电化学除盐对钢筋与混凝土间黏结力的影响.pdf
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1、2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0l 1 ( To t a l No 2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 1 4 电化学除盐对钢筋与混凝土间黏结力的影响 郑秀梅 a ,李广军 a 。支 秀兰 ( 佳木斯大学 a 建筑工程学院 ;b 应用技术学 院,黑龙江 佳木斯 1 5 4 0 0 7 ) 摘要 : 采用 电化学方法对含 高氯盐混凝土进行除
2、氯盐试验 , 在得出除盐效率与除盐后微观结构变化规律 的同时 , 对混凝土中的钢筋进 行中心拉拔试验 , 得出除盐后钢筋与混凝土黏结力变化规律 , 并对变化原因进行分析 , 探讨应对不 良变化的措施 。 关键词 : 电化学除盐 ;拉拔试 验;黏结力损失 中图分类号 : T U5 2 8 O l 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 4 6 0 3 E ffe c t of e l ec t r o ch emi c al c hl or i de e xt r a cti on on adh e si on s t r e ng
3、 t h b e t we e n s t ee l bar s a nd c on cr e t e Z HE NGXi u - me i , L I Gu a n g -j u r l a , Z HI Xi u l a n ( a I n s t it u t e o fCi v i l En g i n e e r i n g; b Co l l e g e o f Ap pl i e d S c i e n c e a n d Te c h no l o g y, J i a mu s i Un i v e r s i t y, J i a mu s i 1 5 4 0 0 7, C
4、h i n a) Ab s t r a ct: T h e e x tr a c t i o n o f h i【 g h a mo u n t o f c h l o ri d e c o n m i n e d i n c o n c r e t e t h r o u g h E l e c t r o c h e mi c a l C h l o ri d e E x t r a c t i o n( E C E) e x p e ri me n t s Th e s e e x p e rime n t s h e l p t O fin d o u t t h e r a t e
5、o f c hl o ri d e e x t r a c t i o n a n d s o me r e g u l a r p a e m s a b o u t t h e c h a n g e s o f mi c r o s t r u c tur e in s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e B e s i d e s , p u l l o ff t e s t s arc giv e n t O t h e c e n t e r o f s t e e l b ars i n c o n c r e t e i n
6、o r d e r t o fi n d o u t t h e p a t t e rn o f c h a n g e i n a d h e s i o n s t r e n g t h b e twe e n s t e e l b a r s an d c o n c r e t e Th i s p a p e r a i ms a l s o t o d i s c u s s t h e c a u s e s o f th e s e c h a n g e s a n d the p o s s i bl e s o l u t ion s t O t h e a d v
7、 e r s e c h a n g e s K e y WO r d s : e l e c tr o c h e mi c a l c h l o ri d e e x t r a c t io n( E C E) ; p u l l o fft e s t ; l o s s o f a d h e s i o n s tr e n g t h 0 引言 钢筋与混凝 土之 间的黏结力 由化学胶着力 、 摩擦力 和机械 咬合力三部分组成, 良好的黏结性能是这两种不同材料共同工 作的基本前提。 然而由于氯盐 的锈蚀 , 钢筋与混凝土之间的黏结 性能会发生 变化 , 一般 在钢筋锈蚀初期 (
