水工建筑物超高強(qiáng)混凝土抗腐蝕性能的影響規(guī)律研究

張 萍

(新民市水利工程質(zhì)量監(jiān)督站，沈陽 110300)

因具有耐久性好、強(qiáng)度大等諸多優(yōu)點(diǎn)，超高強(qiáng)混凝土現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁及城市高層建筑等領(lǐng)域[1-2]。實(shí)踐表明，漿體結(jié)構(gòu)致密的超高強(qiáng)混凝土遠(yuǎn)高于普通混凝土抗壓強(qiáng)度，其密不透水的特性決定了優(yōu)異的抗外部腐蝕性能，加之內(nèi)部含有大量未參與水化的水泥顆粒，在開裂狀態(tài)下具有一定的自修復(fù)功能[3-5]。水工建筑物的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本直接取決于超高強(qiáng)混凝土的抗腐蝕能力，其抗腐蝕能力逐漸引起諸多學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。例如，李響等探討了混凝土工作性能受不同膠凝材料的影響，結(jié)果顯示摻加防腐劑可以改善混凝土的致密性和抗侵蝕性能；張迪等研究了BDY防腐劑對(duì)提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的作用機(jī)理；王衛(wèi)倫等利用氯離子及硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)探討了纖維超高強(qiáng)混凝土性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗氯離子滲透性受混凝土齡期的影響較大[6-8]。

雖然許多研究都提出了改善混凝土防腐蝕性能的方法和措施，但研究超高強(qiáng)混凝土性能的還不夠深入，主要體現(xiàn)以下3點(diǎn)：①未考慮混凝土自身的抗腐蝕能力受本身所攜帶的高含量氯離子影響，為確?；炷亮鲃?dòng)性而摻入的膠結(jié)劑是這些氯離子的主要來源；②定量描述的抗腐蝕能力還不完善，與摻加防腐劑的普通混凝土缺少明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系；③其內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然增強(qiáng)了超高強(qiáng)混凝土抗?jié)B透能力，但依然存在易形成收縮裂縫的問題，無法充分發(fā)揮其抗?jié)B能力。因此，文章通過設(shè)計(jì)加速腐蝕對(duì)比試驗(yàn)、帶裂縫腐蝕試驗(yàn)和氯離子、透水、透氣抗?jié)B性試驗(yàn)定量評(píng)估了超高強(qiáng)混凝土抗腐蝕性能。

1 硅粉對(duì)抗腐蝕性能的影響

1.1 原材料分析

本試驗(yàn)所用原材料見表1，為了比較混凝土防腐性能摻入了適量的防腐劑。采用2組對(duì)比材料研究硅粉對(duì)抗腐蝕性能的影響特征，即摻加與未摻加硅粉的普通硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥，硅粉摻量18.0%。

表1 原材料性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

采用2組對(duì)比材料合理設(shè)計(jì)混凝土配合比，水膠比為15%、30%、60%三個(gè)方案，所對(duì)應(yīng)的含氣量依次為2.0%、2.0%、5.0%，坍落度依次為70cm、60cm、15cm。采用φ200mm×200mm模具配制混凝土試件，經(jīng)加速固化測(cè)量各組樣品抗壓強(qiáng)度。

表2 混凝土配合比

混凝土中的鹽分含量按表3的溶液調(diào)節(jié)，鹽分和防腐劑含量組合見表4。鹽分含量用氯離子含量替代，試件設(shè)置0.2kg/m3、1.0kg/m3、2.5kg/m3三個(gè)含量，將3.8kg/m3的防腐劑摻入P60、DS15、PS60混凝土中。

表3 鹽溶液配合比

表4 混凝土中氯化物含量

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 31296-2014《混凝土防腐阻銹劑》，采用快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM)和鋼筋橫貫混凝土試塊法測(cè)量超高強(qiáng)混凝土加速腐蝕性能，具體如下：

1)試驗(yàn)選用φ200mm×200mm混凝土試件，并將2根φ12mm的光圓鋼筋平行插入試件內(nèi)部，設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度40mm。拌制成型48h后脫模，然后利用相同水膠比和膠凝材料配制的水泥漿填充夾具端頭部位，為了防止空氣和水分從密封表面滲入用鋁帶密封封蓋表面。

2)在高壓釜裝置中放入養(yǎng)護(hù)完成后的試驗(yàn)樣品，在1MPa壓力和180℃下維持5h高壓滅菌。自然冷卻至室溫后放入高壓釜24h，隨后取出放入水中浸泡24h，水溫20℃。將同樣的樣品在相同條件下高壓滅菌(試驗(yàn)對(duì)照組)，24h后檢測(cè)鋼筋銹蝕程度。

1.4 計(jì)算分析

考慮到對(duì)鋼筋孔蝕等局部腐蝕程度無法細(xì)致、全面觀測(cè)的實(shí)際情況，故選用鋼筋腐蝕速率和面積銹蝕率評(píng)估其抗腐蝕性能。

1)銹蝕速率。通過測(cè)定試件的極化電阻求解出鋼筋的腐蝕速度，而極化電阻應(yīng)用高低2個(gè)頻率(0.1Hz、200Hz)矩形波電流極化法進(jìn)行測(cè)量，并確定相應(yīng)的響應(yīng)電流，計(jì)算式如下：

