碳化混凝土再碱化后钢筋混凝土粘结性能研究.pdf
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1、6 4 材料导报 : 研究篇 2 0 1 0年 1月( 下) 第 2 4卷第 1 期 碳化混凝土再碱化后钢筋混凝土粘结性能研究 屈 文俊 , 王 昆 , 熊 焱。 ( 1 同济大学土木工程学院, 上海 2 0 0 0 9 2 ; 2 华南理工大学土木与交通学院, 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要 碳化混凝土再碱化过程中, 由于物理和化学作用, 对钢筋与混凝土的粘结性能有影响。采用拉拔试验, 考虑到电流密度、 再碱化时阎、 碳酸钠溶液浓度等 因素研究 了再碱化后钢筋混凝土的粘结强度。采用扫描 电镜 ( s E M) 分析了混凝土的微观结构, 结果表明, 再碱化后, 钢筋混凝土的粘结强度得到
2、明显提高; 电流、 碳酸钠溶液浓度 以及再碱化时间对再碱化后的粘结强度有显著影响; 混凝土的微观结构发生了改变, 孔隙率减小, 有利于粘结强度的 增 加 。 关键词 电化学再碱化碳化混凝土粘结强度 中图分类号 : TU5 2 8 1 文献标识码 : A S t u d y o n t h e Bo n d S t r e n g t h b e t we e n Re b a r a nd Co n c r e t e a f t e r El e c t r o c h e mi c a l Re a l k a l i s a t i 0 n Tr e a t me nt f o r Ca
3、 r b o n a t e d Co n c r e t e QU W e F I J U F I ,W ANG Ku n ,XI ONG Ya n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,T o n Ni Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ; 2 Sch o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Tr a n s p o r t a t i o n , S o u t h C h i n a Un i v e
4、 r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0) Ab s t r a c t Du r i n g t h e e l e c t r o c h e mi c a 1 r e a l k a l i s a t i o n t r e a t me n t f o r c a r b o n a t e d c o n c r e t e ,t h e bo n d s t r e n g t h b e - t we e n r e b a r a n d c o n c r e t e i s c h a
5、n g e d d u e t o t h e p h y s i c a l a n d c h e mi c a l a c t i o n Th e p u l l o u t t e s t i s u s e d t o s t u d y t h e e f f e c t o f c u r r e n t d e n s i t y , r e a l k a l i s a t i o n t i me , c o n c e n t r a t i o n o f s o d i u m c a r bo n a t e s o l u t i o n, r e a l k
6、 a l i s a t i o n t i me o n t h e bon d s t r e n g t h b e t we e n r e b a r a n d c o n c r e t e Th e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e c o n c r e t e i s s t u d i e d u s i n g s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e ( S EM) Te s t r e s u l t s s h o w t h a t a f t e r e l e
7、 c t r o c h e mi c a l r e a l k a l i s a t i o n t r e a t me n t ( E RT) ,t h e b o n d s t r e n g t h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s i n e r e a s e d Cu r r e n t d e n s i t y 。 r e a l k a l i s a t io n t i me a n d c o n c e n t r a t i o n o f s o d i u m c a r b o n a t e s
