腐蚀环境下带裂缝钢筋混凝土研究.pdf

江西建材2023年4月试验与研究腐蚀环境下带裂缝钢筋混凝土研究李昌明1.21.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建福州350100;2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州350100摘要：文中在氯化物对钢筋混凝土的腐蚀机理的基础上，阐述腐蚀环境对带裂缝钢筋混凝土影响的相关要素，分析干湿交替对钢筋混凝土的影响因素，研究干湿循环条件下，CI对钢筋混凝土试件的影响，探究试验材料、试验方式以及试验结果，以期为类似工程提供参考。关键词：腐蚀环境；钢筋混凝土；裂缝；干湿循环；试验方式中图分类号：TU528文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 90（2 0 2 3）0 4-0 0 0 7-0 3Research on Reinforced Concrete with Cracks in Corrosive EnvironmentsLi Changming1.Fujian Provincial Institute of Building Science and Technology Co.Ltd.,Fuzhou,Fujian 350100;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology,Fuzhou,Fujian 350100Abstract:On the basis of clarifying the corrosion mechanism of chloride on reinforced concrete,this article elaborates on the relevantelements of the impact of corrosive environment on cracked reinforced concrete,analyzes the factors that affect the dry wet alternation onreinforced concrete,and takes the influence of CI on reinforced concrete specimens under dry wet cycling conditions as a study to explore theexperimental materials,methods,and results,in order to provide reference for similar projects.Key words:Corrosive environment;Reinforced concrete;Cracks;Dry wet cycle;Test method0引言钢筋混凝土作为建筑领域中最为常用的建筑材料之一，发挥着重要作用，但其使用性能也受到各种环境因素的影响。如当钢筋混凝土处于腐蚀环境中，受到混凝土内外温差等多重因素的影响，易导致裂缝产生。带裂缝钢筋混凝土在腐蚀环境下会受到更为明显的侵蚀作用，尤其是在部分氯盐含量较高的地区，带裂缝钢筋混凝土粉化、锈蚀的速度将会更快，结构安全性和耐久性均会受到不良影响。1氯化物对钢筋混凝土的腐蚀机理如果钢筋混凝土所处环境的土壤和地下水等存在大量的氯化物，将会在很大程度上影响结构的耐久性。例如，在我国沿海地区、盐碱工业区、内陆盐碱地、西部盐湖和盐卤地区等环境中，不仅混凝土拌制所使用的水和粗细骨料中可能存在较多的氯化物，同时钢筋混凝土的工作环境也易受到氯化物的侵蚀，这类物质对钢筋混凝土的腐蚀机理主要体现在以下两个层面。1.1氯化物腐蚀混凝土的机理（1）M g Cl 2 能够与混凝土中的Ca相结合，从而生成能够溶于水的CaCl2，导致混凝土产生孔隙。（2）如果混凝土所处环境为沿海地区，其含有的Ca（O H）2能够与海水中存在的MgSO4发生反应，生成CaSO4，此后，还会与铝酸钙反应，进而生成硫铝酸钙，导致混凝土结构出现膨胀破坏的现象。