張世義 范穎芳 李寧寧

(大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所, 大連 116026)

納米高嶺土改性混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能

張世義 范穎芳 李寧寧

(大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所, 大連 116026)

為考察納米高嶺土對(duì)混凝土與鋼筋間黏結(jié)性能的影響,利用電流加速腐蝕試驗(yàn)方法,研究了不同腐蝕時(shí)間下鋼筋銹蝕率與納米高嶺土摻量的關(guān)系,分析了納米高嶺土改性混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)滑移關(guān)系及黏結(jié)強(qiáng)度的變化情況.研究結(jié)果表明:納米高嶺土改善了鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能,降低了混凝土試件的剛度,納米高嶺土摻量為3%的混凝土試件與鋼筋間的黏結(jié)強(qiáng)度較普通混凝土試件提高約56.55%;混凝土中內(nèi)摻納米高嶺土能夠延緩鋼筋銹蝕,納米高嶺土摻量為5%的混凝土試件在腐蝕36 h后,鋼筋銹蝕率較普通混凝土試件降低約52%;腐蝕48 h后,納米高嶺土摻量為3%的混凝土試件與鋼筋間的黏結(jié)強(qiáng)度約為普通混凝土試件的2.16倍.

納米高嶺土;黏結(jié)性能;黏結(jié)強(qiáng)度;銹蝕率

隨著使用年限的增加,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生鋼筋銹蝕現(xiàn)象;銹蝕后鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能發(fā)生改變,導(dǎo)致鋼筋不能充分發(fā)揮作用,從而影響結(jié)構(gòu)的安全性及使用性能[1].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[2-3],多數(shù)采用電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)方法使混凝土試件中的鋼筋發(fā)生不同程度的銹蝕,以分析受腐蝕鋼筋與混凝土間的極限黏結(jié)強(qiáng)度及黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系.部分學(xué)者采用拔出試驗(yàn)[4]、梁式試驗(yàn)[5]對(duì)發(fā)生不同程度銹蝕的混凝土試件進(jìn)行拔出及彎曲試驗(yàn),從黏結(jié)滑移曲線、極限黏結(jié)強(qiáng)度、銹脹開(kāi)裂前后的破壞狀態(tài)等方面研究了銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結(jié)特性;結(jié)果表明,在鋼筋銹蝕初期,銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度增加,但隨著鋼筋銹蝕的進(jìn)一步加深,黏結(jié)強(qiáng)度逐漸退化.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者將硅灰[6]、粉煤灰[7]、礦渣微粉[8]和納米材料等作為礦物摻和料,以提高混凝土材料的抗?jié)B性能,阻礙氯離子等有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部,進(jìn)而延緩鋼筋的銹蝕.納米材料不僅能夠促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行,還能有效填充混凝土材料內(nèi)部的微小孔洞,增加基體密實(shí)度,降低混凝土的滲透性,有效阻礙了氯離子等有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土基體內(nèi)部[9].納米高嶺土是一種特殊的納米材料,能夠有效降低混凝土材料的滲透性,提高其力學(xué)性能和電阻率,阻礙氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部[10-11];但納米高嶺土改性混凝土與鋼筋間的黏結(jié)性能尚不清楚,相關(guān)研究亟待展開(kāi).

為研究納米高嶺土改性混凝土與鋼筋間的黏結(jié)性能,本文對(duì)4種不同納米高嶺土摻量的混凝土試件進(jìn)行電流加速腐蝕試驗(yàn),并通過(guò)鋼筋拔出試驗(yàn),研究不同腐蝕條件下鋼筋銹蝕狀態(tài)以及納米高嶺土改性混凝土與鋼筋間黏結(jié)性能的退化規(guī)律.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)中水泥為小野田P.O 42.5R型普通硅酸鹽水泥.納米高嶺土產(chǎn)地為河北,物理指標(biāo)及化學(xué)成分分別見(jiàn)表1和表2.圖1給出了該納米高嶺土的TEM照片及XRD圖譜.鋼筋物理參數(shù)見(jiàn)表3.

表1 納米高嶺土物理指標(biāo)

表2 納米高嶺土化學(xué)成分 %

表3 鋼筋物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試件制備

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—92),采用拉拔試件測(cè)試黏結(jié)性能,試件尺寸為φ100 mm×80 mm.鋼筋放置在圓柱體的中軸線上,黏結(jié)區(qū)長(zhǎng)度取為鋼筋直徑的5倍.每組制作6個(gè)試件,試件的幾何尺寸見(jiàn)圖2.

