疲劳作用对混凝土中钢筋锈蚀氯离子临界浓度的影响.pdf
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1、疲劳作用对混凝土中钢筋锈蚀氯离子临界 浓度的影响 王永亮等 1 2 5 疲劳作用对 混凝土 中钢筋锈蚀氯离子临界浓度的影响 王永亮 , 蒋林华 。 , 李炜 , 刘 浩 , 何亮亮 , 朱承龙 ( 1 河海大学力学与材料学院, 南京 2 1 0 0 9 8 ; 2 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要 采用三分点加载模式, 对钢筋混凝土短梁进行疲劳实验。将受到不同次数疲劳作用的钢筋置于饱和 C a ( 0H) 2溶液中, 采用阶梯逐级添加的方式加入 Na C 1 , 通过测得的 自腐蚀电位 和电化学阻抗技术测得的腐蚀电 流密度 J 一判定钢筋
2、锈蚀的氯离子临界浓度。结果表明: 疲劳作用对混凝土中钢筋锈蚀有一定的加速促进作用, 使 氯离子临界浓度降低 , 疲劳作用后的钢筋更易发生锈蚀; 随疲劳作用次数的增加, 钢筋锈蚀的可能性增大, 锈蚀速率 加 快 。 关键词 疲劳作用钢筋锈蚀氯离子临界浓度 电化学阻抗谱 中图分类号 : T U5 2 8 文 献标 识码 : A I nf l u e n c e o f Fa t i g u e o n Chl o r i d e Thr e s h o l d Va l u e o f S t e e l Re i n f o r c e me nt Co r r o s i o n i n Co
3、 n c r e t e WANG Yo n g l i a n g , J I ANG L i n h u a , L I We i ,L I U Ha o ,HE L i a n g l i a n g , ZHU Ch e n g l o n g ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ,Ho h a i Un i v e r s i t y , Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ; 2 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hy d r o l o
4、 g y - Wa t e r R e s o u r c e s a n d Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ,Ho h a i Un i v e r s i t y , Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 ) Ab s t r a c t Th e f a t i g u e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms wa s t e s t e d u s i n g t h r e e - p o i n t l o a d i n g me t h o d Th e s t e
5、 e l s u f f e r e d d i f f e r e n t f a t i g u e c y c l e t i me s we r e p u t i n t o t h e s a t u r a t e d Ca ( OH) 2 s o l u t i o n, a n d t h e Na C1 wa s p o u r e d i n s t e p b y s t e p Th e c h r o r i d e c o n c e n t r a t i o n wa s j u d g e d t h r o u g h t h e o p e n - c
6、i r c u i t p o t e n t i a l( )a n d c o r r o s i o n c u r r e n t( L o ) wh i c h wa s t e s t e d b y e l e c t r o c h e mi c a l i mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y t e c h n o l o g y Th e r e s u l t s s h o we d t h a t ,t h e f a t i g u e h a s a p r o mo t i v e e f f e c t o n a c
