基于鋼筋銹蝕的新老混凝土界面檢測(cè)方法研究

姜夢(mèng)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(xué)土木與建筑學(xué)院，宜昌 443002）

0 引言

二十世紀(jì)八十年代以來，我國(guó)建筑業(yè)迅速發(fā)展，導(dǎo)致現(xiàn)在許多混凝土建筑結(jié)構(gòu)都已步入老齡期，其中有些結(jié)構(gòu)的混凝土病害比較嚴(yán)重[1]，如橋墩、橋面、路基等，由于長(zhǎng)期使用和環(huán)境因素，混凝土表面出現(xiàn)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(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦迯?fù)和加固[3，4]。而在修復(fù)或加固過程中，必須要考慮新老混凝土之間的粘結(jié)特性[5-7]。

新老混凝土界面問題在實(shí)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(jié)合面、裝配整體式結(jié)構(gòu)中的接縫[8]。工程實(shí)踐證明界面失效導(dǎo)致結(jié)構(gòu)達(dá)不到使用年限是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以來存在的問題，致使結(jié)構(gòu)破壞造成的損失也一直在持續(xù)增長(zhǎng)[9]。因此，研究新老混凝土界面性能的檢測(cè)方法已成為當(dāng)下重要的科學(xué)問題和實(shí)際問題[10]。相關(guān)研究的意義主要有以下兩個(gè)方面，其一，檢測(cè)新老混凝土界面的質(zhì)量對(duì)現(xiàn)役結(jié)構(gòu)承載性能及壽命預(yù)測(cè)有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[7]；其二，新老混凝土界面的研究對(duì)相關(guān)規(guī)范的制定以及完善有著很重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方案

試件尺寸均為100mm×100mm×400mm，通電銹蝕的試件內(nèi)部預(yù)埋一根光圓鋼筋，鋼筋長(zhǎng)300mm，直徑為14mm，保護(hù)層厚度為25mm，除銹并在一端焊接導(dǎo)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(zhǎng)為150mm，到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期后，再澆筑B 部分并養(yǎng)護(hù)，兩邊新混凝土長(zhǎng)均為125mm。

圖1 試件尺寸示意圖

本試驗(yàn)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(qiáng)度和種類以及新老混凝土粘結(jié)齡期四個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)試件共18 組，每組兩個(gè)試件，共計(jì)36 個(gè)試件來開展新老混凝土界面質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)的研究，試件編號(hào)及具體參數(shù)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(shè)置預(yù)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(qiáng)度為C40、C 代表新混凝土強(qiáng)度為C50、D 代表新混凝土種類為UHPC、E 代表老混凝土粘結(jié)齡期為60d，數(shù)字“14”代表老混凝土粘結(jié)齡期為14d、G 代表鋼筋，G 后面的數(shù)字代表鋼筋編號(hào)，/后面的數(shù)字代表同種工況的另一個(gè)試件，僅鋼筋編號(hào)改變。老混凝土強(qiáng)度采用C30 混凝土。

表1 試件編號(hào)及參數(shù)

采用全浸泡通電加速銹蝕法。全浸泡通電試驗(yàn)示意圖如圖2 所示。試驗(yàn)選用恒壓恒流電源進(jìn)行通電，如圖3，通電前先將試件在NaCl 溶液中進(jìn)行浸泡48h，隨后接通調(diào)整好的電流進(jìn)行電化學(xué)加速銹蝕實(shí)驗(yàn)。過程中，實(shí)時(shí)記錄電壓和通電時(shí)間，直至觀察到鋼筋混凝土試件應(yīng)變的顯著變化，標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)階段的結(jié)束，停止應(yīng)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(xué)加速銹蝕實(shí)驗(yàn)后，小心鑿開試件取出內(nèi)部鋼筋，觀察并測(cè)量其銹蝕程度。通過精確至0.001g 的稱重設(shè)備對(duì)清潔并烘干后的鋼筋進(jìn)行測(cè)量稱重，以計(jì)算鋼筋的銹蝕率，如圖4。在酸洗鋼筋以去除銹蝕產(chǎn)物的過程中，應(yīng)在酸洗液中同時(shí)放入兩根未經(jīng)銹蝕的同規(guī)格鋼筋，作為試驗(yàn)的校正基準(zhǔn)，參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）。

圖4 鋼筋的處理

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 通電過程中電壓變化

各工況電壓隨通電時(shí)間的變化規(guī)律如圖5 和圖6 所示，從圖中可以看出：①隨著通電時(shí)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(qiáng)度，試件的整體電阻得到了提高。隨著通電時(shí)間的增加，腐蝕產(chǎn)物逐漸增多，腐蝕產(chǎn)物的導(dǎo)電性比鐵小，鋼筋的表面電阻由于腐蝕產(chǎn)物的積累而增加，保護(hù)層的電阻下降[11]。