Lcorr=K×(1/Rp)

(1)

式中：Icorr代表腐蝕速率，μA/cm2；Rp、K代表極化電阻(kΩcm2)和介電常量(0.026V)。

2)鋼筋面積銹蝕率。從中心向兩端，利用鋼筋掃描儀分別掃描80mm，共160mm，對(duì)生銹區(qū)域的掃描圖片進(jìn)行處理分析，然后利用銹蝕面積率=銹蝕面積/掃描總面積×100%計(jì)算出面積銹蝕率[9]。

1.5 混凝土參數(shù)

經(jīng)檢測(cè)，各組試件的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。水膠比相同條件下，摻灰粉S的抗壓強(qiáng)度較普通混凝土提高10～20N/mm2，DS15的壓縮強(qiáng)度最高達(dá)到200N/mm2。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度

1.6 試驗(yàn)結(jié)果

鋼筋的面積銹蝕率變化特征如圖2。結(jié)果顯示氯化物含量為0.1kg/m3時(shí)P60組試件基本未發(fā)現(xiàn)銹蝕鋼筋，氯化物含量達(dá)到1.0kg/m3時(shí)P60組試件的鋼筋面積銹蝕率為30%，混凝土中摻入防腐劑后的面積銹蝕率只有2.4%。氯化物含量達(dá)到1.0kg/m3時(shí)PS60組試件的鋼筋面積銹蝕率為80.6%，因摻入了硅粉面積銹蝕率有所增大。

氯化物含量為1.0kg/m3時(shí)D30、DS30組出現(xiàn)肉眼可見的鋼筋銹蝕，氯化物含量達(dá)到2.5kg/m3時(shí)鋼筋面積銹蝕率不斷增加，DS30組整體高于D30組的鋼筋面積銹蝕率。因此，硅粉的摻入在一定程度上增加了鋼筋面積銹蝕率。將防腐劑摻入DS30組中可以減少約40%的面積四十率，但無法完全抑制腐蝕。

根據(jù)鋼筋腐蝕速度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表5)和極化電阻計(jì)算出的銹蝕速率，見圖3，氯化物含量2.5kg/m3時(shí)DS15組試件中摻加和未摻加防銹劑的面積銹蝕率均低于5%，即達(dá)到“無銹蝕”等級(jí)；氯化物含量為1.0kg/m3時(shí)P60組試件的鋼筋銹蝕速度達(dá)到1.35μA/cm2，達(dá)到“嚴(yán)重銹蝕”等級(jí)；將防銹劑摻入P60組試件中后，其銹蝕速度則達(dá)到“無銹蝕”等級(jí)，表明面積銹蝕率與銹蝕速度計(jì)算結(jié)果保持一致。PS60組的銹蝕速率達(dá)到0.34μA/cm2，達(dá)到“低～中度銹蝕”等級(jí)，比P60組的銹蝕速率慢，該結(jié)論與面積銹蝕率存在一定差異。

表5 腐蝕速度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

圖3 銹蝕速度

將硅粉摻入硅酸鹽水泥中，鋼筋的銹蝕速度和面積銹蝕率明顯不同，單純硅酸鹽水泥的面積銹蝕率與銹蝕速度間存在正相關(guān)性。將硅粉摻入硅酸鹽水泥后無論銹蝕面積如何，銹蝕速度總體位于較低水平。結(jié)合鋼筋的銹蝕狀態(tài)，硅酸鹽水泥與硅粉混合組的鋼筋銹蝕呈致密的黑銹狀，并且速度較慢，而單純硅酸鹽水泥組的趕緊銹蝕呈多孔的紅銹狀，并且速度較快。

2 開裂對(duì)鋼筋銹蝕的影響

2.1 混凝土及摻合料

該試驗(yàn)與上文所用外加劑情況相同，骨料種類與參數(shù)如表6，混凝土配合比如表7所示。

表6 原材料性能

表7 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)15%、50%兩種說假幣，所對(duì)應(yīng)的含氣量依次為2.0%、5.0%，坍落度依次為70cm、15cm。混凝土中氯化物和防腐劑含量組合如表8所示，其中氯化物含量通過調(diào)節(jié)NaCl用量控制，水膠比50%時(shí)混凝土中的防腐劑摻量取3.8kg/m3。

表8 混凝土中氯化物含量

2.2 裂縫寬度

采用以下方法設(shè)置混凝土裂縫：在樣品中嵌入0.1～0.6mm的不銹鋼板，拌合物硬化固結(jié)后取出不銹鋼板。試驗(yàn)對(duì)照組取前文無裂縫時(shí)間，設(shè)置裂縫寬度0.1mm、0.2mm和0.6mm三種尺寸。

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)設(shè)計(jì)400mm×100mm×100mm混凝土試件，將φ12的光圓鋼筋插入試件中部。將0.1mm、0.2mm和0.6mm三種不銹鋼板安裝在試件側(cè)面，采用3片厚度相同的不銹鋼安插在同一試件上，加速腐蝕、養(yǎng)護(hù)方式、鋼筋銹蝕程度評(píng)定方法與前文保持相同。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

