考慮鋼筋銹蝕的納米SiO2強(qiáng)化再生骨料混凝土梁受力性能研究

延永東，梁曉封，劉榮桂，徐鵬飛，司有棟

(1. 江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 上海中森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，上海 200062)

0 引 言

將廢棄混凝土破碎加工成粗骨料制成再生混凝土用于新建工程，既能減少處置廢棄混凝土對(duì)環(huán)境的污染，又能減少開(kāi)采天然骨料造成的原材料消耗[1-2]，可以實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土的循環(huán)利用，符合中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展理念。然而與天然骨料相比，再生骨料表面存在舊砂漿層，一定程度上會(huì)降低再生骨料混凝土的力學(xué)性能。陳愛(ài)玖等[3]研究表明再生骨料混凝土梁的極限承載力較普通混凝土梁有所下降，且隨著再生粗骨料取代率的增加，梁底部裂縫數(shù)量增多、間距減??；Seara-paz等[4]發(fā)現(xiàn)再生骨料混凝土梁的使用、屈服和極限狀態(tài)與普通混凝土梁相似，但兩者的開(kāi)裂性能存在一定差異；劉超等[5]發(fā)現(xiàn)再生骨料混凝土梁的短期剛度和長(zhǎng)期剛度均明顯小于普通混凝土梁。在此基礎(chǔ)上，杜進(jìn)生等[6]依據(jù)再生骨料混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果修正了公路橋梁規(guī)范中關(guān)于開(kāi)裂彎矩和抗彎剛度的計(jì)算公式。

為克服再生骨料摻入混凝土造成的性能不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些改善其性能的方法。Mukharjee等[7]將納米SiO2摻入再生骨料混凝土，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的納米SiO2對(duì)再生骨料性能改善效果最好，同時(shí)可以提高取代率為100%的再生混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度。李文貴等[8]通過(guò)對(duì)比不同種類納米溶液對(duì)再生混凝土的強(qiáng)化效果，發(fā)現(xiàn)納米硅溶膠能夠改善再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，而納米CaCO3未能明顯提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。林騰瑋等[9]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)納米SiO2溶液改性處理后的再生混凝土強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能比未經(jīng)改性處理的再生混凝土有較大提升。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)，與其他常見(jiàn)納米材料相比，納米SiO2與水泥、水混合制成漿液覆蓋在再生骨料表面可以明顯改善再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能[10]。對(duì)氯鹽環(huán)境下服役的再生混凝土構(gòu)件來(lái)說(shuō)，氯離子侵蝕會(huì)造成鋼筋銹蝕，而再生骨料的性能缺陷也會(huì)對(duì)銹蝕鋼筋混凝土梁的長(zhǎng)期性能產(chǎn)生不利影響[11]。為此，有必要進(jìn)一步研究不利服役環(huán)境下改善再生混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)性能的措施。

本文在筆者前期研究基礎(chǔ)上[10]，針對(duì)再生骨料的主要缺陷，首先采用納米SiO2強(qiáng)化液對(duì)再生骨料表面進(jìn)行處理，然后將其摻入混凝土內(nèi)澆筑成梁，養(yǎng)護(hù)28 d后采用近距離小陰極通電的方法進(jìn)行鋼筋加速非均勻銹蝕，測(cè)試并分析不同因素(再生粗骨料取代率、納米SiO2摻量、鋼筋銹蝕率)對(duì)鋼筋銹蝕后納米強(qiáng)化再生骨料混凝土梁的裂縫開(kāi)展、變形、受彎承載力等的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立相應(yīng)的承載力計(jì)算公式，以促進(jìn)再生混凝土在沿海等不利環(huán)境中的應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 混凝土原材料

試驗(yàn)中的混凝土采用海螺P.O42.5水泥、上海邁坤化工有限公司生產(chǎn)的納米SiO2(Nano-SiO2)、聚羧酸減水劑、普通河砂、5～25 mm連續(xù)級(jí)配天然粗骨料與再生粗骨料、實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水進(jìn)行配置。其中再生粗骨料取自校內(nèi)使用年限達(dá)20年的建筑經(jīng)破碎篩分得的碎石，其級(jí)配曲線如圖1所示，為Ⅱ類再生粗骨料[12]，滿足規(guī)范要求。

圖1 再生粗骨料級(jí)配曲線Fig.1 Grading Curves of Recycled Aggregate

1.2 試件設(shè)計(jì)及制作

表1 鋼筋力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Property of Reinforcement

