氯鹽侵蝕下堿激發(fā)混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕研究進展

高凱凱，崔祎菲，張 鵬，趙鐵軍

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266011)

0 引 言

為適應(yīng)綠色發(fā)展的要求，綠色膠凝材料的研究和開發(fā)已經(jīng)成為建材領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)之一。傳統(tǒng)膠凝材料硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過程會釋放大量的溫室氣體并消耗大量的化石能源。為了環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，低能耗高環(huán)保膠凝材料的探索與研發(fā)變得極其重要。堿激發(fā)礦渣水泥作為一種新型膠凝材料，憑借節(jié)能、環(huán)保和高性能的優(yōu)點，得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)學(xué)者開展了大量實驗，對堿激發(fā)礦渣水泥的配合比和配置方案進行了確定。在我國，重慶建筑大學(xué)的蒲心誠等[1]對堿礦渣進行了相關(guān)研究，制備出了超高性能的堿礦渣混凝土。Shi等[2]對近年來堿礦渣體系的研究成果進行了總結(jié)論述。由于原材料和反應(yīng)機理不同，普通混凝土和堿礦渣混凝土的水化產(chǎn)物也不同，王新頻[3]通過核磁共振、掃描電鏡和納米壓痕技術(shù)對兩種混凝土水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究。結(jié)果表明，普通混凝土和堿激發(fā)礦渣混凝土水化形成的硅酸鈣和硅鋁酸鈣凝膠在組成和結(jié)構(gòu)上都有差異。除原材料化學(xué)組成外，大量研究[4-6]還表明堿激發(fā)礦渣混凝土水化產(chǎn)物的種類及其力學(xué)性能與激發(fā)劑有關(guān)。目前，堿激發(fā)膠凝材料的工程應(yīng)用是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點，堿激發(fā)混凝土優(yōu)良的耐久性引起了學(xué)者越來越多的關(guān)注，本文綜述了氯鹽侵蝕下堿激發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕的相關(guān)研究，以期為堿激發(fā)混凝土耐久性的深入研究提供一些參考。

1 氯離子侵蝕破壞機理

1.1 混凝土中氯離子的來源與侵蝕擴散方法

氯離子進入混凝土內(nèi)部的方式有兩種[7]：內(nèi)摻和外滲。內(nèi)摻是在實際工程或試驗中，氯離子由原材料帶入或施工過程中隨著其他摻和物進入到混凝土中。外滲是在混凝土凝結(jié)硬化后，氯離子由外界環(huán)境擴散進入混凝土內(nèi)部。

擴散作用、毛細(xì)管作用、滲透作用、電化學(xué)遷移是環(huán)境中氯離子侵入混凝土的主要方式[8]。在氯離子侵入混凝土的過程中，幾種作用常常共同存在，但在特定的條件下，往往只有一種作用占主導(dǎo)地位，如在海洋環(huán)境下，擴散作用被認(rèn)為是氯離子侵入的主要方式。

1.2 氯離子銹蝕鋼筋的機理

隨著混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)的進行，水泥水化產(chǎn)生的堿性產(chǎn)物使混凝土中鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜。這層鈍化膜可以使空氣中的氧氣和水無法直接接觸鋼筋。通常鈍化膜遭到破壞的方式有兩種：一是混凝土的碳化作用；二是氯離子的去鈍化作用。氯離子以半徑小、活性大、穿透力強等特性穿過鈍化膜，使該處的pH值下降。通過研究表明[9-10]，當(dāng)pH值小于11.5 時，鈍化膜開始處于不穩(wěn)定狀態(tài)，pH值小于9.88 時，鈍化膜將無法生成或已經(jīng)生成的鈍化膜將被破壞。鈍化膜一旦發(fā)生破壞，鋼筋將不再被保護，加上O2和H2O的作用鋼筋開始發(fā)生銹蝕[11-12]。

