阻锈剂对海水拌和再生胶砂力学性能和钢筋腐蚀行为的影响研究

作者:查重猫     发表时间:2021-06-30 07:03:42   浏览次数:42



  摘要:本文针对海水拌合再生骨料混凝土的耐久性问题,对比分析了阻锈剂在单掺和复掺下对海水拌和再生胶砂力学性能和钢筋腐蚀行为的影响研究,并通过X射线衍射分析(XRD)、压汞(MIP)等微观实验分析其影响机理。试验结果表明海水拌和再生胶砂在不掺阻锈剂的情况下前期腐蚀速度较快,7d后腐蚀速度较慢,逐渐趋于钝化;氨甲基丙醇对海水拌合再生胶砂力学性能和钢筋锈蚀性能起不利影响,主要原因是其抑制了水泥水化进程,增加了孔隙数量;五水偏硅酸钠能使海水拌和再生胶砂中的钢筋发生钝化,具有显著阻锈作用,且其可促进C-S-H的形成,优化孔结构,对海水拌和再生胶砂力学性能影响较小。本文试验结果有助于海水拌合再生骨料混凝土耐久性的改善和服役安全性的提升。

  关键词:阻锈剂;海水;再生胶砂;钢筋锈蚀;力学性能

  0引言

  在海岛或是远离内陆的海边地区的抢修抢险工程中,考虑到工期紧,淡水及河砂资源紧缺等问题,存在就地取材,利用既有建筑破碎后的再生骨料浇筑混凝土结构的现象。然而,直接采用含氯盐较高的海水、海砂,以及既有建筑循环再生材料制成的混凝土,可能会给建筑结构带来安全性与耐久性的重大隐患[1]。

  海水混凝土结构失效的主要原因是海水中富含的游离氯离子会破坏钢筋钝化膜,锈蚀迅速发展,腐蚀产物膨胀对混凝土保护层产生拉应力使得混凝土开裂,最终使钢筋混凝土结构失效[2-6]。针对这一问题,采用高效阻锈剂或多种缓蚀材料协同作用是提高海水混凝土中钢筋耐蚀能力的重要途径[7]。

  传统阻锈剂种类繁多,包括亚硝酸盐、铬酸盐、磷酸盐、硅酸盐、锌盐、钼酸盐等为主无机类阻锈剂,以有机羧酸、有机醛类、有机胺、醇类等为主有机类阻锈剂,壳聚糖类、纤维素类、淀粉基类等天然高分子基阻锈剂[8-11]。目前,针对适用于海水海砂混凝土的阻锈剂,国内外研究多集中于研制新型的复合型阻锈剂。张航[12-13]对适用于海水海砂混凝土的阻锈剂进行了研究,结果表明,缓蚀效果由强到弱为多组分阻锈剂>双组分阻锈剂>单组分阻锈剂,多组分阻锈剂可以产生较好的协同作用。Xu等[14]研究制备的复合缓蚀剂能有效提高海水海砂混凝土的耐蚀性能,在420d内钢筋完全不被腐蚀。周俊龙等[15]研究表明复掺20%偏高岭土和1.5%三乙醇胺可以显著提高海水海砂混凝土的护筋性。Pan等[16]研究发明了针对海水海砂混凝土中钢筋的新型阻锈方法,结果表明掺入咪唑啉和三乙烯四胺缓蚀剂并结合双向电迁移可以提高海水海砂混凝土中钢筋的耐蚀性。由此可见,关于海水混凝土的阻锈剂研究数量还较少,领域也较为分散,缺乏阻锈剂的作用机理及其对海水混凝土性能的影响研究,同时关于海水拌和再生混凝土中的再生骨料对钢筋锈蚀的影响还尚未有人提及。

  因此,本文通过半电池电位法和极化电阻法探究了阻锈剂对海水拌和再生胶砂钢筋腐蚀行为的影响,并通过宏微观试验探究阻锈剂对海水拌和再生胶砂力学性能、矿物组成及孔结构等方面的影响。

  1实验

  1.1原材料(1)水泥:本试验采用的水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥,产自杭州富阳钱潮水泥有限公司。其主要化学组成及水泥熟料矿物组成分别见表1。

