俞小彤,常西棟,周文濤,廖迎娣,陳 達(dá)

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;2.海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué)),南京 210098)

通電加速手段已應(yīng)用于加速復(fù)合鹽類侵蝕[9-10],本文采用該方法腐蝕單一氯鹽、復(fù)合氯鹽-硫酸鹽溶液中鋼筋混凝土試件,探究其銹裂特性。設(shè)計(jì)伴隨的混凝土腐蝕試驗(yàn),明確試件保護(hù)層性能演化。修正ES模型[6],在混凝土抗拉強(qiáng)度、鋼筋腐蝕電流密度中引入硫酸鹽的影響,建立復(fù)合侵蝕下保護(hù)層脹裂時(shí)間預(yù)測(cè)模型,為海洋、鹽湖等環(huán)境中RC結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定提供理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

水泥采用海螺牌普通硅酸鹽水泥P·O 42.5,化學(xué)組成見表1。細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.9的天然河砂,Ⅱ區(qū)中砂;粗骨料采用粒徑5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石;拌合水采用實(shí)驗(yàn)室自來水;外加劑采用聚羧酸液體高效減水劑,減水率為25%;采用富鋼HRB400帶肋鋼筋,直徑16 mm;采用寶鈦TA2純鈦片,厚0.1 mm。設(shè)計(jì)C40混凝土,配合比(按質(zhì)量計(jì))見表2。

表2 混凝土配合比Tab.2 Concrete mixtures

1.2 試樣設(shè)計(jì)與制備

鋼筋混凝土試件尺寸為100 mm ×100 mm ×150 mm,如圖1(a)所示。試件兩端設(shè)置長(zhǎng)35 mm無黏區(qū),通過直徑20 mm的聚氯乙烯(PVC)管實(shí)現(xiàn),采用環(huán)氧樹脂(德益E-44型)涂抹無黏區(qū)鋼筋。試件上端預(yù)留30 mm的PVC管,防止腐蝕溶液滲入。室溫澆水養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完成后在試件底端套入直徑25 mm、長(zhǎng)20 mm的PVC管,灌入環(huán)氧樹脂密封,防止溶液滲入。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Dimensions of test samples

參考文獻(xiàn)[11]制備可通電的混凝土試塊,用于伴隨的混凝土腐蝕試驗(yàn)。在100 mm×100 mm×100 mm混凝土試塊中插入寬10 mm、厚0.1 mm鈦片作為陽極,如圖1(b)所示。同時(shí)制備無鈦片試樣作為對(duì)照樣。室溫澆水養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 腐蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考研究常用的腐蝕溶液濃度[7,12],配制5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液與5%NaCl+5%Na2SO4復(fù)合溶液。為避免高電流對(duì)腐蝕過程的影響,選取200 μA/cm2電流密度進(jìn)行恒電流加速腐蝕試驗(yàn)[13]。試件在腐蝕溶液中浸泡3 d至飽水后施加恒電流,將每12個(gè)試樣并聯(lián)后接入電源正極,不銹鋼棒接入負(fù)極,如圖2(a)所示。根據(jù)法拉第定律,按理論銹蝕率為1%、2%、3%設(shè)定通電時(shí)間為6、12、18 d,隨后,當(dāng)試件脹裂及平均裂縫寬度達(dá)約0.1、0.2、0.5、1.0 mm時(shí)停止通電。為保證外界離子濃度恒定,腐蝕溶液每6 d更換一次。

圖2 恒電流加速腐蝕試驗(yàn)Fig.2 Accelerated corrosion test by electric field with constant current

由于存在鋼筋,難以通過常規(guī)的力學(xué)性能測(cè)試,為明確保護(hù)層的腐蝕劣化,對(duì)混凝土試塊進(jìn)行伴隨的恒電流腐蝕,電流大小與鋼筋混凝土試件相同,如圖2(b)所示。氯鹽自身對(duì)混凝土力學(xué)性能無影響[14],5%NaCl的摻入對(duì)5%Na2SO4溶液中受腐蝕混凝土的強(qiáng)度影響甚微[12],考慮到通電環(huán)境中氯鹽強(qiáng)烈腐蝕鈦片,故采用5%Na2SO4溶液作為腐蝕溶液,通電時(shí)間設(shè)為6、12、18、24、30 d。

