氯盐侵蚀环境下橡胶集料掺量对钢筋混凝土梁耐久性的影响

刘春生，陈 雷，朱 涵,2

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；

2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

橡胶集料混凝土(crumb rubber concrete，CRC)是一种采用橡胶作为集料，并以一定比例替代细骨料(或粗骨料)配制而成的新型水泥混凝土，其目的是在原有多组分混凝土基础上引入一定量的柔性成分，从而使混凝土性能得到相应改善[1]．目前国内外对橡胶集料混凝土的研究主要集中在混凝土材料基本性能上，研究发现掺入橡胶集料可使新拌混凝土的含气量增加[2]、塌落度降低[3]，并可大幅度提高混凝土韧性[4]．最近的研究表明，橡胶集料混凝土具有较高的吸声系数和较低的导热系数[5]．

作为一种土木工程材料，耐久性的优劣将直接影响橡胶集料混凝土的应用和推广，然而目前国内外关于橡胶集料混凝土耐久性的研究却非常少见，研究氯盐侵蚀环境下橡胶集料钢筋混凝土结构的耐久性是笔者研究的出发点，欧兴进等[6]曾经采用 ASTM C 1202-97直流电量法对橡胶集料混凝土的氯离子渗透性进行试验，发现橡胶集料混凝土的电导量很低．

氯盐侵蚀是产生混凝土劣化和钢筋锈蚀的重要原因，特别是在桥墩、码头、船坞、潮差区、溅浪区、除冰盐作用区域，由于干湿交替作用，从而导致钢筋锈蚀的氯离子、氧气和水分往往同时存在，破坏也最为严重．大量的关于氯离子侵蚀机理研究所得到的一致性的结论是氯离子阈值(Cl/OH ratio)是决定钢筋发生锈蚀的关键指标[7-8]．即使在较高碱度下，氯离子浓度超过该值也会破坏钢筋钝化膜，激活钢筋表面的铁原子，形成腐蚀电池，从而导致钢筋锈蚀．处在氯盐侵蚀环境下混凝土结构的劣化试验方法包括自然状态浸泡法和外加电流法两种．与自然状态法相比，施加阳极电流加速试验方法具有与自然状态法相同的反应产物，且周期较短，是笔者采用的试验方法．同时，本文以非饱和状态下孔隙中液相渗流与氯离子扩散两个基础过程的耦合，并考虑橡胶集料本身的物理化学性质，对橡胶集料混凝土中氯离子的渗透过程进行了分析．

1 试 验

1.1 试验方案

采用的试验方法如图 1所示，阳极、阴极、NaCl溶液、导线在外电流的作用下形成腐蚀电池回路．直流电源的电压输出范围为 0～30,V，最大输出电流为5,A．混凝土梁试件尺寸为100,mm×100,mm×515,mm，梁的 1/2高度浸没在质量分数 3.5%的 NaCl溶液当中，2根5,mm直径钢筋作为阳极，混凝土保护层厚度为 10,mm，钢筋与电源的正极相连(钢筋位于液面以上)．阴极为布置在试件下部的不锈钢片．待试件养护至 28,d后取出进行锈蚀试验，暴露时间分别为5,d和 10,d．可对若干个试件同时进行试验，每根钢筋与一个电阻串联，实测阻值为 10.8,Ω，试验采用的电压为 12,V并始终保持不变，通过钢筋的电流随闭合电路的电阻而变化，每隔 6,h测量一次串联电阻两端的电压，计算出该梁中钢筋的平均电流密度．

受弯性能试验参照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，4点加载，钢筋在受拉一侧，加载速度控制在 0.1,kN/s．利用千分表测量梁跨中挠度，每1 kN采集一次数据．

图1 施加阳极电流试验方法Fig.1 Impressed anode current test method

1.2 原材料及配合比

所用钢筋为预应力混凝土结构用碳素刻痕钢丝，公称直径 5,mm，含碳量为 0.7%(质量分数)，其他元素如硫、磷含量均小于 0.04%(质量分数)，机械性能见表1．

