氯盐和碳化双重腐蚀对钢筋混凝土强度的影响1)

袁伟静

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

柳俊哲

(宁波大学)

氯盐和碳化双重腐蚀对钢筋混凝土强度的影响1)

袁伟静

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

柳俊哲

(宁波大学)

运用多试件重复测量设计的方差分析方法，并对原始数据分析采用Bonferroni法进行两两比较，测试碳化和氯盐双重腐蚀的试件强度，分析不同氯离子量和水灰比对不同龄期碳化后钢筋混凝土抗折强度和抗压强度的影响。结果表明：水灰比对混凝土试件强度影响显著；随着水灰比的增大，氯盐对混凝土试件的强度有一定的促进作用。

钢筋腐蚀；钢筋混凝土；抗折强度；抗压强度

林区桥梁的力学支撑中，混凝土中的钢筋起到很大作用，钢筋的锈蚀问题是研究的核心问题。从各个林区近几年桥梁维修加固工程看，主要进行了钢丝和钢绞线对混凝土外部加固以及采用钢板贴合、增设桁梁等方法[1-3]，目的是提高桥梁力学的承载能力。混凝土中钢筋的锈蚀，表现较突出的是混凝土碳化以及氯离子的腐蚀[4-8]。氯离子对混凝土中钢筋的腐蚀，表现在氯化钙、氯化钠等氯盐作为混凝土常用的外加剂的频繁使用[9-10]。它们在促凝、早强、降低冰点等方面有着显著的作用，且廉价易得，使用方便。但是，这些氯盐一般都将加剧混凝土中钢筋的锈蚀，破坏混凝土内部高碱环境，使钢筋表面致密的钝化膜遭到侵蚀[15-18]，氯盐是钢筋腐蚀的主要因素之一。混凝土的碳化，是指空气中的酸性气体CO2与混凝土中的液相碱性物质发生反应，使得混凝土碱性下降和混凝土中化学成分改变的中性化反应过程[11-12]。当中性化深度大于混凝土的保护层厚度时，会破坏保护层下钢筋表面的钝化膜，在钝化膜被破坏后，伴随着水和空气的共同作用，钢筋会出现锈蚀[13-14]。混凝土碳化的因素可分为：周围环境因素、材料因素和施工因素等三大类。其中水灰比的多少直接影响碳化深度和渗透力问题，本文着重研究水灰比与氯离子以及各个碳化龄期的变化，目的是找到钢筋混凝土的碳化和氯盐复合作用对桥梁腐蚀的影响规律。

笔者针对林区桥梁出现的垮塌和腐蚀现象，运用多试件重复测量设计的方差分析方法，结合两两对比，分析不同氯离子含量和水灰比对不同龄期碳化后混凝土抗折和抗压强度的影响，旨在为提高林区桥梁的坚固性和耐用性提供参考。

1 材料与方法

水泥为42.5普通硅酸盐水泥，取自黑龙江省兴隆水泥有限公司生产的硅酸盐水泥PO42.5，按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》检验，水泥符合GB 175—1999《硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥标准》要求。粉煤灰为普通二级灰，砂为普通河砂，其中砂细度模数为2.27，含水率为0.67%。化学制剂为铬酸钾、氯化钠、硝酸银等。

将水泥石按照m(胶凝材料)∶m(砂)∶m(水)=1.00∶2.50∶0.45配比，期间放置钢筋，制作长×宽×高为40 mm×40 mm×160 mm桥梁使用的钢筋混凝土试件(为确保钢筋混凝土试件内部氯离子侵袭不受外部环境影响，制作时用塑料薄膜包裹水泥石试件)。

对水灰比(质量比)为0.3、0.4、0.5的试件，分别编号为H、G、K；对每个相同水灰比试件中加入不同的氯盐量(按质量计算)，按照试验设计，加入的氯盐量分别为0、0.3%、0.6%、1.0%。根据试件不同的水灰比、不同的氯盐量，试件统一编号为：H1(水灰比0.3、氯盐量0)、H2(水灰比0.3、氯盐量0.3%)、H3(水灰比0.3、氯盐量0.6%)、H4(水灰比0.3、氯盐量1.0%)，G1(水灰比0.4、氯盐量0)、G2(水灰比0.4、氯盐量0.3%)、G3(水灰比0.4、氯盐量0.6%)、G4(水灰比0.4、氯盐量1.0%)，K1(水灰比0.5、氯盐量0)、K2(水灰比0.5、氯盐量0.3%)、K3(水灰比0.5、氯盐量0.6%)、K4(水灰比0.5、氯盐量1.0%)。每组试件做多组数据进行测试，运用方差分析取均值比对。

在试件养护3、7、28 d时，分别测定抗压强度和抗折强度，分析其在氯盐和碳化双重作用下钢筋混凝土试件的强度变化规律。

2 结果与分析

2.1氯盐和水灰比双重因素对钢筋混凝土抗折强度的影响

采用Bonferroni法进行两两比较，试件在水灰比和氯离子不同的情况下的两两比对，反应出不同氯离子及不同水灰比试件在不同龄期对试件强度的影响。由表1可见：随着龄期的增长，相同水灰比时，不同氯盐量的试件抗折强度均有不同程度的增加，但各个试件增加程度略有不同。

