混凝土裂缝闭合处理对钢筋锈蚀的影响研究

刘优¹

（1山南市水利局，西藏 山南 856000）

摘要：研究了干湿循环下预裂缝闭合处理对混凝土中钢筋锈蚀发展规律的影响。制备了不同宽度的预裂缝钢筋混凝土试件，进行干湿循环试验，在每个干湿循环周期的浸泡阶段结束后，对试件内钢筋的腐蚀电流密度进行测量，共计20个干湿循环周期。以腐蚀电流密度为评价指标，分析可得：裂缝宽度对钢筋锈蚀速率有较大影响；裂缝闭合处理可以降低钢筋锈蚀速率，裂缝闭合处理后的试件，其钢筋在锈蚀稳定阶段的锈蚀速率相对未闭合处理试件的要低。

关键词：预裂缝；裂缝闭合处理；干湿循环；钢筋锈蚀速率

Study on the corrosion development of steel bars with concrete cracks closure treated

LIU You¹

1.Ihoka Water Conservancy Bureau Shannan 856000, Tibet, China

Abstract: The effect of pre-cracks closure treatment on the corrosion development of steel bars in concrete under wet dry cycles is studied. Reinforced concrete specimens with different width of pre-cracks are prepared, and the dry wet cycling test is carried out.At the end of each stage soaking dry-wet cycle, the corrosion current density of steel bars in the specimens is measured, a total of 20 dry-wet cycles. Taken corrosion current density as the evaluation index, analysis can be obtained: Crack width has a great impact on the steel corrosion rate and crack closure treatment can reduce the rate of reinforcement corrosion. In stable stage, the corrosion rate of steel bars in specimens with crack treated is lower when compared to untreated specimens.

Key words:pre-cracks; Closure treatment of cracks; Dry-wet cycle; Corrosion rate of steel bar

0引言

混凝土是脆性材料，其抗拉强度很低，在使用过程中不可避免地存在裂缝，而裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因^[1]。西藏地处高海拔地区，由于太阳辐射大，水分蒸发量大，故高原湖泊中咸水湖较多。水利工程大都长期处于水下环境，有压输水洞、重力坝死水位以下坝段等长期受到水的浸泡，竖井（闸门井）、溢洪道、渠道等水利工程结构长期与水接触或处于水位变动区。当钢筋混凝土构件在各种作用下开裂时，氯离子、水和其他侵蚀介质会通过裂缝更加迅速地侵入到钢筋表面，加快钢筋锈蚀^[2-4]。大量工程调查表明^[5]，处于干湿循环环境中的部位受氯离子侵蚀最为严重。

裂缝的存在加快了氯离子的侵入，加速了腐蚀过程的进行，因而在工程实践中，常常需要对裂缝进行闭合处理。有研究指出^[6]，对裂缝的开裂面进行防水处理可以有效减少氯离子侵入，在某种程度上可以弥补裂缝出现带来的负面作用。现有的研究成果中，对横向裂缝闭合处理的研究主要集中在裂缝处理材料的性质^[7-9]和处理后混凝土裂缝区氯离子渗透^[6,8]等方面，忽略了裂缝闭合处理后原裂缝区钢筋锈蚀发生、发展过程。相对诱导裂缝，预设裂缝操作简便，具有较好的灵活性，通过设定不锈钢片的厚度、宽度等参数即可比较精确的得到需要的裂缝，试验结果具有可靠性和可重复性。