  (3)再生细骨料:本试验使用的再生细骨料为宁波废弃建筑物碎块经破碎所得,细度模数为3.31,饱和面干吸水率为6.53%,表观密度为2128kg/m3,压碎指标为22.7%。

  (4)阻锈剂

  本试验选用的阻锈剂为五水偏硅酸钠(Na2SiO3²5H2O)和氨甲基丙醇(C4H11NO)。

  1.2试验方法

  1.2.1海水拌和再生胶砂的配合比和制备方法

  将建筑用ϕ10mm钢筋Q235截断至约100mm左右的钢筋段,依次用80目、240目、400目、600目、1000目的砂纸打磨抛光后,放入无水乙醇中并进行超声清洗5min。在打磨好的钢筋一边焊接铜导线,然后用热缩管将钢筋两端包裹,加入环氧树脂进行密封,最后用硅橡胶将钢筋与热导管的接触面密封,制成工作电极,如图1(a)。

  通过夹具与泡沫胶将工作电极和石墨固定在100mm³100mm³100mm的模具中。按照基准水泥:再生细骨料:模拟海水:阻锈剂=1:2.5:0.45:0.04的配比制备水泥胶砂,海水拌合再生胶砂配比如表4。将水泥砂浆分两次装入带有钢筋的模具中,分别在振动台振实30s,拆除夹具,覆膜养护24h后拆模,制备成型海水拌和胶砂带筋试件,如图1(b),后移入标准养护室(温度为(20±2)℃,湿度≥95%)。

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  另制备40mm³40mm³160mm的海水拌和胶砂试件用于测试胶砂抗折强度和抗压强度,养护条件同上。

  1.2.2海水拌和再生胶砂力学性

  能取3d、7d、28d龄期的海水拌和再生胶砂试件进行抗折强度和抗压强度测试。根据《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)(GB/T17671—1999),抗折强度使用抗折试验机测试,通过加荷圆柱以(50±10)N/s的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上,直至折断。抗压强度使用抗压试验机测试,将折断后的半截棱柱体放在抗折夹具上,受压面积为40mm³40mm,加荷过程以(2400±200)N/s的速率均匀地加荷直至破坏。根据测试荷载值,计算海水拌和再生胶砂试件的抗折强度和抗压强度。

  1.2.4X射线衍射分析(XRD)

  取测试完抗压强度后的胶砂试块,破碎,放入到无水乙醇中终止水化。在试验前将碎块移入60℃干燥箱中烘24h,用研钵将碎块中砂颗粒尽量剔除并磨成细粉,通过75μm的方孔筛后,采用X射线衍射仪对样品粉末进行测试,分析不同龄期海水拌和再生胶砂的矿物组成。

  1.2.5压汞试验(MIP)

  取测试完抗压强度后的胶砂试块,破碎成粒径0.5~1cm的样品,放入到无水乙醇中终止水化。在试验前将碎块置于移入50℃真空干燥箱中烘干24h,采用AutoPoreⅣ9510全自动压汞仪进行测试,分析不同龄期海水拌和再生胶砂的孔隙结构。

  2结果与讨论

  2.1阻锈剂对海水拌和再生胶砂力学性能的影响

  图2为海水拌和再生胶砂3d、7d、28d的力学性能测试结果。由图2可知,内掺氨甲基丙醇降低了海水拌和再生胶砂3d、7d、28d的抗压强度和抗折强度,其中3d龄期时抗压强度降低30.1%,抗折强度降低22.2%,其7d龄期时抗压强度降低8.2%,抗折强度降低3.8%,其28d龄期时抗压强度降低0.9%,抗折强度降低1.6%,说明氨甲基丙醇对海水拌和再生胶砂早期强度有较大的削减作用,对后期强度影响不大。内掺五水偏硅酸钠略微提高了海水拌和再生胶砂的抗折强度,降低了混凝土早期抗压强度,对后期抗压强度影响不大。氨甲基丙醇和五水偏硅酸钠复掺对其力学性能的影响中和了两种阻锈剂单掺时的影响,表现为其降低了再生胶砂早期力学性能,对28d后力学性能的影响不大。

