混凝土保护层锈胀裂缝扩展规律试验研究.pdf

第 4 6卷第 3期 2 0 1 0年 3月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Ga n s u W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy dr o p o we r Te c hn o l o g y V o 1 4 6 ， No 3 M8 r ， 2 01 0 设计与研 究 混凝土保护层锈胀裂缝扩展规律试验研究 施志业 ， 郑建军， 周欣竹 ( 浙江工业大学 建筑工程学院， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 ) 摘要： 基于通电加速腐蚀方法， 研究了4种试件的表面开裂时间和表面裂缝宽度随时闻的演化。开裂初期。 表面裂缝 宽度随时间缓慢增大。 当裂缝宽度达到一定值后 ， 表 面裂缝宽度随时间迅 速增 大 ， 最后呈稳定扩展趋势； 纵向钢 筋的 锈蚀并不均匀， 钢筋面向保护层一侧 的钢筋表 面锈蚀较为严 重。 关键词 ： 混凝 土； 耐 久性 ； 保护层 ； 裂缝 宽度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 0引盲 作为一种传统的结构形式，混凝土结构在土木工程领域 有着举足轻重的地位。 但是长期以来， 由于对沿海和道桥等在 环境或使用过程中存在大量氯离子的条件下的耐久性考虑不 足 ， 目前 已在国内外造成相当大的损失。因此 ， 如何提高在氯 离子侵蚀条件下混凝土的耐久性能， 是当前研究的热点问题。 在混凝土结构耐久性问题 中， 最主要 的是钢筋锈蚀。钢 筋锈蚀不仅减少钢筋的截面积， 降低结构的承载力 ， 而且由 于钢筋锈蚀生成的锈蚀产物体积是原钢筋体积的 2倍一 4 倍 ， 产生很大的锈胀力 ， 造成混凝土保 护层顺筋开裂 、 保护层 开裂 J 】 。一旦保护层开裂， 外部环境中的腐蚀介质更容易侵 入到混凝土内部， 加剧钢筋锈蚀， 表面裂缝宽度进一步增大， 整个结构进人了一个恶性循环直至破坏。因此 ， 研究保护层 表面裂缝宽度演化规律非常重要 ， 一方面可为新建混凝土结 构的耐久性设计提供重要理论依据， 另一方面也为服役结构 的维护， 尤其是维修时间的选择提供重要参考。 目前国内外在理论分析和试验研究方面取得的进展中， 王海龙等基于断裂力学建立了混凝土锈胀开裂模型， 通过引 入一些假设并考虑混凝土的软化特性， 提出了混凝土保护层 锈蚀损伤全过程计算方法 ； 郑建军等通过建立和求解微分 方程， 获得保护层初裂时间、 完全开裂时间和每一时刻的锈 胀力 3 ； 李海波等用通电加速腐蚀方法研究了表面裂缝宽度 与钢筋锈蚀率之间的对应关系 ； We y e 等通过内掺氯离子 的加速方法模拟了混凝土保护层锈胀开裂， 获得了各种条件 下的初裂时间5 。 但是在保护层开裂后的裂缝随时间的演化 规律方面还鲜有文献记载， 因此， 本文将在前人工作的基础 上利用通电加速腐蚀方法研究保护层表面开裂后 ， 在不同影 响因素下， 裂缝随时间演化规律。 1 混凝土保护层开裂过程 在沿海混凝土结构中，由于在海水中大量存在氯盐化 合物， 通过各种物理化学作用， 氯离子会穿过混凝土保护层 而到达钢筋表面， 当氯离子浓度达到一定值时， 即使混凝土 内部的 p H值较高， 也会破坏钢筋钝化膜 ， 钢筋表面的钝化 膜破坏后 ，环境 中的氧气和水逐 渐透 过保 护层到达钢筋表 面 ， 发生 电化学腐蚀而生成锈蚀产物 6 】 。