凍融損傷混凝土保護層銹脹開裂條件研究

王易安，雷永潔，劉西光，孫一豪，范 力

(1.陜西建工集團股份有限公司，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

寒冷地區混凝土結構會遭受凍融循環作用，導致混凝土內部出現微裂縫，會加劇二氧化碳與氯離子向混凝土內部侵蝕，使鋼筋加速銹蝕[1-2].鋼筋銹蝕引起混凝土保護層開裂，導致混凝土抗凍能力降低，鋼筋和混凝土間粘結強度降低，嚴重危害結構安全[3-5].

關于混凝土保護層銹脹開裂過程已經開展了眾多試驗研究.銹蝕產物會對周圍混凝土產生膨脹壓力，引起保護層開裂[6-7].氯鹽環境混凝土銹脹開裂試驗表明，氯離子腐蝕作用下，銹脹開裂持續發展，導致混凝土開裂[8-9].

國內外學者對凍融環境混凝土鋼筋銹蝕問題開展了少量研究，結果表明凍融循環會加速氯離子向混凝土中擴散，從而加速鋼筋銹蝕[10-12].目前，關于一般大氣環境和氯鹽侵蝕作用下保護層銹脹開裂試驗研究較多，在凍融環境下混凝土保護層銹脹開裂問題的研究較少.

鋼筋混凝土棱柱體試件在凍融循環作用下，對其進行加速銹蝕試驗，研究了混凝土強度等級、凍融循環次數和混凝土保護層厚度對鋼筋臨界銹蝕率的影響，并通過DIC技術監測了鋼筋銹蝕全過程.

1 試驗概況

1.1 試件設計和材料

試件設計尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，混凝土強度等級為C30和C40，試件混凝土保護層厚度c分別為20、25和30 mm；凍融循環次數N分別為0、50、100、150和200次.試件尺寸見圖1，試件分組見表1.

圖1 鋼筋混凝土試件尺寸

表1 鋼筋混凝土試件分組表

鋼筋選用公稱直徑為14 mm的HRB400E鋼筋，屈服強度為477.5 MPa，彈性模量為205.6 GPa，伸長率為13.6%.

每種工況下設計了3個試件，試件總個數為90個.混凝土設計強度等級為C30和C40，混凝土立方體試件28 d抗壓強度實測值分別為31.23 MPa和45.67 MPa.

粗骨料粒徑為5～20 mm玄武巖碎石；細骨料為天然河砂；采用25%～30%減水率的高效減水劑；拌制水為試驗室用水.

1.2 試件制作

用鹽酸濃度為12%的溶液對鋼筋酸洗，除去鋼筋表面雜質，然后用清水沖洗，放入石灰水中，中和10 min后再用清水沖洗干凈，將鋼筋表面擦干，放入干燥器中5個小時，溫度為60°.為避免不均勻銹蝕出現在鋼筋兩端，將鋼筋兩側各70 mm處涂抹環氧樹脂，使銹蝕情況只發生在中部，并使用精度為0.01 g的電子秤對銹蝕后的鋼筋稱重處理，用來計算鋼筋的銹蝕率.鋼筋的處理示意圖如圖2所示.

圖2 鋼筋預處理示意圖

1.3 凍融循環試驗

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T50082—2009)[13]中“快凍法”進行凍融循環試驗.

每次凍融循環在2～4 h內完成，其中用于融化的時間不得小于整個凍融循環時間的四分之一；在冷凍和融化的過程中，試件中心溫度的最低溫度和最高溫度應分別控制在-18±2 ℃和5±2 ℃，在任意時刻，試件中心溫度不得高于7 ℃，且不得低于-20 ℃[13].本次試驗采用的凍融循環的溫度變化規則如圖3所示.

圖3 凍融試驗溫度變化

1.4 外加電流加速銹蝕試驗

試驗采用半浸泡外加電流加速銹蝕的方法對凍融后的鋼筋混凝土棱柱體試件進行銹蝕，試驗的過程中保證浸泡的鹽水高度不超過鋼筋.在鋼筋外露一側焊接1根塑料護套銅線.將端部接頭和導線處涂抹環氧樹脂，防止其銹蝕.對試件進行通電銹蝕.將已經制作好散斑的鋼筋混凝土部分置于濃度為3.5%的NaCl溶液中，浸泡深度為40 mm.

試驗中在底部采用不銹鋼螺栓作為支撐，其直徑為50 mm，厚度為20 mm，不銹鋼作為輔助電極(陰極)，棱柱體內待銹鋼筋作為陽極，電流密度大小設置為2 μA/mm2.

為了更為準確地判斷試件保護層銹脹開裂時刻，采用了數字圖像技術DIC(Digital Image Correlation)監測混凝土表面的位移分布.

