盐土地区混凝土抗钢筋腐蚀性能试验研究.pdf
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1、2 0 1 1年 第 1期 ( 总 第 2 5 5期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 1 ( T o l No 2 5 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 1 0 1 5 盐土地区混凝土抗钢筋腐蚀性能试验研究 黄维蓉。周维,杨德斌 ,张涛 ( 重庆交通大学 山区道路结 构与材料重庆市重点实验室 ,重庆 4 0 0 0 7 4 ) 摘要: 以不同水灰比、 不同含气量、 不同掺合料及不同掺合比例、 不同养护
2、方式下的混凝土为对象, 通过钢筋 自 然腐蚀电位的变化及钢 筋失重率研究了混凝土抗钢筋锈蚀性能, 并采用湿通电法进行了钢筋的加速锈蚀试验。 研究结果表明: 混凝土的强度越高, 抗钢筋锈蚀性能 越好; 钢筋的自然腐蚀电位会随着锈蚀的进行先增大后稍减小并趋于稳定 ; 适当引气 、 加掺合料等可有效改善混凝土的抗钢筋锈蚀性能, 不同掺合料改善效果不同。提出解决西部盐土地区混凝土钢筋锈蚀问题的建议混凝土配合比方案: 混凝土含气量宜 3 5 ; 粉煤灰或矿 渣掺量 2 0 - 3 O , 硅粉掺量 5 8 。 关键词 : 混凝土 ;掺合料 ;含气量 ;抗钢筋腐蚀性能 ;盐土地区 中图分类号 : T u
3、5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 5 7 0 5 E xpe r i m e n t a l s t udy on an t i - c or r o si on p r ope r t i e s o f r e i nf o r c ed c onc r e t e i n s a l i ne ar ea s H【 NG W e i - r o n g, ZHOU W e i , YANG De - b i n, ZHANG T a o ( C h o n g q i n g Ke y L a b
4、o r a t o r y o f Mo u n t a i n R o a d S t r u c t u r e a n d Ma t e ri a l s , C h o n g q in g J i a o t o n g U n i v e r s it y , C h o n g q in g 4 0 0 0 7 4 , C h i n a ) Abs t r a c t :1 1 1 e c h a n g e o f e l e c t r i c p o t e n t i a l d u e t o n a t u r a l c o r r o s i o n and w
5、e i g h t - l o s s r a t i o o f r e inf o r c e me nt a r e a d o p t e d t o s t u d y t h e Re i n f o r c e d C o n c r e t ei nt h ewe s t s a l i n e a r e a s t h r o u gh d i ff e r e n t w a t e r - c e me n t r a t i o , d i ff e r e n t a i r - c o n t e n t , d i ff e r e n t a d mi x t
6、 u r e s , d i ff e r e n t a dm i x t u r e c o n t e n t s a n d d i ffe r e nt c u r i n g me tho d s , an d t h e m e t h o d o fM o i s tur e El e c t r i ng Co r r o s i o n i s u s e d t o a c c e l e r a t e t h e r e i n f o r c e d c o n c ret e d e g e n e r a t i o n n le r e s u l B s h
