冻融损伤对引气混凝土中钢筋锈蚀的影响研究

　　摘要：为研究冻融损伤环境下引气混凝土内部钢筋锈蚀规律和机理，同时考虑混凝土保护层厚度对内部钢筋锈蚀的影响,试验设计了不同保护层厚度的配筋普通混凝土和引气混凝土试件，分别利用半电池电位法和线性极化法测定了不同冻融循环次数下，试件内部钢筋的半电池电位值和腐蚀电流密度值。试验结果表明，随着冻融循环次数的增加，混凝土试件内部钢筋的半电池电位绝对值和腐蚀电流密度值均有显著增加，试件的抗锈蚀能力降低;但在相同冻融循环次数下，引气混凝土较普通混凝土具有更好的抗钢筋锈蚀性能;增加保护层厚度可以明显提高配筋混凝土的抗钢筋锈蚀能力。

　　关键词：冻融损伤;引气混凝土;钢筋锈蚀;电化学方法;保护层厚度

　　混凝土方向论文范文：高薄碾压混凝土拱坝设计创新与实践

　　摘要:碾压混凝土拱坝具有施工快、材料省、开挖小等优点，是适合高山峡谷地区的优秀坝型。但由于采用薄层碾压施工，层间强度低于本体、层面渗流问题突出，具有显著的各向异性的特性;且高碾压混凝土拱坝在一个枯水期难以浇筑完成，汛期需要临时成拱挡水度汛;碾压层面渗流问题较突出，坝体排水要求高。上述这些设计、施工难点成为制约该坝型进一步发展、推广的关键因素，需要有所突破。

　　0前言

　　混凝土结构耐久性是影响混凝土结构服役寿命的主要原因，在极端环境下，混凝土耐久性劣化更加明显，例如在Cl-侵蚀环境、钢筋锈蚀环境以及冻融损伤环境[1-5]。在Cl-侵蚀环境下，随着Cl-侵入混凝土内部，加速了混凝土内部钢筋钝化膜的破坏，增加了混凝土内部钢筋的锈蚀速率。由于钢筋锈蚀后腐蚀产物体积急剧增加，导致混凝土膨胀开裂，加剧了混凝土结构的提前破坏[6-8]。根据以往学者研究，向混凝土中掺入引气剂，可有效提高混凝土的工作性和抗冻性能，从而延长混凝土耐久性[9-10]。

　　引气混凝土已广泛应用于建筑工程中，以其优异的抗冻性能，在严寒地区混凝土结构中得到更加广泛的应用。学者刘曙光对引气混凝土和非引气混凝土在冻融环境下裂缝开展进行了研究，发现在同样的冻融损伤度下,引气混凝土基体微裂纹的密度要低于非引气混凝土，引气混凝土的抗冻性优于普通混凝土[11]。国内外对于引气混凝土性能的研究，往往集中于其工作性、抗冻性能和力学性能[12-14]。但实际工程中的引气混凝土均是配筋引气混凝土结构，对于冻融环境下引气混凝土的抗钢筋锈蚀性能还未曾研究。基于上述原因考虑，本文开展引气混凝土在冻融环境下抗钢筋锈蚀试验，研究冻融损伤对引气混凝土内部钢筋锈蚀的影响，为引气混凝土的工程应用、结构和耐久性设计提供理论依据。

　　1原材料与配合比

　　水泥：日照中联港中水泥有限公司生产P·O42.5级水泥;天然细骨料：青岛平度砂场砂，其堆积密度为1460kg/m3;符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求，级配良好，细度模数为2.9;天然粗骨料：产自青岛即墨，堆积密度1450kg/m3;玄武岩骨料连续级配5~25mm;引气剂为三萜系粉末状引气剂，呈浅黄色，具有降低溶液的表面张力，形成的气泡数量多，气泡间距小，稳泡时间长等特点。考虑混凝土保护层对混凝土抗钢筋锈蚀的影响，试件保护层厚度分别为15mm和30mm;同时，制备尺寸为100mm×100mm×100mm的冻融循环试验试件，测定普通混凝土和引起混凝土在不同冻融循环次数下的相对动弹性模量，以评价其抗冻性能。待试件硬化成型后置于标准养护室中，养护龄期为28d。