8、 o l u t i o n h a v e s i g n i f i c a n t e f f e c t o n t h e b o n d s t r e n g t h a f t e r ER TI Th e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e c o n c r e t e i s c h a n g e d a f t e r ERT_Th e p o r o s i t y i s d e c r e a s e d,a n d i t ma k e s f o r t h e i n c r e a s e o f t h e bo
9、n d s t r e n g t h Ke y wo r d s e l e c t r o c h e mi c a l r e a l k a l i s a t i o n t r e a t me n t ,c a r bo n a t e d c o n c r e t e ,b o n d s t r e n g t h 0 引言 电化学修复技术是一种新兴的耐久性修复技术, 主要包 括阴极保护法、 电化学脱盐法、 电化学再碱化法, 但在采用电 化学修复方法时会产生氢脆反应和碱骨料反应 , 可能会对粘 结强度产生负面作用_ 1 。人们对阴极保护和电化学脱盐法的 负面作用进行了许多研
10、究: 过保护 阴极电流会降低混凝土的 抗压强度和耐久性_ 2 。 。文献 3 指出阴极电流会加速碱骨料 反应E 3 ; 阴极 电流导致 钢 筋与混 凝土 之间 粘结 强度 的衰 减【 3 ; 电化学脱盐法会使钢筋周围出现析氢现象, 影响钢筋 的粘结力, 产生氢脆 和应力腐蚀等缺陷 。在再碱化过程 中, 由于混凝土材料物理化学性质的不均一性和固有的不稳 定性, 可能导致电流的不均匀分布, 从而引起局部过保护电 流。过保护电流会软化钢筋与混凝土的交界面。钠离子、 钾 离子在电场作用下向阴极迁移, 在迁移过程 中引起混凝土微 观结构 的变化 g , 并在钢 筋混凝 土交界 面形成大 量的 C a (
11、 0H) : , 同时交界面部分 GsH发生分解_ g 。钢筋与混凝土 交界面微观结构的改变可能会引起粘结强度的变化, 而粘结 强度是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一_ 】 , 因此, 研究 再碱化后钢筋混凝土的粘结性能是十分重要的 本实验通过再碱化后钢筋混凝土试件的拉拔试验研究钢 筋与混凝土的粘结性能; 采用 O 8 m m钢筋进行拉拔试验研究, 试验参数包括电流密度、 再碱化时间和碳酸钠溶液浓度。此 外, 采用 S E M 分析混凝土的微观结构, 以便理解粘结强度的 改变机理 。 1 实验 1 1 碳化试验 为了易于碳化 、 缩短碳化时问、 保证试件碳化及碳化后 再碱化反向扩散各方向相同
12、, 本试验试件尺寸为圆柱形, D一 *国家自然科学基金资助项 目( 5 0 1 7 8 0 5 0 ) ; 国家科技支撑计划课题( 十一五) ( 2 0 0 6 B AJ O 3 A O 7 0 4 ) ; 国家重点基础研究发展计划资 助项 目( 9 7 3 ) ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 4 ) 屈文俊 : 男, 1 9 5 8年生, 教授, 研 究方 向为混凝土 结构T e l : 0 2 1 6 5 9 8 0 3 2 1 E - ma i l : q u w e n j u n o n l i n e s h c n 碳 化 混凝 土再碱 化后 钢筋 混凝 土粘 结
13、性 能研 究 屈 文俊等 6 5 5 8 ram, H一2 5 0 ram, 在其 中心配钢 筋, 机械 加工成 长度 为 2 8 0 mm 的钢筋段 , 酸洗除锈, 并在其一端焊出导线( 供通电和 测量用) , 然后用环氧树脂封涂钢筋 两端 。水泥为 4 2 5级普 通硅酸盐水泥; 河砂 , 经清洗除泥 , 于 1 0 5 烘干至恒重; 碎石 粒径小于 1 5 ram; 混凝土采用 强度等级 为 C 2 0的普通 混凝 土 , 配比为 m( 水泥): 1 ( 水):m( 砂 ): , n ( 石) 一l:0 6 5: 2 2 5 :3 6 8 。 制作试件共 1 O组 每组 3个试件 , 分
14、为 I B 1 一L B 2 。另 做 2 个几何构造尺寸相同的辅助试件 ( 辅助试件里面不配置 钢筋 , 目的是用来测试碳化过程 中试件的碳化情况) , 同时制 作 3个尺寸为 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm 的试块 , 用 以测试 试件的立方体强度。该试验所有试件 1次浇注完成, 试件拆 模后于( 2 0 3 ) C, 湿度为 9 0 以上的标准养护室 中养护 2 8 天 , 再于 6 O 烘 4 8 h后放人碳化箱中碳化。碳化箱内二氧化 碳保持在( 2 O 3 ) ( 体积分数) , 相对湿度控制在( 7 0 5 ) 0A 的范围内, 碳化温度为( 2 0 5 ) ,
