拉应力和压应力对砂浆中钢筋腐蚀的影响.pdf

第 1 8卷第 4期 2 0 1 5年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATE RI AL S Vo1 1 8 No 4 Au g 2 01 5 文 章 编 号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 5 0 4 0 6 4 0 0 7 拉应力和压应 力对砂 浆中钢筋腐蚀 的影响 冯 国h 卢 向雨 陈 达 杨雅 师 河 海大 学 海岸 灾害 与 防护教育 部 重点实 验 室 江苏 2 河海大学 港 口海岸与近海工程学院 江苏 南京 3 江苏科技大学 材料科学与工程学院 江苏 镇江 苏晓栋 南京 2 1 0 0 9 8 21 00 9 8 2 1 2 0 0 3 摘 要 对 埋置 钢筋 的砂 浆试样 施加 不 同大 小的拉 应 力和压应 力 通过 测量 承栽 钢 筋 的开路 电位 腐 蚀 电流密度和交流阻抗等 对比了拉应力和压应力对砂 浆中钢筋腐蚀的影响 结果表 明 钢筋腐蚀 随 着应力 增加 而明 显加剧 相 同荷 载作 用下 承 受压应 力 钢 筋的 开路 电位 和 交 流 阻抗值 更 低 腐 蚀 电流密度更高 表明压应力对砂浆中钢筋的腐蚀影响更为明显 通过交流阻抗解析表 明 应力破坏 钢 筋 混 凝 土界 面 降低钢 筋 极化 电 阻是 其 加 剧钢 筋腐 蚀 的主要 原 因 而压 应 力 降低 钢 筋 混凝 土 界 面的极 化 电阻较 拉 应力 更为 明显 因 而它能 更为显 著地 加剧钢 筋腐蚀 关键 词 混凝 土 钢 筋 腐蚀 应 力 交流 阻抗 中图分 类号 T U5 1 1 3 文献标 志 码 A d o i l O 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 5 0 4 0 1 8 Co r r o s io n Be h a v io r o f Re inf o r c ing S t e e l Ba r s in M o r t a r u nd e r Te n s il e a n d Co mpr e s s iv e S t r e s s e s FENG X in ggu o LU X ian gyu CH EN Da YAN G Yas h i SU Xiao do n g 1 Ke y La b o r a t o r y o f Co a s t a l Dis a s t e r a n d De f e n c e Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n Ho h a i Un i v e r s i t y Na n j in g 2 1 0 0 9 8 Ch i n a 2 Co l l e g e o f Ha r b o u r C o a s t a l a n d Of f s h o r e En g i n e e r i n g Ho h a i Un i v e r s it y Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 Ch i n a 3 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g J i a n g s u Un iv e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 3 Ch in a Ab s t r a c t Co r r o s io n b e h a v io r o f r e in f o r c i n g s t e e l b a r s in mo r t a r s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t ma g n it u d e s o f t e n s il e a n d c o mp r e s s iv e s t r e s s e s wa s in v e s t ig a t e d wit h me t h o d s o f o p e n c ir c u it p o t e n t ia l OCP l in e a r p o l a r iz a t io n a n d e l e c t r o c h e mic a l imp e d a n c e s p e c t r o s c o p y EI S As t h e a p p l ie d s t r e s s i n c r e a s e s t h e c o r r o s io n p o t e n t i a l a n d imp e d a n c e o f t h e s a mp l e d e c r e a s e F o r t h e s a me s t r e s s ma g n it u d e t h e s a mp l e s u n d e r c o mp r e s s iv e s t r e s s s ho w m o r e n e ga t iv e c or r o s i on po t e n t ia l s a nd l owe r impe d a n c e v a l u e s t ha n t ha t e x pe r ie nc ing t e n s il e s t r e s s M e a nwhil e c o r r os io n c ur r e nt d e n s it y un de r c o m p r e s s iv e s t r e s s is m u c h h ig he r t ha n t h a t un de r t e n s il e s t r e s s EI S a n a l y s is s h o ws t h a t t h e d e s t r u c t i o n o f t h e c o n c r e t e r e b a r in t e r f a c e u n d e r s t r e s s a c c o u n t s f or t he de gr a d a t i on o f c or r o s io n r e s is t a nc e o f r e b a r Co mpa r in g wit h t e n s il e s t r e s s t he s a me m a gn it ud e of c o mp r e s s iv e s t r e s s mo r e s e v e r e l y d e s t r o y s t h e c o n c r e t e r e b a r in t e r f a c e Th u s t h e c o mp r e s s iv e s t r e s s mo r e s ig n i f ic a n t