　　2试验内容与试验方法

　　待试件达到标准养护龄期时，将试件置于清水中浸泡4d，试件内部饱水后，按GB50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》进行快速冻融循环试验，试验用冻融循环设备满足国家标准规定，冻融循环次数分别为0、10、25、50、75、100次。测不同冻融循环次数下普通混凝土和引气混凝土试件的相对动弹性模量;对经过不同冻融循环次数下配筋普通混凝土试件和引气混凝土试件进行Cl-加速锈蚀试验，利用半电池电位法和线性极化法测定不同侵蚀龄期下混凝土内部钢筋的半电池电位值和腐蚀电流密度。

　　3试验结果与分析

　　3.1抗冻性试验结果与分析

　　为研究普通混凝土与引气混凝土在冻融环境下的耐久性劣化行为，给出了不同混凝土试件经过不同冻融循环次数后的相对动弹模量。随着冻融循环次数的增加，普通混凝土和引气混凝土的相对动弹模量均呈下降趋势，说明冻融损伤加剧了混凝土的结构破坏。当冻融循环次数为100次时，普通混凝土试件与引气混凝土试件的相对动弹性模量分别降低了80%和4.8%。

　　进一步给出了不同冻融循环次数下混凝土的空隙结构分析。随着冻融循环次数的增加，混凝土的孔隙率，特别是有害孔和多害孔的数量显著提高，这些空隙为混凝土中侵蚀性介质的侵入和传输提供了路径，所以冻融损伤增加了混凝土的渗透性。分析其原因是由于随着冻融循环次数的增加，在混凝土内部反复冻融膨胀应力作用下，混凝土内部的裂缝开展和损伤点增加，从而试件的整体性能和耐久性能均降低。

　　但是，在相同冻融损伤环境下，引气混凝土较普通混凝土具有更高的相对动弹模量，说明引气混凝土具有更好的抗冻性能;这是因为随着引气剂的掺入，混凝土内部有更多独立且闭合的微小气泡，可以有效减缓冻融膨胀应力引起的冻融损伤，从而使引气混凝土具有更好的抗冻性能。可以明显地看到引气混凝土中分布着大量且独立的封闭圆孔，这些圆孔可以较好地抵抗冻融循环应力作用，提高混凝土的抗冻性。

　　3.2保护层厚度为15mm时，混凝土的钢筋锈蚀为保护层厚度为15mm时，配筋普通混凝土在不同冻融循环次数、不同Cl-加速锈蚀龄期下的电化学试验测试结果，分别利用半电池电位法和线性极化法测试钢筋的锈蚀速率。为半电池电位法测定试验结果，当Cl-加速锈蚀龄期为200d时，经过0、10和50次冻融循环次数后试件的半电池点位值分别为：-324mV、-343mV和-560mV。由图中数据可知，随着冻融循环次数的增加，测得的半电池电位绝对值随着加速锈蚀龄期的增加而增加;在相同锈蚀龄期下，半电池电位绝对值随着冻融循环次数的增加而增加，说明冻融循环损伤加速了混凝土内部钢筋的锈蚀速率，尤其在较高的冻融循环次数下，钢筋锈蚀的风险急剧增加。

　　为线性极化法测定试验结果，当Cl-加速锈蚀龄期为200d时，经0、50、100次冻融循环次数后，腐蚀电流密度分别为0.312μA/cm2、0.423μA/cm2、1.14μA/cm2，判定标准得钢筋锈蚀状态分别为中锈蚀速率、中锈蚀速率和高锈蚀速率。可知本文采用的两种不同电化学试验方法具有非常好的一致性，可以有效的反映冻融损伤后混凝土内部钢筋的锈蚀情况。

　　特别当冻融循环次数为100次时，配筋混凝土试件在加速Cl-侵蚀的最初阶段便有较高的半电池电位绝对值和腐蚀电流密度值，说明当配筋混凝土试件经过较高的冻融循环次数后，配筋混凝土试件在Cl-加速锈蚀环境下很快达到严重锈蚀状态。分析其原因是由于随着冻融损伤的增加，混凝土内部新生成更多的裂缝和损伤点，在加速Cl-侵蚀环境下，Cl-沿着混凝土内部的孔隙和裂缝迅速侵入到钢筋表面，从而增加了钢筋的锈蚀风险和锈蚀速率，并且钢筋的锈蚀风险和速率均随着冻融损伤的增加而增加。为保护层厚度为15mm时，配筋引气混凝土在不同冻融循环次数、不同Cl-加速锈蚀龄期下的电化学试验测试结果。