表1 钢筋的机械性能Tab.1 Mechanical properties of reinforcement bar

钢筋的除锈方法为：首先用钢丝刷和砂纸磨去钢筋表面锈斑，酸洗液用硫酸溶液(工业硫酸与水的比例为 1∶10)，将钢筋泡入酸洗液中 10～15,min，待表面氧化皮溶解后取出．将钢筋泡入正己烷液体中30,min，然后用干净的钢丝刷刷至钢筋接近底色，再用干毛巾擦干，放入已预先升至(105 ± 5)℃的烘箱内烘 20,min．

试验中所用材料的配合比如表2所示．拌和混凝土所用橡胶集料最大粒径为 2.0,mm，平均粒径为1.0,mm，表观密度为 1,050,kg/m3，其他材料包括P·O42.5水泥、砂(细度模数 2.6)、Dmax＝10,mm 碎石、UNF-5高效减水剂．主要考察橡胶集料掺量对钢筋锈蚀的影响，掺量水平依次为 50,kg/m3、100,kg/m3和150,kg/m3，分别取代等体积的砂．水灰比也是影响渗透性的重要因素，本试验中用两种水灰比，分别为0.45和0.55．

表2 试验配合比Tab.2 Mix proportion for experiment

试件成型 24,h后脱模，然后用环氧树脂将裸露的钢筋密封进行养护．每组配合比成型 3个试件，养护至 28,d后每组取出其中 2个试件进行锈蚀试验，其余作为对比试件．

2 试验结果分析

2.1 抗压强度、电流密度、钢筋失重率和裂缝宽度

试验所得抗压强度、电流密度、钢筋失重率及保护层裂缝宽度结果见表 3．以混凝土保护层裂缝宽度作为不同腐蚀程度的判别控制条件．轻微开裂：保护层出现可见裂缝宽度小于 0.2,mm．中度开裂：保护层裂缝在 0.2～0.5,mm．严重开裂：裂缝宽度在 0.5～2.0,mm或以上[9]．采用DJCK-3型全自动裂缝测宽仪进行测试，取裂缝的 6个等间距点，结果取平均值．受弯试验结束后，用压力机将试件破开，取出其中的钢筋进行除锈，然后用精度为 0.01,g的天平称重，钢筋的失重率 ΔS＝mloss/m0，m0为钢筋的初始质量(g)，mloss为实测钢筋质量损失(g)．

28,d抗压强度结果表明掺入橡胶集料会导致混凝土强度的降低，且随掺量增加，降低幅度增大，这与以往橡胶集料混凝土力学性能方面的研究结论相一致[10-11]．同时，随橡胶集料掺量增加，钢筋的电流密度呈降低趋势．电流密度表示在测试过程中单位钢筋截面积上电流强度的平均值，该指标也反映了混凝土电阻率的大小，电流密度越小，则混凝土的电阻率越高．

表3 抗压强度、电流密度、钢筋失重率与混凝土裂缝宽度Tab.3 Compressive strength，current density，reinforcement bar mass loss and concrete crack width

钢筋失重率试验结果也显示掺入橡胶集料能够降低钢筋的锈蚀程度，在 5,d和 10,d的暴露时间下，CRCH-15组较基准混凝土降低了 63.6%和 61.4%；而CRCL-15组降低了80.1%和67.7%．裂缝宽度上，普通混凝土在5,d时全部产生了中度开裂，10 d则全部为严重开裂；相比之下，橡胶集料混凝土的开裂情况则要减轻很多，除 CRCH-5组 10 d下的严重开裂和CRCL-10组 10,d下的中度开裂外，其他各组试件均为轻度甚至未开裂，图2是高水灰比各组试件的开裂和表面锈斑情况，混凝土保护层位于试件上部．

