碳化再生细骨料对再生混凝土及锈蚀钢筋粘结性能的影响

郑建岚， 丁进炜， 游 帆1, , 3

(1. 福建江夏学院工程学院， 福建 福州 350108； 2. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350108； 3. 福建省环保节能型高性能混凝土协同创新中心， 福建 福州 350108)

0 引言

与天然骨料相比， 再生骨料表面附着老砂浆， 致使再生混凝土与钢筋粘结性能不同于普通混凝土， 钢筋锈蚀对再生混凝土结构的耐久性和安全性影响极大[1-6]. 肖建庄等[7]研究表明锈蚀钢筋与再生混凝土的粘结滑移曲线与普通混凝土相似. 杨海峰等[8-9]研究表明提高钢筋的锈蚀率， 会降低钢筋与再生混凝土粘结强度， 减弱钢筋再生混凝土构件的抗滑移性能； 并基于试验结果， 提出钢筋再生混凝土粘结锚固计算模型. 王晨霞等[10]采用半梁式粘结试验研究锈蚀钢筋与再生混凝土粘结滑移性能， 结果表明, 随着钢筋锈蚀率的增大， 粘结强度先增加后降低， 滑移值逐渐增大； 所得结论与已有的中心拔出试验结果基本一致. 上述对钢筋锈蚀后与再生混凝土间粘结滑移性能研究主要集中在再生粗骨料混凝土方面， 而对于掺入再生细骨料的再生混凝土则缺乏相关研究.

利用水泥生产过程中排放的CO2对再生骨料进行强化处理是近几年提出来的新方法. 相关研究表明[11-13]， 采用碳化后再生骨料制备的再生混凝土， 可以提高其基本力学性能. 这主要是由于CO2能与再生骨料表面老砂浆中的氢氧化钙和水化硅酸钙发生反应， 生成以碳酸钙和硅胶为主的反应产物， 填充老砂浆内部的孔隙， 提高密实度， 减小吸水率， 增加再生骨料的强度. CO2碳化再生骨料能改善其基本性能， 固存水泥厂生产的CO2， 为建筑废物的资源化利用和可持续发展提供了一条新的途径.

本文在再生粗骨料取代率为70%的条件下， 以经碳化后的再生细骨料取代率和钢筋锈蚀率为主要参数， 对钢筋与再生混凝土的粘结性能影响规律展开试验研究， 并与掺入未碳化的再生细骨料情况作对比.

1 试验方案

1.1 试验原材料

再生骨料来源于某公路路面改造工程产生的废混凝土， 其强度约为C20， 龄期为23 a. 废混凝土经破碎、 筛分得到粒径5～25 mm连续级配的再生粗骨料(RCA)和粒径0.15～5 mm的再生细骨料(RFA). 再生粗骨料表观密度为2 506 kg·m-3, 吸水率为4.7%， 压碎指标为13.2%. 未经碳化再生细骨料细度模数为3.4， 表观密度为2 518 kg·m-3， 空隙率为42%， 再生胶砂需水量比为1.25， 再生胶砂强度比为0.91.

采用42.5 普通硅酸盐水泥(C)， 比表面积381 m2·kg-1， 天然粗骨料(NA)的粒径为5～25 mm， 表观密度2 652 kg·m-3， 吸水率1.32%， 压碎指标4%； 天然细骨料(S)为细度模数2.14的河砂， 表观密度2 655 kg·m-3； 普通自来水(W)； 聚羧酸高效减水剂(SP).

在碳化箱中对再生细骨料进行碳化处理， 控制CO2浓度在17%～23%， 湿度在65%～75%， 温度在15～25 ℃. 碳化7 d后再生细骨料的再生胶砂需水量比和强度比分别为1.19、 0.94.

再生粗骨料取代率为70%的条件下， 分别以未碳化及碳化后的再生细骨料配置再生混凝土(RAC)， 其取代率分别为0%、 20%、 30%、 40%， 试件配合比见表1. 采用变形钢筋， 钢筋材料性能详见表2.

表1 试件的配合比

注： 编号RAC-X-Y、 RAC-X-YC， RAC为再生混凝土，X为再生粗骨料取代率(%)，Y为再生细骨料取代率(%),YC为碳化再生细骨料取代率(%).

表2 钢筋材料性能

1.2 试件制作

根据文献[14]的要求， 采用边长为10d的混凝土立方体试件， 钢筋布置在立方体中轴线上， 埋入部分的长度和无粘结部分长度各为5d， 钢筋自由端伸出混凝土试件表面的长度为20 mm. 同时在加载端用5d长的塑料套管把非粘结区的钢筋和混凝土隔离. 浇筑混凝土前， 采用环氧树脂涂抹非粘结段的钢筋， 防止试验过程中发生锈蚀. 按不同目标钢筋锈蚀率(0%、 1%、 2%、 4%)， 每个配合比制作4组拉拔试件， 总共28组， 养护至28 d， 试件如图1所示.