氯離子有很強的去鈍化作用，相關(guān)研究表明[13-14]，氯離子在鋼筋銹蝕過程中起到搬運和催化的作用。劉玉[15]通過模擬混凝土孔隙溶液的研究，發(fā)現(xiàn)氯離子導(dǎo)致的去鈍化是由氯離子先通過鈍化膜上的缺陷，穿透鈍化膜，直接與鋼筋發(fā)生反應(yīng)而造成的，采用XRD、XPS技術(shù)觀察鋼筋表面鈍化膜的組成發(fā)現(xiàn)，鈍化膜中有氯元素，膜內(nèi)層有氯化亞鐵。目前氯離子的去鈍化機理還存在著一些差異[16-19]，一是氯離子比其他侵蝕性離子更容易通過混凝土孔隙進入混凝土內(nèi)部，并吸附在鈍化膜有缺陷的地方，使鋼筋發(fā)生銹蝕。二是氯離子比孔隙溶液中的O2和OH-更容易吸附在鋼筋表面，從而引起鋼筋銹蝕。三是氯離子和氫氧根離子相互競爭與Fe2+結(jié)合，并且形成可溶性的FeCl2溶液，其在向外擴散的過程中，破壞Fe(OH)2保護層,從而導(dǎo)致鋼筋發(fā)生銹蝕。由于堿激發(fā)混凝土和普通混凝土的原材料不同，國內(nèi)外學(xué)者對堿激發(fā)混凝土中鈍化膜的破壞機理進行了相關(guān)研究。

氯離子破壞鈍化膜后，鋼筋與混凝土形成了原電池，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)。在陰極區(qū)生成氫氧根離子，與鐵離子發(fā)生反應(yīng)。在陽極區(qū)既有氫氧化亞鐵，也有氫氧化鐵，它們還會發(fā)生反應(yīng)，生成四水四氧化三鐵，脫水后形成黑色的四氧化三鐵[20]，當(dāng)鐵銹完全把鋼筋覆蓋時，氧氣無法進入，亞鐵離子發(fā)生水解，生成氫離子，導(dǎo)致pH值降低，加速鋼筋的銹蝕。下面是具體的反應(yīng)過程：

陽極：

Fe→Fe2++2e-

(1)

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(2)

2Fe(OH)3→Fe2O3+3H2O

(3)

6Fe(OH)2+O2→2Fe2O3+6H2O

(4)

陰極：

O2+2H2O+4e-→4OH-

(5)

目前，國內(nèi)外學(xué)者對鋼筋在堿激發(fā)混凝土中的銹蝕有一些研究，2015年，Ganesan等[21]通過研究指出氯離子在普通混凝土和堿激發(fā)粉煤灰混凝土中的滲透相同。2016年，Babaee和Castel[22]通過研究發(fā)現(xiàn)，在抗壓強度相差不多時，堿激發(fā)粉煤灰混凝土在腐蝕擴展階段的電化學(xué)性能與普通混凝土相當(dāng)。另外相關(guān)學(xué)者[23-24]研究表明，由于孔隙體系的高堿度，堿激發(fā)粉煤灰混凝土對鋼筋的鈍化效果與普通混凝土相同。同時，F(xiàn)ernández-Jiménez等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯離子存在的情況下，觀察到鋼筋在堿激發(fā)砂漿中的銹蝕和普通混凝土砂漿中的相似。從上述研究來看，雖然兩者存在相似，但對于堿激發(fā)混凝土而言，還存在許多不同之處。杜玉嬌[26]通過模擬堿激發(fā)礦渣混凝土的孔隙溶液發(fā)現(xiàn)，鋼筋在氫氧化鈉激發(fā)礦渣模擬孔隙溶液中的鈍化膜厚度高于普通混凝土中產(chǎn)生的鈍化膜厚度，能更好地保護鋼筋。研究還發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)模擬孔隙溶液中Fe2+/Fe3+值大于普通混凝土模擬孔隙溶液，說明鋼筋在堿激發(fā)模擬孔隙溶液中有較強的抗氯離子侵蝕能力。Gunasekara等[27]通過研究發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)膠凝材料水化生成了N-A-S-H和C-A-S-H凝膠，兩者發(fā)生了交聯(lián)，使氯離子在堿激發(fā)混凝土中的擴散得到抑制，降低了鋼筋在堿激發(fā)混凝土中的銹蝕速率，并對鋼筋的銹蝕部位進行了傅里葉變換紅外測試，發(fā)現(xiàn)了赤鐵礦、赤錳礦和細(xì)長石等銹蝕產(chǎn)物。從以上學(xué)者的研究可以得知，鋼筋在堿激發(fā)粉煤灰混凝土中的銹蝕機理與普通混凝土存在相似之處，但是影響鋼筋在堿激發(fā)混凝土中銹蝕機理的因素還有很多，比如不同來源的粉煤灰和礦渣及不同的激發(fā)劑。目前，對鋼筋在堿激發(fā)混凝土中的銹蝕機理還沒有統(tǒng)一的說法，所以還需要進行大量的試驗研究。

