張 勇，杜修力，李 悅，顏 超

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

荷載與溶液腐蝕耦合作用下鋼筋銹蝕速率試驗(yàn)研究

張 勇1，2，杜修力2，李 悅2，顏 超2

(1．中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2．北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

采用半電池電位法和線性極化法，把鋼筋混凝土試件和水槽構(gòu)件浸泡在不同配合比5%硫酸鎂溶液中，在無荷載、0.1倍應(yīng)力荷載和疲勞應(yīng)力荷載條件作用下進(jìn)行了鋼筋銹蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在硫酸鎂溶液環(huán)境下，減小水膠比，增加粉煤灰或礦粉摻量，增加保護(hù)層厚度可以降低鋼筋銹蝕速率;應(yīng)力荷載和疲勞荷載作用會(huì)加快鋼筋銹蝕速率，疲勞荷載作用下鋼筋銹蝕速率大于荷載作用下的銹蝕速率、大于無荷載作用下的銹蝕速率。疲勞荷載與硫酸鎂耦合作用下試件的銹蝕速率比荷載與硫酸鎂溶液耦合作用下銹蝕速率大，并隨著作用時(shí)間的延長，兩者的銹蝕速率差加大。

半電池電位 線性極化 鋼筋銹蝕 荷載 硫酸鎂

鋼筋混凝土耐久性破壞的主要原因包括碳化、硫酸鹽侵蝕、堿—集料反應(yīng)、凍融作用和鋼筋銹蝕等因素。其中鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土耐久性的首要因素，也是所有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物中破壞范圍最大的。有效防止鋼筋銹蝕，是解決鋼筋混凝土耐久性問題的關(guān)鍵。

本試驗(yàn)采用半電池電位法和線性極化方法，在硫酸鎂溶液與無荷載、應(yīng)力荷載和疲勞荷載耦合作用下，對不同水膠比、不同粉煤灰和礦粉摻量的鋼筋混凝土試件和水槽構(gòu)件進(jìn)行了鋼筋銹蝕試驗(yàn)，得出水膠比、摻合料和保護(hù)層厚度對鋼筋銹蝕程度的影響，并對硫酸鎂溶液與荷載耦合作用下混凝土鋼筋銹蝕速率的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 原材料和試驗(yàn)方法

原材料采用P．O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，F(xiàn)類I級(jí)粉煤灰，比表面積為443 m2/kg的S95級(jí)礦渣粉，細(xì)度模數(shù)2.8的Ⅱ區(qū)級(jí)配中砂，5.0～31.5 mm連續(xù)粒級(jí)花崗巖碎石，聚羧酸減水劑。

鋼筋混凝土試件尺寸100 mm×100 mm×300 mm，在試件對角處各放置一根鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度為20 mm。水槽構(gòu)件每邊高350 mm，寬1000 mm，厚100 mm，每邊中部放置鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度為50 mm。試件和構(gòu)件成型參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2002)進(jìn)行，成型時(shí)在試件和水槽構(gòu)件內(nèi)埋入直徑6 mm，長度300 mm的光面鋼筋，并在鋼筋兩端引出導(dǎo)線。試件配合比及檢測結(jié)果見表1。

試件和水槽構(gòu)件養(yǎng)護(hù)28 d后，在水槽內(nèi)注入5%濃度的硫酸鎂溶液，將試件浸泡在溶液中，部分試件浸泡同時(shí)施加0.1倍的抗彎應(yīng)力荷載。試件加載裝置示意見圖1。半電池電位法試件和水槽構(gòu)件浸泡齡期為2年。線性極化法試件浸泡齡期分別為30 d，90 d，150 d，210 d，270 d，330 d，390 d 和 450 d。疲勞荷載試驗(yàn)試件的最大荷載為0.5倍的抗彎應(yīng)力荷載，最小應(yīng)力荷載為0.1倍的抗彎應(yīng)力荷載。

2 鋼筋銹蝕的試驗(yàn)研究

2.1 半電池電位法定性測試

半電池電位法是目前無損檢測鋼筋銹蝕狀態(tài)的一種常用的方法，是對鋼筋銹蝕一種定性的測量，具有不確定性，因此還應(yīng)結(jié)合其他相關(guān)腐蝕信息進(jìn)行進(jìn)一步的定性和定量判斷。鋼筋腐蝕狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)參考美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制訂的《混凝土中無涂層鋼筋的半電池電位標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》(ASTM C876)，見表2，測量原理見圖2。依據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋電位的大小，定性判別鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

測試儀器采用瑞士生產(chǎn)的型號(hào)為ProCep Canin+的鋼筋銹蝕儀，單電極法進(jìn)行測試。選擇20個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距布置為5 cm×5 cm，測點(diǎn)讀數(shù)變動(dòng)不超過2 mV，然后計(jì)算平均值。用鋼絲刷和砂紙打磨測區(qū)混凝土表面，去除浮漿和污跡等，用接觸液將混凝土表面潤濕。