锈蚀产物的化学成 分十分复杂 ， 而且随着环境的改变而变化 ， 文献 5 把锈蚀产 物统一表示成 m F e ( O H) ： n F e ( O H) ， P H 2 0 ， 并给出了各种 锈蚀产物的体积膨胀率。 由于混凝土在浇筑和硬化过程中， 钢 筋表面形成一层水膜 ，使得钢筋与混凝土界面处的水灰比较 大， 形成高孔隙率的界面层， 另外由于混凝土浇捣受钢筋的影 响， 界面层往往不能充分密实 使得钢筋与混凝土之间存在厚 度约为 1 2 5 m的环形孔隙 。因此， 在钢筋锈蚀初期， 所产 生的锈蚀产物主要用来填充界面环形孔隙 ， 并不产生锈胀力 ( 图 1 a ) 。 当所产生的锈蚀产物体积大于界面环形孔隙体积后 ， 由于锈蚀产物对周围的混凝土施加径向膨胀压力， 使周围混 凝土产生环向拉应力( 图 1 b ) 。而混凝土的抗拉强度较低 ， 一 旦环向拉应力大于混凝土抗拉强度 ， 混凝土保护层内侧首 先开裂 ， 并且裂缝沿径向不断向外传播而最终贯穿整个保 护层 ， 随后 表面裂缝宽度 随时间不断增大 ( 图 l c ) r J 。 2试验材料和方案 2 1 试 验材料 本试验采用湖北黄石华新水泥厂生产的 5 2 5 水泥。细 骨料采用级配良好并经过筛分的河砂， 细骨料粒径为 0 1 5 4 2 5 mm， 细度模数为 2 6 。粗骨料经过清洗和过筛， 去除杂 质和泥块， 骨料粒径为 5 2 0 m m。减水剂采用江苏建科院生 产 的聚羧酸系减水剂 。用 自来水进行拌和。钢筋选用 H R B 3 3 5级钢筋。 2 2 试 验 方 案 本试验混凝土按体积法配制，各水灰比的配合比和力 学性 能如表 1 所列 。混凝土 构件尺寸为 1 5 0 m mx l 5 0 ra m 4 0 0 mm，在模板的相应位置钻孔用于固定预埋钢筋并控制 保护层厚度 ，在制模时钢筋两端各露出混凝土 5 0 m m用于 收稿 日期 ： 2 0 l o - 0 3 一 o 4 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 8 1 9 6 ) 。 作者简介 ： 施 志业 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 浙江兰溪人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为混凝土结构耐久性。 】 6 第 3 期 施 志业 ， 等 ： 混凝土保护层锈胀裂缝扩展规律试验研究 第 4 6卷 混凝土 一 钢筋 、 9 1 r P r P 钢 a锈蚀产物填充界面孔隙 b锈蚀产物施加锈胀力 c裂缝产生与传播 图 1 混凝土保护层锈胀 开裂示意 表 1 混凝土配合 比和力学性能 配合 比 力学性能 水灰比 水： 砂： 粗骨料： 水泥 减水剂 抗压强度， MP a 抗拉强度 MP a 弹性模量， GP a 0 4 1 ： 4 5 9 ： 7 0 7 ： 2 5 0 0 3 0 5 6 9 4 4 3 0 4 3 7 7 0 5 1 ： 4 1 9 ： 6 46 ： 2 O 0 0 1 0 5 02O 3 8 9 3 9 2 2 0 6 1 ： 3 91 ： 6 03 ： 1 6 6 0 O 0 3 2 22 3 53 3 4 2 9 连接导线。 试件分别按钢筋直径 、 水灰 比、 保护层厚度和 电流 强度不同分为 9种 ，每种 4个试样 以消除数据 的离散性 ， 各 组试件的参数见表 2 。试件 完成养护后 ， 连接好 导线 并在试 件两端涂上环氧树脂进行密封。