2 氯離子對堿激發(fā)混凝土鋼筋銹蝕的影響

混凝土是一種多孔膠凝材料，外界的氯離子會從這些孔隙中侵入混凝土內(nèi)部，所以孔隙率和孔徑的大小也會影響氯離子的侵蝕。吳承寧等[28]通過用氦流法和水銀側(cè)孔法分析水泥石孔結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)混凝土凈漿的孔隙率僅為硅酸鹽水泥的50%，而且堿激發(fā)水泥80%以上的孔徑小于10-8m，表明堿激發(fā)膠凝材料比硅酸鹽水泥更加密實，在抵抗氯離子侵蝕方面有良好的表現(xiàn)。又由于混凝土內(nèi)部的高堿性，當(dāng)鋼筋澆筑在混凝土中時，鋼筋的表面就會形成一層薄薄的氧化膜并持續(xù)對鋼筋進行保護[29]，而且大量研究發(fā)現(xiàn)，如用堿激發(fā)膠凝材料代替硅酸鹽水泥，鋼筋表面氧化膜的性質(zhì)和穩(wěn)定性會發(fā)生變化[30-31]，對鋼筋可以提供更好的保護。在普通混凝土水化的過程中，氫氧化鈣作為重要的水化產(chǎn)物，通過緩沖機制維持混凝土孔隙溶液中的堿度，對延緩預(yù)埋鋼筋的銹蝕起著重要作用[32]。而Lloyd等[33]從硬化的堿激發(fā)漿體樣品中提取孔隙溶液并進行測試，結(jié)果表明，這些材料的孔隙網(wǎng)絡(luò)中富含堿性陽離子，pH>13，但發(fā)現(xiàn)這些材料中幾乎沒有可溶的鈣來發(fā)揮類似于硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物中氫氧化鈣和水化硅酸鈣的緩沖作用，試驗通過堿擴散的測量結(jié)果證實了堿激發(fā)膠凝材料中的鈣在低滲透孔隙系統(tǒng)的形成中起著重要作用，并強調(diào)了鈣在將有效堿擴散系數(shù)降低一個數(shù)量級方面的作用，與此同時高堿性的激發(fā)劑為堿激發(fā)混凝土內(nèi)部提供了穩(wěn)定的堿性環(huán)境[34]，這對于含鋼筋的堿激發(fā)混凝土的耐久性是至關(guān)重要的。

與普通硅酸鹽混凝土相比，堿激發(fā)混凝土有較好的孔隙結(jié)構(gòu)以及密實度[27]，使氯離子很難侵入混凝土的內(nèi)部；同時鋼筋表面上的鈍化膜在性質(zhì)和穩(wěn)定性上都有較大差異，加上激發(fā)劑提供的高堿性環(huán)境，可以使鈍化膜處于穩(wěn)定狀態(tài)，有效地保護鋼筋不被氯離子侵蝕。堿激發(fā)混凝土良好地抵抗氯離子侵蝕的性能引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并對此進行了大量的研究。

