【摘 要】
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钢筋锈蚀是影响钢筋-混凝土结构服役寿命最重要的因素之一,钢筋-混凝土界面过渡区作为钢筋-混凝土结构中的第三相,对混凝土中钢筋的锈蚀过程有着重要的影响,当前学术界对于钢筋锈蚀导致混凝土过早到达服役寿命的研究忽略了钢筋-混凝土界面过渡区在此中的影响程度。本研究专注于氯盐环境下混凝土中钢筋的腐蚀过程,分析研究钢筋-混凝土界面过渡区在其中的作用,对延长钢筋-混凝土结构的工程使用寿命有着显著意义。本研究以钢
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钢筋锈蚀是影响钢筋-混凝土结构服役寿命最重要的因素之一,钢筋-混凝土界面过渡区作为钢筋-混凝土结构中的第三相,对混凝土中钢筋的锈蚀过程有着重要的影响,当前学术界对于钢筋锈蚀导致混凝土过早到达服役寿命的研究忽略了钢筋-混凝土界面过渡区在此中的影响程度。本研究专注于氯盐环境下混凝土中钢筋的腐蚀过程,分析研究钢筋-混凝土界面过渡区在其中的作用,对延长钢筋-混凝土结构的工程使用寿命有着显著意义。本研究以钢筋-混凝土界面缺陷为控制变量,研究其对钢筋锈蚀产物分布及混凝土因锈蚀产物膨胀导致开裂的影响。设计了两层水平钢筋布筋高度以获得不同尺寸的钢筋-混凝土界面缺陷,通过外加直流电源及内掺1.5%质量分数氯盐并干湿循环等方式加快实验周期,拍摄背散射电子图像量化不同布筋高度下钢筋-混凝土界面缺陷尺寸大小及各个实验时期锈蚀产物的厚度,分析锈胀裂缝产生部位及发展规律,在不同实验周期时破型试件观察钢筋腐蚀形态,纳米压痕技术分析钢筋周围不同位置的锈蚀产物弹性模量。得出主要结论如下:(1)混凝土在成型时,由于插捣振捣等作用导致骨料下沉、气泡浆体上浮,混凝土中气泡在此过程中被水平布置的钢筋所阻碍,导致钢筋下侧钢筋-混凝土界面过渡区尺寸要大于其他部位,且会随着水平钢筋布筋高度和体系水胶比的增加而增加。水胶比为0.4时,当布筋高度从20 mm增加至170 mm,钢筋下侧界面缺陷尺寸从0μm增加至411.48μm;当水胶比从0.4增加至0.55时,170 mm布筋高度的钢筋下侧界面过渡区尺寸从411.48μm增加至980.11μm。(2)外加直流电会加速混凝土中钢筋的锈蚀进程,且钢筋周围锈蚀并不均匀。虽然试件采用并联的通电方式,由于钢筋-混凝土界面缺陷的存在,同一试件中上层钢筋比下层钢筋锈蚀更为严重,同时,钢筋下侧是锈蚀最为严重的地方。锈蚀产物一般呈棕黄色,随着腐蚀加深,铁锈逐渐聚集发展成黑色。外加直流电源的试件在锈蚀初期上下层钢筋锈蚀相对均匀,随锈蚀进行,钢筋的不均匀锈蚀现象愈发明显。对于内掺氯盐试件,水胶比对锈蚀的影响较小。(3)上层钢筋由于较高的布筋高度导致界面缺陷尺寸较大,先于下层钢筋发生腐蚀,故首先在上层钢筋周围发生锈蚀开裂现象。锈胀裂缝一般从钢筋截面开始出现,上层钢筋锈胀裂缝从钢筋上部向试件顶部蔓延,而下层锈胀裂缝出现于钢筋底部并向试件底部蔓延,最后发展为顺筋开裂。由于上层钢筋底部钢筋-混凝土界面缺陷尺寸较大,虽然此处是优先发生锈蚀的地方,但较大的界面缺陷容纳了部分锈蚀产物,延缓了锈胀裂缝的产生,故锈胀裂缝一般位于上层钢筋的侧面和上部,在钢筋截面方向正下方混凝土未发现锈胀裂缝。而下层钢筋下部界面缺陷尺寸较小,钢筋下部首先发生锈蚀后,锈胀裂缝一般出现在钢筋下侧。钢筋很小的质量损失(约0.38%-0.56%)便可导致锈胀裂缝的产生。(4)当锈胀裂缝贯穿混凝土保护层时,裂缝宽度在混凝土表面达到最大值。铁锈会沿着锈胀裂缝向外部迁移,同时也会填充至钢筋周围混凝土的孔隙之中。混凝土中骨料的分布和形貌会影响锈胀裂缝的宽度和走向。(5)纳米压痕技术表明钢筋周围不同位置的锈蚀产物弹性模量是不同的,上层钢筋下侧的锈蚀产物弹性模量要小于下侧,这说明钢筋上侧锈蚀产物对其周围混凝土施加更大的膨胀力,侧面证明了上层钢筋下侧较大的钢筋-混凝土界面过渡区提供了膨胀空间,延缓了此处锈胀裂缝的产生。
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