCl溶液；16%NaCl溶液。

2)腐蝕試驗周期：30 d。

2 試驗設備

2.1 腐蝕池

腐蝕池如圖2所示。

2.2 萬能伺服試驗機

600 WAW萬能伺服試驗機如圖3所示。

3 試驗結果與分析

3.1 典型試件腐蝕情況

1)混凝土試塊：加速腐蝕后，典型的立方體混凝土試塊如圖4所示。

2)鋼筋混凝土試件：腐蝕后鋼筋混凝土試件如圖5所示。

由圖4，圖5可見，試件表層的水泥漿體主要成分為C3S，C2S，C4AF，C3A以及少量的游離CaO，MgO等，在腐蝕介質作用下，是最易受到侵蝕的部分。腐蝕時間越長，介質濃度越高，腐蝕程度越嚴重。先是混凝土表面被腐蝕，出現蝕坑，露出砂、石子等粗細集料，繼而邊角疏松、裂縫以至于脫落、碎裂。

氯離子不僅對鋼筋有較強的腐蝕作用，對混凝土也有腐蝕作用。氯離子與混凝土中的水化硫鋁酸鈣反應產生具有膨脹性的氯鹽使混凝土脹裂，降低混凝土的強度。氯離子促使鋼筋去鈍化，使鋼筋成為活化態，在鋼筋表面形成多孔狀的銹層，使鋼筋的力學性能降低。氯離子對鋼筋與混凝土的腐蝕，最終導致鋼筋混凝土結構承載力降低。

3.2 試驗結果與分析

1)腐蝕率與時間的關系。

鋼筋混凝土試件腐蝕率與時間關系如圖6所示。

由圖6可以看出，腐蝕初期(<10 d)，試件質量隨時間延長而逐漸增加，其質量增加值與腐蝕介質濃度負相關。早期階段由于混凝土材料本身的多孔性，為氯化鈉溶液浸入其中創造了條件。試件腐蝕率為：4%溶液中的變化較小約為5%，8%溶液中約為15%，16%溶液中最大約為25%。

從混凝土表面逐步擴散至內部孔隙，失水后形成氯化鈉晶體，使混凝土變得更加密實。當混凝土孔隙被全部充滿，而環境溫濕度滿足要求時，孔隙中的氯化鈉將會形成膨脹性晶體，該過程從混凝土的表層逐漸向內部發展，至混凝土中毛細空隙全部被充滿，混凝土變得更加密實。10 d～30 d，腐蝕率向相反方向發展，試件質量逐漸減小，其質量減小速率與腐蝕介質濃度正相關。

2)腐蝕率與介質濃度的關系。

鋼筋混凝土試件腐蝕速率與腐蝕介質濃度關系如圖7所示。

從圖7中可以看出，鋼筋混凝土試件腐蝕速率與腐蝕介質濃度呈線性關系。濃度越大，腐蝕速率越快。擬合的解析表達式為：y=a+bx，a=0.998,b=0.008 14。

3)荷載—撓度關系。

鋼筋混凝土構件荷載—撓度關系如圖8所示。

圖8中曲線為構件A1，A2，A3試驗的平均值，其中，A1組試件未受腐蝕，A2組與A3組試件分別在4%和8%濃度腐蝕介質中浸泡30 d。曲線反映了構件受彎力學性能的特征，銹蝕梁與未銹蝕梁的荷載—撓度曲線形狀相似，表現為典型的適筋梁破壞形態。從試驗后破壞形態發現，構件橫向裂縫與銹蝕率有關，銹蝕率大時裂縫間距變大，數量減少并向跨中集聚，裂縫分布趨于不均；當銹蝕率達到一定程度，粘結強度降低，變形協調關系變差，裂縫位置趨于跨中。

從圖8可以看出，腐蝕構件的彈性模量降低，腐蝕介質濃度越大，腐蝕越嚴重，彈性模量降低越大；A1組的極限承載力小于A2組，與鋼筋輕微銹蝕后(銹蝕率不超過5%)使鋼筋與混凝土之間機械嚙合力有所增強有關。由于構件的鋼筋銹蝕率較低，劣化現象不明顯，不同組別的極限承載力差別不大，如A1組極限承載力為44.92 kN，A2組和A3組極限承載力分別為47.78 kN，42.86 kN。

銹蝕量較小時(約<1%)，鋼筋與混凝土的粘結強度高于無銹鋼筋且隨銹蝕量增大而增大。當銹蝕率約為1%～3%時，銹脹初裂，粘結力與無銹蝕時接近并隨裂縫寬度增大而降低；當銹蝕率為4%～8%時，混凝土保護層銹脹裂縫迅速發展直至混凝土剝落破壞。

4 結語

1)腐蝕初期，腐蝕率向負方向發展，試件質量隨時間增加而增加，其增加值與腐蝕介質濃度負相關；中后期，腐蝕率向正方向發展，試件質量隨時間增加而減小，其質量減小值與腐蝕介質濃度正相關。

2)鋼筋混凝土試件腐蝕速率與腐蝕介質濃度呈線性關系，介質濃度越大，腐蝕速率越快。表示為：y=a+bx,a=0.998,b=0.008 14。

3)銹蝕率小于1%時，構件表面無明顯腐蝕變化，粘結強度高于無銹蝕構件并隨銹蝕量的增大而增大；當銹蝕率約為1%～3%時，銹脹初裂，粘結強度與無銹蝕構件的相近且隨裂縫寬度增大而降低；當銹蝕率約為4%～8%時，銹脹裂縫發展逐漸加快，粘結強度迅速降低，最終構件失去承載力。

4)構件的彈性模量隨介質濃度的增大而降低，鋼筋銹蝕率較低時對構件受力性能影響不明顯，構件的裂縫與鋼筋銹蝕率有關。銹蝕率增大，裂縫間距變大、分布不均、數量減少并向跨中集聚，當銹蝕率達到一定程度，粘結強度降低，裂縫位置趨于跨中。

[1] MEHTA P K.Durability of concrete-fifty years of progress[J].ACI SP,1991(126)：1-31.

[2] 吳輝琴,程建棚，田 毅，等.混雜纖維加固混凝土梁抗彎承載力計算方法的研究[J].混凝土，2012(6)：11-33.

[3] 喬紅霞，陳丁山，何忠茂，等.鹽漬土地區混凝土硫酸鹽腐蝕加速試驗制度評價[J].混凝土，2012(10)：1-3.

[4] 董建鋒，邢 峰，戴 虹，等.混凝土不同面的氯離子侵蝕規律研究[J].混凝土，2013(1)：18-20.

[5] 劉 影，金祖全，張 宇.海水對混凝土中鋼筋銹蝕的影響研究[J].混凝土，2016(6)：38-41.

[6] 許豪文，刁 波，沈 孛，等.裂縫及環境對混凝土中氯離子擴散的影響[J].混凝土，2016(7)：45-48.

Experimental research on flexural performance of steel reinforced concrete members under the chlorine salt action

Hu Xiyue Lin Dalu Huang Kui

(HenanLuoyangHydrologyEngineeringResearchInstitute,Luoyang471023,China)

Based on steel reinforced concrete structure corrosion expansion problems under chlorine salt environment, the paper studies common steel reinforced concrete bending members after corrosion under different concentration sodium chlorine media, and obtains various steel reinforced concrete bending members testing results after corrosion, which has provided some technical support for structural durability design and regulations modification.

chlorine salt, steel reinforced concrete, flexural performance, corrosion rate

1009-6825(2017)01-0065-03

2016-10-27

胡曦月(1998- )，女

TU375

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