再生粗骨料混凝土钢筋锈蚀试验研究

张椿民，连金明，刘锋

（广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004）

再生粗骨料混凝土钢筋锈蚀试验研究

张椿民，连金明，刘锋

（广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004）

为研究再生粗骨料取代率和水灰比在氯离子侵蚀环境下对再生混凝土钢筋锈蚀规律的影响，对15种不同配合比的再生混凝土试件进行干湿循环试验，采用半电池电位法检测钢筋锈蚀状况.研究结果表明：相同条件下，与普通混凝土相比，再生混凝土的钢筋电位增加较快，电位波动较大，取代率越高，抵抗钢筋锈蚀能力越差，钢筋越容易发生锈蚀；水灰比的增加从整体上提高混凝土的孔隙率，明显缩短钢筋开始锈蚀的时间，且对取代率越高的再生混凝土影响越显著.

再生粗骨料混凝土；钢筋锈蚀；再生骨料取代率；水灰比

0　引言

再生骨料混凝土是指将废弃混凝土经破碎、清洗、筛分而成的再生骨料，部分或全部代替天然骨料配置而成的新混凝土，简称再生混凝土［1］.再生混凝土的开发利用可解决大量废弃混凝土处理困难问题，缓解天然骨料日趋匮乏和降低因大量砂石开采而造成的生态环境破坏.目前，再生混凝土的研究主要集中于力学性能方面，耐久性的研究仍处于薄弱环节［2-3］.近年来，再生混凝土已逐渐应用于工程领域，由于受到大气、土壤和水源等因素影响，再生混凝土也存在耐久性问题.

氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性降低甚至破坏的一个重要因素.当钢筋周围的混凝土自由氯离子达到一定浓度后，钢筋表面的钝化膜会遭到破坏，钢筋失去保护而开始锈蚀，通常将这一浓度称为临界氯离子浓度［4］.影响临界氯离子浓度的因素很多，包括材料自身性质、锈蚀环境和钢筋-混凝土界面空隙等因素［5］.与普通混凝土相比，再生混凝土孔隙率较大，抗氯离子渗透性能较差［6］，钢筋锈蚀出现较快，但由于再生混凝土内部界面过渡区的种类较多，电阻率差异较大［7］；此外，孔隙率增加会影响混凝土内部的湿度和含氧浓度，改变混凝土内部的pH值［8］，造成锈蚀环境差异；所以，不同骨料取代率可导致临界氯离子浓度产生变化，从而使再生混凝土的钢筋锈蚀机理变得更加复杂.为此，本文主要考虑取代率和水灰比2个影响因素，对再生混凝土在氯离子侵蚀环境下的钢筋锈蚀规律进行试验研究，研究结果可为再生混凝土耐久性的进一步研究和设计提供理论依据.

1　试验方案

1.1试验材料

再生粗骨料采用C35的废弃混凝土试块经人工破碎、筛分、清洗而得，天然骨料采用普通碎石骨料，粗骨料粒径均为5mm～20mm，级配满足连续级配要求.细骨料采用天然河砂，细度模数为2.6，水泥采用强度等级为42.5R的海螺牌普通硅酸盐水泥，水为普通自来水.试验采用直径为20mm的HPB300级光圆钢筋为锈蚀钢筋.

1.2混凝土配合比

试验考虑再生粗骨料取代率和水灰比2个影响因素，取代率有0，25％，50％，75％和100％五个水平，水灰比有0.4，0.5和0.6三个水平，共15种配合比.由于再生粗骨料吸水率较大，需进行预吸水处理，使其含水量达到饱和状态的80％左右［9］.配合比按照普通混凝土设计，并测标准养护条件下28 d的混凝土抗压强度值，如表1所示.

表1　试件配合比Tab.1 Mix proportions for concrete specimens

1.3试件设计

试件尺寸为80mm×80mm×200mm，中间埋置一根直径为20mm的光圆钢筋，如图1所示.在浇筑混凝土前，钢筋需除锈处理.为便于电位检测，钢筋一端需焊接导线；为避免试件端部钢筋锈蚀，外露钢筋和端面需用环氧树脂密封处理.每种混凝土配合比制作3个试件，编为一个试验组，试件编号为R Cxxxy－n，xxx代表取代率，y代表水灰比，n代表试件序号，如RC0256－2代表再生粗骨料取代率为25％，水灰比为0.6的第2个试件.

1.4干湿循环试验及电位检测

试验采用半电池电位法检测钢筋电位，根据电位值判断钢筋的锈蚀状况.为了控制钢筋锈蚀速度，试验采用干湿循环法，具体做法是：试件标准养护28 d后，将其在5％的NaCl溶液中浸泡3 d，然后在室内干燥环境中放置4 d，为一个循环周期，在每个周期的最后1 d，采用钢筋锈蚀检测仪（Procep Canin）检测钢筋电位，检测完成后，又将试块放入溶液中浸泡，开始新一轮循环.半电池电位的检测原理如图2所示.