1.4 測(cè)試方法

采用HC-CK101型裂縫寬度觀測(cè)儀對(duì)鋼筋混凝土試件表面裂縫寬度進(jìn)行分段量測(cè),精度為0.02 mm。參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)量鋼筋銹蝕率。將試件中鋼筋取出,酸洗、稱質(zhì)量、測(cè)長(zhǎng),計(jì)算單位長(zhǎng)度質(zhì)量,3個(gè)試件取均值。通過銹蝕前后單位長(zhǎng)度質(zhì)量變化求得鋼筋銹蝕率。根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)量混凝土試塊抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度。采用SYE-2000D電液式壓力機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn),力控加載速度為0.3 MPa/s。采用SHT4305微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn),加載速度為0.05 MPa/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼筋混凝土試件表觀演化

圖3 鋼筋混凝土試件表觀形貌演化Fig.3 Evolution of visual appearance of the reinforced concrete samples

開裂后,有害介質(zhì)更易侵入,裂縫寬度增加且銹蝕產(chǎn)物溢出,硫酸鹽的影響不再顯著,如圖3(d)、(g)所示。此外,銹蝕產(chǎn)物為紅褐色,與自然銹蝕顏色接近,表明采用200 μA/cm2電流密度是合理的。

圖4 銹脹裂縫寬度隨通電時(shí)間的變化Fig.4 Evolution of average width of corrosion-induced crack with power-on time

2.2 鋼筋銹蝕特征

不同侵蝕環(huán)境下鋼筋銹蝕形貌見圖5,鋼筋兩面均被展示。由圖5(a)～(c)可知,通電作用引起鋼筋環(huán)向不均勻銹蝕,該現(xiàn)象在Chen等[16]的研究中也有報(bào)道。銹蝕由橫肋頂部逐漸向縱肋發(fā)展,圖5(b)中鋼筋橫肋頂部冒出紅棕色銹水,而隨著銹蝕發(fā)展,縱肋銹蝕顯著,出現(xiàn)較大的局部銹蝕區(qū)域,如圖5(c)所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì),開裂面與縱肋面平行的試件占總脹裂試件75%,表明脹裂大多由縱肋處銹蝕產(chǎn)物累積膨脹引起。對(duì)比圖5(a)～(c)和圖5(d)～(f)可知,通電初期(6 d),復(fù)合鹽溶液中鋼筋銹蝕較單一氯鹽溶液緩慢,銹跡不明顯。但脹裂后,兩種環(huán)境中鋼筋銹蝕形貌及其演化規(guī)律相似。

圖5 鋼筋銹蝕形貌演化Fig.5 Evolution of morphology of corroded reinforcement

圖6 鋼筋銹蝕率隨通電時(shí)間的變化Fig.6 Evolution of corrosion level of reinforcement with power-on time

為準(zhǔn)確描述鋼筋銹蝕率的發(fā)展情況,在法拉第定律的基礎(chǔ)上,提出鋼筋銹蝕率η(按質(zhì)量計(jì))隨時(shí)間變化的分段表達(dá)式:

(1)

式中:k為脹裂前通電銹蝕效率,取0.1～0.7[17-19],本研究中,對(duì)于5%NaCl溶液,k=0.62,對(duì)于5%Na2SO4+5%NaCl溶液,k=0.46;i為腐蝕電流密度;M為鐵的摩爾質(zhì)量;t為通電時(shí)間;ρs為鋼筋密度;n為反應(yīng)電荷數(shù);F為法拉第常數(shù);D為鋼筋直徑;ηcr為脹裂時(shí)鋼筋銹蝕率;tcr為脹裂時(shí)間。

通過銹脹裂縫寬度預(yù)測(cè)RC結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋銹蝕程度是適用于實(shí)際評(píng)估的非破損檢測(cè)方法,學(xué)者們對(duì)二者的相關(guān)性開展研究,線性關(guān)系被廣泛報(bào)道[20-21]。故運(yùn)用下式對(duì)銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕率進(jìn)行分析:

w=mη+l

(2)