7、 o w th a t , wi t h th e c o n c r e t e s t r e ng t h i n c r e a s e s , th e r e s i s t a n c e t o c h l o rid e i o n p e ne t r a t i o n inc r e a s e s ; t he c h an g e o fe l e c t r i c p o t e n t i a l du e t o na t u r a l c o r r o s i o n i n c r e a s e s a t fir s t , an d t h e
8、 n d e c r e a s e s , at l ast h o l d s s t e a d y; Ad d i n g p r o p e r a i r - c o n t e n t an d a d m i x t u r e s C an i mp r o v e the t he r e s i s t a n c e t o c o r r o s i o n, and e ffect s v a r y a mo n g d i ffe r e n t a d mi x t u r e s On t h i s b a s i s , the pr o p e r s
9、 c h e me o f mi x r a t i o u s e d in we s t s a l ine a r e a s i s r e c o mme n d e d: the a i r - c o n t e n ti s 3 5 , t h e c o n t e n t of fl y- a s ho r s l a gi s2 O 3 O , the c o n t e n to f s i l i c i d e si s 5 8 wh i c hi san a p p r o a c ht o s o l v e c o rro s i o np r o b - l
10、 e ms i n t h e we s t s a l in e a r e a s Ke yWOr ds : c o n c r e t e: a d mi x t u r e s : a ir c o n t e n t ; res i s t a n c eto c o rro s i o n; s a l i n e a r e a s 0 引言 目前, 我国西部地区正在进行大规模基础设施建设, 混凝 土结构物不断增多 , 混凝土结构物建成后 , 随其使用时间的延 长, 各项性能逐渐降低, 耐久性变差。 而我国西部地区分布着 1 0 0 0多个盐湖, 西藏青海盐湖腐蚀离子浓度 1 9
11、 5 3 4 0 g L t 一。 腐蚀离子主要是氯离子、 镁离子和硫酸根等 , 且盐湖地区处于 高原内陆, 夏炎热冬干冷, 温度变化极大。强腐蚀离子与恶劣的 环境条件导致西部地区混凝土损伤速度明显高于其他地区。 调 查发现西部地区混凝土结构早期就有不同程度的网裂、 泛碱及 钢筋锈蚀现象, 而裂缝的发展与碱的流失会加速混凝土内钢筋 的锈蚀, 使混凝土结构提前破坏。 第二届国际混凝土耐久性会 议上, 梅塔教授指出: “ 当今世界混凝土破坏原因按递减顺序是: 钢筋锈蚀、 冻害、 物理化学作用闭 。” 钢筋腐蚀不仅使钢筋本身的力学性能降低 , 同时导致混凝 土胀裂, 抗拉能力降低, 大大降低钢筋混凝
12、土承载性能。 钢筋表 面腐蚀机理非常复杂 , 至今没有统一认可的理论基础; 监测 自 然环境下的钢筋腐蚀需很长时间, 数据重现性较差 。 本试验主 收稿 日期 :2 0 1 0 - 0 8 - 0 2 基金项目:西藏交通厅科技攻关项目( 2 0 0 8 0 0 5 ) 要通过电化学方法、 钢筋失重法来研究西部盐土地区混凝土钢 筋试样在湿通电加速锈蚀条件下的腐蚀行为, 进而研究水灰比、 掺合料及养护方式等因素对钢筋腐蚀破坏的重要作用 , 对防治 钢筋腐蚀及指导工程实践提供参考、 依据。 1 原材料 与试验 方案 1 1 原材料 试验研究用原材料为: 甘肃祁连山P O 5 2 5 R级水泥, 昆仑