7、 c e l e r a t i n g t h e c o r r o s i o n o f t h e s t e e l ,wh i c h d e c r e a s e d t h e c h l o r i d e t h r e s h o l d v a l u e o f s t e e l r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n W i t h t h e i n c r e a s i n g o f f a t i g u e c y c l e t i me s ,t h e p o s s i b i l i t y
8、a n d t h e s p e e d o f c o r r o s i o n i n c r e a s e d Ke y wo r d s f a t i g u e ,s t e e l c o r r o s i o n,c h l o r i d e t h r e s h o l d v a l u e ,e l e c t r o c h e mi c a l i mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y 氯离子侵入是诱发氯盐环境 中混凝土结构钢筋锈蚀的 主要原因。当混凝 土中的氯离子含量超过一定浓度( 氯离子 临界浓度) 时 , 钢筋
9、表面的钝化膜就会遭到破坏 , 钢筋开始锈 蚀。较早开展氯离子临界浓度研究 的是 Ha u s ma n n和 G o u d a , 他们在混凝土模拟孔 溶液 中进行 了氯离子 临界浓 度研 究, 认为V C 1 一 O H一 是判断钢筋锈蚀始发最合理的参数 , 该比值在 0 6 左右。 疲劳作用会引起结构材料的微结构缺陷不断演化, 产生 损伤并逐步积累, 表现为 : 在应力水平较高 的疲劳荷载作用 下, 混凝土的抗氯离子扩散能力明显下降 1 ; 疲 劳荷载作用 下, 当残余应变超过 6 O 1 0 时 , 混凝土耐久性劣化开始 明 显 ; 疲劳荷载作用下的钢筋 比静载作用时更易锈蚀 3 。国
10、 内外一些研究者 已经对疲劳荷载与环境因素协 同作用下混 凝土的耐久性进行 了一定的探索, 绝大多数研究集 中在腐蚀 疲劳研究 , 开展的主要工作有 : 腐蚀疲 劳下钢筋 与混凝 土的 粘结性能研究l_ 4 , 腐蚀疲劳下锈蚀钢筋混凝土构件 的性能研 究 5 , 腐蚀疲劳下高性能混凝土结构性能研究_ 6 , F R P ( F i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r ) 加固已腐蚀钢筋混凝土结构 的疲劳性能 研究 7 和锈蚀钢筋疲劳性 能研究_ 8 。有关疲劳作用对混凝 土 中钢筋锈蚀氯离子临界浓度 的影响尚未见公开报道。 本实验针对疲劳作用对混凝土
11、中钢筋锈蚀氯离子 临界 浓度影响研究极少而工程建设 又急需掌握的实际状况 , 开展 此项研究, 探明疲劳作用对混凝土中钢筋锈蚀氯离子临界浓 度 的影响规律 。 1 实验 1 1 疲劳实验 实验采用尺寸为 1 0 0 m m2 0 0 m m5 0 0 mm 的短梁, 将钢筋打磨至表面无锈, 用无水乙醇清洗后 , 布设 4根在短 梁中, 如图 1 ( 单位 : mm) 所示。疲劳实验使用 S D S 3 0 0型电 液伺服动静万能试验机, 采用三分点加载模式 , 如图 2 所示。 选用中国水泥厂生产 的海螺牌 PI I 4 2 5 硅酸盐水泥 , 骨 *国家 自然科 学基 金( 5 1 2 7
12、8 1 6 7 ; 5 1 2 7 8 1 6 8 ) 王永亮: 男, 1 9 8 9年生, 硕士生, 从事混凝土材料耐久性方面的研究 E - ma i l : a l i e r L h i 1 6 3 c o m蒋林华: 男, 1 9 6 3年生, 教授, 博 士生导师, 从事混凝土耐久性和工程新材料等领域的研究E - ma i l : l h j i a n g h h u e d u c n l 2 6 材料导报 B: 研 究篇 2 0 1 3年 1 2月( 下) 第 2 7 卷第 i 2期 料为细度模数 2 8 的河砂和 5 1 5 m m连续级配碎石 , 钢筋 为 1 O mm 的
13、 Q2 3 5钢 ( C、 S i 、 S和 P的质量 分 数分别 为 0 2 2 、 0 3 0 、 0 6 5 和 0 0 4 5 ) 。混凝土配合 比见表 1 。 表 1 混凝土配合比 Ta b l e 1 Co n c r e t e mi x d e s i g n ( a 1 纵截面 盟竺竺 ( h ) 横截面 图 1 试件示意图 Fi g 1 Th e d i a g r a m o f t h e s p e c i me n l 2 0 0 m m 【 l 堡 Q Q 堡 Q 4 rI1 l Q Q 避 啦 J 图 2 三分点加载示意图 Fi g 2 Th e d i a g