1.3 试件锈蚀方法和钢筋实际锈蚀率

为加速钢筋锈蚀， 采用室内通电锈蚀法. 试验前将试件完全浸泡在质量分数为5% NaCl溶液中4 d. 通电锈蚀过程中， 试件半浸泡于溶液， 采用串联方式将配合比及钢筋锈蚀率相同的3个试件的钢筋接于DH1718E-4型稳压稳流电源正极， 将铜管置于溶液中并接于电源负极， 锈蚀过程保持电流强度为0.05 A. 在锈蚀过程中， 除自由端和加载端外， 定期翻转试件表面， 确保钢筋均匀锈蚀， 锈蚀试验装置如图2所示. 根据文献[15]方法测定钢筋锈蚀量， 钢筋理论锈蚀率为0%、 1%、 2%、 4%的试件， 其实际平均锈蚀率如表3所示.

图1 中心拉拔试件(单位： mm)Fig.1 Center pull-out specimen size(unit： mm)

图2 锈蚀实验装置Fig.2 Corrosion test

表3 钢筋实际锈蚀情况

注： RAC-X-Y-Z、 RAC-X-YC-Z，Z为钢筋理论锈蚀率.

1.4 拉拔试验

图3 拉拔试验Fig.3 Test device

采用如图3所示的吊篮兰装置进行拉拔试验， 在电液伺服试验机上加载. 为保证钢筋与受荷方向不偏斜， 在加荷端设有穿心球铰. 加载时， 下夹具固定， 上夹具与台座共同带动吊笼与混凝土试件一起上升. 在钢筋自由端、 混凝土表面、 加载端钢板左右两侧各安装高精度位移传感器， 见图3所示. 钢筋和混凝土的平均粘结应力τ及钢筋平均滑移S的计算见文献[16].

2 试验结果

2.1 试件破坏过程及峰值拉拔力

试件的破坏形式主要为： 钢筋拔出破坏和再生混凝土劈裂破坏. 当钢筋拔出破坏时， 原先伸出自由端混凝土表面20 mm的钢筋由于加载端拉拔， 已经进入试件内部， 从钢筋孔位可明显看到肋前的再生混凝土基本被剪碎， 并可清晰看到钢筋被拔出时由于机械咬合力作用在混凝土表面留下的痕迹. 当再生混凝土劈裂破坏时， 再生混凝土试件的劈裂方向沿着垂直于钢筋纵肋方向， 肋前的再生混凝土有部分被挤碎， 但还未被完全剪断. 各试件平均峰值拉拔力Pu见表4.

表4 峰值拉拔力

2.2 粘结应力—滑移曲线及其特征点

图4给出了在各组钢筋锈蚀率不变的情况下， 碳化再生细骨料及其取代率对试件粘结应力-滑移曲线的影响对比情况. 由图4可看出， 不同碳化再生细骨料取代率的试件其粘结应力-滑移曲线与普通混凝土具有相似的变化规律. 根据特征点可分为5个阶段， 其特征点随碳化再生细骨料取代率不同而变化. 与再生细骨料未经碳化处理的试件相比， 经碳化处理的试件峰值粘结应力有所提高， 且残余段较为平缓.

图4 碳化再生细骨料及其取代率对试件粘结应力—滑移曲线的影响Fig.4 Influence of replacement rate of recycled fine aggregate on bond stress-slip curves of test piece

图5给出了在各组再生细骨料取代率相同的情况下， 钢筋锈蚀率对试件粘结应力-滑移曲线的影响. 由图5可看出， 与普通混凝土相比， 不同钢筋锈蚀率的试件其粘结应力-滑移曲线具有相似的变化规律. 特征点随钢筋锈蚀率而变化， 钢筋锈蚀率为2%时， 试件峰值粘结应力最大， 相应残余应力较大， 曲线越趋于平缓.

选取微滑移点(Ss,τs)、 劈裂点(Scr,τcr)， 并计算滑移段的粘结刚度K2[16-17] ， 其结果见表5.