式中:w為銹脹裂縫平均寬度;m、l為參數(shù),與腐蝕環(huán)境、保護(hù)層厚度等相關(guān)。

圖7 銹脹裂縫寬度與銹蝕率的線性關(guān)系Fig.7 Linear relationship between average width of crack and corrosion level of reinforcement

2.3 混凝土性能演化

2.3.1 表觀形貌

通電5%Na2SO4溶液環(huán)境中,混凝土試塊表觀形貌如圖8所示。可以看出,通電作用顯著加快硫酸鹽損傷混凝土。通電12 d后,混凝土表面出現(xiàn)顯著鹽析,如圖8(b)所示。隨著腐蝕程度增加,大量CaSO4·2H2O沉積,導(dǎo)致表面粉化發(fā)白,且局部裂縫開展,如圖8(c)所示。結(jié)合圖3可知,通電作用下,5%Na2SO4溶液中混凝土表觀形貌演化與復(fù)合溶液情況相近,均展現(xiàn)了顯著的硫酸鹽腐蝕特征。

圖8 混凝土試塊表觀形貌演化Fig.8 Evolution of visual appearance of concrete samples

2.3.2 力學(xué)性能

圖9給出了混凝土試塊破壞形態(tài)?？梢钥闯?中置一定尺寸的鈦片對(duì)混凝土力學(xué)破壞形態(tài)無影響,抗壓破壞呈現(xiàn)典型的“錐形模式”壓縮破壞;劈裂抗拉破壞中,劈裂裂縫位于荷載作用線上,近乎直線。

圖9 中置鈦片對(duì)混凝土破壞形態(tài)的影響Fig.9 Effect of the central titanium sheet on the failure mode of concrete

表3給出了通電環(huán)境中受硫酸鹽腐蝕混凝土的抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度演化。可以看出,中置鈦片不影響混凝土試塊的抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度。硫酸鹽通電作用下,受腐蝕混凝土抗壓強(qiáng)度先增長(zhǎng)后降低,劈裂抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),與硫酸鹽長(zhǎng)期浸泡下的演化規(guī)律相同[24-25]。

表3 通電作用下受硫酸鹽腐蝕混凝土的抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度Tab.3 Compressive strength and tensile splitting strength of concrete under sulfate attack with electric field

硫酸鹽腐蝕是由外向內(nèi)的過程,混凝土截面不均勻腐蝕,試驗(yàn)獲得的劈裂抗拉強(qiáng)度由截面均勻腐蝕假定得到,反映受腐蝕截面整體抗拉能力的變化。混凝土抗拉強(qiáng)度決定了保護(hù)層所能提供的最大銹脹力。本文的脹裂模型假定脹裂時(shí)混凝土截面拉應(yīng)力均達(dá)到其抗拉強(qiáng)度(3.2節(jié)),此時(shí),最大銹脹力來源于截面整體抗拉能力。故此處假定混凝土沿截面均勻腐蝕,獲得混凝土抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律,支撐后續(xù)的脹裂分析。

定義混凝土腐蝕程度

(3)

式中:ft,sp(t)為腐蝕td后混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度,ft,sp0為未腐蝕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。

結(jié)合文獻(xiàn)[25]和本文數(shù)據(jù),提出經(jīng)驗(yàn)公式描述腐蝕程度演化,即

α=at2+bt1.5+1

(4)

式中a、b為參數(shù),與混凝土配比、腐蝕環(huán)境等相關(guān)。對(duì)表3中劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)回歸分析得到a=1.67×10-4,b=-1.79×10-3,相關(guān)系數(shù)R2為0.996。

當(dāng)前大多由混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度推求其抗拉強(qiáng)度ft,ft=Aft,sp,A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),歐洲模型規(guī)范[26]推薦取為0.9,故受腐蝕混凝土抗拉強(qiáng)度ft(t)演化的經(jīng)驗(yàn)公式為

ft(t)=αAft,sp0=0.9(at2+bt1.5+1)ft,sp0

(5)

