纳米高岭土改性混凝土与钢筋的黏结性能

张世义 范颖芳 李宁宁

(大连海事大学道路与桥梁工程研究所, 大连 116026)

纳米高岭土改性混凝土与钢筋的黏结性能

张世义 范颖芳 李宁宁

(大连海事大学道路与桥梁工程研究所, 大连 116026)

为考察纳米高岭土对混凝土与钢筋间黏结性能的影响,利用电流加速腐蚀试验方法,研究了不同腐蚀时间下钢筋锈蚀率与纳米高岭土掺量的关系,分析了纳米高岭土改性混凝土与钢筋之间的黏结滑移关系及黏结强度的变化情况.研究结果表明:纳米高岭土改善了钢筋与混凝土间的黏结性能,降低了混凝土试件的刚度,纳米高岭土掺量为3%的混凝土试件与钢筋间的黏结强度较普通混凝土试件提高约56.55%;混凝土中内掺纳米高岭土能够延缓钢筋锈蚀,纳米高岭土掺量为5%的混凝土试件在腐蚀36 h后,钢筋锈蚀率较普通混凝土试件降低约52%;腐蚀48 h后,纳米高岭土掺量为3%的混凝土试件与钢筋间的黏结强度约为普通混凝土试件的2.16倍.

纳米高岭土;黏结性能;黏结强度;锈蚀率

随着使用年限的增加,钢筋混凝土结构会发生钢筋锈蚀现象;锈蚀后钢筋与混凝土间的黏结性能发生改变,导致钢筋不能充分发挥作用,从而影响结构的安全性及使用性能[1].国内外学者对锈蚀钢筋与混凝土间的黏结性能进行了试验研究[2-3],多数采用电化学腐蚀试验方法使混凝土试件中的钢筋发生不同程度的锈蚀,以分析受腐蚀钢筋与混凝土间的极限黏结强度及黏结滑移本构关系.部分学者采用拔出试验[4]、梁式试验[5]对发生不同程度锈蚀的混凝土试件进行拔出及弯曲试验,从黏结滑移曲线、极限黏结强度、锈胀开裂前后的破坏状态等方面研究了锈蚀钢筋与混凝土间的黏结特性;结果表明,在钢筋锈蚀初期,锈蚀钢筋与混凝土间的黏结强度增加,但随着钢筋锈蚀的进一步加深,黏结强度逐渐退化.

近年来,国内外学者将硅灰[6]、粉煤灰[7]、矿渣微粉[8]和纳米材料等作为矿物掺和料,以提高混凝土材料的抗渗性能,阻碍氯离子等有害物质进入混凝土内部,进而延缓钢筋的锈蚀.纳米材料不仅能够促进水泥水化反应的进行,还能有效填充混凝土材料内部的微小孔洞,增加基体密实度,降低混凝土的渗透性,有效阻碍了氯离子等有害物质进入混凝土基体内部[9].纳米高岭土是一种特殊的纳米材料,能够有效降低混凝土材料的渗透性,提高其力学性能和电阻率,阻碍氯离子进入混凝土内部[10-11];但纳米高岭土改性混凝土与钢筋间的黏结性能尚不清楚,相关研究亟待展开.

为研究纳米高岭土改性混凝土与钢筋间的黏结性能,本文对4种不同纳米高岭土掺量的混凝土试件进行电流加速腐蚀试验,并通过钢筋拔出试验,研究不同腐蚀条件下钢筋锈蚀状态以及纳米高岭土改性混凝土与钢筋间黏结性能的退化规律.

1 试验

1.1 原材料

试验中水泥为小野田P.O 42.5R型普通硅酸盐水泥.纳米高岭土产地为河北,物理指标及化学成分分别见表1和表2.图1给出了该纳米高岭土的TEM照片及XRD图谱.钢筋物理参数见表3.

表1 纳米高岭土物理指标

表2 纳米高岭土化学成分 %

表3 钢筋物理力学指标

1.2 试件制备

根据《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—92),采用拉拔试件测试黏结性能,试件尺寸为φ100 mm×80 mm.钢筋放置在圆柱体的中轴线上,黏结区长度取为钢筋直径的5倍.每组制作6个试件,试件的几何尺寸见图2.

(a) TEM照片

(b) XRD谱图

图2 试件几何尺寸(单位：mm)

试件制备过程中,将纳米高岭土预先超声分散15 min[12].将纳米高岭土掺量为0%,1%,3%,5%的试件分别记作NC0,NC1,NC3,NC5.制备完成后,在标准养护室养护1 d后拆模,继续于标准养护室养护28 d,养护完成后进行电流加速腐蚀试验.混凝土配合比及28 d抗压强度见表4.

