橡胶集料钢筋混凝土抗高温氯离子侵蚀试验研究

王立强，李艳茹*，朱 涵

(1.海军勤务学院，天津 300450；2.天津大学，天津 300072)

我国南方沿海及近海地区的码头、桥梁、道面等混凝土结构，长期处于高温、高湿、高盐环境下，受氯离子侵蚀现象非常严重[1-3]。内部钢筋的腐蚀会导致混凝土结构的开裂、破损而使结构发生早期损坏，降低或丧失结构的耐久性。目前关于氯离子在混凝土中的传输机理研究相对较多[4-6]。已有研究表明，粉煤灰、矿渣粉、硅灰等活性掺合料对改善结构抗氯离子侵蚀性能有显著作用[7]。本文主要研究橡胶集料混凝土用于沿海工程结构的抗氯离子腐蚀性能。将普通混凝土和橡胶掺量橡胶集料混凝土试件分别置于常温(20℃±5℃)和高温(60℃)3.5% NaCl溶液中，采用通电方式对试件进行加速腐蚀试验，并根据试件通电时间长短、试件内部钢筋电位值、试件表面锈迹的严重程度情况作为橡胶集料混凝土腐蚀程度的判别控制条件，对橡胶集料混凝土在常温和高温环境下抗氯离子侵蚀能力进行研究。

1 试验概况

1.1 试验配合比

表1 橡胶集料技术指标Tab.1 Technical indicators of crumb rubber

试验所用橡胶集料采用常温干法生产的橡胶细颗粒，规格为16目，表观密度1 020 kg/m3，吸水率4.5%。橡胶集料具体技术指标见表1。其他材料为：强度等级42.5硅酸盐水泥； 5～20 mm连续级配碎石；中砂(细度模数2.5)，减水剂为UNF-5非引气型萘系高效减水剂，减水率15%。

试验采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，试件配合比见表2。每种配合比制作4组试件，无筋试件和有筋试件各2组，其中1组留做抗压强度试验，1组留做抗侵蚀试验。混凝土采用强制式搅拌机搅拌，振动成型，有筋试件成型时，在试件中插入Φ8的钢筋，一侧钢筋保护层厚度为20 mm。试件在标准条件养护室内养护28 d。

表2 试件配合比Tab.2 Mix proportion of the specimen kg/m3

1.2 试验装置与试验方法

图1 加速锈蚀试验装置Fig.1 Electrified accelerate corrosion experiment instrument

正常工程环境下，混凝土内的钢筋腐蚀是一种缓慢而复杂的电化学腐蚀现象。由于真实自然环境中钢筋腐蚀需要时间较长，通常采用在试验条件下电解腐蚀的方法加速钢筋锈蚀[8]。本试验加速试验装置如图1所示。试验装置中，试件预埋钢筋作为阳极，试件下部放置钢绞线作为阴极，直流电源正极串联阻值为10欧姆的固定电阻与钢筋连接，3.5%NaCl溶液作为电解液，各部分通过导线与直流稳压电源连接，形成腐蚀电池回路。试验过程中，由于钢筋被施加阳极电流，腐蚀速度加快，导致混凝土保护层的开裂速度加快，据此可研究混凝土耐腐蚀情况。

氯离子侵蚀试验采用常温与高温的对比试验。两组试件达到规定的龄期后，分别放入常温箱与高温恒温箱中，按照图1进行电路的连接。直流电源的电压输出范围为0～30 V，最大输出电流为5A。在常温箱与高温箱中分别放入浓度为3.5%的NaCl溶液，以溶液高度刚好到达试件的一半为准[9]。由于本实验旨在测试橡胶集料混凝土在沿海环境下的耐腐蚀性能，考虑到我国沿海地区工程所处最高环境温度一般在60℃以下，故恒温箱温度设定在60℃。

由于混凝土试件的尺寸比较小，每个试件只设置1个钢筋电位值测点，位于立方体试件中心处。试验开始后，每天用钢筋锈蚀仪测量各试件钢筋电位值，直到钢筋被完全锈蚀为止。

2 试件常、高温氯离子加速腐蚀试验结果及分析

2.1 橡胶掺量对混凝土和易性和抗压强度的影响

表3 不同试件抗压强度Tab.3 The compressive strength of different specimens

按GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试新拌橡胶集料混凝土拌合物的和易性。拌制过程中发现，新拌混凝土粘聚性及保水性良好，但随着橡胶掺量的增大，混凝土流动性降低。试验中通过调节减水剂含量改善新拌混凝土和易性，塌落度均控制在150～180 mm。

经过28 d标准养护后，对有筋及无筋试件按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度试验，试验结果如表3所示。

