格爾木地區普通鋼筋混凝土現場暴露試驗研究

王旭峰 張家暢 楊兵兵

（1洛陽路橋建設集團有限責任公司，河南 洛陽 471700；2永城市交通運輸局，河南 永城 476600；3酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000）

格爾木不但作為新疆、西藏、青海三省的重要交通樞紐，還具有豐富的鹽湖資源、天然氣資源、石油資源和礦產資源。其先天優勢奠定了自身發展的基礎。隨著“一帶一路”戰略的不斷推進，作為“一帶一路”發展中線的支線地區，其必將迎來新的發展高潮。然而格爾木地區干旱、少雨、早晚溫差大、風沙大、環境復雜多變[1]，以及鹽漬土、鹽湖廣泛分布，使得鋼筋混凝土基礎設施在冷熱交替作用下、干濕交替作用下、以及氯鹽、硫酸鹽、重碳酸鹽[2]等有害鹽類等的耦合作用下，使的鋼筋混凝土保護層剝落、混凝土裂縫開展、鋼筋嚴重銹蝕的現象發生[3-4]。造成了普通鋼筋混凝土結構耐久性難以滿足設計要求而過早失去承載力發生破壞。因此實現鋼筋混凝土的耐久性研究，及早的對鋼筋混凝土建筑進行加固、維修具有重要的指導意義。

目前對鋼筋混凝土的耐久性研究主要是在室內進行模擬研究，通過加速的試驗手段來反映建筑物的劣化過程，以一定的小數據為基礎運用數學等方法進行模型的建立。但在室內環境變化因素單一，不能較準確的反應實際工作環境，對實際復雜環境結合不足。本文將格爾木典型的鹽漬土地區作為研究對象，制備鋼筋混凝土試塊，通過電化學工作站對鋼筋的銹蝕進行極化曲線分析[5-7]、非金屬超聲波檢測儀、質量變化的相對質量評價參數作為指標[8]，對格爾木地區鹽漬土環境下普通鋼筋混凝土的耐久性進行研究。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

水泥選用甘肅祁連山水泥公司的42.5普通硅酸鹽水泥、粗集料采用蘭州華隴商砼公司提供的細石、細集料釆用蘭州安寧河沙、粉煤灰采用蘭州二熱廠生產的性能良好的二級粉煤灰、礦渣粉采用甘肅宏達建材公司提供的S95礦渣粉、減水劑采用蘭州華隴商砼公司提供的羥系減水劑,摻量為2.1%,減水率為18%，各原材料的各項性能指標如下；

表1 普通硅酸鹽水泥的性能指標

1.2 實驗方案

按照表6的配合比制備邊長為100mm×100mm×400mm的鋼筋混凝土試塊。并按照標準養護對試塊養護28d，然后進行基礎試驗（分別進行質量檢測、超聲波試驗、電化學試驗），將測得的實驗數據作為基礎數據。鋼筋采用HPB300鋼筋，fy=300N/mm2，直徑8mm長度為350mm，混凝土保護層厚度為10mm（A）和20mm（B）。長度為100mm的銅絲線作為引線，一端與鋼筋纏繞，另一端置于混凝土外部，外露部分約為50mm。將養護好的試塊埋置于格爾木鹽漬土地區。埋置深度200mm（半埋），一段置于大氣中。每60d對試塊進行一次質量檢測，用電子天平稱取每次的質量變化。然后進行超聲波檢測，測點分別為試塊上部、中部、下部，每個測點分別在縱橫方向同時檢測，檢測時避開鋼筋。最后進行電化學試驗，試驗時采用三電極測試系統。以鋼筋作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極。每次電化學測試試驗結束后對外部裸露銅絲線進行環氧樹脂封涂，防止銹蝕老化。

表2 石子的性能指標

表3 砂子性能指標

表4 粉煤灰的性能指標

表5 礦渣粉的性能指標

表6 普通鋼筋混凝土配合比（kg/m3）

1.3 耐久性指標

鋼筋混凝土試塊在格爾木鹽漬土地區，因受惡劣天氣以及氯鹽、硫酸鹽等有害鹽的影響，其質量會不斷的損失。鋼筋在銹蝕過程中體積膨脹以及混凝土在外部荷載作用下會產生沿鋼筋發展的裂縫。因此選用相對質量評價參數（ω1）作為鋼筋混凝土試塊耐久性的評價指標，來反映服役過程中的質量損失。選用相對動彈性模量評價參數（ω2）作為鋼筋混凝土試塊的耐久性評價指標，來反映服役過程中裂縫的開展程度。選用腐蝕電流密度來反映鋼筋混凝土在服役過程中的銹蝕程度。