表1 3组试件在相同水灰比、不同氯离子量时的各龄期试件抗折强度

试验组试件抗折强度/MPa养护3d养护7d养护28dH1(水灰比0.3、氯盐量0)2.344.865.86H2(水灰比0.3、氯盐量0.3%)3.374.235.73H3(水灰比0.3、氯盐量0.6%)3.744.865.70H4(水灰比0.3、氯盐量1.0%)3.675.386.94G1(水灰比0.4、氯盐量0)3.855.085.31G2(水灰比0.4、氯盐量0.3%)2.735.475.59G3(水灰比0.4、氯盐量0.6%)3.505.265.23G4(水灰比0.4、氯盐量1.0%)3.605.736.54K1(水灰比0.5、氯盐量0)2.512.702.93K2(水灰比0.5、氯盐量0.3%)3.423.093.48K3(水灰比0.5、氯盐量0.6%)3.253.334.67K4(水灰比0.5、氯盐量1.0%)3.463.633.72

H4试件在养护7 d时，抗折强度变为四个试件中最大，28 d时达到最高值；G组试件与H组试件变化趋势相似，G4(即水灰比和氯盐量本组最大值)在7、28 d时，抗折强度达到本组试件中最高；K组试件中，随着氯离子量的增加，试件抗折强度逐渐增加，到28 d时K3试件抗折变化达到最大。由表1可见：水灰比为0.3、0.4时与水灰比0.5时，试件的抗折强度变化略有不同，主要表现在7 d和28 d的变化上；7 d时，水灰比为0.3、0.4时，氯离子量为1.0%的试件抗折强度最大；在28 d时，水灰比为0.3、0.4时，仍然是氯离子量为1.0%的试件抗折强度最大。可见，氯离子对水泥石试件抗折强度有一定促进作用。

由表2可见：氯离子相同情况下，随着水灰比的增加，试件龄期增加抗折强度反而减小。当龄期为7 d时，氯离子含量为0时，抗折强度由4.98降低到2.87，当龄期为28 d时，抗折强度由6.01降为3.07，三组试件变化趋势相同。但在养护3 d时，水灰比不同试件变化呈现出与其他试件不同的现象，水灰比为0.4时，达到峰值；可见，一定水灰比对试件抗折强度有一定促进作用，但在试验范围内，增加水灰比反而会降低试件抗折强度。

表2 3组试件在相同氯离子量、不同水灰比时的各龄期试件抗折强度

试验组试件抗折强度/MPa养护3d养护7d养护28dH1(水灰比0.3、氯盐量0)2.234.986.01G1(水灰比0.4、氯盐量0)3.785.235.54K1(水灰比0.5、氯盐量0)2.612.873.07H2(水灰比0.3、氯盐量0.3%)3.214.555.78G2(水灰比0.4、氯盐量0.3%)2.745.315.43K2(水灰比0.5、氯盐量0.3%)3.363.023.45H3(水灰比0.3、氯盐量0.6%)4.014.995.97G3(水灰比0.4、氯盐量0.6%)3.505.325.45K3(水灰比0.5、氯盐量0.6%)3.233.474.51H4(水灰比0.3、氯盐量1.0%)3.515.206.89G4(水灰比0.4、氯盐量1.0%)3.535.456.47K4(水灰比0.5、氯盐量1.0%)3.253.703.99

2.2氯盐和水灰比双因素对钢筋混凝土抗压强度的影响

采用Bonferroni法对两两因素进行对比，重复获取不同数据进行均量分析，得到试件在相同水灰比下，氯离子对抗压强度的影响。由表3可见：当水灰比相同时，氯离子量增加，均使试件抗压强度有所增加，但增加幅度不同。当水灰比为0.3(H组)、氯离子量为1.0%时，抗压强度最大。当水灰比为0.3(H组)，3 d时的抗压强度，由强到弱依次为H4、H1、H2、H3；7 d时的抗压强度，由强到弱依次为H4、H3、H1、H2；28 d时的抗压强度，由强到弱依次为H4、H1、H2、H3。当水灰比为0.4(G组)，氯离子量为0.6%时抗压强度最大。当水灰比为0.5(K组)，氯离子为1.0%时，抗压强度最大。可见，氯离子对水泥石抗压强度有一定影响，当氯离子量为1.0%时，抗压强度最大。

由表4可见：当氯离子量相同时，水灰比在不同龄期的抗压强度略有增长。当氯离子量相同时，试件的抗压强度变化取决于水灰比的大小，抗压强度由强到弱，基本依次为水灰比为0.3的抗压试件、水灰比为0.4的抗压试件、水灰比为0.5的抗压试件。可见，抗压强度的大小与不同水灰比密切相关，基本上呈现，相同氯离子条件下，水灰比与抗压强度呈反比例的变化趋势。