3 脹裂時(shí)間預(yù)測(cè)模型

3.1 銹脹力計(jì)算模型

本文重點(diǎn)關(guān)注混凝土腐蝕對(duì)鋼筋混凝土銹裂行為的影響,且采用通電加速腐蝕試驗(yàn),故采用均勻銹蝕假定,并在ES模型[6]基礎(chǔ)上考慮銹蝕產(chǎn)物對(duì)裂縫的填充作用,建立銹脹力計(jì)算模型。圖10給出了保護(hù)層脹裂過程示意。需要注意的是,自然銹蝕鋼筋呈現(xiàn)非均勻特性,均勻銹蝕模型的實(shí)際應(yīng)用仍有一定的局限性。

圖10 混凝土保護(hù)層脹裂Fig.10 Corrosion-induced cracking of concrete cover

在銹脹力q作用下,鋼筋周邊混凝土的徑向位移δc為

δc=Kq

(6)

式中K為混凝土孔洞的徑向柔度系數(shù)。

鋼筋混凝土界面處為多孔區(qū),待銹蝕產(chǎn)物填充完該區(qū)域后產(chǎn)生銹脹力。根據(jù)彈性力學(xué)厚壁圓筒內(nèi)部徑向位移與內(nèi)壓關(guān)系,可得

(7)

(8)

式中:c為混凝土保護(hù)層厚度;D為鋼筋直徑;δ0為多孔區(qū)厚度;ν為混凝土泊松比;Eef為混凝土有效彈性模量,Eef=Ec/(1+φcr);Ec為混凝土彈性模量;φcr為混凝土蠕變系數(shù)。

ES模型未考慮裂縫擴(kuò)展過程中銹蝕產(chǎn)物填充裂縫的情況。文獻(xiàn)[7]指出不應(yīng)忽視這一過程,并將裂縫面積以三角形計(jì)算。因此,假定銹蝕產(chǎn)物完全填充銹脹裂縫,裂縫為等腰三角形,其頂點(diǎn)位于開裂前沿,將填充裂縫的銹蝕產(chǎn)物體積折算為銹蝕產(chǎn)物厚度引入至ES模型中,如圖10所示。

已知柔度系數(shù),還需確定混凝土徑向位移δc,忽略銹蝕產(chǎn)物壓縮變形的影響[5-7],由變形協(xié)調(diào)可得

δc=δr-δl-δ0-δf

(9)

式中:δr為銹蝕產(chǎn)物厚度,δf為銹蝕產(chǎn)物填充裂縫折算的厚度,δl為鋼筋銹蝕損失厚度。

內(nèi)部開裂混凝土切向應(yīng)變?yōu)棣纽?2δc/D,裂縫總寬度W=πDεθ,近似得到裂縫體積ΔVc=Wc/2,則

(10)

如圖10(b)所示,將單位長(zhǎng)度體積的改變以直徑的變化來表示,即

(11)

式中:mr為單位長(zhǎng)度鋼筋銹蝕產(chǎn)物質(zhì)量;ml為單位長(zhǎng)度鋼筋質(zhì)量;ρr為鐵銹密度,ρs為鋼筋密度,ρr=0.5ρs;ml=γmr,γ為鐵與鐵銹的摩爾質(zhì)量比(0.523～0.622),選取均值0.573,可得

(12)

則銹脹力與銹蝕率的關(guān)系為

(13)

3.2 考慮硫酸鹽影響的脹裂時(shí)間預(yù)測(cè)模型

假定脹裂時(shí)刻混凝土完全進(jìn)入塑性狀態(tài),即混凝土截面上的環(huán)向拉應(yīng)力均達(dá)到ft時(shí),保護(hù)層開裂。此時(shí),最大銹脹力為

(14)

將式(14)代入式(13),得保護(hù)層脹裂控制方程

(15)

對(duì)于單一氯鹽侵蝕,混凝土抗拉強(qiáng)度不變,可由式(15)求解脹裂時(shí)鋼筋銹蝕率,得到脹裂時(shí)間。但復(fù)合侵蝕下,硫酸鹽的存在改變混凝土抗拉強(qiáng)度,影響鋼筋銹蝕發(fā)展,故將式(15)表達(dá)為腐蝕時(shí)間控制的方程

(16)