1.3.1 相對質量評價參數

鋼筋混凝土相對質量計算公式如下所示[9]：

其中：M0為初始質量，Mt為t時刻的質量。

氯氧鎂水泥涂層鋼筋混凝土相對質量評價參數如下所示：

其中：ω1＜0，達到破壞；0≤ω1＜1，出現損傷未達到破壞；ω1≥1，未達到破壞且狀態良好。

1.3.2 相對動彈性模量評價參數

材料的相對動彈性模量和超聲波波速有如下關系

E表示材料試驗前的初始動彈性模量和超聲波波速；

E表示材料在實驗中第t次測得的動彈性模量和超聲波速度。

混凝土耐久性指標參考了喬宏霞[10]博士論文中對混凝土耐久性的評價方法，取相對動彈性模量ω2作為鋼筋混凝土耐久性評價參數，其計算方法如下所示；

其中；ω2時，相對動彈性模量比基準值增加；

0＜ω2＜1時，相對動彈性模量比基準值降低，但未達到破壞；

ω2＜0，相對動彈性模量低于60%，達到破壞。

1.3.3 鋼筋銹蝕參數

對于活化極化的控制的腐蝕體系，描述極化電流密度I與電極電位E的基本公式為

其中icorr為自然腐蝕電流密度，在腐蝕電化學中用其表示腐蝕速度，E為電極電位，Ecorr為自然腐蝕電位，R為氣體常數，T為絕對溫度，F為Faraday常數，和為陽極反應和陰極反應的傳遞系數，n為電極反應速度控制步驟的得失電子數。腐蝕電流密度的大小可以反映鋼筋的銹蝕狀態，其大小與銹蝕的對應關系如表7所示。

2 試驗結果和數據分析

將A、B試塊按要求置于格爾木鹽漬土地區進行現場暴露實驗，并跟蹤檢測720d。其實驗結果與分析如下。

2.1 相對質量評價參數分析

每60d對試塊A、B進行一次試驗，跟蹤監測720d，其相對質量評價參數結果如圖1所示。

圖1 A、B試塊的相對質量評價參數

從圖1中可以看出，隨著是時間的變化，A、B試塊的相對質量評價參數分別在300d和480d達到最大值。此時的相對質量評價參數分別為1.10和1.12左右。然后隨著時間的繼續增加不斷減小，在720d時時達到最小值，此時的相對棟彈性模量評價參數分別為0.79和0.80。在剛開始的相對質量評價參數增加的原因分為兩個方面。一方面為混凝土吸收空氣中的CO2發生碳化，使其質量增加。發生碳化的主要成分為混凝土水化后產生氫氧化鈣（Ca(OH)2）、水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）、未水化的硅酸三鈣（3CaO·SiO2）和硅酸二鈣（2CaO·SiO2）

其具體的化學方程式如下[12]。

另一方面可能是由于鹽漬土中含有大量的引起鋼筋銹蝕的氯離子。氯離子侵入混凝土內部后達到鋼筋表面，引起鋼筋表面鈍化膜的破壞，使得混凝土中鋼筋的銹蝕，造成鋼筋的質量增加。其具體的化學方程式如下[13]。

經過最大值后，鋼筋混凝土相對質量評價參數不斷降低，一方面其原因是由于格爾木地區風沙較大，外部荷載和作用使得鋼筋混凝土質量減小。另一方面是由于鹽漬土中的硫酸根離子侵入混凝土內部生成石膏，石膏的生成會造成體積膨脹，其膨脹為原來的1.24倍[14]，使混凝土內部產生應力導致混凝土剝落。以及鈣礬石的生成，鈣礬石的生成會使體積增大為原來的2.77[15]倍，從而引起混凝土膨脹破壞。

圖2 A、B試塊的相對動彈性模量評價參數

2.2 相對動彈性模量評價參數分析

從圖2中可以看出，隨著時間的推移A、B鋼筋混凝土試塊相對動彈性模量評價參數不斷增加。A試塊在300d時增加到最大值，此時的相對動彈性模量評價參數值為1.17。B試塊在420d增加到最大值，此時的相對動彈性模量評價參數為1.18。A、B試塊在各自峰值以后其相對動彈性模量評價參數不斷的減小，在720d時達到最小值。A試塊的相對動彈性模量評價參數值為0.71，B試塊的相對動彈性模量評價參數值為0.77。其相對動彈性模量評價參數增加的原因可能是混凝土的碳化生成碳酸鈣等使得密度增加。其相對動彈性模量評價參數減小的原因一方面是由于氯離子的侵入加速了鋼筋的銹蝕。鋼筋的銹蝕物的生成，體積膨脹在混凝土內部產生膨脹應力，促使了混凝土內部裂縫的發生。另一方面由于硫酸根離子的侵入，產生石膏和鈣礬石，使得混凝土內部體積膨脹，進一步促使混凝土內部裂縫的產生。上述綜合原因造成了鋼筋混凝土相對動彈性模量的減小。

表7 腐蝕電流密度與鋼筋銹蝕程度的對應關系[11]