目前，國內(nèi)外學(xué)者[35-37]對水泥摻入礦物摻合料混凝土中鋼筋的腐蝕進行了大量研究。Yeau[38]和Top?u[39]等通過試驗表明，在較高高爐礦渣含量和較長固化期的有利條件下，混凝土內(nèi)部生成額外的水化硅酸鈣水合物，形成致密的、不滲透的微觀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象十分明顯，這種致密的微觀結(jié)構(gòu)可以有效阻止有害離子對混凝土的侵蝕。同時，礦渣混合硅酸鹽水泥和堿礦渣水泥在水化過程中也會生成水滑石基相產(chǎn)物，因其具有較大的比表面積，使其可以吸附有害離子從而產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合作用[40-41]，進一步限制氯離子的進入。Gu[42]和Cheng[43]通過研究表明高爐礦渣(質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)70%)與硅酸鹽水泥混合對鋼筋的腐蝕過程有影響，高爐礦渣的存在不僅降低了孔隙率，而且使孔隙變得更細(xì)，另外水泥水化產(chǎn)物的變化[44]導(dǎo)致氯離子的侵入速率下降，提高了耐腐蝕性，降低了腐蝕速率，延緩了腐蝕發(fā)生的時間。Hope等[45]通過電化學(xué)試驗，發(fā)現(xiàn)隨著礦渣含量的增加，腐蝕電流密度隨之降低，混凝土中鋼筋的銹蝕程度也隨之降低，這是由于含礦渣混凝土的電阻率對貯存條件的變化比硅酸鹽水泥混凝土更敏感。Al-Amoudi等[46]研究了鋼筋混凝土在5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯化鈉溶液中的長期耐蝕性，結(jié)果表明，含礦渣混凝土中鋼筋的銹蝕率約為普通混凝土試件的1/2～1/12。

大量試驗證明，隨著礦渣的摻入，極大地改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其更加密實，有效地阻止了氯離子的侵蝕，同時額外生成的水化產(chǎn)物，如水化硅鋁酸鈣、硅酸鈣、水滑石，對氯離子產(chǎn)生了吸附作用[47]，阻止了氯離子侵入混凝土內(nèi)部，保護了鋼筋表面的鈍化膜。所以摻入礦渣的混凝土中的鋼筋有較好的耐腐蝕性。由于用礦渣代替部分硅酸鹽水泥制備出的混凝土有良好的耐腐蝕性能，因此用礦渣全部代替硅酸鹽水泥制備混凝土引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并進行了相關(guān)研究。