表4 混凝土配合比及28 d抗压强度

1.3 试验过程及方法

1.3.1 加速腐蚀装置

试件养护完毕后,采用电化学方法进行加速锈蚀,装置示意图见图3.将试件放入人工配置的海水溶液中,液面不能超过试件上表面,由恒电流电压表提供电压,电压固定为(30±0.1) V.通过改变通电时间来调整钢筋的锈蚀情况,此处腐蚀时间t=24,36,48 h.表5给出了人工海水溶液配合比.

图3 电流加速试验装置

表5 人工海水溶液配合比 g/L

1.3.2 拔出试验加载装置

拔出试验采用100 kN液压伺服试验机完成,在钢筋的自由端及混凝土表面安装位移传感器.试验装置如图4所示.加载过程采用位移控制,加载速度为1 mm/min.

图4 钢筋拔出试验装置

1.3.3 钢筋锈蚀率的测定

钢筋锈蚀程度可用锈蚀前后钢筋的质量损失来表示.制备试件前,将钢筋打磨干净,称取其质量;钢筋拔出后,清除钢筋表面的砂浆和锈蚀产物,然后称取钢筋质量.

2 试验结果与讨论

2.1 钢筋锈蚀率

图5给出了加速腐蚀36 h后的混凝土试件表面情况.由图可知,普通试件中钢筋锈蚀严重,出现微裂缝,铁锈渗出;掺入纳米高岭土试件的锈蚀程度较普通混凝土试件明显降低,纳米高岭土掺量为5%的混凝土试件上未观察到任何锈蚀现象.

通过称量腐蚀前后钢筋的质量损失,可以得到钢筋锈蚀率,即

(1)

式中,m0为未锈蚀钢筋的质量;m1为锈蚀后钢筋的质量.

(a) NC0

(b) NC1

(c) NC3

(d) NC5

图6给出了不同腐蚀时间下钢筋锈蚀率与纳米高岭土掺量的关系.由图可知,纳米高岭土的掺入降低了钢筋的锈蚀率,提高了混凝土试件的抗锈蚀性能.腐蚀24 h时,纳米高岭土掺量为1%,3%,5%的混凝土试件中钢筋锈蚀率较普通混凝土试件(即纳米高岭土掺量为0)分别降低约7%,30%和37%；腐蚀36 h时,则分别降低约22%,47%和52%.这主要是因为纳米高岭土颗粒有效填充了混凝土基体内部的微小孔洞,增加了基体的密实性,阻碍了氯离子渗透进入混凝土基体,进而延缓了钢筋的锈蚀.

图6 钢筋锈蚀率与纳米高岭土掺量的关系

2.2 破坏形态

试验中各组试件的破坏均为劈裂破坏.普通混凝土试件和纳米高岭土掺量为1%的混凝土试件在加载之前已经出现细微锈胀裂缝,故混凝土破坏时,主要沿锈胀裂缝处劈裂,且劈裂主裂缝附近还存在若干较细次裂缝.此外,普通混凝土试件表面裂缝分布较纳米高岭土改性混凝土试件多且宽,裂缝最大宽度为2.63 mm;且随着纳米高岭土的加入,混凝土试件表面裂缝逐渐变少变细.

2.3 黏结滑移曲线

(a) 未腐蚀

(b) t=24 h

(c) t=36 h

(d) t=48 h

图7为不同锈蚀时间下钢筋混凝土的黏结滑移曲线.由图可知,未腐蚀时,纳米高岭土的掺入会引起钢筋混凝土黏结滑移曲线改变,即极限黏结强度和极限黏结应力增加,黏结滑移曲线上升段明显增长,下降段逐渐平缓.对于试件NC3和NC5,钢筋与纳米高岭土改性混凝土的极限黏结应力显著提高,峰值应力的后延性增加,即纳米高岭土提高了混凝土试件的韧性;此外,NC3的极限黏结应力改善效果较NC5略好.钢筋与纳米高岭土改性混凝土间的黏结滑移曲线中下降段逐渐平缓,意味着结构的刚度降低,这在混凝土结构的实际应用中是非常有用的.纳米高岭土对钢筋与混凝土黏结性能的改善作用主要源于:纳米高岭土的掺入促进了混凝土基体中形成大量的C-S-H晶体,从而填充了水泥孔隙,使混凝土微观结构密实[10].不同腐蚀时间下钢筋混凝土黏结滑移曲线的发展形式与腐蚀前基本相同.与未腐蚀试件相比,受腐蚀的混凝土试件的黏结滑移曲线在极限荷载处急剧下降,说明添加纳米高岭土对腐蚀后混凝土试件的脆性行为影响较小.

