钢筋在不同强度等级混凝土中锈蚀行为的分析.pdf

1 0 6 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 4 l卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 钢筋在不同强度等级混凝土中锈蚀行为的分析 王倩 ， 徐海群 ( I 南京航空航天大学土木工程系， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ； 2 连云港市水利局， 江苏 连云港2 2 2 0 0 6 ) 摘要： 通过不同直径的光圆钢筋在不同强度等级混凝土中锈蚀至混凝土表面出现可见裂缝( 0 1 0 1 5 mm) 时的 锈蚀率对比试验， 从微观角度分析了光圆钢筋在不同强度等级混凝土中锈蚀行为。结果表明， C AO混凝土界面过渡 区要相对密实一些， 导致混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率较大； 在相同强度等级的混凝土中， 相对保护层厚度越 大， 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率也越大。 关键词： 混凝土； 钢筋 ； 锈胀裂缝； 锈蚀率 中图分类号 ： T U 7 4 6 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 0 1 1 0 60 3 An a n a l y s i s o f c o r r o s i o n be h a v i o r o f s t e e l ba r s i n d i ffe r e nt s t r e n g t h g r a d e s c o n c r e t e WA N G Q i a n x U Ha i q u n ( 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 L i a n y u n g a n g Wa t e r B u r e a u ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e c o r r o s i v e r a t i o o f s t e e l b a r s w i 出 d i ff e r e n t d i a me t e r e mb e d e d i n t h e c o n c r e t e i S s t u d i e d w h e n t h e wi d t h o f the c o r r o s i v e e x p a n d i n g c r a c k i s 0 1 0 1 5 I n n 1 C o r r o s i o n b e h a v i o r o f s t e e l b a r s i n t h e d i ff e r e n t s t r e n g t h g r a d e s c o n c r e t e i s a n a l y s e d f r o m mi c r o e c o n o mi c s s t an d p o i n t s R e s u l t s i n d i c a t e tha t i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e b e t we e n s t e e l b a r s a n d c o n c ret e w i t h C A0 i s S O d e n s e t h a t t h e c o r r o s i v e r a t i o o f s t e e l b a rs i s mo r e l a r g e r wh e n the e x p a n s i o n c r a c k i n g o f c o n c ret e p r o t e c t i v e l a y e r a p p e a r ， and t h e c o r r o s i v e r a t i o o f s t e e l b a rs i n c r e a s e d wi t h t h e i n c r e ase o f t h e r e l a t i v e t h i c k n e s s o f p r o t e c t i o n l a y e r i n t h e c o n c r e t e wi t h s a me s t r e n g t h gra d e Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； s t e e l b a r ； c o r r o s i v e e x p an d i n g c r a c k ； c o r r o s i v e r a t i o 0 引 言 混凝土中钢筋锈蚀是导致结构失效 的主要原 因 之一 _ I 。