本文对以带横向预制裂缝的钢筋混凝土试件为对象，研究在氯盐干湿循环作用下，预裂缝闭合处理后混凝土中钢筋锈蚀的发展过程，为钢筋混凝土结构耐久性研究提供了参考依据。

1.试验

1.1原材料及试件制备

本试验试件尺寸为100×100×100mm，混凝土强度等级为C40，配合比为水：水泥：砂：石=199:398:649:1155。试验原材料包括：湖南南方水泥（普通硅酸盐水泥，水泥等级为PO.42.5级，表观密度3.14g/cm³）；湘江河砂（中砂，细度模数为2.4，最大粒径为3mm）；湖南省长沙市郊产碎石，最大粒径为15mm，5～10mm连续级配；自来水；直径为16mm的HRB335级钢筋，试件制作前需对钢筋进行除锈并用打磨机打磨至光亮，在钢筋两端焊接导线的位置刻一道浅槽，便于导线焊接。试件成型时，在与试件成型面垂直的一个面中间预设一条裂缝，裂缝预设方式：采用与裂缝宽度相同的不锈钢薄片，在混凝土浇筑前插入到模具预设位置，待混凝土初凝后取出不锈钢薄片。试件保护层厚度均为25mm，裂缝深度与保护层厚度相同。钢筋两端伸出长度为10mm，在伸出的两端头上焊导线作为工作电极，试件内预埋不锈钢管做辅助电极。试件成型24小时后脱模，为防止氯盐从其他面侵入到混凝土内，将除裂缝所在面及其所对面外的其他四个面包括钢筋端头都用环氧树脂密封，待试件表面的环氧树脂干燥后将试件置于标准养护室养护28天。试件具体尺寸如下图1-1~1-2所示。预设裂缝宽度分别为0.1mm，0.3mm，0.5mm。

1.3干湿循环制度

试件养护到龄期后，从养护室取出，先用5%的NaCl溶液浸泡48小时，浸泡时用木板盖住塑料盆，防止水分蒸发，浸泡过程结束后，放入设置温度为75℃的烘箱干燥24h，室温放置冷却后再浸泡，此为一个干湿循环周期，共20个干湿循环周期。为方便表述，第1~20个干湿循环周期分别用T1~T20表示。

1.4裂缝处理

分别在侵蚀5,10,15个干湿循环周期后，取相应分组的试件进行处理。裂缝处理方法按照JGJ/T 259-2012《混凝土结构耐久性修复与防护技术规程》^[10]的相关规定进行操作。先用毛刷蘸丙酮将裂缝左右20-30mm擦洗干净并干燥，当裂缝宽度为0.1mm时，用环氧树脂均匀涂抹于裂缝处。当裂缝宽度为在0.3mm或0.5mm时，用压力灌浆法灌注环氧树脂。具体操作方法如下：清理裂缝,先用钢丝刷沿裂缝来回刷除缝两侧混凝上表面的浮灰,然后用毛刷清扫,并用压缩空气对准裂缝由上往下吹去缝内及两侧浮灰等杂质,最后用回丝蘸丙酮来回擦洗裂缝表面2~3遍。用丙酮擦洗的目的,一方面能除去裂缝表面可能有的油污,另一方面丙酮挥发快,擦洗后可立即进行布嘴和封缝。根据试件尺寸，在每道裂缝两端各固定一个嘴，嘴子用薄铁皮做成漏斗状，一个用来灌浆，另一个用来排气。用环氧魔力胶封闭裂缝表面和嘴子周边，一天后进行压气实验，用肥皂水检查裂缝密封情况，再用去掉针头的大号注射器进行灌浆，最后检查灌浆效果。试件处理后2天除去灌浆嘴，用环氧魔力胶抹平1天后继续干湿循环。

1.5钢筋腐蚀电流密度数据采集

每个浸泡周期结束后，采用CS350电化学工作站进行测量钢筋腐蚀电流密度，钢筋为工作电极，不锈钢管为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。采用动电位扫描的方法得到钢筋的极化曲线，对所测得的极化曲线进行Tafel拟合，得到钢筋腐蚀电流密度。

2实验结果与讨论

为研究裂缝闭合后钢筋腐蚀电流密度的变化规律，在T5，T10，T15时分别取裂缝宽度为0.1mm，0.3mm，0.5mm的试件进行裂缝闭合处理，图2-1~2-3所示为开裂区钢筋腐蚀电流密度随裂缝闭合处理方式的变化关系。

从图2-1~2-3可以看出：不同裂缝宽度时，钢筋腐蚀电流密度随裂缝处理方式的变化有相似的规律。在T5时处理裂缝的试件，钢筋在稳定阶段的腐蚀电流密度最小；T10时处理裂缝处理的试件，钢筋腐蚀电流密度相对未处理的试件有一定程度的降低，但是降低幅度较小，T15时处理裂缝的试件钢筋腐蚀电流密度降低最少。原因在于T5时，裂缝处钢筋表面的氯离子浓度处于较低水平，对裂缝进行处理可以有效防止氯离子、水分和氧气等通过裂缝继续侵入到钢筋表面而加速钢筋锈蚀。当进行10个干湿循环周期后，氯离子已经侵蚀到裂缝处钢筋表面，裂缝处钢筋宏电池腐蚀与微电池腐蚀并存。此时对裂缝进行处理，裂缝处的氧气和水分传输受到限制，微观腐蚀电池反应速率减小。但从宏观角度来看，裂缝处钢筋表面钝化膜由于氯离子侵蚀已经发生活化，而其他位置钢筋表面的钝化膜完好，腐蚀机理是“活化—钝化”宏电池腐蚀，由于是“小阳极，大阴极”的腐蚀形态，阴极水分和氧气的供给速率能满足消耗速率，裂缝闭合处理对宏观腐蚀电流密度影响不大，故裂缝处钢筋腐蚀电流密度降低幅度较小。