然而，在氯離子侵蝕的情況下，對堿激發(fā)礦渣砂漿和堿激發(fā)混凝土中鋼筋的腐蝕研究較少。Ma等[48]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，與普通混凝土相比，堿激發(fā)混凝土的氯離子擴散率較低，認(rèn)為堿激發(fā)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)好，水化產(chǎn)物與伴隨的鈉離子之間的相互作用強，氯離子結(jié)合能力強。Ravikumar等[49]通過快速氯離子滲透法和非穩(wěn)態(tài)遷移法測試了堿激發(fā)混凝土和普通混凝土的氯離子擴散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)混凝土中的擴散系數(shù)低于普通混凝土。與普通混凝土相比，堿激發(fā)混凝土在抵抗氯離子侵蝕方面展現(xiàn)出優(yōu)越性，即可以極大延緩鋼筋鈍化膜的破壞，延緩鋼筋開始銹蝕的時間。Torres等[50]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，堿激發(fā)混凝土和普通混凝土都對鋼筋具有良好的保護作用，然而，對于普通混凝土，防止鋼筋腐蝕的特性往往會隨著時間的推移而消失，然后開始去鈍化；對于堿激發(fā)混凝土，隨著時間的推移，由于礦渣堿性活化過程中形成的水合產(chǎn)物，堿激發(fā)混凝土對鋼筋的保護更加穩(wěn)定。Bernal等[51]利用氯離子擴散系數(shù)快速測定法對混凝土電通量進行了測定，試驗結(jié)果顯示堿激發(fā)混凝土的電通量低于普通混凝土，表明鋼筋在堿激發(fā)混凝土中的銹蝕速率低于普通混凝土，但是Chi[52]通過研究表明堿激發(fā)混凝土的總電通量是普通混凝土的1.22～1.91倍，這與其他研究者得到的結(jié)論不同，這是因為電通量的大小不僅取決于孔隙結(jié)構(gòu)，還取決于孔隙溶液的成分，在堿激發(fā)混凝土的孔隙溶液中含有較高濃度的離子，導(dǎo)致了總電通量變大。與此同時，國內(nèi)外學(xué)者也利用實海暴露試驗進行了相關(guān)研究，朱雅仙等[53-54]經(jīng)過長期的實海暴露試驗發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻加高爐礦渣等活性摻合料，可以大大降低氯離子向混凝土內(nèi)部滲透的速率，有效延緩鋼筋開始銹蝕的時間，降低鋼筋的銹蝕速率，提高鋼筋混凝土的耐久性。Mohammed等[55]經(jīng)過為期10 a、15 a和30 a的海洋潮汐暴露試驗后，對堿激發(fā)混凝土和普通混凝土的基本性能、電阻率、氯離子侵入、微觀結(jié)構(gòu)和鋼筋在混凝土中的腐蝕進行了評價，與普通混凝土相比，堿激發(fā)混凝土經(jīng)過長時間的海洋暴露后，其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變得更加密實，在抵抗氯離子侵蝕和鋼筋腐蝕性能上表現(xiàn)出更好的性能，并認(rèn)為礦渣水泥是混凝土中抗氯離子和鋼筋腐蝕性能較好的水泥。

綜上所述，與普通混凝土相比，堿激發(fā)混凝土鈍化膜更加穩(wěn)定，保護鋼筋免受氯離子影響的能力更強。一方面，堿激發(fā)混凝土內(nèi)部較為致密，孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，氯離子很難侵入混凝土內(nèi)部；另一方面，堿激發(fā)混凝土的水化產(chǎn)物除了硅酸鈣凝膠以外，還伴隨有堿金屬鋁硅酸鹽凝膠和水滑石，這些水化產(chǎn)物都會對氯離子產(chǎn)生吸附作用，阻止氯離子侵入混凝土內(nèi)部。并且有相關(guān)研究者通過實海暴露試驗證明了堿激發(fā)混凝土有很好的護筋作用。雖然堿激發(fā)混凝土有較好的抵抗氯離子侵蝕的性能，但是在實際工程中混凝土往往面臨著多種侵蝕因素，因此考慮氯離子與其他離子共同作用下對混凝土的侵蝕研究和荷載與氯離子侵蝕耦合作用下的耐久性研究有非常重要的意義。