通电前 ， 将试件放入 3 5 的 盐水 中静置 3 d ， 让盐 水充分浸透试 件 ， 然后通 过直流稳 压 电源和电阻施加稳定 的直流电 ，使钢筋 阳极快速腐蚀生锈 ， 试验装 置示意 图如图 2 所示 。 表 2 各组试件的参数 图 2实验装置示意图 3 试验结果及分析 通 电后 ， 盐水 中很快 出现黄 褐色锈蚀 产物 ， 钢筋开始 锈 蚀。 随着试验的进行 ， 混凝土表面出现些许裂缝。 表面混凝土 开裂后 ， 盐水 和氧气不断通 过裂缝侵入到混凝土 中 ， 进一 步 加速锈蚀 ， 产生更多 的黄褐色锈蚀产物 ， 随着时间的推移 ， 裂 缝沿纵向扩展并最终延至整个构件。 从该图 3 到图 6 可 以看 出， 钢筋在通 电锈蚀后 ， 经过十几 到二 十多天的锈蚀产物的累积 ，能使保护层表面达到抗拉应 力而开裂。 在混凝土表面开裂后 的初期 ， 裂缝宽度 随时间发展 比较缓慢 ， 之后又一个加速开裂 的过程 ， 最后达到一个相对稳 定 的增量。 这种现象可解释如下 ： 一方面 ， 开裂初期 ， 表面裂缝 为锈蚀产物溢出提供通道， 释放了部分锈胀力； 另一方面保护 层本身还有具有一定的刚度 ， 阻止裂缝增大。 随着表面裂缝宽 度的增大， 保护层刚度迅速下降， 当裂缝宽度达到某一值后， 保护层刚度几乎降为零 ， 裂缝宽度随时间迅速增大。 从图 3 可以看出， 尽管减小水灰比可以提高混凝土的力 学性能和密实性， 降低环境中的侵蚀介质侵入混凝土内部的 风险 ， 有利 于混凝土 耐久性 能。 但 是在钢筋开始锈蚀 以后 ， 在 同等条件下 ， 减 小水 灰比并不 能明显减小裂缝宽度。这是 由 于减小水灰比后，混凝土的抗拉强度和弹性模量同时增大， 而在产生 的锈蚀产物相等时 ， 弹性模量的增 大会使 混凝土 的 表面应力 同样增大。由于两者存在相互抵消的效应 ， 故降低 水灰 比并 不能显著改善结构服役 后期 ， 即钢筋 开始锈蚀 以后 的耐久性 能。 对于给定的时间， 当降低腐蚀电流密度时， 意味着相同 时间内产生的锈蚀物少 ， 也就是产生更小的锈胀力 ， 可以很 好的推迟保护层开裂时间和减小裂缝的宽度。 相应的工程环 境中， 为了减小腐蚀电流密度， 可以通过相应的减小钢筋表 面腐蚀介质的浓度。由于环境中的侵蚀介质的浓度是一定 的 ， 要达 到耐久性较 高的混凝土结构 ， 可 以采用在 混凝 土 中 掺入矿物超细粉， 混凝土表面刷保护性涂层等措施。 而增 加保 护层厚度 之后 ， 一方面能延迟环境 中的侵蚀物 1 7 2 0 1 0年第 3期 甘肃水利水 电技术 第 4 6卷 髓 憾 宕 越 时问， d 图 3 不同水灰 比条件下裂缝宽度与时间的关系 时间， d 图 5 不同保护层厚度下裂缝宽度与时间的关系 质到达钢筋表面，同时降低到达钢筋表面的腐蚀介质浓度 ； 另一方面， 在其他条件相同时， 保护层厚度的增大可以减小 混凝土表面的拉应力从而推迟开裂，并在保护层开裂后， 由 于厚度较大增加了环境到钢筋表面通路的曲折性， 使得保护 层开裂后 ， 其前期裂缝一直以很慢的速率增长。但随着裂缝 宽度的进一步加大， 减小了这种效应， 因此， 厚度大的保护层 的裂缝扩展速度在后期明显大于厚度小的保护层。而且 ， 保 护层厚度过大 ， 会增大施工难度， 对结构的力学承载力也有 不利影响 ， 所以根据不同的环境类型和拟设计的结构 或构件 耐久性年限， 确定一个合理的保护层厚度是非常重要的。 不 同钢筋直径 的混凝土试件平均表面裂缝 宽度与时 间 的关系如图 6 所示。 