裂缝宽度为0.1mm时，T5时处理裂缝的试件稳定段钢筋腐蚀电流密度约为0.36μA/cm²，T10，T15和未处理试件稳定段钢筋腐蚀电流密度分别约为1.11μA/cm²，1.16μA/cm²，1.33μA/cm²，未处理试件的腐蚀电流密度相对T5时处理裂缝的相应数值增加了2.69倍；裂缝宽度为0.3mm时，裂缝处理方式由T5处理变化到裂缝未处理，试件内钢筋腐蚀电流密度从0.69μA/cm²上升至1.92μA/cm²，增加了1.78倍；裂缝宽度为0.5mm时，T5时处理裂缝的试件腐蚀电流密度为1.09μA/cm²，未处理试件为2.85μA/cm²，增加了1.61倍，说明在钢筋表面的氯离子浓度低于临界氯离子浓度时处理裂缝能有效降低钢筋锈蚀速率，延长结构耐久性，这与文献[11]的结果相近。

图2-1 开裂区钢筋腐蚀电流密度随裂缝处理方式的变化关系（w=0.1mm）

图2-2 开裂区钢筋腐蚀电流密度随裂缝处理方式的变化关系（w=0.3mm）

图2-3 开裂区钢筋腐蚀电流密度随裂缝处理方式的变化关系（w=0.5mm）

3结论

（1）不同裂缝宽度的未处理试件的腐蚀电流密度具有相似的规律，大致可分为三个阶段：锈蚀速率较低的稳定段，锈蚀速率迅速增加的上升段，锈蚀速率较高的稳定段。

（2）进行裂缝闭合处理的试件，开裂区钢筋锈蚀速率相对未闭合处理时有一定降低，并在后续循环周期中基本保持稳定。

（3）裂缝处理方式和钢筋锈蚀率具有紧密联系，在干湿循环进行10个周期以下时，裂缝闭合处理后钢筋锈蚀速率降低显著。

参考文献：

[1]陈贺君.浅论混凝土裂缝的防治[J].建筑工程技术与设计,2016(3).

[2]Otsuki N, Miyazato S I, Diola N B. Influences of bending crack and water-cement ratio on chloride-induced corrosion of main reinforcing bars and stirrups[J]. Aci Structural Journal, 2000, 97(4):454-464.

[3]Jang S Y, Bo S K, Oh B H. Effect of crack width on chloride diffusion coefficients of concrete by steady-state migration tests[J]. Cement & Concrete Research, 2011, 41(1):9-19.

[4]Djerbi A, Bonnet S, Khelidj A, et al. Influence of traversing crack on chloride diffusion into concrete[J]. Cement & Concrete Research, 2008, 38(6):877-883.

[5]金伟良,袁迎曙,卫军,等.氯盐环境下混凝土结构耐久性理论与设计方法[M].北京:科学出版社,2011.

[6]郭平功,赵铁军,田砾.裂缝表面防水处理对混凝土耐久性的影响[J].混凝土,2007(8):17-20.

[7]李晓,徐玲玲,邓敏.MMA基混凝土修补材料的制备与性能[J].南京工业大学学报:自然科学版,2004,26(1):58-62.

[8]黄淑贞.水下混凝土结构裂缝高性能修补材料及其相关技术实验论证[D].上海交通大学,2006.

[9]Zhu H, Chen X L, Zhang X H, et al. Preparation and application research on concrete crack repair agent[J].  China Concrete & Cement Products, 2015.   

[10]任昭君,孙志伟,苏卿.裂缝及表面防水处理对混凝土中钢筋锈蚀的影晌[J].新型建筑材料,2010,37(6):81-84.

[11]JGJ/T 259-2012.混凝土结构耐久性修复与防护技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社,2012.