表3 3组试件在相同水灰比、不同氯离子量时的各龄期试件抗压强度

试验组试件抗压强度/MPa养护3d养护7d养护28dH1(水灰比0.3、氯盐量0)32.6737.6546.92H2(水灰比0.3、氯盐量0.3%)32.2534.6943.10H3(水灰比0.3、氯盐量0.6%)27.0440.1842.07H4(水灰比0.3、氯盐量1.0%)33.3346.9247.09G1(水灰比0.4、氯盐量0)24.0226.8937.65G2(水灰比0.4、氯盐量0.3%)21.7228.9337.73G3(水灰比0.4、氯盐量0.6%)26.0727.5341.28G4(水灰比0.4、氯盐量1.0%)21.8329.1136.57K1(水灰比0.5、氯盐量0)10.3818.4522.73K2(水灰比0.5、氯盐量0.3%)14.0818.6526.25K3(水灰比0.5、氯盐量0.6%)16.2320.7527.30K4(水灰比0.5、氯盐量1.0%)16.2222.3726.77

表4 3组试件在相同氯离子量、不同水灰比时的各龄期试件抗压强度

试验组试件抗压强度/MPa养护3d养护7d养护28dH1(水灰比0.3、氯盐量0)32.3337.1145.00G1(水灰比0.4、氯盐量0)25.7727.1433.13K1(水灰比0.5、氯盐量0)11.1018.9721.07H2(水灰比0.3、氯盐量0.3%)32.2434.0642.00G2(水灰比0.4、氯盐量0.3%)22.2527.1334.09K2(水灰比0.5、氯盐量0.3%)15.1118.9722.07H3(水灰比0.3、氯盐量0.6%)27.0942.1442.98G3(水灰比0.4、氯盐量0.6%)26.1727.2241.09K3(水灰比0.5、氯盐量0.6%)16.1020.0726.34H4(水灰比0.3、氯盐量1.0%)33.3347.0148.15G4(水灰比0.4、氯盐量1.0%)22.1426.0034.14K4(水灰比0.5、氯盐量1.0%)16.1520.0723.87

3 结论与讨论

水灰比对混凝土试件强度变化影响显著。经分析，各组试件在3 d的抗折强度基本相近；但是，此时水灰比较小的组，抗压强度较大；随着养护龄期的增加，这个规律越明显。抗折强度，水灰比为0.3的组，也逐渐超过了水灰比大的组，这和基本规律也是一致的。在试验范围内，同等条件下，水灰比越大，试件的抗折强度和抗压强度越小。首先要保证水泥水化要有足够的水，但也不需水灰比过大；水灰比小的试件抗折强度，在养护3 d后还有一个大幅的增长过程，水灰比相对较大的在养护3 d后强度增长率已经不是很大了，并且水灰比越大越明显。但是，对于同一个试件的抗压强度，却相反，水灰比较小的试件抗压强度，在养护3 d后强度的增长率不是很大；而水灰比较大试件的抗压强度，在养护3 d后还有一个较大的增长率，并且也表现出水灰比越大规律越明显的特征。

随着水灰比的增大，氯盐对于混凝土试件的强度有一定的促进作用。随着氯盐量的增加，抗折强度和抗压强度都有所提高，但是，随着养护龄期的增加，这些试件强度差异在逐渐缩小。氯盐有细化混凝土内部结构的作用，并且促进水泥水化的作用，一般会提高水泥试件的早期强度。虽然氯盐会提高水泥试件的早期强度，但是，对于抗折强度和抗压强度，影响的大小不一。对于抗折强度，水灰比小的试件，随着氯盐量的增加抗折强度增加的幅度和增长率都较大；而水灰比大的试件，抗折强度增加的幅度和增长率都相对前者小。即，对于抗折强度，随着水灰比的增大，氯盐对提高水泥试件的早期抗折强度的作用在削弱；而抗压强度的规律则相反，随着水灰比的增大，氯盐对试件抗压强度的影响在增加。

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EffectofChlorideandCarbonationCorrosionontheStrengthofReinforcedConcrete

//Yuan Weijing

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China);

Liu Junzhe

(Ningbo University)

Using the variance analysis of multi-specimen repeated measurement design and the Bonferroni method, we tested the strength of reinforced concrete with carbonized and chloride double corrosion, and studied the effects of different chloride ion and water-cement ratio on the flexural strength and compressive strength of reinforced concrete with varied ages after carbonation. The water-cement ratio has a significant effect on the strength of concrete specimen. With the increase of water-cement ratio, the chloride salt could improve the strength of the reinforced concrete.

Steel corrosion; Reinforced concrete; Flexural strength; Compressive strength

TB304

1)国家自然科学基金项目(51278255，51478227)；宁波市重大科技计划(2013C51006)。

袁伟静，女，1976年7月生，东北林业大学工程技术学院，博士研究生；现工作于黑龙江工程学院艺术与设计学院。E-mail：357457486@qq.com。

2017年7月12日。

责任编辑：张 玉。

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(10)：94-96.