图1　试件尺寸（mm）Fig.1 Details of specimens（mm）

图2　半电池电位的检测原理Fig.2 Principle of the half－cell method

每个试件设置12个测点，具体位置如图3所示，取其中的最小值（电位值为负值）为试件的半电池电位（HCP），并求出同组3个试件的平均值.由于混凝土表面的湿润程度会使测量值产生较大波动［10］，严重影响钢筋锈蚀状况的判断；因此，在检测前应使试件表面充分湿润，同一测点进行2次检测，前、后2次的电位差小于10mV时即认为湿润程度满足要求，并取后一次的读数为该测点的实测电位值.此外，检测时的环境温度也会影响测点读数，实测电位需根据环境温度修正［11］.当电位小于－350mV时发生钢筋锈蚀的概率大于90％，本次试验取－350mV作为钢筋开始锈蚀的判段依据，即修正后的电位小于－350mV时，认为钢筋开始锈蚀.

图3　测点布置图Fig.3 Arrangement of test points

2　试验结果分析

本文一共进行了12次干湿循环，共经历了84 d，整个干湿循环过程中，外露钢筋始终未发生锈蚀.同一试件，各测点半电池电位差异范围为0～25mV，表明钢筋基本发生均匀锈蚀，与试验结束后，破碎周围混凝土取出钢筋的锈蚀状况结果一致；同组试件，最终确定后电位差异范围为0～30mV，表明同组试件钢筋和混凝土间的电学活性的发展速度大致相同.干湿循环试验结束后，试件表面变得更加粗糙.

2.1取代率影响分析

根据试验结果，求出各组试件的电位平均值，做出各水灰比下不同取代率的钢筋电位与时间关系曲线，如图4（a）、图5（a）和图6（a）.为了便于分析取代率对钢筋锈蚀的影响，电位按式（1）处理：

式（1）中，n为混凝土试验组名称，如普通混凝土表示为NC，取代率为25％的再生混凝土表示为RC025. i为干湿循环序号，为相对电位值.显然等于1，这样与的差值就能反映取代率对半电池电位的影响.图4（b）、图5（b）、图6（b）是不同试验组Rnin值的散点图，水平线是每个试验组Rn

in的平均值.

图4　水灰比为0.4的再生混凝土试验组电位时变曲线图Fig.4 HCP versus time curve in recycled concrete with 0.4water cement ratio

图5　水灰比为0.5的再生混凝土试验组电位时变曲线图Fig.5 HCP versus time curve in recycled concrete with 0.5water cement ratio

图6　水灰比为0.6的再生混凝土试验组电位时变曲线图Fig.6 HCP versus time curve in recycled concrete with 0.6water cement ratio

试验采用干湿循环方法加速锈蚀.从图4（a）、图5（a）和图6（a）中可发现：随着干湿循环次数增加，每条曲线总体上都保持着上升趋势，但再生混凝土钢筋电位的增加较普通混凝土快，多条曲线局部存在波动现象.出现这一现象是因为：随着干湿循环次数的增加，水分、氯离子等不断扩散进入混凝土内部，自由氯离子浓度逐渐提高，混凝土内的自由氯离子可以强化离子通道，随着混凝土中的自由氯离子浓度提高，其电阻率降低［7］，导电性能增强，钢筋和混凝土间的电学活性随之增大.当氯离子渗入到钢筋表面并达到临界氯离子浓度后，钝化膜遭到破坏，氯离子与铁元素发生化学反应，形成阴极区和阳极区，钢筋开始出现锈蚀；随着时间的延续，阴阳极区的范围逐渐扩大，电化学腐蚀加剧，电位差逐渐增加.与普通混凝土相比，再生混凝土渗透性较强，氯离子扩散较快，相同环境下，因孔隙率较高导致其初始电位较普通混凝土大，后期的循环试验中钢筋电位的增加也较普通混凝土快；氯离子会导致混凝土的稳定性降低，直接影响到与钢筋电学活性的稳定性，加之钢筋表面的化学反应极不稳定，与参与反应的离子浓度、温湿度等有关，离子浓度和温湿度的变化难以控制；因此，电位往往存在波动现象.此外，混凝土是一种离散性很大的材料，且再生混凝土的均匀性较普通混凝土差［12］，化学成分复杂.可见，试验过程中钢筋电位的波动是一种正常现象，由多因素共同引起.