15、至试件完全碳化 ( 喷洒酚 酞试剂后 , 辅助试件剖切面完全保持无色) 后再进行再碱化 试验。 1 2 再碱化试验 试验电源是 固纬 电子实业有 限公 司生产的 GP S - 3 3 0 3 C 直流电源 , 碱性溶液为碳酸钠溶液( 其中的 C Og 。 可以保证再 碱化效果的稳定性 , 有效防止混凝土碳 化) 。各试件两端的 外加点电流、 碳酸钠溶液浓度及再碱化时间见表 1 , 试验装置 如 图 1 所示 。 表 1 外加电流、 碳酸钠溶液浓度和再碱化时间 Ta b l e 1 Cu r r e n t d e n s i t y, c o n c e n t r a t i o n o f
16、 s o d i u m c a r b o n a t e s o l u t i o n a n d r e a l k a l i s a t i o n t i me 直 电 图 1 试验装置示意图 Fi g 1 S k e t c h m a p o f e q u i p me n t 1 3 拉 拔试验 采用中心拔出试验方法 , 在 1 0 0 0 KN 的液压万能试验机 上进行试验 , 按照 混凝土结构试验方法 ( GB 5 0 1 5 2 9 2 ) 中规 定的标准加载速度匀速加载。试验加载装置如 图 2所示。 图 2 拉 拔试 验装 置 Fi g 2 S k e t c h
17、 ma p o f p u l l o u t e q u i p me n t 同时为了避免试件加载端混凝土的局部受压, 以致与试 件中钢筋端部附近的应力状态差别较大 , 在加载端和 自由端 用塑料套管把钢筋和混凝土隔开以设置未粘结段, 从而减小 边界处应力集中对试验结果真实性造成的影 响。试验结果 只采取拉拔破坏 的混凝 土试件 , 忽略劈裂破坏 的试验结果 , 因为劈裂破坏与混凝土性能相关。 2 结果与讨论 每组采用 3 个拉拔破坏试件的平均值作为粘结强度, 试 验结果如表 2和图 3所示。从表 2中看出, 再碱化后钢筋混 凝土的粘结强度几乎都 比普通钢筋混凝土的强 , 只是 由于再 碱
18、化时问和电流密度的不 同, 增强 的程度也有所不 同; 同时 粘结强度几乎都 比碳化后 的混凝土试件高。当碳酸钠溶液 为 l mo l I 时 , 再碱化 1 4天后的粘结强度 比再碱化 2 1天后 的大 ; 再碱化电流为 3 A m。和 1 0 A m。时 比 5 A m 的粘结 强度大。当再碱化 电流为 3 A m 、 再碱化时间为 1 4天时, 粘 结强度随着碳酸钠溶液浓度 的增加先增大后减小。这些试 验结果可由下列理论解释 : ( 1 ) 阴极 电流提供能量促进水泥 的水化作用 , 导致粘结强度增强 8 ; ( 2 ) Na 和 K 被 电迁移 到混凝土和钢筋交界面, 导致 c 一 H
19、凝胶体软化从而使粘结 强度减小 s , 4 j ; ( 3 ) 碳化后混凝土粘结强度 的增加是 由于碳酸 钙 的生成l_ 1 。 。 , 而再碱化可能存在式( 1 ) 的反应生成新 的碳酸 钙 : Na 2 CO3 + Ca SO4 =Na 2 S O4 + Ca CO3 ( 1 ) 以及再碱化过程中在孔溶 液中碳酸钙的沉淀_ 9 。这些都会 增加钢筋与混凝 土的粘结强度 。当碳酸钠溶 液为 l m o l L 时, 随着电流密度的增加 , 当再碱化时 间为 1 4天时, 水化反 应和碳酸钙生成的作用 比 Na 软化作用明显, 而当再碱化为 流 源 _ 6 6 材料导报 : 研究篇 2 0 1
20、 0年 1月( 下) 第 2 4卷第 l 期 2 1 天时, 则 Na 的软化作用占支配地位。 表 2 再碱化后粘结强度 Ta b l e 2 Th e b o n d s t r e n g t h a f t e r e l e c t r o c h e mi c a l r e a l k a l i s a t i o n t r ea t m ent O , l 4 21 2 8 Re a l k a l i z a t i o n t i me a f t e r c a r b o n a t i o n d a y 图 3 碳化后平均粘结强度与再碱化时间的曲线 F i g 3
21、 Th e a v e r a g e b o n d s t r e n g t h v e r s u s t h e r e a l k a l i s a t i o n t i me a f t e r c a r b o n a t i o n 粘结强度增量对应电流密度的柱状图如 图 4 所示 。定 义粘结强度增量为 : 0 0 l O 0 , 。 ) ( 2 ) 三 ( ) l 0 , ( ) 式中: 为碳化后和再碱化后试件的粘结强度 , 为普通混 凝土试件的粘结强度。粘结强度的最大增量为 1 4 8 。 0 3 5 1 O Cu r r e n t d e n s i t y
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