表2 混凝土配合比Tab.2 Mixing Proportion of Concrete

圖2 試驗(yàn)梁尺寸及配筋(單位:mm)Fig.2 Size and Reinforcement of Test Beam (Unit:mm)

每根梁的設(shè)計(jì)參數(shù)及用途如表3所示。

表3 納米強(qiáng)化再生骨料混凝土梁試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Test Parameters of Nano-reinforced RAC Beams

1.3 Nano-SiO2強(qiáng)化再生骨料制備

由于納米SiO2在水中難以溶解且易形成團(tuán)簇狀難溶物[14]，因此先使用超聲波分散儀將納米SiO2、減水劑和少部分水混合后進(jìn)行超聲乳化，以此充分發(fā)揮減水劑對(duì)納米SiO2的分散作用。待母液制備完成后按0.5水灰比添加水泥，充分?jǐn)嚢柚频眉{米SiO2強(qiáng)化漿液，隨后將再生粗骨料浸泡于納米SiO2漿液中，30 min之后將骨料和漿液分離并晾曬風(fēng)干，制成納米SiO2強(qiáng)化再生骨料。

1.4 鋼筋通電加速非均勻銹蝕

長(zhǎng)期在氯鹽環(huán)境中服役的鋼筋混凝土構(gòu)件表現(xiàn)出靠近保護(hù)層一側(cè)的銹蝕大于另一側(cè)的非均勻銹蝕形態(tài)[15]，為在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)這一銹蝕形態(tài)，本試驗(yàn)采用短距離小陰極通電來(lái)近似模擬。先將養(yǎng)護(hù)后的梁在5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液中浸泡7 d，再對(duì)其按圖3所示進(jìn)行通電銹蝕。由于在通電過(guò)程中需要構(gòu)件保持濕潤(rùn)狀態(tài)以降低混凝土的電阻率，因此在梁上下表面各覆蓋5%NaCl溶液浸濕的海綿，并在梁底部鋪上塑料薄膜，在通電期間不定期對(duì)海綿浸濕。同時(shí)考慮到再生骨料混凝土梁阻抗較大，外加電流密度難以達(dá)到擬定的下限10 A·m-2，因此需控制電源電壓在30 V以內(nèi)[16]。梁通電銹蝕現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示。

圖3 再生骨料混凝土梁通電非均勻銹蝕示意Fig.3 Schematic of Eletrification Non-uniform Corrosion of RAC Beams

圖4 再生骨料混凝土梁通電銹蝕現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Site of Electrochemical Corrosion of RCA Beam

1.5 加載方案

對(duì)通電銹蝕后的梁依據(jù)規(guī)范[17]進(jìn)行加載，加載期間觀測(cè)并記錄梁側(cè)面混凝土應(yīng)變、構(gòu)件跨中和加載點(diǎn)處的豎向位移、混凝土裂縫開(kāi)展情況、破壞荷載等。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂縫形態(tài)分布

受彎破壞梁裂縫開(kāi)展情況如圖5所示(裂縫下面的2排數(shù)值分別表示裂縫出現(xiàn)順序和裂縫總高度)。從圖5可以看出：①天然骨料、普通再生骨料以及納米強(qiáng)化再生骨料梁加載時(shí)裂縫開(kāi)展的趨勢(shì)基本相同，即在純彎區(qū)段內(nèi)的裂縫均是從梁底部向中性軸方向開(kāi)展，彎剪區(qū)段的裂縫均向加載點(diǎn)方向開(kāi)展；②比較R50-2-A，R50-2-B，R50-2-C三根不同通電時(shí)長(zhǎng)梁的裂縫分布，可以看出，隨通電時(shí)間的增加，鋼筋位置處逐漸出現(xiàn)了銹脹裂縫，通電30 d后梁的銹脹裂縫基本貫通。

圖5 再生骨料混凝土梁受彎破壞裂縫開(kāi)展情況(單位:mm)Fig.5 Crack Development of RAC Beams Under Bending (Unit:mm)

