格尔木地区普通钢筋混凝土现场暴露试验研究

王旭峰 张家畅 杨兵兵

（1洛阳路桥建设集团有限责任公司，河南 洛阳 471700；2永城市交通运输局，河南 永城 476600；3酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000）

格尔木不但作为新疆、西藏、青海三省的重要交通枢纽，还具有丰富的盐湖资源、天然气资源、石油资源和矿产资源。其先天优势奠定了自身发展的基础。随着“一带一路”战略的不断推进，作为“一带一路”发展中线的支线地区，其必将迎来新的发展高潮。然而格尔木地区干旱、少雨、早晚温差大、风沙大、环境复杂多变[1]，以及盐渍土、盐湖广泛分布，使得钢筋混凝土基础设施在冷热交替作用下、干湿交替作用下、以及氯盐、硫酸盐、重碳酸盐[2]等有害盐类等的耦合作用下，使的钢筋混凝土保护层剥落、混凝土裂缝开展、钢筋严重锈蚀的现象发生[3-4]。造成了普通钢筋混凝土结构耐久性难以满足设计要求而过早失去承载力发生破坏。因此实现钢筋混凝土的耐久性研究，及早的对钢筋混凝土建筑进行加固、维修具有重要的指导意义。

目前对钢筋混凝土的耐久性研究主要是在室内进行模拟研究，通过加速的试验手段来反映建筑物的劣化过程，以一定的小数据为基础运用数学等方法进行模型的建立。但在室内环境变化因素单一，不能较准确的反应实际工作环境，对实际复杂环境结合不足。本文将格尔木典型的盐渍土地区作为研究对象，制备钢筋混凝土试块，通过电化学工作站对钢筋的锈蚀进行极化曲线分析[5-7]、非金属超声波检测仪、质量变化的相对质量评价参数作为指标[8]，对格尔木地区盐渍土环境下普通钢筋混凝土的耐久性进行研究。

1 试 验

1.1 试验原材料

水泥选用甘肃祁连山水泥公司的42.5普通硅酸盐水泥、粗集料采用兰州华陇商砼公司提供的细石、细集料釆用兰州安宁河沙、粉煤灰采用兰州二热厂生产的性能良好的二级粉煤灰、矿渣粉采用甘肃宏达建材公司提供的S95矿渣粉、减水剂采用兰州华陇商砼公司提供的羟系减水剂,掺量为2.1%,减水率为18%，各原材料的各项性能指标如下；

表1 普通硅酸盐水泥的性能指标

1.2 实验方案

按照表6的配合比制备边长为100mm×100mm×400mm的钢筋混凝土试块。并按照标准养护对试块养护28d，然后进行基础试验（分别进行质量检测、超声波试验、电化学试验），将测得的实验数据作为基础数据。钢筋采用HPB300钢筋，fy=300N/mm2，直径8mm长度为350mm，混凝土保护层厚度为10mm（A）和20mm（B）。长度为100mm的铜丝线作为引线，一端与钢筋缠绕，另一端置于混凝土外部，外露部分约为50mm。将养护好的试块埋置于格尔木盐渍土地区。埋置深度200mm（半埋），一段置于大气中。每60d对试块进行一次质量检测，用电子天平称取每次的质量变化。然后进行超声波检测，测点分别为试块上部、中部、下部，每个测点分别在纵横方向同时检测，检测时避开钢筋。最后进行电化学试验，试验时采用三电极测试系统。以钢筋作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为辅助电极。每次电化学测试试验结束后对外部裸露铜丝线进行环氧树脂封涂，防止锈蚀老化。

表2 石子的性能指标

表3 砂子性能指标

表4 粉煤灰的性能指标

表5 矿渣粉的性能指标

表6 普通钢筋混凝土配合比（kg/m3）

1.3 耐久性指标

钢筋混凝土试块在格尔木盐渍土地区，因受恶劣天气以及氯盐、硫酸盐等有害盐的影响，其质量会不断的损失。钢筋在锈蚀过程中体积膨胀以及混凝土在外部荷载作用下会产生沿钢筋发展的裂缝。因此选用相对质量评价参数（ω1）作为钢筋混凝土试块耐久性的评价指标，来反映服役过程中的质量损失。选用相对动弹性模量评价参数（ω2）作为钢筋混凝土试块的耐久性评价指标，来反映服役过程中裂缝的开展程度。选用腐蚀电流密度来反映钢筋混凝土在服役过程中的锈蚀程度。