表1 混凝土配合比及檢測結(jié)果

圖1 試件加載示意

圖2 PARSTAT 2273測量原理圖

表2 電位測量法判別標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 半電位法鋼筋銹蝕測試

試件和水槽構(gòu)件在硫酸鎂溶液浸泡2年后鋼筋銹蝕情況測試結(jié)果如表3。由結(jié)果可見，無荷載條件下，水膠比0.38的B組試件在15%粉煤灰摻量的條件下出現(xiàn)了95%的銹蝕概率，摻30%粉煤灰和30%礦粉試件出現(xiàn)了50%的銹蝕概率;水膠比0.32的C組試件都出現(xiàn)了50%的銹蝕概率，說明增加粉煤灰和礦粉摻量和減小水膠比可以有效抵抗鋼筋銹蝕。在荷載作用下，水膠比0.38的B組試件發(fā)生銹蝕的概率均增加達(dá)到了95%;水膠比0.32的C組試件電位也有所提高，出現(xiàn)了50%的銹蝕概率，說明了荷載作用會(huì)增加鋼筋銹蝕發(fā)生的概率，減小水膠比會(huì)降低鋼筋銹蝕發(fā)生的概率。無荷載條件下，相同配合比的水槽構(gòu)件僅出現(xiàn)5%的鋼筋銹蝕概率，分析原因是水槽構(gòu)件5 cm的保護(hù)層厚度遠(yuǎn)大于試件2 cm的保護(hù)層厚度，有效地保護(hù)了鋼筋不受銹蝕。

表3 半電位法鋼筋銹蝕測試結(jié)果

2.1.2 鋼筋銹蝕驗(yàn)證

根據(jù)半電池電位法測試結(jié)果分析，浸泡在硫酸鎂溶液2年后，對于保護(hù)層厚度20 mm的試件鋼筋銹蝕情況的概率均超過50%，而對于保護(hù)層厚度50 mm的水槽構(gòu)件鋼筋銹蝕概率僅為5%。選擇試驗(yàn)編號(hào)B2試件和水槽構(gòu)件進(jìn)行鑿開試驗(yàn)驗(yàn)證。觀察發(fā)現(xiàn)試件中的鋼筋出現(xiàn)了銹蝕，而水槽構(gòu)件中的鋼筋未出現(xiàn)銹蝕情況，結(jié)果與表3試驗(yàn)測得的95%和5%銹蝕概率是一致的。

2.2 線性極化法定量測試

線性極化法是對被測鋼筋外加一個(gè)恒定電位，并保證擾動(dòng)信號(hào)足夠小從而使電壓與電流之間滿足線性關(guān)系，是一種簡單可靠的測量混凝土中鋼筋銹蝕速率的方法。

試驗(yàn)采用美國阿美特克公司生產(chǎn)的PAR2273恒電位儀，采用兩電極體系，其測量原理如圖2所示。儀器掃描速率為1 mV/s，掃描電位范圍－20～+20 mV，測試并計(jì)算得出鋼筋的銹蝕速率。參照《混凝土工程中鋼筋腐蝕檢測技術(shù)與評(píng)價(jià)》判斷鋼筋銹蝕狀態(tài)，判定標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 鋼筋銹蝕程度判定標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 硫酸鎂溶液作用下和硫酸鎂+荷載耦合作用下銹蝕速率試驗(yàn)

硫酸鎂溶液浸泡作用條件下和硫酸鎂溶液浸泡作用與應(yīng)力荷載耦合作用條件下，試件的鋼筋銹蝕速率變化見圖3和圖4。從圖中可以看出:①鋼筋的銹蝕程度隨著時(shí)間的增長逐漸增大，說明隨浸泡時(shí)間延長，鎂離子和硫酸根離子會(huì)緩慢侵入到混凝土內(nèi)部，與混凝土內(nèi)部組分發(fā)生反應(yīng)生成膨脹類礦物，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小裂縫，空氣和水分進(jìn)入導(dǎo)致鋼筋逐漸銹蝕;②0.38水膠比大于0.32水膠比的銹蝕速率，其原因是降低水膠比提高了混凝土的密實(shí)度，從而提高了鋼筋的抗銹蝕能力;③摻入粉煤灰或礦粉后鋼筋銹蝕速率降低，并隨摻量的增加銹蝕速率降低程度增加。分析其原因是:①礦渣和粉煤灰能夠提高混凝土的密實(shí)度和抗?jié)B性，減少混凝土內(nèi)部的微小裂縫和缺陷;②粉煤灰和礦粉代替部分水泥后，相對降低了鋁酸三鈣的含量，從而降低了其水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣的濃度，減少了鈣礬石的生成;③粉煤灰和礦渣還能夠消耗水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣，使得硫酸鎂對混凝土的侵蝕過程放慢，侵蝕程度降低在一定程度上削弱了硫酸鎂侵蝕溶液對混凝土的危害作用，從而減緩了試件的銹蝕速度;④無荷載作用下，鋼筋在330 d到390 d時(shí)銹蝕速率開始＞1×10－3mm/年，即鋼筋開始發(fā)生銹蝕。荷載作用條件下，試件的鋼筋銹蝕速率 ＞1×10－3mm/年的時(shí)間提前到270 d到310 d左右，說明荷載作用加快了鋼筋銹蝕速率。

