钢筋锈胀下混凝土抗压强度退化试验研究

2022-10-24杨建宇夏彬华李荣军杨伟军蒋雯丽

重庆建筑 2022年10期

杨建宇，夏彬华，李荣军，杨伟军，蒋雯丽

(1长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114；2长沙理工大学城南学院，湖南长沙410015)

0 引言

随着我国经济的不断发展和人民日常生活出行、用电的激增，国内各地兴建了大量的地铁、特高压输电工程。这些工程在使用的过程中，部分会受到由电位差引起的杂散电流的侵扰，这些杂散电流会加速混凝土内钢筋的锈蚀，锈蚀产物的体积是原有体积的2～6倍[1]，由于周围混凝土的约束，钢筋与混凝土界面间产生锈胀力，当锈胀应力大于混凝土抗拉强度时，混凝土出现裂缝。随着锈胀力的发展，裂纹尖端的应力强度因子超过断裂韧性，裂纹扩展也将进入不稳定扩展，直至保护层开裂，混凝土截面受到损伤，使得钢筋混凝土结构整体性降低[2]。洪舒贤等[3]试验研究表明，外加电场环境下，钢筋的锈蚀速度加快；杨向东[4]探讨了混凝土中钢筋锈蚀量与外加电流大小及腐蚀时间之间的关系，认为外加电流加速了钢筋的腐蚀，影响整个结构的承载力和耐久性；陆晨浩、李旭等[5-6]进行了通电加速钢筋锈蚀对混凝土强度的影响试验研究；Zhang等[7]给出了在不同电流强度情况下，钢筋锈蚀产物膨胀的不同系数；徐玉野[8]对锈蚀钢筋混凝土短柱的抗震性能进行了试验研究；曹芙波[9]通过对钢筋通电加速锈蚀的方法，分析相同强度条件下不同钢筋直径和锈蚀率对混凝土梁力学性能的影响；杨建宇[10]研究得到了混凝土在不同电流强度下的抗压强度退化理论模型。

综上所述，目前关于电流作用对钢筋混凝土性能的影响研究主要集中在钢筋力学性能退化以及钢筋混凝土结构整体性能上，对于电流作用下钢筋锈胀导致的混凝土抗压强度退化机理并不明确，且相关研究较多是理论推导，缺少试验分析，然而研究混凝土抗压强度退化机理对于工程的使用寿命预测具有重要意义。因此，本文对电流作用下钢筋锈蚀导致混凝土抗压强度的变化进行试验研究，得到与外加电流强度以及通电时间有关的钢筋锈胀混凝土抗压强度时变退化规律。

1 试验设计

1.1 试验材料与配合比

原材料为：P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料为细度模数为2.5的天然河砂；粗骨料为粒径5~16 mm的连续级配碎石。配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比设计参数

1.2 试验操作

制作边长为150×150×150 mm的混凝土立方体标准试件，在试块中心位置埋有一根直径为12 mm的无锈钢筋并在两端外露15 mm，用于连接电线，如图1所示。将试件分成5组，每组35个试件。分别通以0、0.2、0.5、0.8、1.4A的电流。在当天和开始通电后第2、4、6、8、10、12d分别在各组取出5个进行抗压实验，取其平均值。

图1 埋有钢筋的混凝土抗压强度试验试件

试件达到标准养护期后，将试件分组放入盛装有5%浓度的氯化钠溶液的容器中进行腐蚀。在容器内放置两列，用导线将每列试件串联起来，将导线的金属芯绑在试件两端的裸露钢筋上，为防止导线松动脱落，用绝缘胶带捆绑将导线固定在试件上。将每列试件的一端通过导线与恒压恒流电源正极相接，另一端接上一根单独的钢筋并将钢筋置于溶液中，再通过导线将电源负极连上一根非活性电极，同时将电极放入溶液中，使每列试件与最大输出电流为5A的恒压恒流电源构成一个通电串联回路，如图2所示。

图2 埋有钢筋的混凝土抗压强度试件通电锈蚀图

因为在同一组串联回路中，电流是处处相等的，所以同一组的6个试件在试验中将处于相同外加条件下，即电流加载大小和通电时间相同。在试验通电后将将恒压恒流电源调至恒流模式，并将电流恒定在所需要的值。试验在恒温恒压条件下进行，为保证试验的准确性，在每组试件的试验后及时将容器内的NaCl溶液进行更换。浸泡过程中，温、湿度均以试验室内环境为准，不加任何控制，一旦达到设计腐蚀时间，将试件取出，使其干燥，进行外观检查，准备进行抗压强度试验。通电作用下钢筋锈蚀完成后，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[11]（GB/T 50081—2002）进行混凝土试块的抗压强度试验。混凝土试件选不外露钢筋的一面进行抗压实验，对于表面带裂缝的混凝土试块，其加载方向与裂缝垂直，如图3所示。

图3 试件置于试验机垫板上

2 试验现象

随着通电时间的增加，混凝土试块的外露钢筋部位有锈迹流出，钢筋也慢慢受到腐蚀，试验第4d所有试件没有特别的变化，而对于因试验需求通电6d及以上，并且通电电流强度大小设定在0.8A及以上的试件，大约在通电第7～8d开始在外露钢筋部位出现细微的裂缝。对于设定外加电流为0.8A及以上的试块，当通电8d后，试块出现较为明显的顺筋裂缝。对于设定外加电流为1.4A的试块（图4），在通电12d后，试块表面出现的顺筋裂缝进一步扩张，裂缝穿透整个混凝土试块，裂缝宽度也达到了1mm以上。通电腐蚀后混凝土受压试验破坏整个过程与一般混凝土受压试验破坏过程完全类似，出现第一条受压试验裂缝后，所有试块迅速被压坏，破坏形态呈粉碎状，如图4所示。