1.3.1 相对质量评价参数

钢筋混凝土相对质量计算公式如下所示[9]：

其中：M0为初始质量，Mt为t时刻的质量。

氯氧镁水泥涂层钢筋混凝土相对质量评价参数如下所示：

其中：ω1＜0，达到破坏；0≤ω1＜1，出现损伤未达到破坏；ω1≥1，未达到破坏且状态良好。

1.3.2 相对动弹性模量评价参数

材料的相对动弹性模量和超声波波速有如下关系

E表示材料试验前的初始动弹性模量和超声波波速；

E表示材料在实验中第t次测得的动弹性模量和超声波速度。

混凝土耐久性指标参考了乔宏霞[10]博士论文中对混凝土耐久性的评价方法，取相对动弹性模量ω2作为钢筋混凝土耐久性评价参数，其计算方法如下所示；

其中；ω2时，相对动弹性模量比基准值增加；

0＜ω2＜1时，相对动弹性模量比基准值降低，但未达到破坏；

ω2＜0，相对动弹性模量低于60%，达到破坏。

1.3.3 钢筋锈蚀参数

对于活化极化的控制的腐蚀体系，描述极化电流密度I与电极电位E的基本公式为

其中icorr为自然腐蚀电流密度，在腐蚀电化学中用其表示腐蚀速度，E为电极电位，Ecorr为自然腐蚀电位，R为气体常数，T为绝对温度，F为Faraday常数，和为阳极反应和阴极反应的传递系数，n为电极反应速度控制步骤的得失电子数。腐蚀电流密度的大小可以反映钢筋的锈蚀状态，其大小与锈蚀的对应关系如表7所示。

2 试验结果和数据分析

将A、B试块按要求置于格尔木盐渍土地区进行现场暴露实验，并跟踪检测720d。其实验结果与分析如下。

2.1 相对质量评价参数分析

每60d对试块A、B进行一次试验，跟踪监测720d，其相对质量评价参数结果如图1所示。

图1 A、B试块的相对质量评价参数

从图1中可以看出，随着是时间的变化，A、B试块的相对质量评价参数分别在300d和480d达到最大值。此时的相对质量评价参数分别为1.10和1.12左右。然后随着时间的继续增加不断减小，在720d时时达到最小值，此时的相对栋弹性模量评价参数分别为0.79和0.80。在刚开始的相对质量评价参数增加的原因分为两个方面。一方面为混凝土吸收空气中的CO2发生碳化，使其质量增加。发生碳化的主要成分为混凝土水化后产生氢氧化钙（Ca(OH)2）、水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）、未水化的硅酸三钙（3CaO·SiO2）和硅酸二钙（2CaO·SiO2）

其具体的化学方程式如下[12]。

另一方面可能是由于盐渍土中含有大量的引起钢筋锈蚀的氯离子。氯离子侵入混凝土内部后达到钢筋表面，引起钢筋表面钝化膜的破坏，使得混凝土中钢筋的锈蚀，造成钢筋的质量增加。其具体的化学方程式如下[13]。

经过最大值后，钢筋混凝土相对质量评价参数不断降低，一方面其原因是由于格尔木地区风沙较大，外部荷载和作用使得钢筋混凝土质量减小。另一方面是由于盐渍土中的硫酸根离子侵入混凝土内部生成石膏，石膏的生成会造成体积膨胀，其膨胀为原来的1.24倍[14]，使混凝土内部产生应力导致混凝土剥落。以及钙矾石的生成，钙矾石的生成会使体积增大为原来的2.77[15]倍，从而引起混凝土膨胀破坏。

图2 A、B试块的相对动弹性模量评价参数

2.2 相对动弹性模量评价参数分析

从图2中可以看出，随着时间的推移A、B钢筋混凝土试块相对动弹性模量评价参数不断增加。A试块在300d时增加到最大值，此时的相对动弹性模量评价参数值为1.17。B试块在420d增加到最大值，此时的相对动弹性模量评价参数为1.18。A、B试块在各自峰值以后其相对动弹性模量评价参数不断的减小，在720d时达到最小值。A试块的相对动弹性模量评价参数值为0.71，B试块的相对动弹性模量评价参数值为0.77。其相对动弹性模量评价参数增加的原因可能是混凝土的碳化生成碳酸钙等使得密度增加。其相对动弹性模量评价参数减小的原因一方面是由于氯离子的侵入加速了钢筋的锈蚀。钢筋的锈蚀物的生成，体积膨胀在混凝土内部产生膨胀应力，促使了混凝土内部裂缝的发生。另一方面由于硫酸根离子的侵入，产生石膏和钙矾石，使得混凝土内部体积膨胀，进一步促使混凝土内部裂缝的产生。上述综合原因造成了钢筋混凝土相对动弹性模量的减小。

表7 腐蚀电流密度与钢筋锈蚀程度的对应关系[11]

图3 A试块0d-720d极化曲线图

2.3 极化曲线分析

将制备好的试块A、B标准养护28d后测得第一次的腐蚀电流密度作为试块A、B的基准值。在试块埋置在格尔木地区后每60d对试块进行一次电化学试验。其结果如图3、图4所示。