圖3 鋼筋銹蝕速率隨浸泡時(shí)間變化曲線(W/B=0.38)

圖4 鋼筋銹蝕速率隨浸泡時(shí)間變化曲線(W/B=0.32)

2.2.2 硫酸鎂+疲勞荷載耦合作用下的鋼筋銹蝕速率

試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，由MTS液壓伺服系統(tǒng)按4 Hz頻率等幅加載10萬次。試件底部采用兩點(diǎn)支撐，支撐點(diǎn)距試件外側(cè)距離為20 mm;試件頂部兩支撐點(diǎn)位于三分點(diǎn)處。開始施加靜載至疲勞荷載最大值，再卸載至零，進(jìn)行兩次靜加載循環(huán)，然后按正弦波加載至疲勞荷載。在試驗(yàn)過程中，用放大鏡觀察試驗(yàn)中的試件，確保試件沒有出現(xiàn)表面裂縫和損壞。疲勞荷載試驗(yàn)后將試件浸泡在硫酸鎂溶液中，達(dá)到一定齡期后進(jìn)行測試。

硫酸鎂溶液和疲勞荷載耦合共同作用下，試件的銹蝕速率隨浸泡時(shí)間的變化見圖5和圖6。將圖5和圖6與圖3和圖4對比可以看出:①疲勞荷載作用、荷載作用和無荷載作用下鋼筋銹蝕速率發(fā)展規(guī)律趨勢是一致的，鋼筋銹蝕速率隨時(shí)間的延長而增大，隨摻合料的增加和水膠比的減小而減小，疲勞荷載作用下的鋼筋銹蝕速率＞荷載作用下的銹蝕速率＞無荷載作用下的銹蝕速率。②隨著浸泡時(shí)間的增長，疲勞試件的銹蝕速率比荷載作用試件有明顯的增加，且隨著浸泡時(shí)間的增加，疲勞試驗(yàn)試件的增幅更大。疲勞試件在浸泡的第150～230 d這段時(shí)間里開始發(fā)生鋼筋銹蝕(即銹蝕速率 ＞1×10－3mm/年)，早于受力試件(270～330 d)，說明疲勞荷載對鋼筋的銹蝕速率具有增大作用。

圖5 MgSO疲勞荷載耦合作用銹蝕速率(W/B=0.38)

圖6 MgSO疲勞荷載耦合作用銹蝕速率(W/B=0.32)

3 結(jié)論

1)硫酸鎂溶液環(huán)境下，采用減小水膠比，增加粉煤灰或礦粉摻量，增加保護(hù)層厚度等技術(shù)手段可以提高混凝土中鋼筋抗銹蝕能力。

2)硫酸鎂溶液環(huán)境下，無荷載作用、荷載作用和疲勞荷載作用下鋼筋銹蝕速率發(fā)展規(guī)律趨勢是一致的，都隨時(shí)間的延長銹蝕速率增大。荷載和疲勞荷載作用會(huì)加快鋼筋銹蝕速率，疲勞荷載作用下的鋼筋銹蝕速率＞荷載作用下的銹蝕速率＞無荷載作用下的銹蝕速率。

3)疲勞荷載與硫酸鎂耦合作用下試件的銹蝕速率比荷載與硫酸鎂溶液耦合作用下銹蝕速率大，并隨著時(shí)間的延長兩者的銹蝕速率差加大。

［1］馬孝軒．硅酸鹽材料在地下耐久性試驗(yàn)研究［J］．混凝土與水泥制品，1995(4):8-11．

［2］NEVILLE A．The confused word of sulfate attack on concrete［J］．Cement and Concrete Research，2004(34):1275-1296．

［3］DUSTAN M．Influence of mineral admixtures on the some properties and corrosion of steel embedded in sodium sulfate solution of concrete［J］．Materials Letters，2003(57):3222-3233．

［4］吳旭，石建光．混凝土工程中鋼筋腐蝕檢測技術(shù)與評(píng)價(jià)［J］．福建建筑，2007(5):52-54．

［5］倪繼森，何進(jìn)源．混凝土和鋼筋混凝土的腐蝕及其防護(hù)方法［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1990．

［6］成立，鄧春林，王新詳，等．鋼筋銹蝕狀況的分析研究［J］．鐵道建筑，2007(5):100-102．

［7］宋立元．海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)氯離子耐久性研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2009．

TU503

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．45

1003-1995(2013)04-0145-04

2012-10-25;

2013-01-20

北京市自然科學(xué)基金重大課題(8100001)

張勇(1974— )，男，山東聊城人，副研究員，博士研究生。

(責(zé)任審編 王 紅)