鋼筋混凝土堿骨料膨脹對鋼筋銹蝕影響試驗研究

張 媛,李鵬飛,弓扶元

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

0 引 言

鋼筋混凝土結構在使用壽命期限內可能會出現不同的劣化機制[1]。研究表明:堿骨料反應(Alkali-aggregate Reaction,以下簡稱AAR)過程中,凝膠體吸水膨脹導致水泥漿體-骨料界面處開裂,隨著反應的進行,裂縫持續發展,為氯離子和其他腐蝕性物質提供到達鋼筋表面的渠道[2-4],從而縮短了鋼筋銹蝕反應的啟動時間。但同時,AAR凝膠及銹蝕產物也會遷移至預先存在的孔隙及裂縫中,影響銹蝕反應程度[5-6]。從鋼筋銹蝕反應環境的角度來看,界面上AAR凝膠的存在減弱了鋼筋所處的堿性環境,并且AAR導致的混凝土內部縱向裂縫會增加局部氯離子的侵入。盡管對AAR和鋼筋銹蝕的原因、機理和影響已有大量研究,但多數研究成果較為分散,并未對影響機理進行量化研究分析。本文以試驗設計為基礎,在獲得不同程度AAR損傷試件后進行鋼筋銹蝕損傷試驗,研究材料劣化指標,量化AAR膨脹對鋼筋銹蝕的影響,以期為鋼筋銹蝕方向的研究提供試驗參考。

1 試驗材料及方案設計

1.1 試驗材料參數

AAR在材料層面會導致混凝土化學成分的改變,AAR產物的膨脹會導致結構內部產生膨脹應力。如何定量分析在AAR反應過程中鋼筋混凝土膨脹性能的變化是關鍵。在試驗中,考慮了不同鋼筋直徑和不同加速損傷時間作為研究參數。試驗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,細骨料(中砂)的細度模數為3.827,為了改善混凝土的流動性,選用了高性能聚羧酸減水劑。試件混凝土強度等級參考工程項目按C30設計,并按28 d標準養護條件養護,測得標準立方體試件平均軸心抗壓強度為31.6 MPa,設計的混凝土配合比見表1。試驗選用國標HRB400帶肋鋼筋,鋼筋直徑分別為12 mm和20 mm,選取同一批鋼筋進行拉伸試驗,獲得變形鋼筋力學性能見表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

在進行試驗之前,對試驗選用的粗骨料(石子)和細骨料(砂)[8]進行堿活性檢測。骨料堿活性檢測按照SL 352-2006《水工混凝土試驗規程》[9]快速砂漿棒法(ASTM C1260)進行試驗。根據規范要求,對試驗用砂進行篩分,并將粗骨料進行粉碎以達到規定篩分級配。將中砂和粗骨料按規范配比澆筑3個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)計算,以3個試件的測量平均值作為一定齡期的膨脹率試驗值。

(1)

式中:εt為試件浸泡堿溶液在第t天時的膨脹率,%;Lt為試件在第t天的測量長度,mm;L0為試件的初始長度,mm;Δ為測頭(即預埋測釘的長度),mm。

中砂和粗骨料在14 d內的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%。根據規范要求,可判定試驗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 細骨料膨脹率曲線Fig.2 Fine aggregate expansion rate curve

1.3 試件及試驗方案設計

本試驗流程如圖3所示。將鋼筋混凝土試件設計為邊長150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體混凝土試件[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段長度la為5D(D為鋼筋直徑)[11]。試件澆筑脫模后,固化28 d,轉至80 ℃±0.5 ℃的純水中養護24 h,用精度為10 μm的千分尺測量試件初始長度[12]。銹蝕鋼筋連接電源正極,負極連接碳棒浸入電解質溶液中,形成回路,試驗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′兩點間第t天AAR膨脹測量長度,l110為1-1′兩點間未膨脹測量原始長度,l22t為2-2′兩點間第t天AAR膨脹測量長度,l220為2-2′兩點間未膨脹測量原始長度,l33t為3-3′兩點間第t天AAR膨脹測量長度,l330為3-3′兩點間未膨脹測量原始長度,單位均為mm。圖3 試驗流程設計Fig.3 Experimental process design

2 試驗結果與分析

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體積膨脹率隨時間呈現出先增加后趨于緩慢不變的變化趨勢。試驗開始時,在前5周內AAR膨脹率隨時間線性增加,D12試件的體積膨脹率為0.5%,D20試件可達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,鋼筋對混凝土的AAR膨脹有約束效應。

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,反應初期的混凝土AAR膨脹較小,此時所有試件均處于自由發展AAR膨脹狀態,鋼筋的約束作用還并未有體現。在20 d后混凝土AAR產物的膨脹逐漸受到鋼筋的約束,曲線出現較明顯分歧點,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,混凝土的膨脹速率也更小。在80 d時,D12和D20試件的膨脹率隨時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,隨著反應的進行,活性骨料逐漸消耗,含量降低。在150 d時,D20試件的膨脹率遠小于D12試件。分析可知在AAR過程中,鋼筋對混凝土AAR反應的膨脹具有約束作用。