圖5 老混凝土養(yǎng)護(hù)14d 電壓變化

圖6 老混凝土養(yǎng)護(hù)28d 電壓變化

2.2 通電過程中應(yīng)變的變化

不同界面粗糙程度應(yīng)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(shí)間的增加，混凝土的應(yīng)變呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。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(fā)生銹蝕反應(yīng)生成銹蝕物，銹蝕產(chǎn)物的體積比鐵的大，對(duì)銹蝕區(qū)域的混凝土產(chǎn)生膨脹壓力，隨著通電的繼續(xù)，混凝土保護(hù)層開始出現(xiàn)裂縫并沿著鋼筋發(fā)展，當(dāng)應(yīng)變短時(shí)間出現(xiàn)連續(xù)的突變時(shí)，可以判斷鋼筋混凝土試件的保護(hù)層已經(jīng)開裂。

圖7 不同界面粗糙程度試件通電過程中應(yīng)變的變化曲線圖

2.3 鋼筋銹蝕率及銹蝕速率分析

通過對(duì)不同工況的試件通電銹蝕加速試驗(yàn)，銹蝕完成后將試件鑿開，觀察鋼筋的表面銹蝕形態(tài)如圖8 所示，對(duì)銹蝕鋼筋進(jìn)行酸洗稱量后計(jì)算的結(jié)果如表2 所示，包括鋼筋通電時(shí)間、理論銹蝕量、實(shí)際銹蝕量、理論銹蝕率、實(shí)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(shí)鋼筋所銹蝕的量，即

表2 鋼筋銹蝕完成后數(shù)據(jù)

圖8 鋼筋銹蝕形態(tài)

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

根據(jù)法拉第電解定律計(jì)算銹蝕試驗(yàn)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(zhì)量（g/mol），取55.8g/mol；I 為通電電流大?。ˋ）；t 為通電時(shí)間（s）；Z 為鐵氧化的電子數(shù)，取2.5；F 為法拉第常數(shù)，取96500C/mol。

根據(jù)表2 所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，不同工況通電銹蝕過程中，鋼筋的實(shí)際銹蝕率與理論銹蝕率差異較大，差異最高的達(dá)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(dǎo)致表面發(fā)生電解水反應(yīng)消耗了部分電流。由于電解反應(yīng)是在混凝土中進(jìn)行的，電流不可避免地?fù)p失在混凝土中一部分，從而使得實(shí)際用于促進(jìn)鋼筋銹蝕的電流小于理論電流值，導(dǎo)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(jié)質(zhì)量，有效地延緩鋼筋的銹蝕速率，使鋼筋的實(shí)際銹蝕率和理論銹蝕率進(jìn)一步的產(chǎn)生差異。

采用了對(duì)稱施加載荷的雙面剪切試驗(yàn)來驗(yàn)證新方法的實(shí)用性，如圖9。在既定的加載與測(cè)量方案下，完成了各組試件的雙面剪切試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從中可以看出整體澆筑的試件雙面剪切強(qiáng)度最高為5.19MPa，自然光滑的界面雙面剪切強(qiáng)度最低為2.02MPa。通過不同界面處理后，試件的雙面剪切強(qiáng)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(qiáng)度提高至4.27MPa，達(dá)到整體澆筑試件抗剪強(qiáng)度的82.27%。

圖9 雙面剪切試驗(yàn)示意圖

3 結(jié)論

本文基于鋼筋的銹蝕形態(tài)檢測(cè)不同界面處理方法下新老混凝土界面粘結(jié)質(zhì)量，并通過適用性研究對(duì)比新方法的可行性，得到如下結(jié)論：

①對(duì)新老混凝土界面進(jìn)行粗糙處理，鋼筋銹蝕為不均勻銹蝕，采用人工鑿毛、預(yù)留槽方式時(shí)，通電銹蝕時(shí)混凝土保護(hù)層開裂時(shí)間延長(zhǎng)，銹蝕速率下降，界面粘結(jié)質(zhì)量得到提高，采用預(yù)留槽比人工鑿毛效果更加明顯，與雙面剪切試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度時(shí)，鋼筋銹蝕為不均勻銹蝕，通電銹蝕時(shí)保護(hù)層開裂時(shí)間延長(zhǎng)，銹蝕速率下降，界面粘結(jié)質(zhì)量得到提高，且水泥膨漿效果明顯優(yōu)于水泥凈漿界面劑，與雙面剪切試驗(yàn)結(jié)果一致。③采用不同粘結(jié)齡期的新老混凝土試件，銹蝕最嚴(yán)重的位置在新老混凝土界面處，當(dāng)粘結(jié)齡期增加時(shí)，通電銹蝕保護(hù)層開裂時(shí)間延長(zhǎng)，銹蝕速率下降，界面粘結(jié)質(zhì)量得到提高，粘結(jié)齡期為60d 時(shí)新老混凝土界面粘結(jié)質(zhì)量最好，與雙面剪切試驗(yàn)結(jié)果一致。