(a) TEM照片

(b) XRD譜圖

圖2 試件幾何尺寸(單位：mm)

試件制備過(guò)程中,將納米高嶺土預(yù)先超聲分散15 min[12].將納米高嶺土摻量為0%,1%,3%,5%的試件分別記作NC0,NC1,NC3,NC5.制備完成后,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)1 d后拆模,繼續(xù)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行電流加速腐蝕試驗(yàn).混凝土配合比及28 d抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4.

表4 混凝土配合比及28 d抗壓強(qiáng)度

1.3 試驗(yàn)過(guò)程及方法

1.3.1 加速腐蝕裝置

試件養(yǎng)護(hù)完畢后,采用電化學(xué)方法進(jìn)行加速銹蝕,裝置示意圖見(jiàn)圖3.將試件放入人工配置的海水溶液中,液面不能超過(guò)試件上表面,由恒電流電壓表提供電壓,電壓固定為(30±0.1) V.通過(guò)改變通電時(shí)間來(lái)調(diào)整鋼筋的銹蝕情況,此處腐蝕時(shí)間t=24,36,48 h.表5給出了人工海水溶液配合比.

圖3 電流加速試驗(yàn)裝置

表5 人工海水溶液配合比 g/L

1.3.2 拔出試驗(yàn)加載裝置

拔出試驗(yàn)采用100 kN液壓伺服試驗(yàn)機(jī)完成,在鋼筋的自由端及混凝土表面安裝位移傳感器.試驗(yàn)裝置如圖4所示.加載過(guò)程采用位移控制,加載速度為1 mm/min.

圖4 鋼筋拔出試驗(yàn)裝置

1.3.3 鋼筋銹蝕率的測(cè)定

鋼筋銹蝕程度可用銹蝕前后鋼筋的質(zhì)量損失來(lái)表示.制備試件前,將鋼筋打磨干凈,稱取其質(zhì)量;鋼筋拔出后,清除鋼筋表面的砂漿和銹蝕產(chǎn)物,然后稱取鋼筋質(zhì)量.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋼筋銹蝕率

圖5給出了加速腐蝕36 h后的混凝土試件表面情況.由圖可知,普通試件中鋼筋銹蝕嚴(yán)重,出現(xiàn)微裂縫,鐵銹滲出;摻入納米高嶺土試件的銹蝕程度較普通混凝土試件明顯降低,納米高嶺土摻量為5%的混凝土試件上未觀察到任何銹蝕現(xiàn)象.

通過(guò)稱量腐蝕前后鋼筋的質(zhì)量損失,可以得到鋼筋銹蝕率,即

(1)

式中,m0為未銹蝕鋼筋的質(zhì)量;m1為銹蝕后鋼筋的質(zhì)量.

(a) NC0

(b) NC1

(c) NC3

(d) NC5

圖6給出了不同腐蝕時(shí)間下鋼筋銹蝕率與納米高嶺土摻量的關(guān)系.由圖可知,納米高嶺土的摻入降低了鋼筋的銹蝕率,提高了混凝土試件的抗銹蝕性能.腐蝕24 h時(shí),納米高嶺土摻量為1%,3%,5%的混凝土試件中鋼筋銹蝕率較普通混凝土試件(即納米高嶺土摻量為0)分別降低約7%,30%和37%；腐蝕36 h時(shí),則分別降低約22%,47%和52%.這主要是因?yàn)榧{米高嶺土顆粒有效填充了混凝土基體內(nèi)部的微小孔洞,增加了基體的密實(shí)性,阻礙了氯離子滲透進(jìn)入混凝土基體,進(jìn)而延緩了鋼筋的銹蝕.

圖6 鋼筋銹蝕率與納米高嶺土摻量的關(guān)系

2.2 破壞形態(tài)

試驗(yàn)中各組試件的破壞均為劈裂破壞.普通混凝土試件和納米高嶺土摻量為1%的混凝土試件在加載之前已經(jīng)出現(xiàn)細(xì)微銹脹裂縫,故混凝土破壞時(shí),主要沿銹脹裂縫處劈裂,且劈裂主裂縫附近還存在若干較細(xì)次裂縫.此外,普通混凝土試件表面裂縫分布較納米高嶺土改性混凝土試件多且寬,裂縫最大寬度為2.63 mm;且隨著納米高嶺土的加入,混凝土試件表面裂縫逐漸變少變細(xì).