式中:i(t)為鋼筋腐蝕電流密度,ti為鋼筋開始銹蝕時(shí)間。

式(16)也適用于單一氯鹽侵蝕環(huán)境。為了驗(yàn)證模型,采用本研究及文獻(xiàn)[5,7,27-29]數(shù)據(jù)驗(yàn)證,模型參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表4所示。其他模型參數(shù)為定值:ν=0.18,δ0=20 μm,φcr=2.35。需要說明的是:

表4 混凝土脹裂時(shí)間試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Tab.4 Prediction and test values of time to cover cracking

1)由于文獻(xiàn)大多采用通電加速鋼筋銹蝕試驗(yàn)手段,可忽略ti。Liu和Weyers[5]在試件中摻加氯鹽誘發(fā)鋼筋銹蝕,后置于野外環(huán)境,也可忽略ti。

2)對(duì)于單一氯鹽環(huán)境,ft(t)=ft0。由于保護(hù)層混凝土力學(xué)性能難以獲得,采用伴隨腐蝕的混凝土試塊抗拉強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證,ft(t)按式(5)計(jì)算,從而反映保護(hù)層混凝土腐蝕劣化的影響。

3)由于脹裂前鋼筋銹蝕率遠(yuǎn)低于法拉第定律理論值,參考文獻(xiàn)[28],并根據(jù)式(1)修正腐蝕電流密度。分別采用單一、復(fù)合鹽環(huán)境中的鋼筋腐蝕電流密度修正值以反映硫酸鹽的影響。

由表4可知,模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值符合良好。本研究將銹蝕產(chǎn)物對(duì)裂縫的填充作用引入ES模型,并將硫酸鹽的影響考慮至混凝土抗拉強(qiáng)度、鋼筋腐蝕電流密度中,可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)合侵蝕下混凝土脹裂時(shí)刻。值得一提的是,Wang等[9]采用數(shù)字圖像相關(guān)法計(jì)算鋼筋銹脹力,發(fā)現(xiàn)3%NaCl+5%Na2SO4溶液作用下,試件脹裂時(shí)最大銹脹力較3%NaCl溶液下降11.1%。根據(jù)脹裂時(shí)間與式(5),本研究中復(fù)合侵蝕下脹裂時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度為3.81 MPa,再由式(14)可知最大銹脹力較單一氯鹽侵蝕環(huán)境下降了11.8%,與文獻(xiàn)[9]相近。這表明伴隨腐蝕試驗(yàn)中混凝土腐蝕程度可以表征保護(hù)層的腐蝕損傷,基于該試驗(yàn)得到的混凝土抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律可以用于計(jì)算脹裂時(shí)間,反映復(fù)合侵蝕下保護(hù)層損傷對(duì)銹裂行為的影響。

4 結(jié) 論

1)復(fù)合侵蝕下,硫酸鹽的存在改變混凝土脹裂前表觀形貌,使得單一氯鹽環(huán)境下的“白須”消失,表面粉化發(fā)白且出現(xiàn)鹽結(jié)晶。

2)硫酸鹽的存在不影響復(fù)合侵蝕下鋼筋銹蝕形貌,但在脹裂前顯著降低鋼筋銹蝕率,從而延長(zhǎng)混凝土保護(hù)層脹裂時(shí)間。銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕率線性相關(guān),受硫酸鹽腐蝕混凝土增大了裂縫隨銹蝕發(fā)展速率。

3)為明確復(fù)合侵蝕下硫酸鹽對(duì)混凝土保護(hù)層的劣化作用,設(shè)計(jì)伴隨的混凝土腐蝕試驗(yàn)?；诨炷僚芽估瓘?qiáng)度演化,提出腐蝕程度指標(biāo),建立受腐蝕混凝土的抗拉強(qiáng)度演化經(jīng)驗(yàn)公式。復(fù)合侵蝕降低混凝土抗拉性能,將加劇RC結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期性能的劣化。

4)在經(jīng)典ES銹脹模型中考慮銹蝕產(chǎn)物對(duì)裂縫的填充作用,并將硫酸鹽的影響考慮至混凝土抗拉強(qiáng)度、鋼筋腐蝕電流密度中,建立復(fù)合侵蝕下保護(hù)層脹裂時(shí)間預(yù)測(cè)模型,準(zhǔn)確描述鋼筋混凝土銹裂特征。