圖3 A試塊0d-720d極化曲線圖

2.3 極化曲線分析

將制備好的試塊A、B標準養護28d后測得第一次的腐蝕電流密度作為試塊A、B的基準值。在試塊埋置在格爾木地區后每60d對試塊進行一次電化學試驗。其結果如圖3、圖4所示。

從圖3（a）中可以看出在0d時試塊A的腐蝕電位大概處于-0.78V左右，60d時腐蝕電位負向移動-0.87V左右，電位負向移動表明鋼筋的銹蝕很容易發生。此時此階段鋼筋發生銹蝕。從60d到120d腐蝕電位正向移動，此時表明鋼筋的銹蝕不容易發生，其原因可能是鋼筋表面銹蝕層的形成抑制了銹蝕的進一步發生。從120d到360d腐蝕電位繼續正向移動，表明隨著腐蝕的進行銹蝕物的不斷產生，鋼筋的腐蝕愈發困難，但是銹蝕仍是在不斷的進行中。從圖3（b）中可以看出420d時陽極極化曲線特別陡峭，而陰極極化曲線相對平緩，此時表明塔菲爾斜率βα很大，即鋼筋的銹蝕不易發生。從420d到480d腐蝕電位正向移動，480d到540d腐蝕電位負向移動，540d到600d腐蝕電位又正向移動，600d到660d又負向移動，660d到720d腐蝕電位變化不大，如此反復正負向移動的原因可能是鋼筋在銹蝕過程中銹蝕物的產生對腐蝕的抑制，腐蝕物產生后由于氯離子具有很強的穿透性，其繼續向基體內部侵蝕，使得腐蝕的進一步發生，腐蝕的進一步發生又會造成新腐蝕產物對氯離子的阻擋，使得腐蝕的進一步發生困難。從圖4（a）中可以看出從0d到360d陽極極化曲線一值都很陡峭，表明鋼筋的腐蝕較困難。而圖3（a）相對來說陽極極化曲線較平緩，其原因可能是由于試塊B的混凝土保護層比試塊A的厚，混凝土保護層阻止了氯離子侵入其內部，延緩了到達鋼筋基體的時間，從而使得在原有的堿性環境下鋼筋表面的鈍化膜保存完整，抑制了銹蝕的發生。而圖4（b）420d到720d陽極極化曲線相對較緩，此時鋼筋的銹蝕容易發生，其原因是氯離子已侵入混凝土內部達到基體表面，使得鋼筋的鈍化膜破壞，腐蝕易發生。

圖4 B試塊0d-720d極化曲線圖

2.4 腐蝕電流密度變化分析

鋼筋混凝土試塊A、B的腐蝕電流密度計算結果如圖5所示。

圖5 試塊A、B的腐蝕電流密度

從圖5中可以看出試塊A、B的腐蝕電流密度隨時間的增長在不斷的增加，基準值分別為0.0825μA·cm-2和0.0383μA·cm-2。從表7腐蝕電流密度與鋼筋銹蝕情況的對應關系可以看出，此時鋼筋處于未銹蝕狀態，此狀態一直持續到60d。A試塊從120d到660d腐蝕電流密度不斷增大，并且在 0.1μA·cm-2＜icoorA＜0.5μA·cm-2，表明此階段試塊A一直處于低腐蝕狀態。從660d往后試塊A的腐蝕電流密度大于0.5μA·cm-2，表明自660d后試塊A處于中等銹蝕狀態。試塊B從60d到720d其腐蝕電流密度一直處于0.1μA·cm-2＜icoorB＜0.5μA·cm-2之間，表明試塊B自60d后一直處于低腐蝕的狀態。雖然試塊A較試塊B保護層厚度略大10mm但是從銹蝕狀態來看其保護效果并非很顯著，只對鋼筋進入中等銹蝕狀態起到了很小的作用。

3 結 語

1）利用相對動彈性模量評價參數、相對質量評價參數和腐蝕電流密度的大小可以從多方面對鋼筋混凝土的耐久性進行綜合評價分析。并且從相對動彈性模量評價參數和相對質量評價參數的增加和衰減速率可以看出，利用非金屬超聲波檢測法得到的相對動彈性模量評價參數可以更好的作為耐久性評價指標。

2）混凝土保護層厚度雖然可以在一定程度上對鋼筋起到保護作用，但是在長期的服役過程中并不能對鋼筋的銹蝕起到決定性的保護作用。

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11月8日，我國混凝土科學的一代宗師吳中偉院士的夫人張鳳棣先生喜迎百歲壽辰。中國建材集團副董事長、中國建材總院院長姚燕親自帶領中國建材集團和中國建材總院相關人員來到吳師母的家中祝賀。除了生日蛋糕和鮮花，姚燕還送上了為師母百歲壽辰精心準備的禮物——百歲祝壽文集，這是由行業內50余位與吳中偉院士共同工作的同事、朋友、學生和吳中偉青年科技獎獲得者為吳師母百歲壽辰獻上的祝福，先生看了非常高興，仔細閱讀了每一個祝福。