13、 山5 2 O n l l n连续级配石灰岩碎石, 细度模数 3 6的昆仑山天然 砂, 减水率 2 5 的高效减水剂 , 十二醇硫酸钠引气剂; I 级粉煤 灰, $ 9 5 级矿渣粉 , 埃肯硅粉。 1 2混凝土 配合 比 混凝土设计坍落度 7 0 9 0 mm; 粉煤灰、 矿渣分别取代胶凝 材料总量的 1 0 、 2 0 、 3 0 , 粉煤灰超量取代, 超量系数为1 1 ; 硅灰取代胶凝材料总量的6 、 8 、 1 0 ; 掺合料复掺时, 根据经 验与单掺结果确定掺量为胶凝材料总量的3 0 , 硅灰掺量 6 、 含气量 4 。混凝土单位用水量 1 5 5 k e C m , 改变减水剂掺量
14、来保 持坍落度 7 0 - 9 0 IT I IT I , 改变引气剂掺量来满足含气量的要求。 5 7 C 3 J O 、 C 4 J O与 C 5 J 0 分别采用标准、 自然及养护剂 3种方式养护 。 试验混凝土配合比方案见表 1 。 表 1 试验混凝土配合 比方案 编号w, c , , , , 量 注: 表中编号字母“ C ” 表示混凝土, “ J ” 表示基准配合比, F 代表粉 煤灰, “ K ” 代表矿渣, “ G ” 代表硅灰, “ Y ” 代表引气混凝土。 1 3试 验 方 法 钢筋腐蚀速度的检测方法很多 , 常用的无损 检测方法有半 电池电位图、 线性极化 、 交流阻抗谱、
15、恒电流脉冲、 电化学噪声、 电阻探针、 超声波发射及新兴的光纤维传感技术等方法 。 加速锈蚀试验采用 1 0 0 mmx 1 O 0 minx t O 0 mi n的立方体试 件, 预埋钢筋距混凝土侧面距离为 3 0 mi i 1 和 2 0 ml l q , 在试模两 侧嵌入一对完全相同的厚 5 mm胶合板, 并在相应位置挖取 8 r n i n 的圆孔以放置钢筋。 将拌制好的混凝土装入预埋好钢筋的试模 中 , 振动成型。 成型 2 4 h后脱模 , 将一端钢筋头用环氧树脂密封 处理, 再用砂浆裹覆 , 另一端连接导线, 处理完毕后移人标准养 护室养护 5 6d 。 混凝土中所用钢筋的预处理
16、 : 先将 8 m r n光圆钢筋切割为 长 9 8 mn l 段, 后参考 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法标准 用 1 2 盐酸溶液对钢筋进行酸洗, 用石灰水中和。将钢 筋泡人酸洗液中, 待表面氧化皮溶解后取出。 将钢筋依次放在 水、 中和液中摇动几下, 再放入另一盘中和液中浸泡, 取出用水 冲洗, 再用干毛巾擦干, 放入已预先升至( 1 0 5 5 )的烘箱内烘 i 0 rai n , 至此酸洗完毕。 冷却后用电子天平称取每根钢筋的初重 ( 精确至 0 0 l g ) 。 钢筋混凝土的加速锈蚀试验: 采用湿通电法加速混凝土中 钢筋的锈蚀。 标养 5 6 d 后, 将钢筋混凝土试件在
17、浓度为 3 5 的 N a C 1 溶液中浸泡 7 d , 并用 2 O V直流稳压电源作为加速锈蚀电 源, 电源的正极与被加速锈蚀的钢筋连接, 负极溶液相连接 , 使 钢筋 、 混凝土、 Na C 1 溶液形成回路。试验中需保证Na C I 溶液的 浓度恒定 。 混凝土钢筋锈蚀的测定: 采用 P S 6型钢筋腐蚀测量仪测定 一 定龄期通电加速锈蚀混凝土试件内钢筋的自然腐蚀电位 , 并 绘制相应的加速锈蚀龄期与自然腐蚀电位关系图, 研究钢筋锈 蚀过程自然腐蚀电位的变化。 此法能定性判别钢筋是否锈蚀, 但 不能定量测定钢筋 的锈蚀量。 加速锈蚀试验中, 观察混凝土试件的裂缝产生与发展情况; 达到