（3）盐分子会在混凝土的毛细管中逐渐上升、结晶、聚集，作者简介：李昌明（198 3-），男，福建晋江人，本科，工程师，主要研究方向为工程材料检测。最终导致混凝土出现胀裂。1.2氯化物腐蚀钢筋的机理（1）CI能够对钢筋的钝化层造成破坏。（2）CI 可以与钢筋中的铁相结合，共同组成原电池，导致钢筋表面生成坑蚀。（3）CI与钢筋中的铁离子发生反应，进而产生FeCl2,FeCl2在水中溶解，并生成Fe（O H）2，导致CI被重新释放出来，由此出现反复的反应，在这个过程中，钢筋会被不断破坏与腐蚀。值得注意的是，CI对钢筋钝化层的破坏并不是在其到达钢筋表面就已经开始，而是当存在的CI的浓度高于导致钢筋腐蚀的临界CI浓度之后，才会对其钝化层造成破坏，导致钢筋腐蚀。另外，当CI或OH的浓度大于0.6 mol/L时，钢筋的钝化层将会被破坏，少量的CI即可以导致腐蚀情况的产生，并出现恶性情况。2三干湿交替对钢筋混凝土的影响除了CI是影响钢筋混凝土结构性能的一项重要因素外，干湿交替也是影响钢筋混凝土结构性能的一项关键因素。在干湿循环的作用下，钢筋混凝土受CI的侵蚀进程被加快，从而进一步影响钢筋混凝土的耐久性能。因此，在研究腐蚀环境对带裂缝混凝土的影响时，需要将氯化物作为考虑的要素之一，同时还需要将干湿循环纳人考虑的范畴中。3腐蚀环境下带裂缝钢筋混凝土的变化试验在研究腐蚀环境下带裂缝钢筋混凝土的变化时，采取试验的形式，选用存在不同宽度裂缝的钢筋混凝土试件作为试验对象，模拟干湿循环条件下CI对钢筋混凝土试件的影响。3.1试验材料.8下转第12 页2023年4月试验与研究江西建材试验中所用原材料主要包括S95级矿渣粉、级粉煤灰、河砂、碎石、HPB300光圆钢筋、阻锈剂、P042.5水泥等。为研究干湿循环条件的CI对钢筋混凝土试件的影响，依据JGJ55一2 0 11普通混凝土配合比设计规程，设计了两种配合比，分别为普通混凝土和耐腐蚀混凝土两种配合比，详见表1。表1两种混凝土配合比kg/ma材料水水泥粉煤灰矿粉石砂阻锈剂名称普通2305175809896060耐腐蚀2302011152599896068.625依据表1，分别成型10 0 mm100mm550mm的混凝土试块。在成型过程中，在试块的中心位置依据要求分别放置一根6mm光圆钢筋，放置方向与试件的最长边平行。放置的钢筋分为两种，即不加任何处理的钢筋和经过阻锈剂涂抹的钢筋。在混凝土终凝之前，在部分模具中放置厚度为0.0 5mm、0.10 m m 和0.20mm的不锈钢片，在脱模之后，将其取出，余下试件模具中则不放置不锈钢片。放置不锈钢片主要目的在于模拟钢筋混凝土中存在的裂缝，制作出的钢筋混凝土分别为无裂缝、0.0 5mm裂缝、0.10 mm裂缝、0.2 0 mm裂缝的试件。3.2试验方法干湿循环条件下CI对钢筋混凝土试件的影响的试验，主要通过试验设备来模拟含有CI的腐蚀环境。成型脱模后对试件进行14d的养护，养护结束后使用烘干设备对试件进行烘干处理。选择浓度为3.5%的NaCl溶液模拟含有CI的腐蚀环境，以2 4h为一个干湿循环周期，在每个周期开始时将钢筋混凝土试件在NaC1溶液中浸泡15h后，取出后风干1h，然后在（8 0 5）下烘干6 h，再冷却2 h。整个试验过程共需经历32个循环周期，每经历两个干湿循环后，使用半电池电位法检测钢筋的情况，对其腐蚀情况进行判定。在结束32 个试验周期之后，将钢筋混凝土试件中的钢筋取出，依据GB/T50344一2 0 19建筑结构检测技术标准对其腐蚀情况进行观测，并将与钢筋接触区域周边范围内的混凝土进行磨取从而获得砂浆粉样，检验其中存在的CI含量。3.3试验结果分析3.3.1普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀程度通过半电池电位法对普通钢筋混凝土试件中锈蚀状态进行检测，检测的钢筋腐蚀电位变化情况见表2。