混凝土中鋼筋銹蝕產(chǎn)物模量特性研究

徐 港，鮑 浩，王 青,2，徐浩銘

(1. 三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002； 2. 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002)

鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首要原因，與之相關(guān)的研究受到人們廣泛重視[1-4]。目前關(guān)于銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗力性能影響的研究已取得大量成果，然而對(duì)于銹蝕物自身力學(xué)性能的研究卻僅有少量報(bào)道，如S.Kumiko等[5]繪制了銹蝕產(chǎn)物體積膨脹率-彈性模量關(guān)系圖，認(rèn)為鋼筋銹蝕物的彈性模量值應(yīng)在0.1～0.5 GPa之間；K.Lundgren[6]基于銹蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脹裂的仿真分析，推算得到鐵銹的彈性模量Er值約為14.0 GPa；而S.Caré[7]等采用彈性理論對(duì)保護(hù)層銹蝕脹裂分析表明鐵銹彈性模量為0.14 GPa；A.Ouglova[8]將銹樣研磨成粒徑為0.4～8.7 μm的銹粉，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)分析得到銹樣加載穩(wěn)定階段的彈性模量為0.5 GPa；B.J.Pease[9]等通過(guò)數(shù)字圖像技術(shù)，觀察由于銹蝕產(chǎn)物體積膨脹引起的砂漿和鋼筋界面的變形，與仿真分析得到的變形進(jìn)行對(duì)比，得到了鋼筋銹蝕產(chǎn)物的彈性模量在2.0 ～20.0 GPa之間；而I.Petre-Lazar和B.Gerard[10]采用劃痕法測(cè)試鐵銹力學(xué)性能，認(rèn)為它是一種非黏性組合的不可壓縮體；趙羽習(xí)和任海洋[11-12]基于改進(jìn)的固結(jié)試驗(yàn)，運(yùn)用Hertz彈性接觸理論對(duì)鐵銹模量進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨荷載增加鐵銹的瞬時(shí)彈性模量逐漸增大，鐵銹不是彈性物質(zhì)。令人遺憾的是，已有研究結(jié)論的差異很大，這一方面說(shuō)明問(wèn)題的復(fù)雜性，另一方面可能與不同學(xué)者所采用的方法和試樣成分有關(guān)。

本文采用固結(jié)試驗(yàn)著重研究了銹蝕產(chǎn)物成分、粒徑大小及分布對(duì)其壓縮模量的影響特性，并論證推測(cè)了混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)的鐵銹彈性模量的取值范圍。希望所得結(jié)果能為鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂分析參數(shù)選取提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從三峽大學(xué)生命科學(xué)樓和逸夫樓樓頂鋼架除銹銹塊中收集銹樣2組，分別命名為S和Y銹樣，測(cè)得S銹樣的密度為4.188 g/cm3，Y銹樣密度為4.046 g/cm3。采用X射線衍射儀與EDS能譜分析儀分別對(duì)兩種銹樣成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。結(jié)果表明自然銹蝕產(chǎn)物與鋼筋混凝土銹脹生成的銹蝕產(chǎn)物成分[3，15]類似，都主要含有Fe3O4和Fe2O3。

(a) S銹樣X(jué)射線衍射圖 (b) S銹樣掃描電鏡圖 (c) S銹樣能譜分析

(d) Y銹樣X(jué)射線衍射圖 (e) Y銹樣掃描電鏡圖 (f) Y銹樣能譜分析圖1 S銹樣與Y銹樣成分分析Fig.1 Components analysis of S and Y rust samples

銹樣編號(hào)主要成分銹樣粒徑范圍/ mm粒徑平均值/ mmS1S2S3S4FeO(OH)和Fe(OH)30.100～0.3200.1670.080～0.1000.0920.050～0.0800.0660.010～0.0500.035Y1Y2Y3Y4Fe3O4和Fe2O30.100～0.3200.1560.080～0.1000.0900.050～0.0800.0660.010～0.0500.0342#3#Fe3O4,Fe2O3和β-FeO(OH)0.100～0.2500.1220.075～0.1000.0605#6#Fe3O4,Fe2O3,α-FeO(OH)和β-FeO(OH)0.100～0.2500.1560.075～0.1000.061