l y a g g r a v a t e s c o r r o s io n o f r e i n f o r c in g s t e e l b a r s Ke y wo r d s c o n c r e t e r e b a r c o r r o s io n s t r e s s e l e c t r o c h e mic a l imp e d a n c e s p e c t r o s c 0 p y EI S 近年来 荷载对混凝 土结构 中钢筋锈蚀 的影响 已引起人们广泛关注 F a n g等 以周期性载荷研究 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 1 4 修订 日期 2 0 1 4 0 2 2 8 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 3 0 1 0 6 0 中央高校基本科研业 务费专 项资金资助 项 目 2 0 1 3 B 0 3 5 1 4 水利部公 益性行业 科研 专项经费项 目 2 0 1 3 0 1 0 5 2 高等学校学科创新引智计划资助项 目 B 1 2 O 3 2 第一作者 冯兴 国 1 9 8 3 一 男 重庆垫江人 河海大学讲师 博士 E ma i l f e n g x i n g g u o h h u e d u C r l 通信作者 陈达 1 9 7 8 一 男 福建福清人 河海大学教授 博士 E ma i l c h e n d a h h u e d u c n 兴 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 6 4 2 建筑材料学报 第 1 8卷 同时随着荷载的增加 承受拉应力 和压应力的钢筋 试样其开路电位都明显降低 由于本研究 中应 力增 加较大 随着应力的增加混凝土覆盖层 的缺陷增多 进而加速了 C l 一 在砂浆中的渗透速率 此外 应力会 引起钢筋表面钝化膜破裂 9 导致钢筋 混凝土界面 剥离 因此 随着应力的增加 钢筋的开路 电位逐渐 降低 相对于拉应力下的碳钢钢筋 承受压应力 的碳 钢钢筋其开路电位明显更负 由图 4也能得 出同样 结论 Av e l d a fi o等H 叩在研究混凝土梁的腐蚀时也发 现承压梁中钢筋的腐蚀 电位更低 并且认为这是 由 Ti mo l d a Un d e r t e n s il e s t r e s s 于压 应力 增加 了 混 凝 土覆 盖 层 的 致 密度 从 而使 混 凝土中氧的扩散降低所致 但是 随后 的试验发现承 受压应力的梁其混凝土覆盖层更易开裂 且其裂纹 也较承受拉应力梁的裂纹更宽 这说 明承受压应力 的钢筋其锈胀作用更加明显 因此 承压钢筋腐蚀电 位更低应该与钢筋的锈蚀程度有关 而非混凝土中 氧的扩散受到限制所致 在相同荷载作用下 本研究 中的不锈 钢试 样开 路 电位 图 4 明显 高 于碳 钢 试 样 图 3 说 明在含腐蚀介质的混凝土环境 中不锈钢 钢筋的耐蚀性优于碳钢钢筋 b Un d e r c o mp r e s s i v e s t r e s s 图 3 承载碳钢钢筋的开路电位 Fi g 3 Va r i a t i o n o f OCP Eo o f c a r b o n s t e e l b a r i n mo r t a r 喜 a Un d e r t e n s i l e s t r e s s b Un d e r c o mp r e s s i v e s t r e s s 图 4 承载不锈钢钢筋的开路电位 F i g 4 Va r i a t i o n o f OCP E o f s t a i n l e s s s t e e l b a r i n mo r t a r 2 2腐蚀 电流 密度 当承载试 样在 3 Na C 1 溶 液 中浸泡 1 0 3 3 5 1 d 后 对其进行线性极化测试 以计算钢筋极化电阻 R 并根据式 1 计算钢筋试样的腐蚀电流密度 i i 一 B R 1 式中 B 为 常 数 处 于 未 脱 钝 状 态 的 钢 筋 B 取 5 2 mV 对于已脱钝的钢筋 B取 2 6 mV 1 本研究 B 取 2 6 mV 碳钢钢筋和不锈钢钢筋的腐蚀 电流密度 i 随 时间的变化如图 5 6所示 从图 5可以看出 随着浸 泡时间延长 由于渗透到钢筋 混凝土界面处 的腐蚀 介质浓度增加 导致钢筋失钝加剧 即钢筋的腐蚀加 速 因而各钢筋试样的腐蚀 电流密度均有所增加 随 着荷载的增加 碳钢钢筋的腐蚀 电流密度逐渐增加 表明钢筋的腐蚀逐渐加剧 与承受拉应力 的碳钢钢 筋相 比 承受压应力 的碳 钢钢筋其腐蚀 电流密度增 加更为明显 表明相 同荷载作用下压应力对钢筋腐 蚀的影响较拉应力更加明显 类似的规律也可在图 6中看到 另外 对 图 5 6进 行 比较 后 可 以 发 现 不 锈钢钢筋的腐蚀电流密度明显低于碳钢钢筋的腐蚀 电流密度 表明不锈钢钢筋 的耐蚀性 明显优于碳钢 钢筋 因此 腐 蚀 电流密 度测试 结 果与 开路 电位 测试 O O O O O O 0 O 珊瑚栅栅 啪 啪 一 一 一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 6 4 4 建筑材料学报 第 l 8 卷 百 6 0 3 0 0 0 60 0 0 9 0 00 1 20 0 0 1 5 0 0 0 Z J n cl n a Ny q u is t p l o t u n d e r t e n s i l e s t r e s s O 3 0 0 0 600 0 90 00 1 20 0 0 1 5 0 0 0 Z rd cI n z c Ny q u is t p l o t u n d e r co mp r e s s i v e s t r e s s av Fr e q ue ncy Hz b B o d e p l o t u n d e r t e n s i l e s t r e s s Fr e qu e n cy Hz d Bo d e p l o t un d e r co mp r e s s i v e s t r e s s 图 7 承载碳钢钢筋在浸泡 5 1 d时的交流阻抗图 F ig 7 EI S r e s u l t s o f ca r b o n s t e e l b a r in mo r t a r s a f t e r imme r s e d in Na C1 s o l u t io n f o r 5 l d a y s O 3 0 0 0 60 00 9 0 0 0 1 20 o 0 1 5 0 0 0 Zd n cn l 2 a Ny q u i s t p l o t un d e r t e n s i l e s t r e s s 0 3 0 0 0 6 0 00 9 0 0 0 1 20 0 0 1 5 0 0 0 z 心 c c Ny q u i s t p l o t u n d e r co mp r e s s i v e s t r e s