加載過(guò)程中不同等級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的最大裂縫寬度如圖6所示?？梢钥闯觯孩僭谕饧雍奢d一定且再生骨料取代率和納米材料摻量相同的情況下，最大裂縫寬度隨鋼筋銹蝕程度增加而增大，如圖6(a)所示，這可能是鋼筋銹蝕降低了縱筋與再生混凝土之間的黏結(jié)性能；②在縱筋銹蝕程度相近時(shí)，同一荷載水平下混凝土梁最大裂縫寬度隨再生骨料取代率的增加而減小，如圖6(b)所示，這可能是因?yàn)閾饺朐偕橇虾蠡炷恋牧芽p數(shù)量有所增加；③在縱筋銹蝕程度相近的情形下，最大裂縫寬度隨納米SiO2摻量增加呈先減小后增大的趨勢(shì)，0.4%摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)的裂縫寬度要小于其他2種摻量下的值，如圖6(c)所示，說(shuō)明強(qiáng)化再生骨料表面的Nano-SiO2摻量有一定的最優(yōu)值，不是越多越好。

圖6 再生骨料混凝土梁荷載-最大裂縫寬度曲線Fig.6 Load-maximum Crack Width Curves of RAC Beams

2.2 受彎破壞模式

試驗(yàn)梁的典型破壞模式(圖7)均為適筋破壞，即純彎段受壓區(qū)混凝土被壓碎導(dǎo)致構(gòu)件承載力喪失而發(fā)生破壞，在梁破壞之前均發(fā)生較大的變形。同時(shí)發(fā)現(xiàn)再生骨料混凝土梁的開(kāi)裂方式與傳統(tǒng)混凝土梁有所不同，存在多條主裂縫，從而使其撓度大于普通混凝土梁的撓度。

圖7 銹蝕再生骨料混凝土梁典型破壞形態(tài)(R50-6-B)Fig.7 Typical Failure Mode of Corroded RAC Beam(R50-6-B)

2.3 跨中截面應(yīng)變分布

為檢驗(yàn)納米強(qiáng)化再生混凝土銹蝕梁破壞過(guò)程中跨中截面是否符合平截面假定，對(duì)不同高度處混凝土跨中截面的應(yīng)變分布也進(jìn)行了分析。不同彎矩M下典型梁(R50-2-B)的應(yīng)變分布如圖8所示(其他梁類似)，其中M0為按簡(jiǎn)支梁破壞時(shí)的實(shí)測(cè)值求出的彎矩極限值。可以看出，在構(gòu)件屈服之前，簡(jiǎn)支梁跨中截面應(yīng)變與中性軸距離成正比，說(shuō)明受彎過(guò)程中納米強(qiáng)化再生混凝土銹蝕梁跨中截面滿足平截面假定。因此可借助普通混凝土梁受彎承載力的計(jì)算理論來(lái)分析本試驗(yàn)梁。

圖8 納米SiO2強(qiáng)化再生骨料混凝土梁跨中截面應(yīng)變分布(R50-2-B)Fig.8 Strain Distribution in Midspan of Nano-SiO2Strenghened RAC Beam(R50-2-B)

2.4 荷載-撓度曲線

加載過(guò)程中梁的荷載-撓度曲線如圖9所示。從整體上看，所有梁在破壞之前均經(jīng)歷了3個(gè)階段：①未開(kāi)裂階段，加載初期簡(jiǎn)支梁均處于彈性工作階段，跨中撓度與加載值成正比；②裂縫發(fā)展階段，梁底部混凝土開(kāi)裂并不斷發(fā)展，荷載-撓度曲線的斜率較前一階段有所減小，且部分梁的曲線斜率逐漸降低[圖9(a)中的R25-2-B]；③破壞階段，荷載增加較小而撓度增加很快，梁的荷載-撓度曲線基本為水平直線。設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)梁荷載-撓度曲線的影響為：

①摻入25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的再生骨料后，構(gòu)件破壞時(shí)的跨中撓度有所增大、屈服荷載有所降低[圖9(a)]。其中再生骨料取代率為25%的梁比普通混凝土梁的屈服荷載降低了24.6%；

②Nano-SiO2摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.2%時(shí)梁的極限承載力最高[圖9(b)]，再次說(shuō)明再生骨料表面的Nano-SiO2摻量有一定的最優(yōu)值，不是越多越好；③隨鋼筋通電銹蝕時(shí)間的增加，混凝土梁的屈服荷載減小[如圖10(c)]，通電30 d的梁(R50-2-C)在鋼筋屈服后的延性也明顯降低。

圖9 納米SiO2強(qiáng)化再生骨料混凝土梁荷載-撓度曲線Fig.9 Load-deflection Curves of Nano-SiO2 Strenghened RAC Beam