8、保护层 胀裂前 ) , 黏结 强度提高 ; 而当保护层胀裂后, 黏结性能随锈蚀率的增大逐渐 退化 。 研究表明 1 , 氯盐锈蚀 引起的黏结性 能退 化是 比钢筋截 面削弱、 屈服强度降低更为主要的导致构件承载力降低 、 延性 下降以及破坏模式变化的原 因。 本研究针对这个原因 , 对有较高 氯盐含量但尚未发生锈蚀的混凝土试件进行电化学除盐试验。 并对除盐后的混凝土进行中心拉拔试验, 以得出除盐前后钢筋 与混凝土黏结力的变化规律。 1 试验方案 1 1混凝 土配合 比 本试验配制了3种水灰比混凝土, 分别是 0 5 、 0 4 、 0 3 2 。 通 过适当调整减水剂掺量,使各混凝土坍落度达到
9、 1 8 - 2 0 c m, 保 证各试件成型质量良好。 同时, 每种混凝土中掺入总胶凝材料质 量 3 的氯化钠以引入氯离子 。 具体配合 比设计 见表 1 。 表 1 混凝土配合 比 1 2 试 件成 型 采用 6 1 0 0 m mx l 5 0 I i l li 1 的圆柱体混凝土试件 , 沿试件轴心 方 向埋 入一根 1 0的光面钢筋 , 钢筋距试件底部 5 mi n 。 混凝土 试件成型 1 d后拆模 ,然后用塑料布包裹起来放人标准养护室 中养护。 到 2 8 d龄期时, 进行电化学除氯试验。 1 3试 验 方 法 因用电化学方法除盐的试验研究在我国刚刚起步, 尚没有 现成的设备可
10、用。 经过研究论证, 自主研制了一套除盐设备 , 见 收稿 日期 :2 0 1 0 - 1 2 - 2 4 基金项 目:黑龙江省教育厅科学技术项 目( 1 1 5 5 1 5 0 1 ) 46 幽 1 。 将 3 种水灰比的试件分别置于 3 种不同的电解质溶液( 自来 水 、 饱 合 C a ( O H) 溶液 、 0 1 mo l L N a , B O 溶液 ) 中 , 通 以 4 0 V 直流 电压 , 进行电化学 除盐 , 在 除盐进行到 2周及 4周 时分别 测得相关数据进行分析。 主要进行除盐前后混凝土试件的微离 子含量及分布情况分析、 微观结构的变化及混凝土与钢筋黏结 力变化情况
11、分析 , 本研 究主要分析 除盐前后混凝 土与钢筋黏结 力损失情况及原因分析 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试件上 表 面 电鸸 质溶液 J 袁 稳 一 1 翻 瑟 阳极钢桶边缘 电源 + - - L 一_ J 2 试验结果与分析 2 1 电化学除盐对钢筋与混凝土黏结力的影响 在电化学除盐前后, 埘各混凝土试件进行钢筋中心拉拔试 验 , 得 到如表 2所示数据。 从表 中可以看出, 除盐前后 的钢筋拉 图 1 除盐装置示意图 拔 力相差很大 。 表 2 混凝土试件除盐前后钢筋中心拉拔力值 k N 注: 1 溶液为饱和 Ca ( O H) 2 溶液 ; I
12、I 溶液为 O 1 mo l L Na B O 溶液 ; l I l 溶液为 自来水 。 根据挣力值, 得 l 除盐后钢筋混凝土黏结力的损失情况, 2 2 除盐后钢筋混凝土黏结力损失的原因分析 见图 2 。 2 2 1 电解 产生 氢气 5 4 0 5 翟 差 ; l 0 5 O 5 4 0 5 誊 1 0 5 0 试件 1 试什2 试 件3 ( a ) I, 1 种试件在 不同除盐 参数 F的黏结力损 失 1 溶 液2 周H I 溶 液2 吉 j 溶液4 J 司 溶液2 周 I 溶 液4 周 m溶 液4 周 【 b ) 相 同除盐参数下 不同种类试 件的黏结 力损失 图 2 钢筋与混凝土黏结
13、力损失情 况 从图 2中可 以看 , 不论何种参数下的电化学 除盐均会对 钢筋与混凝土的黏结力造成不同程度的损失 , 在饱 和 C a ( O H) : 溶液 中进行电化学除盐 4周后 , 黏结力损失最大 , 可达 4 5 。 在 水中进行电化学除盐 2周 , 黏结力损失最小 , 为 2 3 : 综合图2 ( a ) 、 ( b ) , 可看出, 在饱和 C a ( O H) : 溶液和Na , B O 溶液 中除盐 的混 凝 土试 件 , 相 同的除盐 时 间 内 , 钢 筋 中心拉 拔力损失相差不多 , 除盐两周时 , 损失值均在 3 5 3 8 之 间 , 除盐 4周 时 , 损 失值均
14、在 4 0 4 5 之 fl =jJ 。 且无论 哪 个除盐周 期, 钢筋与混凝土黏结力的损失值都随混凝土水灰比的降低 而相应减小。 而在水 中进 行电化学除盐 的试件 , 其钢筋与混凝 土黏结力损失最少 , 除盐 2周时 , 平均损失约为 2 5 , 除盐 4 N 时, 平均损失约为 3 1 , 且随试件水灰比的降低 , 损失值呈递 增状态 。 这充分说明在电化学除盐过程中, 电解质溶液和通电时间 对除盐后钢筋混凝土的黏结力是有一定影响的 。 通电时间越长 , 黏结力损 失越大 ; 电解质的电解能力越强 , 黏结力下降越 多; 混 凝土水灰 比越低 , 黏结力损失越少一 众 多科研人 员都认
