碳纖維布加固銹蝕鋼筋混凝土梁干濕循環試驗

朱華明 吳 瑾

(1.江蘇東南工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210016； 2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

銹蝕鋼筋混凝土結構在采取纖維布加固后，由于纖維布和浸漬膠的阻隔作用，銹蝕狀態有所改善。但是，加固后的結構仍然處于銹蝕環境中，理論上繼續銹蝕的可能性依然存在。直接加固銹蝕鋼筋混凝土結構的情況下，加固構件里仍然有加固之前侵入的氯離子，這些氯離子是否會繼續銹蝕構件，碳纖維布是否能阻隔住氯離子的繼續侵蝕，構件是否還是會以一定的速度繼續銹蝕，是結構耐久性研究者非常關注的問題。國內外專家學者對碳纖維布加固銹蝕鋼筋混凝土梁的抗彎性能進行了大量研究，但是對加固后的耐久性能研究較少[1-5]。本文通過室內試驗模擬實際工程中的銹蝕鋼筋混凝土加固構件，利用檢測構件加固后的鋼筋銹蝕狀態，研究銹蝕鋼筋混凝土構件碳纖維加固后的耐久性能。

1 鋼筋銹蝕狀態檢測方法

目前，國內外關于混凝土中鋼筋銹蝕無損檢測方法有很多種，主要包括分析法、物理方法、電化學方法，有很多學者進行了相關研究。分析法是依據現場實測的數據，包括鋼筋直徑、有害離子的侵入深度及其含量、裂縫寬度、混凝土保護層厚度、混凝土強度等數據，再結合構件所處的環境情況，根據相關學者建立的合理可靠的鋼筋銹蝕程度計算方法，綜合推斷混凝土內鋼筋的銹蝕程度。有學者通過大量銹蝕鋼筋的試驗分析,得出了鋼筋銹蝕與銹脹裂縫寬度、鋼筋直徑、混凝土強度和保護層厚度之間的關系公式。

物理法主要通過測量鋼筋發生銹蝕之后，引起的物理特性變化如電阻、熱傳導、聲波傳播、電磁等來反映鋼筋銹蝕情況。根據現場測量鋼筋的物理特性不同，物理法分為射線法、紅外熱像法等不同類別。這種檢測方法要求相應的測量設備要有較高的精度，并且現場測量還易受到環境因素的影響，不利于現場檢測。

電化學方法通過測定鋼筋/混凝土銹蝕體系的電化學特性，和相應的判別標準進行對比，從而確定混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度。電化學方法是目前鋼筋銹蝕無損檢測應用最普遍、最常用的方法，具有測試速度快、靈敏度高、可連續跟蹤和原位測量等優點。電化學方法主要有半電池電位法、線性極化法、電化學阻抗譜法、恒電量法、電化學噪聲法和混凝土電阻率法等幾種。在電化學方法中，最常用的是半電池電位法。現行規范JGJ/T 152—2008混凝土中鋼筋檢測技術規程中對于混凝土中鋼筋銹蝕性狀檢測標準也是采用半電池電位法。半電池電位法是將銹蝕鋼筋看成電池的一個電極，將另一個較為穩定的參比電極(銅/硫酸銅或其他電極)看成電池的另一個電極。混凝土中鋼筋發生銹蝕的過程中，鋼筋的表面電位是不同的。鋼筋由鈍化狀態轉為活化狀態時，銹蝕電位降低。通過檢測鋼筋銹蝕電位，可以很方便地評價鋼筋的銹蝕狀態，把握鋼筋所處的銹蝕階段。該方法不受構件尺寸和保護層厚度的限制，儀器操作簡單，能快速檢測出鋼筋的表面狀態。混凝土電阻率法也常用來檢測混凝土內鋼筋的銹蝕情況。電阻率是單位長度，單位面積材料的電阻值。當混凝土處于干燥狀態或混凝土水灰比很小時，混凝土內部致密，電解液和孔溶液很少，阻止電流通過的能力強，混凝土的電阻值就較高。混凝土電阻值較低時，電解液傳輸離子的能力強，容易形成微電池，造成鋼筋銹蝕。電阻率法只能對混凝土中鋼筋銹蝕狀態做大致判斷，測量結果受混凝土內濕度和溫度的影響非常大，可以作為初步判斷鋼筋銹蝕狀態的方法。

電化學方法能夠較為直接的反映鋼筋銹蝕這一化學過程。并且具有測試速度快、簡單方便和原位測量的特點。所以，本試驗通過半電池電位法、電阻率來綜合評價構件加固后的鋼筋銹蝕狀態。

2 試驗概況

實驗室模擬氯鹽銹蝕環境的方法有浸泡法和鹽霧試驗方法。鹽霧試驗雖然較為接近實際工程，但是費用較高，不適合長期試驗。浸泡法操作簡單、方便，但是銹蝕速度非常緩慢，所需試驗時間太長。本試驗是在浸泡法的基礎上，通過干濕交替，達到縮短試驗時間，加快銹蝕速度的目的。

本試驗選取的試驗件為兩部分，一部分為加固試驗加載后的試件梁的端部(見圖1a))，試驗梁的斷面在梁的高度13 cm處以下用環氧樹脂密封，防止溶液直接接觸鋼筋。另一部分試驗件從江蘇舊龍王河大橋上的加固部位現場鉆芯取樣(見圖1b))，用環氧樹脂密封除暴露面以外的表面。