2.4 黏结强度

纳米高岭土掺量和黏结强度的关系曲线见图8.由图可知,对于未腐蚀试件,当纳米高岭土掺量为3%时,钢筋与混凝土间的黏结强度较普通混凝土试件提高约56.55%;腐蚀48 h后,纳米高岭土掺量为3%的改性混凝土与钢筋间的黏结强度约为普通混凝土的2.16倍.

图8 纳米高岭土掺量与黏结强度的关系

腐蚀时间与黏结强度的关系曲线见图9.由图可知,随着腐蚀时间的延长,钢筋与纳米高岭土改性混凝土间的黏结强度呈先增加后减小的趋势.这说明在腐蚀初期,钢筋锈蚀率较低,由钢筋锈蚀引起的锈胀压力增加了钢筋与混凝土间的握裹力,使得黏结强度有所增加;此外,锈蚀产物的存在会增加钢筋与混凝土间的摩擦力,同样导致黏结强度增加.普通混凝土和纳米高岭土掺量为1%的改性混凝土中,钢筋与混凝土间的黏结强度在腐蚀24 h后开始下降,说明此时钢筋锈蚀率增加,钢筋与混凝土间的锈胀压力增大,致使混凝土产生裂缝并逐渐扩展,最终导致混凝土对钢筋的约束力降低,钢筋与混凝土间的黏结强度减小.对于纳米高岭土掺量为3%和5%的改性混凝土,腐蚀36 h后,钢筋与混凝土间的黏结强度开始降低,说明这2种试件对钢筋锈蚀的延缓作用更显著.纳米高岭土能够延缓钢筋锈蚀的主要原因在于:纳米高岭土颗粒较小,能够有效填充混凝土基体中的微小孔洞,提高混凝土的抗渗性能,阻碍氯离子进入混凝土基体[11],进而延缓了钢筋的锈蚀破坏.

图9 腐蚀时间与黏结强度的关系

3 结论

1) 纳米高岭土的掺入能有效阻碍氯离子进入混凝土内部.纳米高岭土掺量为5%的混凝土试件在腐蚀36 h后,钢筋锈蚀率较普通混凝土试件降低约52%.

2) 纳米高岭土改善了混凝土与钢筋间的黏结滑移关系,降低了混凝土试件的刚度,但对钢筋锈蚀后试件的脆性行为无改善作用.

3) 随着纳米高岭土掺量的增加,钢筋与混凝土间的黏结强度逐渐增大.对于未锈蚀试件,纳米高岭土掺量为3%的混凝土试件,钢筋与混凝土之间的黏结强度较普通混凝土试件提高约56.55%;纳米高岭土掺量为3%的混凝土试件在腐蚀48 h后,钢筋与混凝土间的黏结强度约为普通混凝土试件的2.16倍.

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Bonding behavior between steel bars and concrete modified with nano-kaolinite clay

Zhang Shiyi Fan Yingfang Li Ningning

(Institute of Road and Bridge Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To study the effect of nano-kaolinite on the bonding behavior of concrete and steel bars, the relationship between the corrosion ratio of steel bars and the nano-kaolinite content at different corrosion times are studied by the electrochemical accelerated corrosion method. And the bond-slip relationship and the change of the bond strength between concrete with nano-kaolinite and steel bars are analyzed. The results show that the addition of nano-kaolinite can improve the bonding behavior of concrete and steel bars and reduce the stiffness of concrete specimen. For the concrete specimen with nano-kaolinite content of 3%, the bonding strength of concrete and steel bars increases by about 56.55% compared with ordinary concrete specimen. Besides, the addition of nano-kaolinite can delay steel corrosion in concrete. After corrosion for 36 h, the corrosion ratio of steel bars in the concrete specimen with nano-kaolinite content of 5% decreases by about 52% than that of ordinary concrete specimen. After corrosion for 48 h in the concrete specimen with nano-kaolinite content of 3%, the bonding strength between concrete and steel bars is about 2.16 times that of ordinary concrete specimen.

nano-kaolinite clay; bonding behavior; bonding strength; corrosion rate

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.032

2014-09-22. 作者简介: 张世义 (1986—),男,博士生; 范颖芳(联系人),女,博士,教授,博士生导师,fanyf72@aliyun.com.

国家自然科学基金资助项目(51178069)、 高等学校青年骨干教师基金资助项目(2011JC031)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132014073)、辽宁省“百万人才工程”资助项目(2010921064)、大连海事大学优秀博士培育基金资助项目(2014YB03).

张世义,范颖芳,李宁宁.纳米高岭土改性混凝土与钢筋的黏结性能[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(2):382-386.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.032

TU502

A

1001-0505(2015)02-0382-05