注： 2#，3#，5#，6#銹樣取自文獻(xiàn)[12]。

將S和Y銹塊曬干、碾磨為粉狀，用定制孔徑為0.050，0.080和0.100 mm的3種網(wǎng)篩在水泥細(xì)度負(fù)壓篩析儀上分別對(duì)兩種銹樣進(jìn)行篩分(圖2)，得到粒徑范圍為0.010～0.050 mm，0.050～0.080 mm，0.080～0.100 mm和0.100～0.320 mm的4類銹粉，分別編號(hào)為S1，S2，S3，S4和Y1，Y2，Y3，Y4(兩組銹樣取自不同地方，即兩種銹樣化學(xué)成分不同)。對(duì)每組銹樣按粒徑大小再細(xì)劃分為10個(gè)小區(qū)間，隨機(jī)取200個(gè)顆粒采用KH7700數(shù)字顯微鏡進(jìn)行粒徑測(cè)量(圖3)，并統(tǒng)計(jì)落入每個(gè)小區(qū)間內(nèi)的個(gè)數(shù)，得到各試樣粒徑分布(圖4)。由于每一個(gè)銹樣顆粒在各個(gè)方向上的尺寸并不相同，取其最大值為粒徑測(cè)量值。

設(shè)每種試樣各細(xì)分小區(qū)間粒徑平均值為rii，個(gè)數(shù)為ni，則由ri=∑riini/200可求得該組試樣粒徑平均值(ri)。最終求得各試樣粒徑平均值分別為：rS1=0.167 mm，rS2=0.092 mm，rS3=0.066 mm，rS4=0.035 mm；rY1=0.156 mm，rY2=0.090 mm，rY3=0.066 mm，rY4=0.034 mm。

(a) 銹塊碾磨 (b) 網(wǎng)篩選擇 (c) 銹樣篩分 (d) 篩分獲得的銹樣圖2 篩分試驗(yàn)Fig.2 Screening tests

(a) 待測(cè)銹樣 (b) 粒徑觀測(cè) (c) 觀測(cè)結(jié)果圖3 粒徑觀測(cè)試驗(yàn)Fig.3 Particle size observation tests

(a) S1，Y1銹樣粒徑分布 (b) S2，Y2銹樣粒徑分布

(c) S3，Y3銹樣粒徑分布 (d) S4，Y4銹樣粒徑分布圖4 各組銹樣粒徑分布Fig.4 Particle size distribution of rust samples groups

2 銹樣的固結(jié)試驗(yàn)

參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50123-1999)，采用WG-2A雙聯(lián)固結(jié)儀對(duì)銹樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，為提高計(jì)數(shù)的精度，采用數(shù)顯千分表讀數(shù)。通過(guò)預(yù)做試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每級(jí)荷載施加15 min后讀數(shù)變化趨緩，故本試驗(yàn)每15 min讀數(shù)1次。以S1試樣為例，固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程如圖5，具體操作步驟如下：

(1)安裝好固結(jié)試驗(yàn)儀，將環(huán)刀C固定在固結(jié)試驗(yàn)儀上；

(2)將銹樣取120 g倒入環(huán)刀C內(nèi)進(jìn)行分層預(yù)壓，使環(huán)刀正好填滿；

圖5 固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程Fig.5 Oedometer test process

(3)將千分表固定在固結(jié)儀上，調(diào)整并記錄好千分表的初始讀數(shù)；取2.552 kg(=100 kPa)的砝碼置于固結(jié)儀上，對(duì)S1進(jìn)行第1級(jí)加載，每級(jí)加載后的千分表讀數(shù)記為該級(jí)0點(diǎn)值，此后每隔15 min讀取一次千分表讀數(shù)，分別記為1，2，3，4點(diǎn)讀數(shù)，并進(jìn)入下一個(gè)荷載施加階段；

(4)依照上述步驟，依次在S1銹樣上施加100，150，200，250，300，350，400和450 kPa共8級(jí)荷載，并記錄變形量Δ。

重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程，控制銹樣質(zhì)量相等，依次完成S2，S3，S4和Y1，Y2，Y3，Y4等其余7組銹樣的固結(jié)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于固結(jié)試驗(yàn)原理，可由下式(1)求得到銹樣在各級(jí)外荷載作用下的壓縮量Ec的大?。?/p>

(1)

式中：h為環(huán)刀高度；Δhi+1為第(i+1)級(jí)加載的壓縮量；∑Δhi為前i級(jí)加載的累計(jì)壓縮量；(Pi+1-Pi)為相鄰兩級(jí)荷載差。

將S，Y組銹樣固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1)，得到S(S1，S2，S3，S4)和Y(Y1，Y2，Y3，Y4)銹樣的荷載-壓縮模量關(guān)系，如圖6(a)和(b)，可知：外荷載范圍在100～450 kPa之間時(shí)，鋼筋混凝土銹蝕產(chǎn)物的壓縮模量變化范圍為4～45 MPa，鐵銹的壓縮模量值隨著荷載增大而線性增大，并非一個(gè)定值。分析其原因可能與土顆粒類似，銹樣顆粒間含有大量的孔隙，當(dāng)它承受的軸向荷載增加時(shí)，隨著深度的增加會(huì)引起水平壓力的增大，鐵銹顆粒趨漸密實(shí)，此時(shí)鐵銹的抗變形能力也有所加強(qiáng)，壓縮模量增大[13-14]。文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了與本文類似的試驗(yàn)，所采用銹樣基本信息見(jiàn)表1中的2#，3#，5#，6#銹樣，對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析也得到相似關(guān)系，如圖6(c)和(d)。但是，值得注意的是粒徑和成份不同銹樣的荷載-壓縮模量線性擬合式的斜率并不相同。