图4 埋有钢筋的混凝土试块受压破坏形态

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

试验前先测得无电流加速氯离子腐蚀混凝土试块抗压强度为35.115 MPa，作为基础数据和用于对比分析。同样为了对比分析，测试了有氯离子腐蚀、无通电腐蚀的埋有钢筋的混凝土抗压强度。分别通以0、0.2、0.5、0.8、1.4A电流腐蚀埋入混凝土试块的钢筋，在5%浓度NaCl溶液的相同腐蚀条件下，分别在通电时间为2、4、6、8、10、12d时测得五组抗压强度平均值，并与35.115 MPa进行对比，分析其下降程度，试验结果见表2。

表2 通电作用下混凝土抗压强度试验结果

3.2 试验分析

由表2的混凝土抗压强度平均值可得出，当有外加电流时，随着腐蚀时间的变化，腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响如图5所示。

图5 钢筋腐蚀时间对混凝土抗压强度的影响

从表2和图5可以看出：

（1）随着试件通电锈蚀的时间增加，各组混凝土试件抗压强度逐渐降低，说明钢筋锈蚀影响很大，混凝土抗压强度的降低不容忽视；

（2）当无外加电流时，氯离子腐蚀钢筋使混凝土抗压强度几乎没有下降，说明本试验腐蚀时间没有达到使钢筋锈蚀产生锈胀应力导致混凝土抗压强度下降；但同样的腐蚀时间，有外加电流情况混凝土抗压强度急剧下降，外加电流为1.4A，腐蚀12d后，混凝土试件抗压强度降低30.87%；

（3）外加电流越大，埋有钢筋的混凝土试件抗压强度降低越快越大。当外加电流为0.2、0.5、0.8、1.4A，腐蚀12d后，混凝土试件抗压强度分别降低0.122%、16.321%、27.043%、30.87%，外加电流1.4A情况比外加电流0.2A情况下降速度快约250倍；

（4）图5中曲线前期均有一平台线，当外加电流较小时，腐蚀钢筋量较小，对埋有钢筋的混凝土试件抗压强度几乎无影响，表明未有钢筋锈胀应力产生。外加电流越小，平台线走得越远，外加0.5A电流情况下，混凝土试件抗压强度在6d后开始降低。外加电流越大，平台线越短，外加1.4A电流情况下，混凝土试件抗压强度在2d后开始降低；

（5）外加电流情况下，埋有钢筋的混凝土试件抗压强度退化历程可分为三阶段。第一阶段，腐蚀初期抗压强度几乎无变化，表明钢筋尚未生锈或锈蚀到产生锈胀应力；第二阶段，到达某一时刻后，抗压强度陡然急剧下降，表明钢筋锈蚀到产生锈胀应力，导致对埋有钢筋的混凝土试件抗压强度产生影响，发生质的变化；第三阶段，混凝土试件抗压强度产生变化后，变化减缓，后几天的抗压强度衰减幅度相比之前稍缓。在腐蚀初期，由于电流腐蚀导致的钢筋锈胀尚未产生锈胀应力或产生不大，对混凝土的抗压强度影响不大，而随着锈蚀的发展，锈胀应力增加，混凝土抗压强度受到的影响愈加明显。在通电初期，因为钢筋锈蚀，大量锈蚀产物使钢筋的体积开始膨胀，逐渐开始填充钢筋与混凝土的间隙。所以，初期混凝土抗压强度受到的影响较小或没有。随后由于钢筋体积的持续胀大，混凝土内部受到膨胀力的影响，开始出现微裂缝，使得混凝土抗压强度比较明显地下降。本试验结果与Liu[12]的锈裂三阶段结论是吻合的。

由各组试验不同外加电流强度下的抗压强度间的横向比较，可以得出各组混凝土抗压强度随外加电流强度不同的变化关系，如图6所示。

图6 混凝土抗压强度随外加电流强度不同的变化

从表2和图6可以看出：

（1）随着外加电流强度的增长，各组钢筋混凝土试件抗压强度逐渐降低；

（2）图6中曲线前期均有一平台线，当外加电流较小时，尤其是腐蚀时间较短时，腐蚀钢筋量小或没有，对埋有钢筋的混凝土试件抗压强度几乎无影响，表明未有钢筋锈蚀锈胀应力产生。腐蚀时间越长，使得混凝土抗压强度开始降低的电流强度越小；

（3）电流强度越大，使得混凝土抗压强度开始降低需要的腐蚀时间越短，这与Faraday第一电解定律是相符合的。

3.3 埋有钢筋的混凝土抗压强度时变退化模型

文献[10]中通过理论分析，建立了从混凝土中锈胀力产生到开裂的混凝土抗压强度历时退化模型，从中可看出钢筋锈蚀导致的混凝土抗压强度历时退化模型主要与时间t和电流参数Z有关，电流参数Z主要由电流强度Iz决定，其它都是系数型参数，可归纳到变量的系数中，通过试验回归得到。因此，可考虑建立埋有钢筋的混凝土抗压强度时变退化模型为时间t和电流强度Iz的函数fc(t,Iz)，用试验数据回归得到。

从图5和图6可以看出：一旦混凝土抗压强度开始降低，或者说一旦锈胀应力产生，当电流强度Iz一定时，埋有钢筋的混凝土抗压强度随时间t变化的关系用线性拟合较好，如图7所示，拟合的相关系数均大于0.91；当腐蚀时间t一定时，埋有钢筋的混凝土抗压强度随电流强度Iz变化的关系同样用线性拟合较好，如图8所示，拟合的相关系数均大于0.847。