图5 钢筋锈蚀率对试件粘结应力—滑移曲线的影响Fig.5 Influence of corrosion rate of steel bar on bond stress-slip curves of test piece

表5 滑移段的粘结刚度

3 主要因素对再生混凝土与钢筋粘结性能的影响分析

3.1 碳化再生细骨料及钢筋锈蚀率对峰值拉拔力的影响

由表4得到在相同钢筋锈蚀率情况下， 碳化再生细骨料及其取代率对试件峰值拉拔力的影响， 见图6. 从图6可以看出， 随着未碳化再生细骨料取代率的增加， 峰值拉拔力明显下降， 如在钢筋锈蚀率为0%的情况下， 再生细骨料取代率为20%、 30%、 40%的试件其峰值拉拔力比未掺入再生细骨料的试件分别降低了5.2%、 7.5%、 12.4%. 碳化再生细骨料明显提高了试件的峰值拉拔力， 如在钢筋锈蚀率为0%的情况下， 碳化再生细骨料取代率为20%、 30%、 40%的试件比再生细骨料未碳化的的情况分别提高了4.4%、 4.9%、 4.8%； 碳化再生细骨料取代率为20%与未掺再生细骨料组对比基本持平， 其峰值拉拔力仅降低了1.02%. 钢筋锈蚀率在2%以内时， 碳化再生细骨料的作用明显， 如钢筋锈蚀率为2%、 碳化再生细骨料取代率为20%时， 试件峰值拉拔力比未掺再生细骨料提高了1.0%.

由表4得到在相同再生细骨料取代率情况下， 钢筋锈蚀率对试件峰值拉拔力的影响， 见图7所示. 由图7可以看出， 当钢筋锈蚀率在4%以内时， 钢筋锈蚀能提高试件的峰值拉拔力， 提高的程度随钢筋锈蚀率的增加表现出先增大后减小的趋势， 其中以钢筋锈蚀率为2%时最为显著， 如在碳化再生细骨料取代率为30%的情况下， 钢筋锈蚀率为1%、 2%、 4%的试件比钢筋未锈蚀的试件分别提高了2.6%、 7.7%、 2.2%.

图6 碳化再生细骨料及其取代率对峰值拉拔力的影响Fig.6 The effect of carbonized RFA replacement ratio on peak bond strength

图7 钢筋锈蚀率对峰值拉拔力的影响Fig.7 The effect of theoretical corrosion rate on peak bond strength

3.2 碳化再生细骨料及钢筋锈蚀率对滑移段粘结刚度的影响

由表5可看出， 碳化再生细骨料提高了试件在滑移段的粘结刚度， 其中以取代率为30%最为明显， 如在钢筋锈蚀率为0%的情况下， 碳化再生细骨料取代率为20%、 30%、 40%的试件比未碳化的情况分别提高了20.2%、 75.6%、 24.6%. 当钢筋锈蚀率在2%以内时， 30%碳化再生细骨料取代率能明显提高试件在滑移段的粘结刚度， 如在钢筋锈蚀率为1%的情况下， 碳化再生细骨料取代率为30%的试件比取代率为0%、 20%、 40%分别提高了88.0%、 66.0%、 32.2%.

当钢筋锈蚀率在4%以内时， 钢筋锈蚀能提高试件在滑移段的粘结刚度， 提高程度随钢筋锈蚀率的增加表现出先增大后减小的趋势， 其中以钢筋锈蚀率为2%时提高程度最大， 如在碳化再生细骨料取代率为40%的情况下， 钢筋锈蚀率为1%、 2%、 4%的试件比钢筋未锈蚀的试件分别提高了10.9%、 42.8%、 34.7%.

4 结语

1) 碳化再生细骨料明显提高了钢筋再生混凝土的峰值拉拔力， 碳化再生细骨料取代率为20%与未掺再生细骨料组对比基本持平， 其峰值拉拔力仅降低了1.02%. 钢筋锈蚀率在2%以内时， 碳化再生细骨料的作用明显， 如钢筋锈蚀率为2%、 碳化再生细骨料取代率为20%时， 试件峰值拉拔力比未掺再生细骨料提高了1.0%.

2) 当钢筋锈蚀率在4%以内时， 钢筋锈蚀能提高钢筋再生混凝土峰值拉拔力， 提高的程度随钢筋锈蚀率的增加表现出先增大后减小的趋势， 其中以钢筋锈蚀率为2%时最为显著.

3) 当再生细骨料取代率在40%以内时， 碳化再生细骨料提高了钢筋再生混凝土在滑移段的粘结刚度， 其中以取代率为30%最为明显. 当钢筋锈蚀率在4%以内时， 钢筋锈蚀能提高钢筋再生混凝土在滑移段的粘结刚度， 提高程度随钢筋锈蚀率的增加表现出先增大后减小的趋势， 其中以钢筋锈蚀率为2%时提高程度最大.