2.3 黏結(jié)滑移曲線

(a) 未腐蝕

(b) t=24 h

(c) t=36 h

(d) t=48 h

圖7為不同銹蝕時(shí)間下鋼筋混凝土的黏結(jié)滑移曲線.由圖可知,未腐蝕時(shí),納米高嶺土的摻入會(huì)引起鋼筋混凝土黏結(jié)滑移曲線改變,即極限黏結(jié)強(qiáng)度和極限黏結(jié)應(yīng)力增加,黏結(jié)滑移曲線上升段明顯增長(zhǎng),下降段逐漸平緩.對(duì)于試件NC3和NC5,鋼筋與納米高嶺土改性混凝土的極限黏結(jié)應(yīng)力顯著提高,峰值應(yīng)力的后延性增加,即納米高嶺土提高了混凝土試件的韌性;此外,NC3的極限黏結(jié)應(yīng)力改善效果較NC5略好.鋼筋與納米高嶺土改性混凝土間的黏結(jié)滑移曲線中下降段逐漸平緩,意味著結(jié)構(gòu)的剛度降低,這在混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中是非常有用的.納米高嶺土對(duì)鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的改善作用主要源于:納米高嶺土的摻入促進(jìn)了混凝土基體中形成大量的C-S-H晶體,從而填充了水泥孔隙,使混凝土微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)[10].不同腐蝕時(shí)間下鋼筋混凝土黏結(jié)滑移曲線的發(fā)展形式與腐蝕前基本相同.與未腐蝕試件相比,受腐蝕的混凝土試件的黏結(jié)滑移曲線在極限荷載處急劇下降,說(shuō)明添加納米高嶺土對(duì)腐蝕后混凝土試件的脆性行為影響較小.

2.4 黏結(jié)強(qiáng)度

納米高嶺土摻量和黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖8.由圖可知,對(duì)于未腐蝕試件,當(dāng)納米高嶺土摻量為3%時(shí),鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度較普通混凝土試件提高約56.55%;腐蝕48 h后,納米高嶺土摻量為3%的改性混凝土與鋼筋間的黏結(jié)強(qiáng)度約為普通混凝土的2.16倍.

圖8 納米高嶺土摻量與黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系

腐蝕時(shí)間與黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖9.由圖可知,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),鋼筋與納米高嶺土改性混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度呈先增加后減小的趨勢(shì).這說(shuō)明在腐蝕初期,鋼筋銹蝕率較低,由鋼筋銹蝕引起的銹脹壓力增加了鋼筋與混凝土間的握裹力,使得黏結(jié)強(qiáng)度有所增加;此外,銹蝕產(chǎn)物的存在會(huì)增加鋼筋與混凝土間的摩擦力,同樣導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度增加.普通混凝土和納米高嶺土摻量為1%的改性混凝土中,鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度在腐蝕24 h后開(kāi)始下降,說(shuō)明此時(shí)鋼筋銹蝕率增加,鋼筋與混凝土間的銹脹壓力增大,致使混凝土產(chǎn)生裂縫并逐漸擴(kuò)展,最終導(dǎo)致混凝土對(duì)鋼筋的約束力降低,鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度減小.對(duì)于納米高嶺土摻量為3%和5%的改性混凝土,腐蝕36 h后,鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度開(kāi)始降低,說(shuō)明這2種試件對(duì)鋼筋銹蝕的延緩作用更顯著.納米高嶺土能夠延緩鋼筋銹蝕的主要原因在于:納米高嶺土顆粒較小,能夠有效填充混凝土基體中的微小孔洞,提高混凝土的抗?jié)B性能,阻礙氯離子進(jìn)入混凝土基體[11],進(jìn)而延緩了鋼筋的銹蝕破壞.

圖9 腐蝕時(shí)間與黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 納米高嶺土的摻入能有效阻礙氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部.納米高嶺土摻量為5%的混凝土試件在腐蝕36 h后,鋼筋銹蝕率較普通混凝土試件降低約52%.

2) 納米高嶺土改善了混凝土與鋼筋間的黏結(jié)滑移關(guān)系,降低了混凝土試件的剛度,但對(duì)鋼筋銹蝕后試件的脆性行為無(wú)改善作用.

3) 隨著納米高嶺土摻量的增加,鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增大.對(duì)于未銹蝕試件,納米高嶺土摻量為3%的混凝土試件,鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度較普通混凝土試件提高約56.55%;納米高嶺土摻量為3%的混凝土試件在腐蝕48 h后,鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度約為普通混凝土試件的2.16倍.

References)

[1]Zhu W, Fran?ois R. Corrosion of the reinforcement and its influence on the residual structural performance of a 26-year-old corroded RC beam [J].ConstructionandBuildingMaterials, 2014, 51: 461-472.