从图4（b）、图5（b）和图6（b）中可看出：在水灰比相同的条件下，与普通混凝土相比，再生混凝土的取代率越高，其相对电位Rin的平均值越大.这表明：取代率越高，钢筋和混凝土间的电学活性增大越快，钢筋越容易锈蚀.这可从再生混凝土的内部组成和骨料缺陷2个方面进行分析：①对于内部组成，试验采用普通混凝土配合比的计算方法配置再生混凝土，然后根据骨料吸水率附加用水，可取代率是再生粗骨料占总粗骨料的百分比，由于再生骨料中存在附着老砂浆，所用的配合比设计方法将会使得再生混凝土中的天然骨料较普通混凝土少，界面过渡区种类及数量增加.在再生粗骨料的砂浆附着率和水灰比相同的条件下，取代率越高的再生混凝土，其天然骨料含量越少，砂浆含量越多，而混凝土的渗透性主要取决于砂浆和界面过渡区性质，天然粗骨料基本可看作不可渗透的密实材料［13］；因此，取代率越高，再生混凝土的孔隙率越大，抗氯离子渗透性越低，电阻率越小.②对于骨料缺陷，与天然骨料相比，再生骨料存在较大的初始缺陷.一方面，原生混凝土在长期服役过程中，荷载、碳化［14］、徐变等因素使得附着砂浆内部存在微裂纹；另一方面，在将废弃混凝土加工成再生骨料的过程中，会对骨料内部产生新的损伤，特别是由附着老砂浆和天然骨料构成的老界面过渡区，力学性能原本就较薄弱，加之破碎时的外力作用，出现微裂纹的可能性大大增加；因此，再生骨料大多存在初始缺陷，这些初始缺陷将使得养护成型后的再生混凝土存在初始损伤，且取代率越高，初始损伤的程度和微裂纹的分布范围越大，氯离子等有害物质的输送通道越多，混凝土电阻率衰减速度越快.

图7　取代率与钢筋开始锈蚀时间关系图Fig.7 Relational graph of replacement ratio and initial time of steel corrosion

图8　水灰比与钢筋开始锈蚀时间关系图Fig.8 Relational graph of water cement ratio and initial time of steel corrosion

图7是各水灰比下取代率与钢筋开始锈蚀时间的关系图，该图呈现出再生混凝土开始锈蚀时间基本上要比同配合比的普通混凝土短，且随取代率的增加呈逐渐缩短趋势.RC100y（y为4，5，6）试验组与NC000y试验组相比，开始锈蚀时间均缩短了33.3％.由此可见，取代率的增加未能使得临界氯离子浓度往有利的方向改变或改变的程度仍未能延缓钢筋锈蚀的发生，再生混凝土抵抗钢筋锈蚀的能力较普通混凝土差，且取代率越高，其护筋性能越差，钢筋越容易发生锈蚀.

2.2水灰比影响分析

图8是水灰比与钢筋开始锈蚀时间的关系图，从图中可看出：不论是普通混凝土还是再生混凝土，钢筋开始锈蚀的时间均随水灰比的增大而明显提前，NC0006试验组与NC0004试验组相比，开始锈蚀时间提前了50％；RC0506与RC0504相比，开始锈蚀时间提前了55％；RC1006与RC1004相比，开始锈蚀时间提前了50％.与取代率的影响对比可发现，水灰比对开始锈蚀时间的影响更突出，这是因为：水灰比的增大从整体上提高了混凝土的孔隙率和密实度，降低了混凝土电阻率，渗透性增强，氯离子更容易侵入；此外，有研究表明，水灰比的增加会使得临界氯离子浓度减小［5］，主要原因是水灰比的增加将使得混凝土配合比中的水泥用量降低（如表1所示），从而造成混凝土碱性降低，对钢筋表面钝化膜的保护作用减弱.对于再生混凝土，同时增大取代率和水灰比形成的双重不利作用将使得钢筋开始锈蚀的时间减少得更明显.

3　结论

通过干湿循环法对再生混凝土试件进行加速锈蚀试验，可以得出以下结论：

1）在相同的氯离子侵蚀环境下，与普通混凝土相比，再生混凝土钢筋电位的增加较快，稳定性较差；

2）再生混凝土抵抗钢筋锈蚀的能力较普通混凝土差，取代率越高，钢筋越容易发生锈蚀，对于本文试验研究，相同条件下，全再生混凝土比普通混凝土钢筋开始锈蚀的时间短33.3％；

3）相同条件下，与取代率对钢筋开始锈蚀时间的影响相比，水灰比的影响更为突出，水灰比的增大将从整体上提高再生混凝土的孔隙率和渗透性，降低混凝土内部碱性，减小临界氯离子浓度，从而明显缩短钢筋开始锈蚀的时间.

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（学科编辑：黎娅）

Experimental study on steel corrosion in recycled aggregate concrete

ZHANG Chun-min,LIAN Jin-ming,LIU Feng
(School of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University,Nanning530004,China)

To study the influence of recycled aggregate replacement ratio and water cement ratio on steel corrosion in recycled concrete structure under chloride environment,the wetting and drying cycles were carried out on recycled concrete specimens with 15 kinds of mix proportions,the steel corrosion was detected by half-cell potential method.The research results show that the potential growth of recycled concrete is faster than that of ordinary concrete under the same conditions,and the potential fluctuation is larger than that of ordinary concrete.The higher the replacement rate,the worse the ability to resist steel corrosion，the more prone to steel corrosion.The increase of water cement ratio improves the porosity of concrete on the whole and significantly shortens the initial time of steel corrosion.The higher the replacement rate of recycled concrete,the more significant this effect.

recycled aggregate concrete;steel corrosion;recycled aggregate replacement ratio;water cement ratio

TU528.04

A

2095-7335（2016）03-0076-06

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.014

2016-03-17

广西教育厅基金项目（YB2014022）资助.

张椿民，硕士研究生，研究方向：混凝土结构，E-mail：zhangcmd＠foxmail.com.