15、为 电流作用下钢筋附近会 发生电解反 应 和产生氖气, 并引起钢筋产生氢脆。 B e n n e t , e t a l 3 】应用 2 0 A m 的电流处理一块钢筋混凝土板 , 他们最后认为在电流的作用下 , 钢筋附近的水电解生成氢气 , 而当氧气生成速率大于其向混凝 土内部扩散速率时, 钢筋附近氢气富集 , 产生一定压力, 剥离钢 筋与混凝土的黏结。 邓春林4 1 等人在试验中, 研制了一套收集气 体 的装置 , 并 存电化学脱盐过程 中 , 在钢筋周 围收集 到大量氢 气, 由此他们得出结论, 在除盐过程中析出大量氢气 , 并是导致 钢筋与混凝土黏结力显著下降的主要原 凶。 邓春林等人
16、在构件 保护层钻一个贯通钢筋表 面的小孑 L , 用 来排 钢筋周 围生成的 部分 H: , 排 出 H 后的混凝土试件 , 其钢筋混凝土黏结 力的损失 下降 2 0 3 0 。 2 2 2 水化产物的软化 N M I h e k w a b a I 等发 现 电流密 度越 大 , 混凝 土 中所含 氯 离子越多和通电时间越长, 钢筋与混凝土间黏结力的下降幅 度就 越大在探 讨 了钢筋 附 近的 Na 、 K 离 子浓 度 与黏结 力 下降率 的关 系基础上 , 他们认 为 Na 、 K 离子在钢筋 附近的富 集可能是导致黏结力下降的主要原N; R o s e 1 研究了碱性条 件下水泥水化产
17、物的状态, 认为水化产物在碱性环境下会发 生一 定的软 化 , 而 下燥后 水 化产物 的硬 度 可以恢 复 ; 河 海大 学王军强 等 在 0 2 5 l A m 条件 下试验 , 发 现除盐后钢 筋混 凝 土黏结强 度损失率一 般小 于 6 5 , 但 部分损 失会随着 脱盐 后静置 时 的延 长得到恢 复 , 因此他们 也认 为钢筋 附近富集 Na + 、 K 离 子导致 水泥水 化产 物软 化而造 成其 黏结 力下 降的 看法 。 本试验通过测量离子浓度的方法 , 得 “电化学 除盐后 , 钢筋 附近的Na 、 K 离子是除盐前的 1 0倍左右。 通过 S E M形貌及 E D A X
18、图谱分析, 发现除盐后钢筋附近的混凝土中水化产物几 乎不可 见, 见图 3 、 4 。 所以本研究也认 为 , 水化产物的软化是造 成除盐钢筋一 混凝土黏结力下降的主要原因 。 一 483 386 289 193 96 图 3 l 溶液中试 件内层 S E M 形貌及相应 E D A X图谱 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 281 2l1 140 70 iE K l 。 lE K 图 4 I I 溶液 中试件外层 S E M形貌及相应 E D AX图谱 ! - 3 碱骨料反应 N a t e s a y e fl 8 等用活性 骨料配制混凝土 , 碱含量
19、0 9 5 2 8 , 流密度为 0 4 1 3 0 mA m2 , 除盐 2 4个月也没有发现任何体积 胀 的迹象 ; P a g e I9 对碱含量为 2 5 k g m Na O的混凝 土在 电流 度为 2 0 ma i mz 的条件下处理 8 0 0 d , 没有 发现碱 骨料引发的 胀 , 但 电流密度增加到 7 0 0 8 5 0 m m m: 时 , 却 导致 了混凝土 体积膨胀破坏 ; P a g e 和 Yu在综合大量电化学除盐研究结果 基础上提出“ 劣化点” 概念 , 认为只有 Na 2 0 S i O : 为一定的碱硅 才会引起最大 的膨胀破坏 , 电流密度超过 7 0
20、0 m A m , 总通 电 为 1 1 0 7 - 2 x 1 0 , C m 时, AS R反应才会导致最大的体积膨 ; 邱富荣、 吕忆农等利用 0 5 2 A m 的电流处理含活性骨 的混凝土 , 在利用 S E M 分析骨料 的表 面形貌后发现 , 电化学 盐具有加速碱集料反应的倾向, 但如果在脱盐电解质溶液中 入锂盐 , 则可抑制碱集料反应。 L 4 钢筋一 混凝土界面含湿量变化 Mi l l e r 和 N u s t a d 】 等发现电化学除盐后钢筋表面的湿度比 盐前 高 , 他们 在研究 了大量钢 筋表面的潮湿状 态 、 程度 与黏 力的关系后, 提出黏结力下降可能是由于钢筋
21、与混凝土界面 多余的水分使得钢筋与混凝土间的摩擦力减少的缘故。 为 了比较 除盐前后及 除盐后 自然干燥不 同时间后试 件 中 筋一 混凝 土的界 面情 况 , 本研究 对各试 件进行 襞裂试 验 , 并 钢筋 一 混凝土界 面进 行拍照 , 见 图 5 、 6 。 可以看到 , 除盐 后钢 附近的混凝土较除盐 前含水量 明显增加 , 离 钢筋越近 , 含水 越 多 , 并且试验 中发现此 时被 水润湿的混凝 部分结构松软 。 结束除盐后自然干燥 3周或 4周后, 钢筋附近混凝土的润湿 况得 到明显好转 , 并且 , 钢筋附 近的混凝土结构致 密程度有 提高 。 f b ) 除盐后 钢筋一 混
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