18、试验龄期 , 将混凝 土劈开 , 取出钢筋进行酸洗 , 同时选取两 根尺寸相同的钢筋作为空白校正。烘干、 冷却后再次称量钢筋 的质量( 精确至 0 0 1 g ) 。钢筋失重率按式( 1 ) 计算: Wo - 一 ( Wo I - W1 ) + ( Wo 2 - W2 ) M- : 一1 0 0 ( 1 ) 0 式中: 钢筋失重率, ; 一 试验钢筋初始质量, g ; 试验后钢筋质量 , g ; 分 别为空白校正用的两根钢筋的初始质量, g ; 、 : 一分别为空白校正用的丽根钢筋酸洗后相应的 质量 , g 。 2 试验结果与分析 2 1 加速锈蚀试验现 象及分析 混凝土加速锈蚀试验后的试件如
19、图 1 所示。 图 1 混凝土试件加速锈蚀后 在进行加速锈蚀试验时, 每天定期观察试件出现的现象, 加 速锈蚀试验过程 中主要有 以下现象 : 发热现象 。 随着试件通 电时间的增加 , 混凝土试件表面温度升高 , 出现发热现象。潮 湿、 气泡现象。混凝土试件由边缘至钢筋处逐渐出现潮湿现象, 负极有气泡 , 钢筋端部有明显的水珠生成 , 是钢筋腐蚀反应中 5 8 阴极发生还原反应和阳极钢筋发生氧化反应所致。溢锈现象。 混凝 土试件通电一段 时间后 , 试件表面 出现裂缝 , 裂缝处及 钢 筋端部有明显的溢锈现象, 是由于钢筋锈蚀后, 锈蚀产物不断 填充钢筋周围混凝土孔隙所致。 顺筋裂缝均匀。
20、试件开裂之 后, 顺筋裂缝在整个长度方向上的宽度较均匀, 采用通电加速 甜 跎 甜 如 2 4 O 9 8 7 9 8 7 5 7 9 0 O O 7 7 7 7 7 勰 ” 勰 勰 勰 卯 0 O O O O 0 O O O O O O O O O O O O O 0 刚 一 一 一 一 一 一 一 脚 钢筋锈蚀时, 混凝土中的钢筋是均匀锈蚀, 产生的裂缝较均匀。 裂缝发展情况。 同组试件同一位置的裂缝基本同一时间出现 , 边棱的裂缝出现得比中间略早 , 并由边向中间发展 , 表明混凝 土边缘更容易开裂。 2 2 混凝土内钢筋 自然腐蚀 电位 变化的分析 分析处理试验所测钢筋 自然腐蚀电位数
21、据, 得到图2所示 电位变化趋势线。 6 0 0 50 0 高 0 0 篓 3 0 0 毽 2 0 0 皿 1 0 O 时 间 d 图 2 钢筋 自然腐蚀 电位变化趋势图 由图 2可知 , 混凝土内钢筋未锈蚀的 自然腐蚀 电位在 2 0 0 m V左右。 混凝土内钢筋发生锈蚀后 自然腐蚀电位增大, 当钢筋表面全部发生锈蚀时, 自然腐蚀电位约为 5 5 0 m V左右。 混凝土内钢筋锈蚀后, 钢筋的自然腐蚀电位减小并趋于稳定。 因钢筋锈蚀后, 表面生成 F e ( o n) , , 进而氧化为 n F e 2 0 m H2 0 ( 红锈) 及 F e O 4 ( 黑锈 ) , 随着锈蚀的继续 ,
22、 钢筋表面锈层变厚, 影响钢筋锈蚀的速率嘲 , 表现为自然腐蚀电位有所减小; 但铁锈 体积较大, 将混凝土胀裂, 钢筋就相当于直接与溶液接触, 致使 钢筋自然腐蚀电位趋于稳定, 稳定电位在 4 8 0 mV左右。 不同 组成材料的混凝土, 钢筋自然腐蚀电位变化速率不同, 达到最大 值的时间也不同, 自然腐蚀电位变化快的混凝土钢筋的锈蚀速率 大; 观察发现混凝土开裂发生在自然腐蚀电位达到最大值之后。 2 - 3 强度 与混凝 土抗钢 筋锈蚀 性 能的 关 系 由图 3可以看出, 随着混凝土强度的提高, 钢筋 自然腐蚀 电位变化的速率减小, 自然腐蚀电位达到最大值的时间相应延 皇 、 基 餐 皿
23、昌 量 、 憾 捌 时间 d 芝 格 器 混凝土强度等级 图 3 强度与混凝土抗 钢筋锈蚀性能的关系 长 。 开裂时间变晚; 随水灰比的减小混凝土最终产生的裂缝宽 度相应变小, 钢筋失重率依次降低。 基准混凝土裂缝缝宽 1 5 mm 以上, 钢筋失重率 2 0 左右, 属严重腐蚀。 水灰比降低, 混凝土内部毛细孑 L 减少, 渗透性减弱, 钢筋发 生锈蚀的时间变长; 用水量不变, 水灰比减小 , 水泥用量增加, 混凝土内水化反应生成的C a ( O H) : 增多, 延缓钢筋的锈蚀速率。 2 4 含 气量 对混凝 土抗钢 筋锈蚀 性 能的影 响 由图 4 可知, 不同含气量的 C 5 0 混凝
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