3 鋼筋在堿激發(fā)混凝土銹蝕試驗方法

鋼筋在堿激發(fā)混凝土銹蝕的試驗方法大體上可以分為自然銹蝕法[56]和模擬試驗法。

自然銹蝕法，試驗采用實海暴露試驗，根據(jù)試件銹蝕劣化程度的不同，一般將試件分別置于海洋環(huán)境中的水下區(qū)、潮汐區(qū)、大氣區(qū)、浪濺區(qū)，經(jīng)過長時間的放置，對堿激發(fā)混凝土的耐久性進行研究。這種方法主要的優(yōu)點是，數(shù)據(jù)一般都比較真實可靠，能反映堿激發(fā)鋼筋混凝土在自然環(huán)境中的真實銹蝕規(guī)律，但是鋼筋銹蝕在自然氣候環(huán)境中是一個比較緩慢的過程，往往需要幾個月、幾年、幾十年甚至上百年的時間，試驗周期長，需要耗費大量時間得到試驗數(shù)據(jù)，而且氣候條件也不穩(wěn)定，還要面臨試件被海水沖走的風(fēng)險。由于實海暴露試驗難度較大，在此方面的研究較少，朱雅仙等[53-54]對混凝土試件分別進行了長達(dá)7a、14 a的暴露試驗，對混凝土的耐久性進行了相關(guān)研究。Mohammed等[55，57-58]進行了實海暴露試驗，對混凝土試件的氯離子擴散、微觀結(jié)構(gòu)和鋼筋在混凝土中的銹蝕進行了研究，如圖1、圖2所示，給出了混凝土試件在暴露30 a后，混凝土中水和酸溶性氯離子的分布情況，發(fā)現(xiàn)礦渣水泥的氯離子滲入量遠(yuǎn)低于普通混凝土。目前實海暴露試驗進行較少，因此在這方面的研究工作仍需進一步的開展。

圖2 酸溶性氯離子分布圖[55]Fig.2 Distribution diagram of acid soluble chloride ions[55]

圖1 水溶性氯離子分布圖[55]Fig.1 Distribution diagram of water soluble chloride ions[55]

模擬試驗法，試驗采用電加速銹蝕試驗。電加速銹蝕試驗采用的是電化學(xué)原理，根據(jù)法拉第定律設(shè)計相應(yīng)的銹蝕量。將堿激發(fā)鋼筋混凝土試件置于特定濃度的氯化鈉溶液中，把試件中的鋼筋連在電源的正極，充當(dāng)電解池的陽極，電源的負(fù)極采用惰性金屬連接，充當(dāng)電解池的陰極，然后通入穩(wěn)定的電流使鋼筋發(fā)生銹蝕[59]，如圖3、圖4所示，給出了電加速銹蝕試驗的兩種連接方式。該方法優(yōu)點是操作簡單，試驗周期短，而且鋼筋的銹蝕量可以通過電路中的電流和通電時間來控制，能夠在短時間內(nèi)得到相應(yīng)的銹蝕量，但缺點是不能夠跟環(huán)境因素相結(jié)合，并且試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象與實海暴露試驗有一些差異。無論從電化學(xué)機理上，還是從銹蝕產(chǎn)物、銹蝕特征與銹脹形態(tài)上，都存在明顯差異[60-62]。宋華等[63]通過電化學(xué)快速銹蝕與自然環(huán)境鋼筋銹蝕的相似性分析，認(rèn)為電化學(xué)快速銹蝕試驗適合模擬混凝土在海洋環(huán)境水下區(qū)時，混凝土保護層銹脹開裂的情況，但混凝土保護層開裂后，鐵銹的外滲加速了鋼筋的銹蝕速率，這種情況與自然環(huán)境下的現(xiàn)象不相符，所以該方法的適用性有待探討。

圖3 串聯(lián)電路[59]Fig.3 Series circuit[59]

圖4 并聯(lián)電路[59]Fig.4 Parallel circuit[59]

4 銹蝕鋼筋與堿激發(fā)混凝土的粘結(jié)

鋼筋混凝土能在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用，主要是由于鋼筋與混凝土之間具有良好的粘結(jié)強度，但鋼筋銹蝕引起的粘結(jié)性能問題已經(jīng)成為一個重要的研究課題，國內(nèi)外學(xué)者已對此進行了大量的研究。