[2]施錦杰,孫偉.混凝土中鋼筋銹蝕研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)問(wèn)題分析[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2010,38(9):1753-1764. Shi Jinjie, Sun Wei. Recent research on steel corrosion in concrete [J].JournaloftheChineseCeramicSociety, 2010, 38(9): 1753-1764. (in Chinese)

[3]范穎芳.受腐蝕鋼筋混凝土構(gòu)件性能研究[D].大連:大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院,2002.

[4]Chung L, Kim J H J, Yi S T. Bond strength prediction for reinforced concrete members with highly corroded reinforcing bars [J].CementandConcreteComposites, 2008, 30(7): 603-611.

[5]何世欽,貢金鑫.鋼筋混凝土梁中銹蝕鋼筋黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(12):2167-2170. He Shiqin, Gong Jinxin. Experimental studies on bond characteristics of corroded steel bar in reinforced concrete beams [J].JournalofHarbinInstituteofTechnology, 2006, 38(12): 2167-2170. (in Chinese)

[6]施錦杰,孫偉.電遷移加速氯鹽傳輸作用下混凝土中鋼筋銹蝕[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,41(5):1042-1047. Shi Jinjie,Sun Wei. Investigation of steel corrosion induced by accelerated chloride migration in concrete[J].JournalofSoutheastUniversity:NaturalScienceEdition, 2011, 41(5): 1042-1047. (in Chinese)

[7]Xu H. Impact of low calcium fly ash on steel corrosion rate and concrete-steel interface[J].TheOpenCivilEngineeringJournal, 2012, 6: 1-7.

[8]Bouteiller V, Cremona C, Baroghel-Bouny V, et al. Corrosion initiation of reinforced concretes based on portland or GGBS cements: chloride contents and electrochemical characterizations versus time [J].CementandConcreteResearch, 2012, 42(11): 1456-1467.

[9]He X, Shi X. Chloride permeability and microstructure of Portland cement mortars incorporating nanomaterials [J].TransportationResearchRecord:JournaloftheTransportationResearchBoard, 2008, 2070: 13-21.

[10]Fan Y, Zhang S, Kawashima S, et al. Influence of kaolinite clay on the chloride diffusion property of cement-based materials [J].CementandConcreteComposites, 2014, 45: 117-124.

[11]Poon C S, Kou S C, Lam L. Compressive strength, chloride diffusivity and pore structure of high performance metakaolin and silica fume concrete [J].ConstructionandBuildingMaterials, 2006, 20(10): 858-865.

[12]張世義,范穎芳,欒海洋,等.納米黏土分散性對(duì)水泥性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2013,16(2):197-202. Zhang Shiyi, Fan Yingfang, Luan Haiyang, et al. Effect of disperse condition of nano-clay on behavior of cement paste [J].JournalofBuildingMaterials, 2013, 16(2): 197-202. (in Chinese)

Bonding behavior between steel bars and concrete modified with nano-kaolinite clay

Zhang Shiyi Fan Yingfang Li Ningning

(Institute of Road and Bridge Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To study the effect of nano-kaolinite on the bonding behavior of concrete and steel bars, the relationship between the corrosion ratio of steel bars and the nano-kaolinite content at different corrosion times are studied by the electrochemical accelerated corrosion method. And the bond-slip relationship and the change of the bond strength between concrete with nano-kaolinite and steel bars are analyzed. The results show that the addition of nano-kaolinite can improve the bonding behavior of concrete and steel bars and reduce the stiffness of concrete specimen. For the concrete specimen with nano-kaolinite content of 3%, the bonding strength of concrete and steel bars increases by about 56.55% compared with ordinary concrete specimen. Besides, the addition of nano-kaolinite can delay steel corrosion in concrete. After corrosion for 36 h, the corrosion ratio of steel bars in the concrete specimen with nano-kaolinite content of 5% decreases by about 52% than that of ordinary concrete specimen. After corrosion for 48 h in the concrete specimen with nano-kaolinite content of 3%, the bonding strength between concrete and steel bars is about 2.16 times that of ordinary concrete specimen.

nano-kaolinite clay; bonding behavior; bonding strength; corrosion rate

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.032

2014-09-22. 作者簡(jiǎn)介: 張世義 (1986—),男,博士生; 范穎芳(聯(lián)系人),女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,fanyf72@aliyun.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178069)、 高等學(xué)校青年骨干教師基金資助項(xiàng)目(2011JC031)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132014073)、遼寧省“百萬(wàn)人才工程”資助項(xiàng)目(2010921064)、大連海事大學(xué)優(yōu)秀博士培育基金資助項(xiàng)目(2014YB03).

張世義,范穎芳,李寧寧.納米高嶺土改性混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(2):382-386.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.032

TU502

A

1001-0505(2015)02-0382-05