从该图可以看出 ， 对于给定 的时间 ， 裂缝 宽度随着钢筋直径的增大而减小， 这是因为在保护层厚度和 电流密度给定的情况下， 锈蚀产物厚度随着钢筋直径的增大 而减小c 5 ； 另外 ， 由于钢筋和混凝土的力学性能截然不同， 在 保护层中产生应力集中， 而且应力集中系数随着钢筋直径的 减小而增大， 说明在不考虑结构受力状况的影响时 ， 采用大 直径钢筋更有利于结构耐久性。 试验结柬后， 敲碎混凝土取出钢筋， 发现整个纵向钢筋 各处的锈蚀程度不一样， 钢筋两端锈蚀最为严重， 而面向保 护层一侧的钢筋比背向保护层一侧的钢筋锈蚀明显严重 ， 这 是由于钢筋两端和面向保护层一侧的钢筋在保护层开裂后 与外界直接贯通 ， 氧气供应比较充足， 腐蚀加速。 4 结论 ( 1 )采用直流通电法获得了三种混凝土试件表面混凝 1 8 量 赵 撼 寇 韫 时间， d 图 4 不 同电流密度下裂缝宽度与时间的关系 时间， d 图 6 不同钢筋直径下裂缝 宽度 与时 间的关系 土表面开裂时间和表面裂缝宽度与时间的关 系， 发现在开裂 初期， 表面裂缝宽度随时缓慢增大， 当裂缝宽度达到一定值 后 ， 表面裂缝宽度 随时间迅速增大 。 ( 2 )增加保护层厚度， 增大钢筋直径， 减小腐蚀电流密度 能延缓混凝土锈胀开裂时间， 并使开裂后的裂缝宽度相对减小。 ( 3 ) 水灰比的降低尽管有利于混凝土的密实性， 可以延长 外界腐蚀性介质穿透保护层到达钢筋表面的时间， 但一旦钢筋 开始锈胀开裂， 水灰比的变化对耐久性能的影响并不显著。 ( 4 )纵向钢筋面向混凝土保护层一侧锈蚀比较严重， 并 随着钢筋直径的增大， 这种趋势更加明显。 参考文献 ： 1 牛荻涛， 王庆 霖， 王林科 锈蚀 开裂前混凝土 中钢筋锈蚀量 的预 测模 型 J 工业建筑， 1 9 9 6 ， 2 6 ( 4 ) ： 8 1 O 2 王海龙， 金伟良， 孙晓燕 基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈 胀开裂模型 J 水利学报， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 7 ) ： 8 6 3 8 6 9 3 郑建军， 周欣竹 钢筋混凝土结构锈蚀损伤的解析解 J 冰 利学 报， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 2 ) ：6 2 6 8 4 李海波，鄢飞， 赵羽习， 等- 钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈 胀力模型 J 浙江大学学报( 工学版) , 2 0 0 0 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 1 5 - 4 2 2 5L I U Y P ，WE Y E R S R E Mo d e l i n g t h e t i m e t o - e o r r o s i o n c r a c k i n g i n c h l o r i d e c o n t a mi n a t e d r e i n f o r c e d c o n c r e te s tr u c t u r e s J A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 6 ) 6 7 5 6 8 1 6 杨卫东， 刘建民， 迟培云 沿海地区钢筋混凝土的腐蚀及其防护 J ， 混凝土， 2 0 0 3 ， ( 8 ) ： 2 2 2 4 7袁迎曙， 姬 永生， 牟艳君 混凝 土内钢筋锈蚀层 发展和锈蚀量 分 布模型研究 J 土木工程学报， 2 0 0 7 ， 4 O ( 7 ) ： 5 1 O