基于鋼筋銹蝕的新老混凝土界面檢測方法研究

姜夢杰 JIANG Meng-jie；黃玉龍 HUANG Yu-long；彭雨喆 PENG Yu-zhe；莊昭霖 ZHUANG Zhao-lin；孫翱 SUN Ao

（三峽大學土木與建筑學院，宜昌 443002）

0 引言

二十世紀八十年代以來，我國建筑業迅速發展，導致現在許多混凝土建筑結構都已步入老齡期，其中有些結構的混凝土病害比較嚴重[1]，如橋墩、橋面、路基等，由于長期使用和環境因素，混凝土表面出現了開裂和剝蝕等問題[2]。將這些建筑物全部拆除重建并非可行選擇，比較合理的方法是對其進行適當地修復和加固[3，4]。而在修復或加固過程中，必須要考慮新老混凝土之間的粘結特性[5-7]。

新老混凝土界面問題在實際工程中普遍存在，包括橋梁的鉸縫、房屋建筑及路面工程中施工縫、維修加固工程中形成的新舊結合面、裝配整體式結構中的接縫[8]。工程實踐證明界面失效導致結構達不到使用年限是鋼筋混凝土結構長期以來存在的問題，致使結構破壞造成的損失也一直在持續增長[9]。因此，研究新老混凝土界面性能的檢測方法已成為當下重要的科學問題和實際問題[10]。相關研究的意義主要有以下兩個方面，其一，檢測新老混凝土界面的質量對現役結構承載性能及壽命預測有著很強的現實意義[7]；其二，新老混凝土界面的研究對相關規范的制定以及完善有著很重要的指導意義。

1 試驗方案

試件尺寸均為100mm×100mm×400mm，通電銹蝕的試件內部預埋一根光圓鋼筋，鋼筋長300mm，直徑為14mm，保護層厚度為25mm，除銹并在一端焊接導線。試件采用三段式的試件，如圖1 所示，澆筑混凝土過程中先澆筑A 部分，老混凝土長為150mm，到達養護齡期后，再澆筑B 部分并養護，兩邊新混凝土長均為125mm。

圖1 試件尺寸示意圖

本試驗考慮了新老混凝土界面的處理方式、界面劑的種類、新混凝土強度和種類以及新老混凝土粘結齡期四個影響因素，設計試件共18 組，每組兩個試件，共計36 個試件來開展新老混凝土界面質量檢測試驗的研究，試件編號及具體參數見表1。ZT 代表整體澆筑、GH 代表界面自然光滑，Z 代表界面人工鑿毛、Y 代表界面設置預留槽、J 代表界面使用水泥凈漿界面劑、P 代表界面使用水泥膨漿界面劑、B 代表新混凝土強度為C40、C 代表新混凝土強度為C50、D 代表新混凝土種類為UHPC、E 代表老混凝土粘結齡期為60d，數字“14”代表老混凝土粘結齡期為14d、G 代表鋼筋，G 后面的數字代表鋼筋編號，/后面的數字代表同種工況的另一個試件，僅鋼筋編號改變。老混凝土強度采用C30 混凝土。

表1 試件編號及參數

采用全浸泡通電加速銹蝕法。全浸泡通電試驗示意圖如圖2 所示。試驗選用恒壓恒流電源進行通電，如圖3，通電前先將試件在NaCl 溶液中進行浸泡48h，隨后接通調整好的電流進行電化學加速銹蝕實驗。過程中，實時記錄電壓和通電時間，直至觀察到鋼筋混凝土試件應變的顯著變化，標志著實驗階段的結束，停止應變采集并將試件取出。

圖2 全浸泡通電銹蝕示意圖

圖3 恒壓恒流電源

完成電化學加速銹蝕實驗后，小心鑿開試件取出內部鋼筋，觀察并測量其銹蝕程度。通過精確至0.001g 的稱重設備對清潔并烘干后的鋼筋進行測量稱重，以計算鋼筋的銹蝕率，如圖4。在酸洗鋼筋以去除銹蝕產物的過程中，應在酸洗液中同時放入兩根未經銹蝕的同規格鋼筋，作為試驗的校正基準，參照《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》（GB/T50082-2009）。

圖4 鋼筋的處理

2 試驗結果

2.1 通電過程中電壓變化

各工況電壓隨通電時間的變化規律如圖5 和圖6 所示，從圖中可以看出：①隨著通電時間的增加，不同工況試件的電壓先增加后緩慢下降；②通電過程中電壓大小為：D14>C14>B14>Z14，D28>C28>B28>Z28，即提高新澆混凝土的強度，試件的整體電阻得到了提高。隨著通電時間的增加，腐蝕產物逐漸增多，腐蝕產物的導電性比鐵小，鋼筋的表面電阻由于腐蝕產物的積累而增加，保護層的電阻下降[11]。