試驗件編號見表1，試驗件尺寸見圖2。

本試驗模擬氯鹽銹蝕環境，通過簡易銹蝕池浸泡、干燥處理，達到干濕循環目的。溶液為質量分數3%的NaCl溶液，溶液深度調整到剛剛沒過芯樣試件和構件縱筋為止。根據本試驗干濕比為3∶1，即浸泡1 d，干燥3 d。每次循環都對構件的電位和電阻率進行測量，并記錄數據。測量電位值的儀器為瑞士Proceq公司生產的canin+手持銹蝕分析儀。電阻率測量儀器為Railey equipment公司生產的CRT-1000型混凝土電阻率測量儀。

3 試驗結果與分析

3.1 芯樣電位值測量結果

鹽溶液浸泡試驗測得芯樣電位值隨時間變化情況如圖3所示。

電位是與鋼筋活化面積相關的參數，并且是正相關關系。從圖3中可以看出，在試驗開始時芯樣的電位值均在-50 mV以上，說明此時鋼筋活化面積小，鋼筋活性比較低。對于使用碳纖維布加固的試件，隨著干濕循環天數的增加，纖維布上的電位值先稍有減少，而后纖維布上的電位迅速增加。隨著干濕循環的進行，纖維布上的電位逐漸穩定。說明干濕循環對纖維布有劣化作用，使其對氯離子向混凝土的阻隔作用迅速降低。而對于未用碳纖維布加固的試件上的電位則隨著干濕循環的增加而迅速增加，而后逐漸穩定。同時從加固和未加固試件的電位值對比看出，加固試件比未加固試件的低，因此，碳纖維布可以提高混凝土構件的耐久性。

3.2 試件檢測結果

試驗測得鹽溶液浸泡試驗中所有試件混凝土表面電位對比如圖4所示。從圖4中可以看出，在浸泡試驗進行一段時間之后，對于大部分試件的測量結果顯示，纖維布測得的電位值和在混凝土表面測得的數值相差不多，在±50 mV以內。在對加固構件無損檢測時，必要時可以在FRP上測量(必須找到合適的位置比較兩者的差值，差值較小時才可以用這種方法)。

從圖4可以看出，混凝土的電位值隨著干濕循環的進行在緩慢的增加，說明試件中鋼筋銹蝕的活性也在緩慢的增加。

碳纖維布加固對普通混凝土的耐久性有很大提高，但是并不意味著銹蝕鋼筋混凝土構件在碳纖維布加固之后鋼筋的銹蝕就會停止。在受到惡劣環境的影響時，如本文中的鹽溶液干濕循環條件下，構件中的鋼筋活性非但不會下降，而且會繼續提高，鋼筋的銹蝕過程仍然會以很高的活性繼續進行。如果這種銹蝕過程持續進行，在3年～5年之后，經過加固的鋼筋混凝土構件可能因為銹蝕活動的繼續進行，構件的功能會再次失效。

構件表面混凝土電阻率隨時間變化曲線見圖5。

從圖5中可以看出，對于未銹蝕的混凝土構件，如果采用碳纖維布加固之后，由于碳纖維布的阻隔作用，經過幾次干濕循環以后，用碳纖維布加固過的混凝土中的鋼筋活性比未加固過的混凝土中鋼筋的活性要低的多，證明碳纖維布可以有效的提高加固結構的耐久性能。同時從圖5中可以看出，碳纖維布加固已經發生銹蝕的混凝土后，混凝土中的鋼筋仍然可能會繼續銹蝕。

從圖5中可看出，構件表面的電阻率隨著干濕循環試驗的進行，大致呈現下降的趨勢。本試驗中測量的混凝土區域為未加固的混凝土表面，加固之前就一直處于低電阻率狀態，對銹蝕構件直接加固不能改變這一混凝土的電阻率狀態。干濕循環對已經處于較低電阻率的混凝土的降低不顯著。并且此時混凝土電阻率較低，環境影響的因素較大。但通過電阻率測量仍然可以證明，此時構件鋼筋的活性仍然較高。

3.3 干濕循環后鋼筋形狀

圖6中試樣4為加固試樣，為從現場取出的試樣破碎后取出的鋼筋試樣，鈍化膜略有破壞。經過100 d的干濕循環后，試樣3中取出的鋼筋的鈍化膜受到了嚴重的破壞，表面已經出現了銹斑。這與電位值檢測數據(-200 mV)相匹配。試樣1、試樣2為加固試樣中取出的鋼筋試樣，同樣經過100 d的干濕循環試驗后，可以看出鈍化膜和試樣4相比有相當大的破壞，但要遠小于試樣3，表面沒有明顯的銹跡。

海工環境下鋼筋混凝土結構中，若長期受海風、海浪等惡劣因素的影響，如果沒做好防銹措施，或防銹措施已經失效，那么氯離子就會侵入到結構的內部。這時結構中鋼筋的鈍化膜就被破壞，鋼筋的活性提高，極可能發生銹蝕現象，表面會有或大或小的銹脹裂縫，使整個結構的性能降低。

4 結語

本文的試驗結果表明，碳纖維布可以提高混凝土構件的耐久性。采用碳纖維布加固，在顯著提升構件的承載能力的同時，可以暫時隔絕混凝土結構和惡劣環境。但在海風、海浪等惡劣因素的持續影響下，由于仍然存在未被保護的混凝土表面(碳纖維布全部包裹十分不經濟，一般不采用)、碳纖維布及膠層的阻隔作用在惡劣環境下會逐漸劣化以及加固之前就存在混凝土構件中的氯離子等諸多因素下構件中的鋼筋仍然可能會繼續銹蝕。所以銹蝕鋼筋混凝土構件在加固之后，仍然要每隔一段時間對加固構件的鋼筋狀態進行檢測，保證碳纖維布加固質量。