  2.2阻锈剂对海水拌和再生胶砂钢筋锈蚀行为的影响

  图3为海水拌和再生胶砂电化学参数测试结果。由图所示,随着龄期的增加,空白对照组的腐蚀电位不断上升,腐蚀电流在0~3d内迅速下降,在3~28d内缓慢下降后趋于平稳,说明阴阳极之间的电位差逐渐缩小,即反应发生的热力学趋势逐渐缩小。可以推测,由于试件由海水拌制,钢筋表面存在较高浓度的氯离子,超过了钢筋的临界氯离子浓度,钢筋处于活跃状态,锈蚀发生,随着时间推移,腐蚀产物的堆积阻碍了后续腐蚀反应的进行,从而腐蚀速率下降。我们可以发现在7d龄期后空白对照组R-control的腐蚀电流小于0.1μA/cm2,表明海水拌和再生胶砂在不掺阻锈剂的情况下能在7d后趋于钝化。与空白对照组相比,单掺氨甲基丙醇的试验组腐蚀电位低于对照组,腐蚀电流高于对照组,说明氨甲基丙醇的掺入加速了海水拌合再生砂浆中钢筋的锈蚀速率。结合强度发展数据,我们可以推测氨甲基丙醇不能发挥较好阻锈效果的原因可能是其影响了水泥水化进程。此外,单掺五水偏硅酸钠的试验组腐蚀电位大大高于对照组,腐蚀电流在1d时达0.1μA/cm2左右,后持续不断下降,说明五水偏硅酸钠能使海水拌和再生胶砂中的钢筋发生钝化,具有显著阻锈作用。R-A1P2试验组腐蚀电位始终高于对照组,腐蚀电流在3d后低于0.1μA/cm2左右,说明氨甲基丙醇和五水偏硅酸钠复掺能使海水拌和再生胶砂中的钢筋在3d内发生钝化。

  图4为28d时海水拌和再生胶砂中钢筋形貌,空白对照组和单掺氨甲基丙醇的试验组钢筋出现了明显的点蚀锈坑,而单掺五水偏硅酸钠试验组和复掺试验组的钢筋表面光洁,并无锈蚀产物,这与前述的电化学分析结果一致。

  2.4阻锈剂对海水拌和再生胶砂孔隙结构的影响

  表6为海洋再生砂浆的总孔隙和平均孔径的统计结果,图6为海洋再生砂浆孔径分布图。整体来看,随着龄期的增长,各试验组的总孔隙降低,平均孔径降低,孔分布有着中大孔向小孔转化的趋势,孔结构细化。单掺氨甲基丙醇会使试件总孔隙增大,孔隙分布和平均孔径与对照组接近;单掺五水偏硅酸钠降低了试件3d总孔隙,增大了28d总孔隙,平均孔径减小,无害孔比例增加。

  3结论

  本文针对海水拌合再生骨料混凝土的耐久性问题,对比分析了不同种类阻锈剂在单掺复掺下对海水拌和再生胶砂力学性能和钢筋腐蚀行为的影响研究,并通过XRD、MIP等微观实验分析其影响机理。结论如下:

  (1)阻锈剂对海水拌和再生胶砂力学性能起不利影响。氨甲基丙醇对海水拌和再生胶砂早期强度有较大的削减作用,对后期强度影响不大。五水偏硅酸钠略微提高了海水拌和再生胶砂的抗折强度,降低了混凝土早期抗压强度,对后期抗压强度影响不大。

  (2)五水偏硅酸钠可抑制海水拌和再生胶砂钢筋锈蚀,氨甲基丙醇加速了钢筋锈蚀速率。海水拌和再生胶砂在不掺阻锈剂的情况下前期(0~3d)腐蚀速度较快,7d后腐蚀速度较慢,逐渐趋于钝化。掺入五水偏硅酸钠能在1d内使海水拌和再生胶砂中的钢筋发生钝化,具有显著阻锈作用,而氨甲基丙醇的掺入加速了海水拌合再生砂浆中钢筋的锈蚀速率。

  (3)五水偏硅酸钠可以促进早期水泥水化,在水化后期可促进C-S-H的形成,同时使海水拌和再生胶砂平均孔径减小,无害孔比例增加。而氨甲基丙醇对水泥水化起抑制作用,且增大了海水拌和再生胶砂的总孔隙,这也是其对海水拌合再生胶砂力学性能和钢筋锈蚀性能起不利影响的主要原因。——论文作者:练松松,孟涛,赵羽习,卢予奇

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