从图3（a）中可以看出在0d时试块A的腐蚀电位大概处于-0.78V左右，60d时腐蚀电位负向移动-0.87V左右，电位负向移动表明钢筋的锈蚀很容易发生。此时此阶段钢筋发生锈蚀。从60d到120d腐蚀电位正向移动，此时表明钢筋的锈蚀不容易发生，其原因可能是钢筋表面锈蚀层的形成抑制了锈蚀的进一步发生。从120d到360d腐蚀电位继续正向移动，表明随着腐蚀的进行锈蚀物的不断产生，钢筋的腐蚀愈发困难，但是锈蚀仍是在不断的进行中。从图3（b）中可以看出420d时阳极极化曲线特别陡峭，而阴极极化曲线相对平缓，此时表明塔菲尔斜率βα很大，即钢筋的锈蚀不易发生。从420d到480d腐蚀电位正向移动，480d到540d腐蚀电位负向移动，540d到600d腐蚀电位又正向移动，600d到660d又负向移动，660d到720d腐蚀电位变化不大，如此反复正负向移动的原因可能是钢筋在锈蚀过程中锈蚀物的产生对腐蚀的抑制，腐蚀物产生后由于氯离子具有很强的穿透性，其继续向基体内部侵蚀，使得腐蚀的进一步发生，腐蚀的进一步发生又会造成新腐蚀产物对氯离子的阻挡，使得腐蚀的进一步发生困难。从图4（a）中可以看出从0d到360d阳极极化曲线一值都很陡峭，表明钢筋的腐蚀较困难。而图3（a）相对来说阳极极化曲线较平缓，其原因可能是由于试块B的混凝土保护层比试块A的厚，混凝土保护层阻止了氯离子侵入其内部，延缓了到达钢筋基体的时间，从而使得在原有的碱性环境下钢筋表面的钝化膜保存完整，抑制了锈蚀的发生。而图4（b）420d到720d阳极极化曲线相对较缓，此时钢筋的锈蚀容易发生，其原因是氯离子已侵入混凝土内部达到基体表面，使得钢筋的钝化膜破坏，腐蚀易发生。

图4 B试块0d-720d极化曲线图

2.4 腐蚀电流密度变化分析

钢筋混凝土试块A、B的腐蚀电流密度计算结果如图5所示。

图5 试块A、B的腐蚀电流密度

从图5中可以看出试块A、B的腐蚀电流密度随时间的增长在不断的增加，基准值分别为0.0825μA·cm-2和0.0383μA·cm-2。从表7腐蚀电流密度与钢筋锈蚀情况的对应关系可以看出，此时钢筋处于未锈蚀状态，此状态一直持续到60d。A试块从120d到660d腐蚀电流密度不断增大，并且在 0.1μA·cm-2＜icoorA＜0.5μA·cm-2，表明此阶段试块A一直处于低腐蚀状态。从660d往后试块A的腐蚀电流密度大于0.5μA·cm-2，表明自660d后试块A处于中等锈蚀状态。试块B从60d到720d其腐蚀电流密度一直处于0.1μA·cm-2＜icoorB＜0.5μA·cm-2之间，表明试块B自60d后一直处于低腐蚀的状态。虽然试块A较试块B保护层厚度略大10mm但是从锈蚀状态来看其保护效果并非很显著，只对钢筋进入中等锈蚀状态起到了很小的作用。

3 结 语

1）利用相对动弹性模量评价参数、相对质量评价参数和腐蚀电流密度的大小可以从多方面对钢筋混凝土的耐久性进行综合评价分析。并且从相对动弹性模量评价参数和相对质量评价参数的增加和衰减速率可以看出，利用非金属超声波检测法得到的相对动弹性模量评价参数可以更好的作为耐久性评价指标。

2）混凝土保护层厚度虽然可以在一定程度上对钢筋起到保护作用，但是在长期的服役过程中并不能对钢筋的锈蚀起到决定性的保护作用。

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姚燕院长为张凤棣先生贺期颐寿诞

11月8日，我国混凝土科学的一代宗师吴中伟院士的夫人张凤棣先生喜迎百岁寿辰。中国建材集团副董事长、中国建材总院院长姚燕亲自带领中国建材集团和中国建材总院相关人员来到吴师母的家中祝贺。除了生日蛋糕和鲜花，姚燕还送上了为师母百岁寿辰精心准备的礼物——百岁祝寿文集，这是由行业内50余位与吴中伟院士共同工作的同事、朋友、学生和吴中伟青年科技奖获得者为吴师母百岁寿辰献上的祝福，先生看了非常高兴，仔细阅读了每一个祝福。