钢筋锈蚀对耐久性 的影 响主要有两个方 面： 一是钢筋锈蚀引起钢筋有效截面积的减少； 二是 埋在混凝土中的钢筋发生锈蚀 以后 ， 其产生 的铁锈 的体积是相应钢筋体积的2 4 倍 J ， 使得钢筋周边 混凝土界面处将 出现内部径 向裂缝 。随着钢筋锈蚀 的进一步加剧 ， 内部径向裂缝 向混凝土表面发展 ， 混 凝土保护层开裂， 引起顺筋裂缝、 保护层剥落， 使混 凝土与钢筋之间的粘结力下降， 并加剧钢筋锈蚀的 发展 ， 形成恶性循 环 ， 最终导致 结构的破坏 ， 严重影 响混凝土结构耐久性。因此， 研究钢筋锈蚀引起的 混凝土保护层开裂对评估混凝土结构耐久性劣化程 度至关重要。本文通过在相同气候环境条件下， 不 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 1 -06 作者简介： 王倩( 1 9 7 2一) ， 女， 江苏灌云人， 副教授， 在读博士， 主 要从事建筑材料教学工作及混凝土耐久性研究。 E ma i l ： b o y n 2 0 0 9 1 6 3 c o m 同直径 的光圆钢筋在不 同强度等级混凝土中锈蚀至 混凝土表面出现可见裂缝 ( 0 10 1 5 m m) 时的锈 蚀率对 比试验 ， 从微观角度分析 了光 圆钢筋在不同 强度等级混凝土中锈蚀行为 。 1 试验 1 1 试验材料 水泥采用 3 2 5级普通硅酸盐水泥 ； 石子采用连 云港马涧 山石子 ， 粒径为 5 2 0 mm， 连续级配 ； 砂为 山东郯城 区中砂 ， 细度模数 2 7 。试 验用混凝土 配合比及2 8 d 抗压强度见表 1 ； H P B 2 3 5级钢筋直径 分别为 ： 1 0 mm、 1 4 m m及 1 8 mm。 表 1 混凝土配合 比及 2 8 d抗压 强度 Ta b l e 1 Th e mi x p r o p o r t i o n a n d 2 8 d a y s c o m p r e s s i v e s t r e ng t h o f c o n c re t e 2 0 1 5 N o 1 王倩 ， 等： 钢筋在不同强度等级混凝土中锈蚀行为的分析 1 0 7 1 2 试验步骤 1 ) 选取钢筋， 要求其表面无缺陷， 然后在切割 机上切割成长度为 1 2 0 m m的钢筋段 。 2 ) 酸洗 除锈 ， 将 钢筋用 1 2 盐酸溶 液进行酸 洗 ， 经清水漂净后 ， 用石灰水 中和， 最后再 以清水 冲 洗干净。擦干待其干燥后 ， 用 电子天平 ( 感 量 0 0 1 g ) 称量钢筋初始质量。 3 ) 混凝土试件制作 ，试验试件 的混凝土保护层 厚度取 1 5 mm， 将直径为 1 0 mm、 1 4 m m与 1 8 mm的 H P B 2 3 5级钢筋分别浇筑于强度等级 为 C 2 0 、 C 3 0与 C 4 0混凝土 中， 每组 3个试件 。同时， 每个强度等级 的混凝土制作 3块标准立方体试块 以测定其 2 8 d抗 压强度。 4 ) 试件处理 ， 混凝 土试件标 准养护 2 8 d后 ， 测 定混凝土标准试块强度 ， 并将 其他试件进行加速锈 蚀试验。 5 ) 锈蚀试验 ， 将试件放入 N a C I 为 1 0 的溶液 浸泡 ， 混凝土的钢筋为活化状态时 ， 将试件从溶液中 取出并移人人工气候室， 使温度保持在( 2 01 ) c ( = 状态下 ， 相对湿度保持在( 9 0 5 ) 状态下。 6 ) 计算钢筋锈蚀率， 当试件表面出现可见裂缝 ( 0 1 0 1 5 m m ) 时， 停止试件养护并将试样破型， 取出其中的钢筋 ， 刮去钢筋上沾附的混凝土 ， 再按步 骤 2 ) 进行酸洗干燥后 ， 用电子天平称量钢筋锈蚀后 质量 。 钢筋锈蚀率按下式计算： Lw- 1 0 0 式中 钢筋锈蚀率 ( ) ； g 钢筋未锈前质量 ( g ) ； g 。 钢筋锈蚀后质量 ( g ) 。 