表2普通钢筋混凝土试件中钢筋的半电池点位变化曲线mV试块编号COC1C2C3半电池电位05d-10-50-10-50-10110-10-210510d-50-100-580-570-630-620-630-6101015d-130-180-550-580-630-580-600-6401520d-190-220-600-570-650-595-580-5952025d-240-320-580-590-630-660-630-6602530d-340-440-570-530-590-600-620-6103035d-440580-530-500-600-570-610-595在表2 中,CO表示无裂缝钢筋混凝土试件，C1、C 2、C 3则分别表示裂缝宽度为0.0 5mm、0.10 m m、0.2 0 m m 的钢筋混凝土试件。从中可以看出，当普通混凝土不存在裂缝时，在18 个干湿循环的试验周期中，随着循环龄期不断增加，半电池点位的变化幅度不大，基本保持在-2 0 0 mV以下的区间。在18 个干湿循环龄期后，半电池电位演变为负向大于-2 0 0 mV的情况。而对于存在裂缝的混凝土，经历8 个干湿循环龄期之后，半电池电位已经达到负向最大，超出-6 0 0 mV。由此可见，无裂缝的试件其内部的钢筋在经历干湿循环周期时出现的半电池变为增长变化幅度相对较小，而其余三个存在裂缝的试件则呈现出变化幅度较大的特点，且变化趋势基本相同。其中，带裂缝钢筋混凝土受腐蚀环境的影响明显大于无裂缝的钢筋混凝土，且裂缝的宽度大小对锈蚀程度无明显影响。通过试验结果发现，无裂缝的钢筋相较于带裂缝钢筋混凝土，其锈蚀程度相对较轻，发生锈蚀的时间也相对滞后。3.3.2耐腐蚀型钢筋混凝土中钢筋锈蚀程度表3为耐腐蚀抗裂钢筋混凝土试件中钢筋的半电池点位变化曲线，其中，RO为无裂缝钢筋混凝土试件,R1、R 2、R 3则分别表示裂缝宽度为0.0 5mm、0.10 m m、0.2 0 m m 的钢筋混凝土试件。从表3中可以看出，在实现的过程中，无裂缝缝混凝土中钢筋的半电池点位长期保持在-2 0 0 mV的区间，钢筋锈蚀可能性较低。带裂缝耐腐蚀混凝土中钢筋的半电池点位在第2 2 个龄期左右到达了负向最大值，保持在-6 0 0 mV左右。研究表明，耐腐混凝土相比普通混凝土具备更好耐腐蚀性能，但是当混凝土裂缝宽度越大，锈蚀情况越严重。表3市耐腐蚀抗裂钢筋混凝土试件中钢筋的半电池点位变化曲线mV试块编号ROR1R2R3半电池电位05d-10-50-10-60-10-80-10-90510d-80-130-340-370-580-600-600-6001015d-140-125-330-310-595-580-580-5901520d-170-180-300-300-580-580-590-6002025d-160-190-290-310-575-560-610-5802530d-180-190-320-300-565-565-590-5803035d-190-180-300-310-565-550-580-5703.3.3带阻锈剂与不带阻锈剂的钢筋锈蚀情况对比本次试验中所用钢筋分为涂抹阻锈剂和未涂抹阻锈剂。普通钢筋混凝土试件中，涂抹阻锈剂的普通无裂缝钢筋混凝土试件在使用半电池电位法进行检测时并未出现明显的锈蚀情况，涂抹阻锈剂的普通带裂缝钢筋混凝土试件中的钢筋在检测时也未出现明显锈蚀。且经过试验发现，涂抹阻锈剂的钢筋材料锈蚀情况与裂缝有无或大小并无明显的关系。从上述结果中可以看出，涂抹阻锈剂能够有效防止钢筋出现锈蚀情况3.3.4钢筋表层混凝土砂浆中CI的含量带裂缝钢筋混凝土中的裂缝及其宽度将会直接影响到混凝土之中CI的扩散情况。在无裂缝钢筋混凝土试件之中，C1的含量相对较低，而在带裂缝钢筋混凝土之中，随着裂缝宽度的扩大，混凝土之中CI的含量也就更高。与此同时，相较于普通混凝土，耐腐蚀抗裂混凝土之中的CI含量相对较低，这表明此类混凝土的耐腐蚀性能较为理想。4结论综上所述，在盐碱地区、沿海地区、盐湖地区等区域工作的钢筋混凝土处于腐蚀环境中，会受到干湿循环和CI的影响。相较于无裂缝的钢筋混凝土，带裂缝钢筋混凝土受CI和干湿循环的侵蚀作用更加明显，而选用耐腐蚀抗裂混凝土和在钢筋表面涂刷阻锈剂的形式可以有效提高其耐腐蚀性能。参考文献1】苏丽珠.轴压荷载作用下BFRP约束海水海砂混凝土的长期力学性能研究【D.