羅文森等[64]對銹蝕光滑鋼筋混凝土進行了拉拔試驗，發(fā)現(xiàn)在電加速銹蝕初期時，銹蝕增大了鋼筋與混凝土間的摩擦力，增強了粘結(jié)強度。相關(guān)研究表明[65]，當(dāng)鋼筋銹蝕程度小，混凝土保護層還沒發(fā)生開裂時，銹蝕產(chǎn)物因體積發(fā)生膨脹對鋼筋周圍的混凝土產(chǎn)生了壓力，促使混凝土對鋼筋的約束力和機械咬合力增大，混凝土和鋼筋間的粘結(jié)強度也得到增強。但隨著銹蝕的進行，銹蝕產(chǎn)物的不斷膨脹，致使化學(xué)膠著力遭到破壞，同時還起到“潤滑”的作用，降低了混凝土和鋼筋間的摩擦系數(shù)，當(dāng)保護層開始出現(xiàn)剝落和開裂現(xiàn)象時，混凝土對鋼筋的約束力和機械咬合力將會大大降低，從而使鋼筋和混凝土之間的錨固作用遭到了破壞。袁曉輝等[66]通過對堿激發(fā)鋼筋混凝土和普通鋼筋混凝土進行拉拔試驗，表明了鋼筋與堿激發(fā)混凝土間的粘結(jié)性能要優(yōu)于普通鋼筋混凝土。Sarker等[67]研究了24種地聚合物和24種混凝土梁端試件與鋼筋的粘結(jié)強度，得出結(jié)論，堿激發(fā)鋼筋混凝土的粘結(jié)強度高于普通鋼筋混凝土，這是由于堿激發(fā)混凝土的劈裂抗拉強度高于同等抗壓強度的普通混凝土。

作者對已發(fā)生銹蝕的堿激發(fā)鋼筋混凝土進行拔出試驗，銹蝕試驗方法采用的是電加速銹蝕試驗，試件為邊長150 mm立方體鋼筋混凝土試件，鋼筋直徑為16 mm，鋼筋與混凝土的粘結(jié)距離為80 mm，在拔出試驗的過程中記錄拔出力和滑移距離，通過公式計算出粘結(jié)應(yīng)力，并通過稱重法計算出銹蝕率，拉拔試驗結(jié)果如圖5所示，三條曲線是銹蝕率分別為0.16%、0.22%和0.32%的粘結(jié)滑移曲線。

圖5 粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.5 Bond stress-slip curves

由圖5可知，當(dāng)相對滑移距離相同時，鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力隨著銹蝕率的增大而減小，圖6為鋼筋與混凝土間的初始粘結(jié)應(yīng)力，在銹蝕率為0.32%時，鋼筋與混凝土間的初始粘結(jié)應(yīng)力最大，在銹蝕率為0.16%時，鋼筋與混凝土間的初始粘結(jié)應(yīng)力最小，這是由于銹蝕率的增加增強了初始粘結(jié)應(yīng)力。當(dāng)混凝土與鋼筋發(fā)生滑移時，在加載端施加相同的拔出力，銹蝕率為0.32%時，滑移量最大，銹蝕率為0.16%時，滑移量最小，這是由于銹蝕率的增加降低了混凝土與鋼筋間的摩擦力和機械咬合力。當(dāng)銹蝕率為0.22%和0.16%時，鋼筋與混凝土表現(xiàn)出相似的極限粘結(jié)應(yīng)力，當(dāng)銹蝕率為0.32%時，極限粘結(jié)應(yīng)力開始降低，這可能是鋼筋發(fā)生銹蝕使鋼筋表面產(chǎn)生疏松的銹蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致鋼筋與混凝土間的機械咬合力和摩擦力降低。

圖6 鋼筋與混凝土間的初始粘結(jié)應(yīng)力Fig.6 Initial bonding stress between reinforcement and concrete

5 結(jié) 語

堿激發(fā)混凝土作為一種新型綠色建筑功能材料，雖然國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量的研究，但仍然存在著很多難點需要解決，如堿激發(fā)混凝土在實海暴露試驗中的研究，堿激發(fā)混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙溶液對氯離子侵蝕阻礙作用的機理，堿激發(fā)混凝土鋼筋鈍化膜的破壞機理和堿激發(fā)混凝土與鋼筋之間的銹蝕機制等一系列的問題。堿激發(fā)膠凝材料中獨特的水化機理和特殊的原材料導(dǎo)致其與硅酸鹽水泥產(chǎn)生不同的理化特性，其耐久性仍需要大量的試驗和系統(tǒng)的研究。