2.5 極限承載力

不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)梁極限承載力的影響如圖10所示?？梢钥闯觯孩僭偕橇先〈糠痔烊还橇虾笤囼?yàn)梁的抗彎承載力比正?；炷亮河兴档停嗤P蝕程度下，再生骨料取代率為25%時(shí)受力性能退化較多，抗彎承載力下降19.3%，這說(shuō)明當(dāng)Nano-SiO2漿液強(qiáng)化再生骨料數(shù)量較少時(shí)，混凝土的性能改善不明顯，梁的承載力有所減小，當(dāng)Nano-SiO2漿液強(qiáng)化再生骨料較多時(shí)，混凝土性能有所改善，導(dǎo)致梁的承載力恢復(fù)到普通混凝土梁的水平；②隨強(qiáng)化液中Nano-SiO2摻量的增加，試驗(yàn)梁的承載力先增大后減小，再一次說(shuō)明包裹在再生骨料表面的強(qiáng)化液中Nano-SiO2摻量過(guò)多對(duì)混凝土性能有不利影響；③隨通電銹蝕時(shí)間的增加，試驗(yàn)梁的抗彎承載力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，其中銹蝕率為4.2%時(shí)承載力略有提高，這是因?yàn)殇摻畹挠邢掬P蝕膨脹有利于混凝土對(duì)其的握裹，從而提高了梁的承載力。

圖10 納米SiO2強(qiáng)化再生骨料混凝土梁極限承載力Fig.10 Ultimate Bearing Capacity of Nano-SiO2 Strenghened RAC Beams

表4 再生骨料混凝土梁受彎極限承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值Tab.4 Experimental and Calculated Values of Ultimate Bending Capacity of RAC Beams

α1fcbx=fyAsc

(1)

(2)

Asc=As(1-η1)

(3)

(4)

β=-0.2r+1 0%≤r≤1%

(5)

2.6 鋼筋銹蝕分析

對(duì)受彎破壞后的梁進(jìn)行破碎，并取出鋼筋進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)通電10，20，30 d后的部分梁內(nèi)鋼筋銹蝕情況如圖11所示?？梢钥闯觯?0 d時(shí)靠近外側(cè)的鋼筋表面出現(xiàn)了局部銹蝕，通電20 d時(shí)靠近外側(cè)的鋼筋表面出現(xiàn)了較大范圍的銹蝕，通電30 d時(shí)靠近外側(cè)的鋼筋幾乎全部銹蝕，銹蝕深度也較大，且靠近內(nèi)部的部分表面也出現(xiàn)了銹斑。說(shuō)明本試驗(yàn)采用的通電銹蝕方法可實(shí)現(xiàn)鋼筋非均勻銹蝕。此外，依據(jù)規(guī)范[21]測(cè)得的梁內(nèi)受力鋼筋銹蝕率如圖12所示(1號(hào)和2號(hào)鋼筋是指同一根梁的2根縱筋)，可以看出，鋼筋實(shí)際銹蝕率隨通電時(shí)間的增加而增大，其中通電時(shí)間30 d的銹蝕率是通電時(shí)間10 d銹蝕率的2倍多。

圖11 不同通電時(shí)長(zhǎng)的鋼筋銹蝕形態(tài)Fig.11 Corrosion Form of Reinforcement Under Different Electrification

圖12 試驗(yàn)梁內(nèi)鋼筋實(shí)際銹蝕率Fig.12 Corrosion Ratio of Reinforcements in Test Beams

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)相同銹蝕程度下納米強(qiáng)化再生骨料混凝土梁的抗彎承載力比天然骨料混凝土梁有所降低，再生骨料取代率為25%時(shí)梁承載力退化最為嚴(yán)重，抗彎承載力下降19.3%。

(2)從抗彎承載力及最大裂縫寬度來(lái)看，Nano-SiO2在再生骨料混凝土內(nèi)的摻量有最優(yōu)值，不是越大越好。

(3)加速銹蝕后的納米強(qiáng)化再生骨料混凝土梁在受彎過(guò)程中的跨中應(yīng)變分布遵循平截面假定，破壞模式與普通混凝土梁較為相似。

(4)納米強(qiáng)化再生骨料混凝土腐蝕梁的抗彎承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值較為一致，為方便設(shè)計(jì)，提出了考慮鋼筋銹蝕率和再生骨料取代率影響的修正計(jì)算方法。

(5)近距離小陰極通電可以實(shí)現(xiàn)梁內(nèi)鋼筋的非均勻銹蝕，隨通電時(shí)間的增加，鋼筋銹蝕程度逐漸增大。