2.2 抗锈蚀性影响的作用机理

处于干湿交替作用区域的混凝土，混凝土内部孔隙饱和度分布由表及里始终处于非均匀状态，从而形成孔隙饱和度分布场．孔隙液在场的作用下发生渗流，于是溶解于其中的氯离子随孔隙液在混凝土内部形成扩散作用．干湿交替区域氯离子在孔隙中的通量JCl可以描述为[12]

图2 锈蚀后混凝土表面锈斑和裂缝Fig.2 Rust stains and cracks on concrete cover

式中：C′为孔隙液中氯离子含量；s为孔隙饱和度；ρcon为混凝土的密度；φ为混凝土连通孔隙率；Ds为饱和状态下氯离子在混凝土孔隙液中的扩散系数；Jl为混凝土中孔隙液的流速．根据 Darcy定律，多孔介质的渗流速度可以表示为

式中：K(s)为各向同性的渗流系数；p为压力水头，对于干湿交替区域的混凝土，其压力由孔隙的毛细孔压力决定[13]．根据Laplace方程，毛细孔压力p为[14]

式中：r为毛细孔半径；γ为孔隙液相的表面张力；θ为毛细孔孔壁的水接触角．

传统上采用 Fick定律来解释由于浓度梯度而导致的离子扩散过程，而Darcy定律则解释了由于存在水压力梯度，水在混凝土的渗流过程．本文中，以橡胶集料取代部分砂料实质上是改变了液相进入混凝土的另一种方式，即毛细效应．毛细效应的大小取决于毛细孔压力，由式(3)可知，毛细孔压力取决于孔隙液相的表面张力、孔壁的水接触角以及孔径大小，因此，在孔径和液相表面张力不变的情况下，毛细孔压力受孔壁水接触角的影响．研究发现[15]，橡胶集料分子的极性很低，与固化水泥浆体间的作用力很弱，且由于表面憎水性和粗糙性，造成橡胶集料在混凝土中被毛细孔所包围．对橡胶集料和水泥石的水接触角的研究表明，不同橡胶品种和表面粗糙程度下橡胶集料的水接触角介于80°～116°，由此计算的毛细孔压力是普通混凝土的38%～80%．

因此，干湿交替区域橡胶集料混凝土抗锈蚀的机理在于，与普通混凝土所用的砂料相比，橡胶集料表面非极性和粗糙性导致了毛细孔中液相的渗流压力降低，毛细作用减小，溶解在液相中的氯离子扩散作用比普通混凝土低；同时，混凝土材料的扩散系数还受孔结构以及孔隙饱和度的影响，与砂料相比，橡胶集料很大程度上改变了混凝土内部的孔隙结构，钢筋周围所形成的氯离子浓度下降，因而起到了防锈的作用．

对于外加电流加速方法，氯离子的渗透过程为孔隙液在毛细作用下发生渗流，以及溶解于其中的氯离子在电场作用下的电迁作用，可以表示为

式中：Di为电迁离子扩散系数；zi为离子电价；E为电场强度；F为法拉第常数；T为温度；R为气体常数．由式(4)可知，电迁作用与扩散作用均发生在孔隙液渗流的基础过程，因此，毛细作用降低均会引起钢筋锈蚀的降低．

2.3 锈蚀后梁的受弯承载力与延性

试验得到了未锈蚀以及 5,d、10,d暴露时间的混凝土梁受弯承载力和跨中位移，承载力损失和位移延性系数见表4，位移延性系数

式中：μΔ为位移延性系数；Δμ为极限位移；Δc为初裂位移．

表4 承载力、位移和延性系数试验结果Tab.4 Results of bearing capacity，deflection and ductility coefficient

梁受弯承载力的变化(ΔP)主要受两方面因素影响：一是橡胶集料掺入量的影响(ΔPr)，二是钢筋锈蚀的影响(ΔPc)．表 4和图 3中分别给出了不同橡胶集料掺量、暴露时间和水灰比下的ΔP值，ΔP＜0表示承载力降低，ΔP＞0表示承载力提高．