从表3可以看出，对于有筋及无筋试件，加入5%的橡胶后，混凝土的抗压强度降低30%左右，而加10%的橡胶以后，混凝土的强度降低将近50%。从有筋与无筋的混凝土强度相比较，我们可以看出，普通混凝土有筋试件的强度比无筋的强度大13%左右，5%橡胶掺量橡胶混凝土有筋比无筋的强度大6.3%左右，而10%掺量的橡胶混凝土有筋与无筋的强度基本上不变。由此可见，随着橡胶集料的掺入，混凝土抗压强度逐渐降低，且混凝土与钢筋的粘结性能也逐渐降低。

2.2 钢筋腐蚀试验数据

试验所测混凝土中钢筋的电位值如表4。

表4 电位值测量数据Tab.4 Data of electric potential value mv

2.3 测试结果分析

2.3.1 温度对钢筋锈蚀情况的影响

由表4及图2钢筋电位值变化情况可以看出，在高温条件下，钢筋锈蚀的情况随着时间的加长而锈蚀得越严重。其中，高温条件下钢筋锈蚀的程度比在常温的条件下发展迅速，而且锈蚀情况更加严重。高温条件下的钢筋混凝土保护层裂缝出现的比常温条件下早，且同一天的裂缝宽度明显比常温条件下要大。

2-a 普通混凝土常、高温电位值2-b 5%橡胶掺量橡胶集料混凝土常、高温电位值2-c 10%橡胶掺量橡胶集料混凝土常高温电位值图2 温度对电位值测量值影响Fig.2 The influence of temperature to electric potential value

3-a 常温下试件电位值3-b 高温下试件电位值图3 橡胶掺量对试件电位值测量值影响Fig.3 The influence of crumb rubber proportion to electric potential value

2.3.2 橡胶掺量对钢筋锈蚀情况的影响

由表4及图3可见，由于试件尺寸较小，钢筋腐蚀比较快，所以在通电5 d后，电位值的变化都不太明显。常温下掺入橡胶粉的混凝土中钢筋的锈蚀情况明显的比普通混凝土好，掺量越大锈蚀情况越轻。对于高温试件，在高温第8 d，虽然普通混凝土与橡胶混凝土的锈蚀情况都比较严重，但仍然可以看到掺入橡胶粉的试件锈蚀情况略轻，这一现象在高温第3 d的图片中更加明显。钢筋的锈蚀情况间接反映了橡胶集料混凝土在氯盐侵蚀环境下的抗渗透能力。由以上分析可以得出结论：在常温和高温环境下，橡胶集料的掺入增强了混凝土抗氯离子侵蚀能力。随着橡胶掺量的增大，混凝土抗氯盐侵蚀能力越来越强。

表5 腐蚀后的混凝土试块初始裂缝宽度Tab.5 The initial widths of eroded specimens mm

2.3.3 橡胶掺量对钢筋混凝土抗裂性能的影响

裂缝测宽仪测量的腐蚀后试块初始裂缝宽度如表5所示。由表5可以看出，相同通电时间、相同温度环境和相同水灰比的情况下，橡胶掺量越高，混凝土中钢筋锈蚀后体积膨胀使混凝土产生的裂缝宽度越小，试件表面的锈迹也越少。这与文献[9]的试验结果是一致的。试验结果说明，橡胶颗粒的掺入可以在一定程度上改善钢筋混凝土的锈蚀开裂情况，从而提高钢筋混凝土的耐久性。这种趋势在高温环境下尤其明显。第3 d高温状态下，10%橡胶掺量试件表面开裂情况明显少于同等条件下的普通混凝土试件。

混凝土试件的抗裂性和抗氯离子侵蚀能力有一定的相关性。橡胶集料钢筋混凝土抗侵蚀能力的增强，一方面是因为与普通混凝土相比，橡胶集料混凝土弹性模量较低，变形能力更强，抗裂性能更好，从而减少了腐蚀性气体或液体进入混凝土内部的途径。另一方面，从微观角度上，橡胶集料与水泥砂浆界面处微型空气泡群的存在，切断了橡胶集料混凝土毛细孔的连续性，从而提高了橡胶集料混凝土的抗渗能力[10]。因此，随着混凝土中橡胶掺量的增加，在相同的腐蚀环境下，混凝土中钢筋的锈蚀程度逐渐减轻。

3 结论

(1)随着橡胶掺量的提高，橡胶集料混凝土有筋试件与无筋试件的强度差异越来越不明显，10%掺量的橡胶混凝土有筋与无筋的强度基本无异。(2)在一定的橡胶集料掺量范围内，橡胶集料掺入的比例越高，橡胶集料混凝土的抗裂性能越好，混凝土的抗氯离子侵蚀能力越强。(3)在60℃氯离子腐蚀环境下，橡胶集料钢筋混凝土的耐腐蚀能力随着橡胶集料掺量的提高而提高，因此，在高温高氯离子侵蚀环境中，一定橡胶掺量范围内的橡胶集料混凝土具有更好的耐久性。