圖5 老混凝土養護14d 電壓變化

圖6 老混凝土養護28d 電壓變化

2.2 通電過程中應變的變化

不同界面粗糙程度應變變化曲線如圖7 所示，從圖中可以看出試件在通電銹蝕的過程中，隨著通電時間的增加，混凝土的應變呈緩慢增長的趨勢。鋼筋混凝土試件在通電、鹽水、和氧氣等因素的共同作用下，混凝土中的鋼筋發生銹蝕反應生成銹蝕物，銹蝕產物的體積比鐵的大，對銹蝕區域的混凝土產生膨脹壓力，隨著通電的繼續，混凝土保護層開始出現裂縫并沿著鋼筋發展，當應變短時間出現連續的突變時，可以判斷鋼筋混凝土試件的保護層已經開裂。

圖7 不同界面粗糙程度試件通電過程中應變的變化曲線圖

2.3 鋼筋銹蝕率及銹蝕速率分析

通過對不同工況的試件通電銹蝕加速試驗，銹蝕完成后將試件鑿開，觀察鋼筋的表面銹蝕形態如圖8 所示，對銹蝕鋼筋進行酸洗稱量后計算的結果如表2 所示，包括鋼筋通電時間、理論銹蝕量、實際銹蝕量、理論銹蝕率、實際銹蝕率以及銹蝕速率，其中定義鋼筋的銹蝕速率v 為每安、每小時鋼筋所銹蝕的量，即

表2 鋼筋銹蝕完成后數據

圖8 鋼筋銹蝕形態

式中：v 為鋼筋的銹蝕速率（g/(A·h)）；mc為鋼筋的實際銹蝕質量（g）；I 為通過電流的大小；（A）；t 為通電時間（h）。

根據法拉第電解定律計算銹蝕試驗中鋼筋的理論銹蝕量：

式中：△mL為鋼筋的理論銹蝕量（g）；M 為鐵的摩爾質量（g/mol），取55.8g/mol；I 為通電電流大小（A）；t 為通電時間（s）；Z 為鐵氧化的電子數，取2.5；F 為法拉第常數，取96500C/mol。

根據表2 所示的試驗數據分析，不同工況通電銹蝕過程中，鋼筋的實際銹蝕率與理論銹蝕率差異較大，差異最高的達到了75%。分析其主要原因可能是鋼筋表面的鈍化膜在混凝土中早期未被破壞，導致表面發生電解水反應消耗了部分電流。由于電解反應是在混凝土中進行的，電流不可避免地損失在混凝土中一部分，從而使得實際用于促進鋼筋銹蝕的電流小于理論電流值，導致際銹蝕率低于理論銹蝕率。主要原因還可能是通過不同的界面處理方法，新老混凝土界面較好的處理方法可以增加其界面的粘結質量，有效地延緩鋼筋的銹蝕速率，使鋼筋的實際銹蝕率和理論銹蝕率進一步的產生差異。

采用了對稱施加載荷的雙面剪切試驗來驗證新方法的實用性，如圖9。在既定的加載與測量方案下，完成了各組試件的雙面剪切試驗，結果見表2。從中可以看出整體澆筑的試件雙面剪切強度最高為5.19MPa，自然光滑的界面雙面剪切強度最低為2.02MPa。通過不同界面處理后，試件的雙面剪切強度得到了不同程度的提高，其中最有效的是采用新混凝土為UHPC，試件的雙面剪切強度提高至4.27MPa，達到整體澆筑試件抗剪強度的82.27%。

圖9 雙面剪切試驗示意圖

3 結論

本文基于鋼筋的銹蝕形態檢測不同界面處理方法下新老混凝土界面粘結質量，并通過適用性研究對比新方法的可行性，得到如下結論：

①對新老混凝土界面進行粗糙處理，鋼筋銹蝕為不均勻銹蝕，采用人工鑿毛、預留槽方式時，通電銹蝕時混凝土保護層開裂時間延長，銹蝕速率下降，界面粘結質量得到提高，采用預留槽比人工鑿毛效果更加明顯，與雙面剪切試驗結果一致。②采用水泥凈漿和水泥膨漿界面劑以及提高新混凝土的強度時，鋼筋銹蝕為不均勻銹蝕，通電銹蝕時保護層開裂時間延長，銹蝕速率下降，界面粘結質量得到提高，且水泥膨漿效果明顯優于水泥凈漿界面劑，與雙面剪切試驗結果一致。③采用不同粘結齡期的新老混凝土試件，銹蝕最嚴重的位置在新老混凝土界面處，當粘結齡期增加時，通電銹蝕保護層開裂時間延長，銹蝕速率下降，界面粘結質量得到提高，粘結齡期為60d 時新老混凝土界面粘結質量最好，與雙面剪切試驗結果一致。