s av Fr e q u e n cy Hz b Bo d e p l o t un d e r t e n s i l e s t r e s s Fr e q u e n cy Hz d B o d e p l o t u n d e r co mp r e s s i v e s t r e s s 图 8 承载不锈钢钢筋在浸泡 5 1 d时的交 流阻抗 图 Fi g 8 EI S r e s u l t s o f s t a i n l e s s s t e e l b a r i n mo r t a r s a f t e r i mme r s e d i n Na C1 s o l u t i o n f o r 5 1 d a y s 3 一 鲁 G一 一 U 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 6 4 6 建筑材料学报 第 1 8 卷 Re s e a r c h 2 0 0 7 3 7 1 1 1 5 5 卜 1 5 61 3 VI D AL T C AS TE L A F R ANC OI S R An a l y z i n g c r a c k wi d t h t o p r e d i c t c o r r o s i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h 2 0 0 4 3 4 1 1 6 5 1 7 4 4 AP 0S TOL O P OUL OS C A P AP AD OP 0UL 0 S M P Te n s i l e a n d l o w c y c l e f a t ig u e b e h a v io r o f c o r r o d e d r e in f o r c ing s t e e l b a r s 4 0 0 J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d in g Ma t e r ia l s 2 0 0 7 2 1 4 8 5 5 8 6 4 5 ANHVU N C AS TE L A F RAN CO I S R E f f e c t o f s t r e s s e o r r o s io n c r a c kin g o n s t r e s s s t r a in r e s p o ns e o f s t e e l wir e s u s e d in p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a ms J C o r r o s io n S c i e n c e 2 0 0 9 5 1 6 1 4 5 3 1 4 59 6 VAL I E NTE A S t r e s s c o r r o s i o n f a il u r e o f l a r g e d i a me t e r p r e s s u r e p ip e l i n e s o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e J En g i n e e r i n g Fa il u r e An a l y s is 2 0 0 1 8 3 2 45 2 6 1 7 AHN W RE D DY D V Ga l v a n o s t a t i c t e s t i n g f o r t h e d u r a b i l i t y o f ma r i n e c o n c r e t e u n d e r f a t i g u e l o a d i n g J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h 2 0 0 1 3 1 3 3 4 3 3 49 8 贡金鑫 王海超 李金波 腐蚀 环境 中荷 载作用对 钢筋混凝 土 梁腐蚀 的影响 J 东南大 学学报 自然 科学版 2 0 0 5 3 5 3 42 1 4 2 6 GONG J in x in W ANG Ha ic h a o L I J inb o Ef f e c t o f l o a d in g o n c o r r o s io n o f r e in f o r c e d c o n c r e t e b e a m e x p o s e d in c o r r o d e d e n v i r o n me n t j J o u r n a l o f S o u t h e a s t Un i v e r s it y Na t u r a l S c i e n c e 2 0 05 3 5 3 4 2 1 4 2 6 in Ch in e s e 9 F E NG X in g g u o Z UO Yu TANG Yu mi n g e t a 1 T h e d e g r a d a t io n o f p a s s iv e f il m o n c a r b o n s t e e l in c o n c r e t e p o r e s o l u t io n u n d e r c o mp r e s s i v e a n d t e n s i l e s t r e s s e s J E l e c t r o c h i mic a Ac t a 2 01 1 5 8 2 5 8 2 6 3 L l o AVE L DANO R R OR TE GA N F B e h a v io r o f c o n c r e t e e l e me n t s s u b j e c t e d t o c o r r o s io n in t h e ir c o mp r e s s e d o r t e n s e d r e i n f o r c e me n t J C o n s t r u c t i o n a n d B u il d i n g Ma t e r i a l s 2 0 1 3 3 8 8 2 2 8 2 8 1 1 3 R E OU J S ANN K Y E l e c t r o c h e mi c a l a s s e s s me n t o n t h e c o r r o s io n r is k o f s t e e l e mb e d me n t in OPC c o n c r e t e d e p e n d in g o n t h e c o r r o s i o n d e t e c t i o n t e c h n i q u e s J Ma t e r i a l s C h e mi s t r y a n d Ph y s ic s 2 0 0 9 1 1 9 1 7 8 8 4 1 2 KO L E VA D A d e wI T J H W v a n B R EUGE L K e t a 1 C o r r