(a) S組銹樣 (b) Y組銹樣

(c) 2#和3#銹樣 (d) 5#和6#銹樣圖6 銹樣荷載-壓縮模量關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves of load-compression modulus of rust samples in oedometer tests

為此，取S1，Y1，2#及5#等4種平均粒徑接近但化學(xué)成分不同的銹樣進(jìn)一步分析，如圖7(a)，可見(jiàn)在相同加載條件下，各試樣荷載-壓縮模量擬合直線的斜率由大到小順序?yàn)镾1>5#>2#>Y1，而銹樣按氧化程度由大到小排序?yàn)閅1>2#>5#>S1，同理分析S3，Y3，3#及6#銹樣也可以得到相同的規(guī)律，如圖7(b)，說(shuō)明銹蝕物氧化越充分，其壓縮模量值隨荷載增加變化幅度越小。分析原因可能是由于不同銹蝕物和微觀組織結(jié)構(gòu)不同造成的，如圖1(b)和(e)，Y組銹樣較S組的微觀結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。

(a) 銹樣S1，Y1，2#及5# (b) 銹樣S3，Y3，3#及6#圖7 銹樣荷載-壓縮模量關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of load-compression modulus of rust samples in oedometer tests

取化學(xué)成分相同而平均粒徑不同試樣進(jìn)行分析，如圖8。由圖可見(jiàn)：(1)對(duì)于同種銹樣，各級(jí)荷載作用下，銹樣平均粒徑與壓縮模量間的關(guān)系具有相似變化規(guī)律；(2)對(duì)于不同銹樣，同級(jí)荷載下平均粒徑與壓縮模量間的關(guān)系差異較大，無(wú)明顯規(guī)律，有待進(jìn)一步研究。

(a) S銹樣 (b) Y銹樣

(c) 2#和3#銹樣 (d) 5#和6#銹樣圖8 銹樣粒徑與壓縮模量關(guān)系曲線Fig.8 Relation curves of particle size-compression modulus of rust samples

4 銹蝕產(chǎn)物彈性模量推測(cè)

有學(xué)者[16]曾通過(guò)理論分析得到鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土構(gòu)件保護(hù)層表面脹裂時(shí)的最大銹脹力：

(2)

式中：ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度平均值；c為混凝土保護(hù)層厚度；r為鋼筋半徑。

考慮到環(huán)境的差異，設(shè)混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化范圍為C20～C50、保護(hù)層厚度變化范圍為20～50 mm，縱向受力鋼筋直徑取10～40 mm，對(duì)這3類變量進(jìn)行不同組合，按式(2)求解，匯總求解結(jié)果后可知最大銹脹力為0.75～11.32 MPa。將銹脹力上、下限值代入不同銹樣的荷載-壓縮模量擬合方程(圖6中各數(shù)據(jù)擬合式)，可得與之相應(yīng)的銹蝕物壓縮模量值為21.16～880.27 MPa。

如假定銹樣為彈性材料，根據(jù)材料力學(xué)理論，可知彈性模量E0和壓縮模量Ec之間存在如下關(guān)系：

(3)

式中：μ為銹蝕物的泊松比。

目前，對(duì)銹蝕物泊松比的取值尚存在爭(zhēng)議，本文取μ為0.25[17]，代入式(3)可得：E0=0.833Ec。將上述得到的保護(hù)層脹裂時(shí)的壓縮模量代入到式(3)中，可得銹蝕物的彈性模量值(E0)為0.017～0.733 GPa。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用水泥細(xì)度負(fù)壓篩分儀得到4種不同粒徑范圍的銹樣，通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)研究其壓縮模量值的變化規(guī)律，得出：

(1)銹蝕物壓縮模量隨著壓應(yīng)力增加而增大，非定值，但兩者線性相關(guān)。

(2)相同應(yīng)力水平，粒徑相近銹樣的壓縮模量大小與銹蝕物化學(xué)成分相關(guān)，銹蝕物氧化越充分，其壓縮模量值隨壓應(yīng)力增加變化幅度越小。

(3)鋼筋混凝土構(gòu)件保護(hù)層表面銹脹開(kāi)裂時(shí)，銹蝕物彈性模量值為0.017～0.733 GPa。

參 考 文 獻(xiàn)：

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