鋼筋的面積銹蝕率如圖4，對(duì)于存在裂縫的混凝土試件，一般裂縫附近發(fā)生鋼筋銹蝕，并且所有試件均可以觀察到紅銹，究其原因是氧氣、水分從裂縫處滲入而引起的銹蝕，無論裂縫寬度如何其面積銹蝕率基本相同。

圖4 面積銹蝕率

氯化物含量為0.3kg/m3時(shí)M50組發(fā)生輕微銹蝕，氯化物含量達(dá)到1.0kg/m3時(shí)M50組的面積銹蝕率最高達(dá)到46%，該條件下?lián)饺敕冷P劑可以使鋼筋面積銹蝕率處于5%以下；氯化物含量達(dá)到1.0kg/m3時(shí)DS15組可以觀察到輕微銹蝕，銹蝕程度與M50摻加防銹劑組相當(dāng)。由此表明，在銹蝕因素富集條件下超高強(qiáng)度混凝土的耐久性也較高。

3 超高強(qiáng)混凝土的滲透性

組織結(jié)構(gòu)較為致密是超高強(qiáng)混凝土耐腐蝕性良好的關(guān)鍵原因，致密的結(jié)構(gòu)在很大程度上抑制了侵蝕介質(zhì)的深入。為更好地掌握其防護(hù)性能，有必要研究超高強(qiáng)混凝土的氯離子抗性、透氣性和透水性等。

3.1 混凝土及添加劑

該試驗(yàn)選用15%和50%兩種水膠比，水膠比15%組的硅粉摻量為18.0%，養(yǎng)護(hù)方案及試配方法與前文相同。

3.2 試驗(yàn)方法

1)透水試驗(yàn)。采用自動(dòng)恒壓水滲透儀和穩(wěn)態(tài)滲流法測(cè)試混凝土的水滲透系數(shù)，在保證試件密閉性的情況下均勻加載水壓力，從0MPa逐級(jí)加載到2MPa，水壓穩(wěn)定后讀取水流量，并測(cè)定相應(yīng)的透水系數(shù)。

2)透氣試驗(yàn)。根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)程》推薦的進(jìn)氣法測(cè)定混凝土試件的滲透系數(shù)等氣密性，為保證試件密封性防止漏氣影響試驗(yàn)精度，利用黃油、石蠟、乳膠圈加水泥的密封方式。

3)氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaCl溶液中浸泡各組混凝土試驗(yàn)，為確保浸泡過程中氯離子濃度穩(wěn)定每周更換一次NaCl溶液，詳細(xì)測(cè)試流程見文獻(xiàn)[10-11]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

超高強(qiáng)混凝土的氯離子滲透性、透水和透氣性試驗(yàn)結(jié)果見表9。結(jié)合透水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在水壓施加時(shí)間達(dá)到3000h時(shí)混凝土試件表面也未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，所以擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算基準(zhǔn)值取1mm水的滲透深度值。此外，透氣系數(shù)基準(zhǔn)值取試驗(yàn)裝置測(cè)定的最小值。結(jié)果顯示，DS15組的氯離子抗?jié)B性、抗透氣性和抗透水性為M50組的100～500倍。

表9 混凝土滲透性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

混凝土中的硅粉摻量越高越易堵塞透水通道，使得內(nèi)部水流活躍性明顯下降，究其原因主要與硅質(zhì)的理化性質(zhì)有關(guān)，膠凝材料與硅質(zhì)材料的結(jié)合不僅會(huì)降低混凝土孔隙度和內(nèi)部細(xì)小顆粒流動(dòng)性，而且可以提高顆粒骨架對(duì)水流通道的整體抗性，所以表現(xiàn)出透水系數(shù)減小的情況[12-14]。

總體而言，在超高強(qiáng)混凝土中摻入硅粉可以顯著降低透水保護(hù)層中的銹蝕物，其對(duì)外來的銹蝕物和內(nèi)生的氯化物均具有較好的抗性及耐銹蝕性。

4 結(jié) 論

1)水膠比15%摻硅粉的超高強(qiáng)混凝土抗銹蝕性能與水膠比60%摻防腐劑的混凝土相當(dāng)，對(duì)裂縫寬度0.6mm以下的混凝土，摻加防腐劑后的抗銹蝕性依然與水膠比50%的試件相當(dāng)。

2)硅粉的摻入有利于提高混凝土抗透水性，摻硅粉的超高強(qiáng)混凝土氯離子抗?jié)B性、抗透氣性是50%水膠比組100～500倍。

3)普通混凝土使用防腐劑的抗腐蝕機(jī)理與摻加硅粉的超高強(qiáng)混凝土作用機(jī)理不同，主要取決于其自身的致密機(jī)構(gòu)。對(duì)于存在裂縫的時(shí)間，鋼筋銹蝕主要集中于縫隙處。裂縫寬度對(duì)超高強(qiáng)混凝土試件的面積銹蝕率影響，與環(huán)境氯離子含量相比并不明顯。