　　当速锈蚀龄期为200d，冻融循环次数为0、10、50、100次时，配筋引气混凝土试件的腐蚀电流密度值均在0.1～0.5μA/cm2之间，钢筋锈蚀状态均处在中锈蚀速率。在相同冻融循环次数和加速锈蚀龄期下，引气混凝土较普通混凝土具有更低的半电池电位绝对值和腐蚀电流密度值，尤其在较高的冻融循环次数下，这种下降趋势更加明显。对于配筋引气混凝土试件，即使在经过100冻融循环次数后，测定的半电池电位值和腐蚀电流密度值也没有较大的变化。说明在冻融损伤环境下，掺入引气剂的混凝土较普通混凝土具有更好的抗钢筋锈蚀性能。

　　分析其原因，是由于随着引气剂的掺入，改变了引气混凝土内部的孔隙结构，闭合的孔隙结构可以有效降低混凝土冻融损伤，从而提高混凝土抗冻性;相同冻融损伤环境下，引气混凝土内部的裂缝和损伤点远小于普通混凝土，侵入混凝土内部的Cl-也明显减少，所以，与普通混凝土相比引气混凝土具有更小的Cl-侵入量和更好的抗钢筋锈蚀能力。在实际存在冻融循环破坏的环境下，应向混凝土内部掺入引气剂，以提高配筋混凝土的抗冻性能和抗钢筋锈蚀性能。

　　3.3保护层厚度为30mm时，混凝土的钢筋锈蚀分别为当保护层厚度为30mm时，普通钢筋混凝土和引气钢筋混凝土在不同冻融损伤、不同Cl-加速锈蚀龄期下的电化学试验测试结果。当加速锈蚀龄期为200d时，经过0、50和100次冻融循环次数后，配筋普通混凝土内部钢筋锈蚀状态分别为低度锈蚀、严重锈蚀和严重锈蚀;当加速锈蚀龄期为200d时，经过0、50和100次冻融循环次数后，配筋引气混凝土内部钢筋锈蚀状态分别为低锈蚀状态、低锈蚀状态和高锈蚀状态。

　　测定的腐蚀电流密度同样有类似的结论。在相同冻融循环次数和Cl-加速锈蚀龄期下，配筋引气混凝土试件比配筋普通混凝土试件具有更低的半电池电位绝对值，说明在冻融循环环境下配筋引气混凝土具有更高的抗钢筋锈蚀能力。在相同的冻融循环次数下，保护层为30mm的混凝土试件的半电池电位绝对值和腐蚀电流密度值远小于保护层为15mm的混凝土试件，所以，较厚保护层厚度试件具有更低的内部钢筋锈蚀风险，且具有更好的抗钢筋锈蚀能力。在实际冻融环境下，增加保护层厚度可以有效提高配筋混凝土结构的抗钢筋锈蚀能力，应该在结构和耐久性设计中适当增加配筋混凝土的保护层厚度。

　　4结论

　　(1)冻融循环环境下，普通混凝土和引气混凝土试件的相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加而降低，但是在相同冻融循环次数下，引气混凝土较普通混凝土试件具有更高的相对动弹性模量，引气混凝土具有更优异的抗冻性。

　　(2)冻融损伤对混凝土内部钢筋锈蚀有明显影响。普通混凝土试件和引气混凝土试件内部钢筋的锈蚀速率随着Cl-加速锈蚀龄期和冻融循环次数的增加而增加;尤其在较高的冻融循环次数下，钢筋的锈蚀的风险急剧增加。本文所用的半电池电位法和线性极化法测定结果具有较好的一致性，可以准确反映混凝土内部钢筋的锈蚀情况。

　　(3)相同Cl-加速锈蚀龄期和冻融循环次数下，引气配筋混凝土比普通配筋混凝土试件具有更低的半电池电位绝对值和腐蚀电流密度值。随着引气剂的掺入，明显提高了混凝土的抗钢筋锈蚀能力。

　　(4)在冻融循环环境下，对于普通钢筋混凝土和引气钢筋混凝土试件，随着保护层厚度的增加，试件的半电池电位绝对值和腐蚀电流密度值均明显降低。增加混凝土的保护层厚度可有效提高混凝土的抗钢筋锈蚀性能。

　　参考文献：

　　[1]杨绿峰,周明,陈正.海洋混凝土结构耐久性定量分析与设计[J].土木工程学报,2014(10):70-79.

　　[2]吴文燕,李小山.冻融与硫酸盐复合侵蚀下粉煤灰混凝土的耐久性研究[J].混凝土与水泥制品,2019(10):19-23.

　　[3]张守祺,傅宇方,赵尚传,等.浇筑密实度和均匀度对结构混凝土耐久性的影响[J].建筑材料学报,2014(5):797-803