2试验 结果 与分析 2 1 试验结果 加速锈蚀试 验结束后 ， 将试件破型并取 出锈蚀 钢筋 ， 发现氯离子侵蚀 环境 下的钢筋锈蚀表现 出明 显 的坑蚀现象 ， 且锈坑随机分布 ； 靠近混凝土保护层 一 侧的钢筋锈蚀严 重 ， 而相反一侧则 基本无锈 蚀。 这主要是 由于靠近保护层一侧的钢筋与外界交流更 通畅， 氧气和水分更充足， 故其锈蚀速率较快。研究 表明， 混凝土水灰 比越大 ， 养护时间越短 ， 强度越低 ， 渗透性越好 ， 钢筋锈蚀越快 J 。 直径为 1 0 mm、 1 4 m m与 1 8 m m 的 H P B 2 3 5级 钢筋在强度等级 为 C 2 0 、 C 3 0与 C 4 0混凝 土中锈蚀 至混凝土表面出现可见裂缝 ( 0 10 1 5 m m) 时的 钢筋锈蚀率见 图 1 。针对不 同强度 等级的混凝土 ， 相对保护层厚度与钢筋锈蚀率的关系见图 2 。 图 1 钢筋在不同强度等级混凝土 中的锈蚀率 Fi g 1 Co r r o s i v e r a ti o o f s t e e l b a r s i n c o n c r e t e wi t h d i ffe r e n t s t r e n g t h g r a d e 由图 1可见 ， 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀 率与混凝土强度 、 钢筋直径有关 。在混凝土保护层 厚度相同的情况下 ， 混凝土强度等级越大 ， 混凝土保 护层胀裂时的钢筋锈蚀率也越大； 在混凝土保护层 厚度及混凝土强度等级相同的情况下 ， 钢筋直径越 小 ， 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率越大 。 图2 相对保护层厚度与钢筋锈蚀率的关系 Fi g 2 The r e l atio ns h i p be t wee n r e l a tiv e t hi c kne s s o f p r o t e c tio n l a y e r a n d c o r r o s i v e r a t i o 由图 2可见 ， 在同一强度等级混凝土中， 相对保 护层厚度越大， 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率 也越大 ； 在相对保护层厚度相同时， 混凝土强度等级 越大， 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率也越大。 2 2 从 未锈蚀 钢筋 与混凝 土之 间的界面 过渡 区 ( I T Z) 分 析 图 3 5 为未锈光圆钢 筋的钢筋一 混凝土界面过 渡区 S E M 图， 显示 了未锈钢筋与混凝土间的界面构 造 。从混凝土硬化原理可知 ， 混凝土在粗骨料 、 钢筋 图 3 未锈钢筋与混凝土 间的界面 区 F i g 3 I n t e r f a e i a l t r a n s i tio n z o n e b e t wee n s t e e l b a r s a n d c o n c r e t e 1 0 8 四川建筑科学研究 第4 l 卷 界面会形成较 薄弱的过渡 区( 又称界面层 ) 。该界 面层的特点是 ： 混凝土硬化时水灰比较大 ， 硬化后形 成孔隙率较大的薄弱的过渡 区， 该 区域通常称为钢 筋与混凝土的界 面过渡区。不密实的界面过渡区为 钢筋锈蚀产物 的膨胀提供了空间。显然 ， C 2 0混 凝 土的界面过渡区更加不 密实， 在相 同的保护层厚 度 的情况下 ， 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率较小 ； 而 C 4 0混凝土界面过渡区要相对密实一些 ， 导致 混 凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率较大。 2 3 从锈胀初期 内部的锈胀裂缝分析 图 4 为光圆钢筋在混凝土中锈胀顺筋裂缝的 S E M图。图 5 l 为锈胀顺筋裂缝中锈层 的 S E M图。 图 4 锈胀顺筋 裂缝 的 S E M 图 Fi g 4 SEM pho t o gr aphs of c or r o s i v e e xpa ndi ng c r a c k al on g s t e e l ba r s 图 5 锈胀裂缝 中锈 层的 S E M图 Fi g 5 SEM p hot o g r ap hs o f c or r os i on l ay e r of c or r os i v e e x pa nd i ng c r a c k 从 图4、 图 5可以看 出， 锈胀开裂后 ， 混凝 土对 钢筋的握裹力得到充分释放。