对于未浸泡的情况，ΔPc＝0，表示 ΔP 仅与橡胶集料掺量大小有关，图中显示随着掺量增加，承载力有一定降低，其中低水灰比的试件的降低幅度大于高水灰比的试件，说明水灰比越低则受橡胶集料掺量的影响越大．对于普通混凝土，ΔPr＝0，承载力变化仅受暴露时间的影响，结果表明高水灰比的混凝土 10,d承载力降低值约为5,d时的3倍，达到22.35%；低水灰比的情况下，10,d承载力降低值为5,d时的4倍以上，达 60.56%．笔者认为其原因可能在于低水灰比混凝土的密实度较高，毛细孔半径变小，表层混凝土的毛细作用增强，导致水分渗入混凝土内部的深度较大；此外，锈蚀往往在钢筋表面形成深浅不一的锈蚀坑，削弱了钢筋截面，也可能是原因之一．当橡胶集料与暴露时间同时作用时，橡胶集料混凝土的承载力变化并未如普通混凝土一样产生大幅降低，CRCH-10和 CRCL-15两组的承载力反而较未浸泡的情况有所提高．同时，从图 3中可以看出，与普通混凝土相比，各个掺量下的橡胶集料混凝土 ΔPr值均大于 0，且∣ΔPr/ΔPc∣＞1，表明橡胶集料的掺入弥补了由于混凝土内钢筋锈蚀而产生的承载力降低．

图3 橡胶集料掺量和钢筋锈蚀对梁承载力的影响Fig.3 Influence of crumb rubber content and steel corrosion on beam bearing capacity

以往的研究表明，橡胶集料混凝土的突出特点是开裂应变比普通混凝土高[16]，笔者测得混凝土开裂时的跨中位移比普通混凝土有所增加，特别是在未浸泡的情况下比较明显．试验还观察到混凝土梁的破坏为剪压破坏(未配置箍筋)，因此破坏时梁的变形取决于斜裂缝两侧混凝土的剪切滑移大小．

图4 橡胶集料掺量与钢筋锈蚀对梁延性的影响Fig.4 Influence of crumb rubber content and steel corrosion on beam ductility

图4为高水灰比的4组试件延性系数结果，可以看出随着橡胶集料掺量和暴露时间的增加，延性系数呈先增长后降低的趋势．对于普通混凝土，钢筋锈蚀必然会导致梁的延性降低，结果显示 5,d时延性系数降低了19.7%，10,d时降低了29.7%．对于橡胶集料混凝土，各配比中 50,kg/m3掺量的延性系数最高，且高于普通混凝土；100,kg/m3掺量的橡胶集料混凝土延性系数与普通混凝土大致相当．说明橡胶集料的掺入量存在一个最优范围，掺量过低则可能开裂变形提高不大，掺量过高则会导致混凝土强度降低过多，开裂过早，难以达到增加混凝土韧性的目的．

3 结 论

(1)采用施加阳极电流加速锈蚀的试验方法模拟了自然环境中干湿交替作用区域氯离子对橡胶集料混凝土内钢筋的锈蚀作用，结果表明，随着橡胶集料掺量的增加，钢筋的电流密度、失重率以及混凝土保护层裂缝宽度较普通混凝土有较大降低，因而能够起到提高混凝土耐久性的效果．

(2)对干湿交替作用区域氯离子渗透的机理分析表明，由于橡胶集料本身的非极性性质有效地降低了混凝土毛细孔压力，阻碍了孔隙液的渗流，降低了氯离子的扩散作用，从而起到了保护钢筋的作用．

(3)从混凝土梁承载力试验出发，分析了掺入橡胶集料和腐蚀时间对承载能力和变形、韧性的影响，结果表明橡胶集料能够有效地保持梁的承载力并增加其延性．

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