14、r a m o f t h r e e - p o i nt l o a d i n g 试件标准养护 2 8 d , 使用万能试验机测得三分点受压极 限荷载为 5 3 6 k N。疲劳实验的应力水平为 0 6 , 循环特征 值为 0 1 , 加载频率为 5 Hz , 循环次数分为 3万次 、 5 万次 、 1 O 万次 , 分别对应编号 G 1 、 G 2 、 G 3 , 未受疲劳作用的编号为 G O 。 疲劳后取钢筋中部 2 O c m等弯矩段进行 电化学实验。 1 2电化学实验 取出疲劳作用后短梁中的钢筋, 将每根钢筋 中部 2 0 c m 截成 1 0 e m的两段 , 无水乙醇清洗后
15、在一端焊接长 2 0 c m 的 铜导线 , 两端用环氧树脂及热缩管密封包裹, 中段暴露长度 为8 e m, 如图 3 所示 。按疲劳次数分组 , 每组 8 根试件, 所测 结果取均值 。 图 3 钢筋电极示意图 F i g 3 S k e t c h ma p o f s t e e l e l e c t r o d e 实验采用 p H值较为稳定的饱和 C a ( OH) 溶液模拟混 凝土孔溶液 , 溶液量为 3 L , 氯离子由 N a C 1 提供 , 采用阶梯逐 级添加 的方式 , 添加 间隔时 间为 4 8 h , 每次添加量为 0 0 1 mo l I 。 自腐蚀电位 E 测试
16、间隔时间为 2 4 h , 电化学阻抗谱 测 试间隔时间为 4 8 h 。锈蚀测试在 P r i n c e t o n Ap p l i e d Re s e a r c h 公司的 P ARS TAT 2 2 7 3型电化学工作站上进行 。以饱和甘 汞电极为参 比电极 , 铂 电极 为辅助 电极 。其 中, 自腐蚀 电位 E m 由电化学工作站 P o w e r C o r r 模块中的 E c o r r v s T i me 标 准模板进行测试 ; 电化学阻抗谱 ( E I S ) 由 P o w e r S i n e 模块中 的 D e f a u l t S S标准模版进行测试
17、, 频率范围为 1 0 mHz 1 0 0 k Hz , 阻抗测试信号采用幅值为 5 mV的正弦波 , 对数扫描取 点 4 0个 。 2 结果与分析 2 1 自腐蚀 电位 自 腐蚀电位 E 的“ 跃变” 标志着钢筋锈蚀的开始 。图 4是各组钢筋的 随实验时间的变化关系曲线 。0 d时溶 液中氯离子浓度为 0 mo l I , 1 d 、 2 d时氯离子浓度为 0 0 1 mo l L, 3 d 、 4 d时氯离子浓度为 0 0 2 mo l L, 以此类推。从 图 4中可以看出, 随氯离子加入量的增加 , 钢筋的E逐渐减 小 , 表明氯离子对钢筋钝化膜有明显 的破坏侵蚀作用 。各组 E o r
18、 r 跃变” 对应的氯离子总浓度即为钢筋锈蚀的氯离子临界 浓度 , G O 、 G 1 、 G 2 、 G 3 对应的氯离子临界浓度值分别为 0 0 3 mo l I 0 0 2 mo l I 0 0 2 mo l I 0 0 1 mo l I 。 Ex p e r i me n t a l p e r i o d d 图 4 各组钢筋 E一随时间的变化曲线 F i g 4 Va r i a t i o n s o f t h e E f o r t h e d i f f e r e n t s p e c i me n s 自腐蚀电位 E 取决 于被测钢 筋的表 面状 态, 较小 的 E
19、一预示 了较低的锈蚀风险, 自 腐蚀电位 E 一负 向值越大 , 表 明钢筋表面钝化膜破裂越严重 , 钢筋锈蚀 的可能性越高 1 。 由图 4 可以看出, 在氯离子浓度相 同时 , 疲劳作用次数越 多 的钢筋所对应的 E一负向值越大, 如 GO和 G 2 、 GO和 G3 、 G1 和 G 2 、 G1 和 G 3 , 说明钢筋的锈蚀程度随疲劳作用次数 的增 加而增加。 2 2 电化学阻抗谱 图 5 是受到不同次数疲劳作用钢筋的 N y q u i s t 图谱 , 其 中 Z 表示实部阻抗 , 一 表示虚部阻抗。由图 5可以看出, N y q u i s t 图谱均由一段容抗弧 占主导地位
20、, 且 随氯离子量 的 增加 , 其容抗弧的半径逐渐缩小, 时间常数逐渐减小 , 表 明氯 离子对钢筋钝化膜有明显侵蚀作用。 r 引 如 如 0 暑、 疲劳作 用对混凝土中钢筋锈蚀氯 离子临界浓度的影响 王永亮等 1 2 7 g 0 a : 图 5 各组钢筋的 Ny q u i s t 图谱 F i g 5 Th e Ny q u i s t f o r t h e d i f f e r e n t s p e c i me n s 在不含氯离子的碱性混凝土模拟液 中, 钢筋表面处于钝 化状态时, 阻抗谱是直径很大的容抗弧 的一部分 , 如 图 5中 各组对应的E c l 一 一O m o
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