随着钢筋锈蚀程度的 提高和锈蚀层的进一步发展 ， 钢筋锈蚀产物填满界 面区的间隙后将逐渐对周围的混凝土产生锈胀 力， 当混凝土内的拉应力超过其抗拉强度 ， 混凝土保护 层因受拉而开裂。C 4 0混凝土的抗拉强度 比 C 2 0混 凝土的抗拉强度要大。因此 ， 混凝土强度等级越大 ， 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率也越大。在相 同 强度等级的混凝土中， 相对保护层厚度越大 ， 混凝土 保护层胀裂时的钢筋锈蚀率也越大。由于散粒状 的 钢筋锈蚀层不具有胶凝能力 ， 致使纵筋裂缝 附近 区 域的锈层发生沿钢筋周边的裂缝扩展 ， 从 而使混凝 土和钢筋间产生明显的间隙。该间隙为氧气和水分 的传输提供了新的通道 ， 在外界供氧和水充分 的条 件下 ， 混凝土结构的开裂将导致钢筋锈蚀速率 的加 速 ， 最终危及结构的承载力 。 3 结论 1 ) 在 同一强度等级混凝土 中， 相对保护层厚度 越大 ， 混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率也越大； 在 相对保护层厚度相 同时， 混凝土强度等级越大 ， 混凝 土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率也越大 。 2 ) 从未锈蚀钢筋与混凝土之 间的界 面过渡 区 ( I T Z ) 分析 ， C 2 0混凝 土的界面过渡 区更加不密实 ， 在相同的保护层厚度 的情况下 ， 混凝土保护层胀裂 时的钢筋锈蚀率较小 ； 而 C 4 0混凝土界面过渡区要 相对密实一些 ， 导致混凝 土保护层胀裂时的钢筋锈 蚀率较大。 3 ) 从锈胀初期内部 的锈胀裂缝分析 ， C 4 0混凝 土的抗拉强度比 C 2 0混凝土的抗拉强度大。因此 ， 混凝土强度等级越大 ， 混凝土保护层胀裂时的钢筋 锈蚀率也越大。在相 同强度等级 的混凝土 中， 相对 保护层厚度越大 ， 混凝 土保护层胀裂时的钢筋锈蚀 率也越大。 参 考 文 献 ： 1 樊云昌 混凝 土中钢筋 锈蚀 的防护 与修复 M 北京 ： 中 国铁 道出版社 ， 2 0 0 1 2 姬永生， 袁迎曙， 等 氯盐外侵混凝土内钢筋的锈蚀特征及机 理分析 J 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 9， 3 8( 3 ) ： 3 0 9 3 1 5 3 韩继云 ， 蔡鲁生 钢筋 混凝 土构件 中钢筋 锈蚀实 验研究 R 北京 ： 中国建筑科 学研究 院， 1 9 9 I 4 D h i r R K， He w l e t t P C， C h a n Y N As s e s s m e n t o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y b y i n t rin s i c p e r me a b i l i t y， Du r a bi l i t y of Bu i l d i n g Mme riMs a n d C o m p o n e n t s C P r o c e e d in g s of t h e F i f t h I n t e rna t i o n a l C o n r e n c e， B rig h t o n， UK ， 1 9 9 0： 5 0 31 3 5 姬永生， 袁迎 曙， 等 混凝 土内钢筋锈 胀力 发展及 钢筋锈 蚀速 率的时变性 J 河 海 大学 学报 ： 自然科 学 版 ， 2 0 0 9 ， 3 7( 4) ： 4 3 0 - 4 3 6 6 Y A N Y a n d o n g ， J I N We i l i a n g I n fl u e n c e of c r a c k i n g w i d t h t o c o n c r e t e d u r a b i l i t y C P r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s Ha n g z h o u ，C h i n a ： S n ， 2 0 08， 2： 9 4 2 - 9 4 6