2.2 鋼筋銹蝕試驗結果

鋼筋的銹蝕率是影響鋼筋混凝土結構件承載性能的主要參數。鋼筋混凝土試件中,鋼筋的理論銹蝕率依據法拉第定律進行理論計算,即根據通電過程中的電流強度和通電時間,按公式(2)來計算理論質量損失值:

(2)

式中:Δm為鋼筋銹蝕的損失質量,g;M為鐵的摩爾質量,56 g/mol;I為電流強度,A;T為時間,s;Z為鐵的價位,2,即離子在氧化還原過程中發揮的電子數;F為法拉第常數,96 500 As。

銹蝕試驗擬討論4種不同銹蝕率對拉拔試件黏結性能的影響。測定銹蝕率的方法是在試件達到設計通電銹蝕時長后,進行拉拔試驗獲得黏結強度,然后繼續拔出鋼筋,截出鋼筋-混凝土黏結段部分鋼筋進行除銹處理,除銹前后稱重(m0和m1),最后根據公式(3)得到實際的試驗質量損失率η。通電加速銹蝕試驗得到的結果如表3中所示。

表3 鋼筋銹蝕試驗情況

(3)

鋼筋銹蝕試驗后,黏結段鋼筋除銹前后鋼筋狀態如圖5所示。根據法拉第定理,鋼筋的銹蝕程度主要取決于其體積和質量。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性能的變化。試驗結果表明: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明顯銹蝕痕跡。銹蝕試驗過程中,隨著銹蝕反應的開始,在試件的外表面觀察到了紅褐色鐵銹的生成。銹蝕先發生在鋼筋肋,隨著銹蝕反應加劇,鋼筋肋出現較明顯銹坑、銹點。鋼筋銹蝕試驗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溶液的浸泡時間而呈現差異。

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

2.3 AAR影響鋼筋銹蝕試驗結果

本研究主要針對預先存在AAR損傷的鋼筋進行銹蝕耦合損傷試驗。將達到AAR設計損傷周期的試件轉至NaCl溶液中,使混凝土試件內部形成電解質溶液。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損傷對鋼筋銹蝕影響的指標。AAR反應對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AARx-RC為耦合損傷試驗鋼筋編號,其中AAR代表堿骨料反應,RC代表鋼筋銹蝕反應(Reinforcement Corrosion),x為AAR試驗天數,每組設兩個拉拔試件,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Dx-AARy-RCzDays為耦合損傷試驗鋼筋編號,其中x為鋼筋直徑,y為AAR試驗天數,z為鋼筋銹蝕試驗天數,每組設兩個拉拔試件。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得的銹蝕率隨著AAR反應時間的增加而增大。分析鋼筋銹蝕反應機理可知,鋼筋銹蝕反應的啟動與鋼筋界面臨界氯離子濃度有關[14]。Takahashi等[15]的試驗研究指出,鋼筋表面孔隙溶液中的羥基離子可通過與反應的硅氧烷基團相互作用而被消耗掉。作為這種反應的結果,AAR凝膠可能會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,加速鋼筋銹蝕反應的反應速率。此外,縫隙的存在和鋼筋表面不連續的AAR凝膠堆積會導致不同的表面環境,從而降低鋼筋的氯離子臨界濃度,加快銹蝕反應發生。同時,AAR反應產生的凝膠體會填充混凝土內部孔隙及裂縫,導致銹蝕試驗中出現“氯化物堵塞”情況,較多積聚的氯化物參與鋼筋銹蝕反應,從而導致銹蝕更明顯、銹蝕率更高。

許多研究證實,鋼筋混凝土結構中的裂縫提供了氯離子進入鋼筋表面的途徑[3-4],因為AAR會導致混凝土開裂,而裂縫會加速氯離子的運輸。因此,AAR增加了混凝土中氯離子的傳輸速度,增加了銹蝕反應的速度。另外,AAR損傷破壞了混凝土本身的力學性能,而鋼筋周圍密實性差的混凝土,可能會使鋼筋-混凝土界面出現較大的裂縫孔隙,較大的孔隙中氧氣含量高,使銹蝕反應充分發生,產生大量的鐵銹。當鐵銹的積累和體積膨脹產生的環向應力超過混凝土覆蓋層的極限抗拉強度時,導致混凝土保護層開裂以及隨后更多的氧氣(和水)進入,可能形成更嚴重的腐蝕破壞。

3 結 論

本文基于鋼筋尺寸、損傷時間等因素,探討鋼筋混凝土結構AAR對銹蝕的影響,通過AAR損傷后銹蝕獲得的材料損傷指標,量化其影響,明確了膨脹率和銹蝕率之間的動態量化關系,闡明了AAR對銹蝕的影響機制,得到以下結論。

(1) 鋼筋銹蝕程度和除銹后測得的銹蝕率隨著AAR反應時間的增加而增大。

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

(3) 縫隙的存在和鋼筋表面不連續的AAR凝膠堆積會導致不同的表面環境形成,從而降低鋼筋的氯離子臨界濃度,加快銹蝕反應發生。

(4) AAR裂縫開展會使更多的氯離子進入混凝土內部并加速銹蝕反應發生。

(5) AAR凝膠體會填充混凝土內部孔隙及裂縫,導致銹蝕試驗中“氯化物堵塞”情況出現,較多積聚的氯化物參與鋼筋銹蝕反應,導致銹蝕更強、銹蝕率更高。