橡膠集料鋼筋混凝土抗高溫氯離子侵蝕試驗研究

王立強，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)指標見表1。其他材料為：強度等級42.5硅酸鹽水泥； 5～20 mm連續(xù)級配碎石；中砂(細度模數(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組留做抗壓強度試驗，1組留做抗侵蝕試驗。混凝土采用強制式攪拌機攪拌，振動成型，有筋試件成型時，在試件中插入Φ8的鋼筋，一側(cè)鋼筋保護層厚度為20 mm。試件在標準條件養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護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試件的一半為準[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度的影響

表3 不同試件抗壓強度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準》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標準養(yǎng)護后，對有筋及無筋試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》進行抗壓強度試驗，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，混凝土的抗壓強度降低30%左右，而加10%的橡膠以后，混凝土的強度降低將近50%。從有筋與無筋的混凝土強度相比較，我們可以看出，普通混凝土有筋試件的強度比無筋的強度大13%左右，5%橡膠摻量橡膠混凝土有筋比無筋的強度大6.3%左右，而10%摻量的橡膠混凝土有筋與無筋的強度基本上不變。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重。高溫條件下的鋼筋混凝土保護層裂縫出現(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。

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[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，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，抗裂性能更好，從而減少了腐蝕性氣體或液體進入混凝土內(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。(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。