广州：广东工业大学，2 0 2 2.12上接第8 页）2023年4月试验与研究江西建材表10两种级配混合料试验参数最大干密度最大理论密度试件毛体积密度级配水泥剂量/%最佳含水率/%空隙率/%/(g/cm)/(g/cm)/(g/cm)断级配54.372.3852.7582.6812.79连续级配54.252.3722.7492.6423.893迷断级配水泥稳定碎石材料性能研究3.1抗压强度本文采用静压法成型150mm150mm圆柱形试件，得到两种不同级配的水泥稳定碎石在7 d、2 8 d、9 0 d 龄期时的无侧限抗压强度变化曲线，如图1所示。12普通连续级配水泥稳定碎石设计断级配水泥稳定碎石10.811109.198.6877.475.9965020406080100龄期/d图1不同级配无侧限抗压强度随龄期增长变化曲线经图1对比，设计断级配水泥稳定碎石的无侧限抗压强比普通连续级配水泥稳定碎石更高。而随着时间的推移，设计断级配水泥稳定碎石的抗压强度优势逐渐显现，特别是在9 0 d龄期时，其抗压强度已经达到10.8 MPa，比普通连续级配水泥稳定碎石高出2 5.6%。同时，从曲线趋势可以看出，设计断级配水泥稳定碎石的抗压强度还有继续提升的可能性。3.2弯曲强度采用了静压法成型梁形试件，其尺寸为150 mm150mm550mm。在试件90 d龄期时，以三点加压的方式对试件进行了弯曲强度测定，加载速率为50 mm/min。试验结果见表11。表11弯曲强度试验结果断级配水泥稳定碎石普通连续级配水泥稳龄期/d弯曲强度/MPa定碎石弯曲强度/MPa71.851.67282.101.92902.342.102高高源.海水海砂混凝土中氧气扩散及对钢筋锈蚀影响研究【D】.青岛：青岛理工大学，2 0 2 2.3 沈孛，刘立渠，刁波，冻融侵蚀环境下持续荷载裂缝和人工裂缝对CI扩散及寿命预测的影响【J.工业建筑，2 0 2 1，51（6）：170-175,155.【4蒋一星.荷载耦合作用下RC梁盐雾环境加速试验方法及损伤机由表11可知，断级配水泥稳定碎石90 d的弯曲强度相较普通连续级配提高了11.4%。这一提高是因为断级配水泥稳定碎石中的粗骨料之间存在较强的嵌挤作用，从而使其结构更加稳定。4结论（1）参照贝雷法设计原则得到所选集料的临界粒径，并确定形成干涉的混合料级配断点粒径范围为3.2 6.3mm。（2）基于粗集料的振实密度试验和胶砂填充设计思想，用粗集料作为骨架，细集料级配及水泥胶凝材料进行填充，以此组成体积法设计公式，得到最佳含水率再代人公式对细集料含量进行微调，得到断级配水泥稳定碎石基层优化级配曲线。（3）设计的水泥胶结断级配碎石基层的抗压强度和弯拉强度均优于普通连续级配水泥稳定碎石，具有优良的力学性能。参考文献【1】李自立.骨架密实结构水泥稳定碎石基层矿料级配验证J】.低碳世界，2 0 18（5）：2 13-2 14.2戴建华.水泥稳定碎石基层材料配合比设计优化探讨J】.公路交通科技（应用技术版），2 0 2 0，16（10）：139-141.3葛鹏.公路基层级配碎石设计及CBR性能试验J.福建交通科技，2 0 2 1（4）：2 6-2 9.4李天宇，王朝辉，李彦伟.断级配综合稳定碎石的路用性能J：筑路机械与施工机械化，2 0 17，34（9）：51-54.5张天军，陈佳伟，武振虎，等.2 种典型嵌挤骨架配比下混合煤样的渗透特性J.西安科技大学学报，2 0 19，39（3）：38 8-394.【6 丁滔，金珊珊，索智，等.嵌锁式沥青稳定碎石配合比设计及性能研究J.材料导报，2 0 2 2，36（S1）：2 15-2 19.7李李涛，邹静蓉，汤显平，等.贝雷法在半刚性基层中的应用J.公路，2 0 18，6 3（12）：19-2 3.8沈凯，程理.水泥稳定碎石断级配组成的贝雷法设计试验研究J.黑龙江交通科技，2 0 2 3，46（2）：1-4.【9】尹锦明，朱凯，许昊杰，等.基于贝雷法与泰波法的孔隙型水泥稳定碎石设计J.江苏建材，2 0 18（3）：5-7.理研究D.重庆：重庆交通大学，2 0 2 1.5马俊涛，刘晓江。钢筋混凝土中钢筋锈蚀原理的研究J卷宗，2020（9):57.6曹琨，付玉彬，李伟华.迁移型阻锈剂对混凝土钢筋的保护作用J.材料保护，2 0 10，43（6）：6 8-7 1.