2 試驗結果分析與討論

2.1 凍融后混凝土力學性能分析

凍融損傷混凝土受壓破壞形態見圖4.經過50次凍融循環后，試件表面沒有特別明顯的變化，出現了微小的麻點和坑蝕.經歷100次凍融循環后，兩種強度的混凝土表面膠凝材料開始部分流失，細骨料逐漸露出并脫落.經歷150次凍融循環后，表面膠凝材料基本完全脫落，細骨料開始外露，部分試件棱角缺失，且C30混凝土的整體脫落程度比C40嚴重.經歷200次凍融循環后，粗骨料開始外露，混凝土表面凹凸不平.

圖4 凍融損傷混凝土受壓破壞形態

混凝土試塊的抗壓強度隨凍融循環次數的變化如圖5.混凝土抗壓強度隨凍融循環次數增加而降低，且隨著混凝土強度等級越低，混凝土抗壓強度的損失率越高.在經歷200次凍融循環后，兩種強度等級混凝土抗壓強度分別下降了58.6%和28.8%.

圖5 不同凍融循環次數下的混凝土抗壓強度

2.2 保護層開裂全過程及裂縫擴展規律

本文采用VIC-2D軟件對圖形進行后處理，如圖6.

圖6 圖像處理過程

每組試件大約30 d左右開裂，處理后部分鋼筋混凝土試件在不同保護層厚度下，從加速銹蝕到保護層銹脹開裂應變云圖如圖7.銹脹開裂保護時刻處理后部分鋼筋混凝土試件在不同保護層厚度下從通電銹蝕到混凝土保護層銹脹開裂應變云圖如圖7所示.銹脹開裂發生時混凝土表面形貌如圖8所示.從圖中可以看出，當混凝土應變云圖顯示即將開裂時，混凝土表面出現鐵銹，呈點狀或沿著縱筋方向分布，當混凝土表面出現銹脹開裂情況時，可明顯看到混凝土表面出現細小的黑線，且表面開裂位置呈現隨機出現的現象.混凝土表面開裂的位置由于保護層厚度不同而出現不同的情況.當保護層較小時，裂縫易從角部開始產生，因角部連接電源，導致電流密度相對集中，因此，開裂易從鋼筋邊緣開始.隨著保護層開裂，紅銹沿著裂縫逐漸擴散到鋼筋表面.

圖7 混凝土銹蝕過程表面應變云圖

圖8 銹脹開裂時刻保護層混凝土表面形貌

2.3 鋼筋臨界銹蝕率試驗結果

當混凝土應變云圖中出現裂縫后，將鋼筋混凝土棱柱體破型，并取出棱柱體內部鋼筋，并去除鋼筋表面的產生的鐵銹.

對除銹后的鋼筋進行稱重，結合未銹蝕前鋼筋的重量，可利用式(1)進行計算鋼筋的臨界銹蝕率，試驗結果見表2.

表2 鋼筋銹蝕率試驗結果

(1)

式中：ρ為鋼筋失重率，%；W0和W1分別為鋼筋銹蝕前后質量，g.

2.4 鋼筋臨界銹蝕率影響因素

2.4.1 混凝土強度等級

混凝土保護層為20 mm時，混凝土強度等級對鋼筋臨界銹蝕率的影響見圖9.

圖9 鋼筋銹蝕率隨混凝土強度等級的變化

由圖可以看出，隨著凍融循環次數增加，鋼筋銹蝕率逐漸降低，混凝土強度等級越高，鋼筋銹蝕率越低.當凍融循環次數為50次，混凝土強度等級從C30增加到C40，鋼筋銹蝕率降低了0.28%.

2.4.2 凍融循環次數

不同強度等級混凝土鋼筋銹蝕率隨凍融循環次數變化規律見圖10.可以看出，C30和C40兩種強度等級混凝土鋼筋銹蝕率均隨凍融循環次數降低而降低，且混凝土保護層越大，鋼筋銹蝕率降低幅度越大.當混凝土強度等級為C40，混凝土保護層厚度為30mm時，凍融循環從50次增加到200次，鋼筋銹蝕率從3.66%降低到1.51%，降低了2.15%.

圖10 鋼筋銹蝕率隨凍融循環次數變化規律

2.4.3 混凝土保護層厚度

兩種強度等級混凝土鋼筋銹蝕率隨混凝土保護層變化規律見圖11.

圖11 鋼筋銹蝕率隨混凝土保護層變化規律

可以看出，同一凍融循環次數下，隨著混凝土保護層的增大，鋼筋銹蝕率呈現遞增的趨勢.當凍融循環次數為100次，混凝土強度等級為C40時，混凝土保護層從20 mm增加到30 mm，鋼筋銹蝕率從0.99%增加到2.90%，增加了1.91%.

3 結論

(1)混凝土抗壓強度隨凍融循環次數的增加出現逐漸降低的趨勢，抗壓強度損失率隨混凝土強度等級的降低而增高.

(2)通過DIC技術監測混凝土表面銹脹開裂的情況，得到保護層開裂時刻及開裂時混凝土保護層應變變化.

(3)隨著混凝土強度等級的增加，鋼筋臨界銹蝕率逐漸降低.隨凍融循環次數增加，鋼筋臨界銹蝕率逐漸降低.隨著混凝土保護層的增大，鋼筋銹蝕率呈現遞增的趨勢.