碱-骨料反应活性对混凝土内钢筋锈蚀的影响外文翻译资料

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碱-骨料反应活性对混凝土内钢筋锈蚀的影响

David Trejo¹, Vandad Mazarei², Jason H. Ideker³, O. Burkan Isgor⁴

摘要:碱骨料反应（ASR）和钢筋锈蚀是混凝土结构中常见的劣化机理，此研究调查了碱骨料反应是如何影响混凝土试件内部钢筋锈蚀的。我们浇注了掺加了活性骨料和非活性骨料的两种混凝土试样。每个试样的膨胀率、腐蚀电位、宏电池电流和氯离子扩散率都实时进行测量，直到嵌入的钢筋开始腐蚀。扫描电子显微镜（SEM）结果表明，ASR凝胶可以填充混凝土界面过渡区（ITZ）和裂缝，从而减少氯化物在混凝土中的迁移。在HCP钢界面上存在的ASR凝胶降低了界面的pH值，从而降低了临界氯离子阈值（CT）。结果表明，对于暴露于100°F（38°C）干湿循环的实验室试样，ASR反应的进行对钢筋混凝土系统的腐蚀起始时间没有显著影响。

关键词：碱骨料反应（ASR）；ASR凝胶；腐蚀；临界氯；临界氯离子阈值；扩散系数；界面过渡区

1. 引言

钢筋混凝土结构劣化的主要原因之一是钢筋锈蚀。尽管关于氯离子腐蚀已被广泛研究，但其他腐蚀机理，如ASR引起的裂纹等对腐蚀的影响还没有得到很好的研究。所以，本次我们研究了ASR对氯离子腐蚀的影响。

自斯坦顿最初发现碱集料反应以来，ASR在全世界范围内已经被确认广泛地存在于混凝土结构之中，包括桥梁、大坝、停车平台、路面和其他混凝土结构。

要发生ASR反应，混凝土中需要存在三种要素：1）活性骨料；2）高碱孔隙溶液；3）潮湿的环境。当水化水泥浆体（HCP）孔隙溶液中的碱氢氧化物与集料中的活性二氧化硅反应时，便会发生ASR反应。这种反应的产物称为ASR凝胶。这种凝胶存在于在集料内外、界面过渡区（ITZ）内和周围以及混凝土的孔隙中。ASR凝胶从周围的孔隙溶液和环境中吸收水分并膨胀。这种膨胀会导致混凝土结构开裂。现如今，关于ASR凝胶填充ITZ、孔隙和裂缝如何影响腐蚀、结构性能和长期耐久性的报道很少。

普遍接受的ASR机理理论的核心是，在碱性环境中，二氧化硅的溶解度显著增加。活性二氧化硅主要由骨料表面的硅氧烷基 (equiv; Si–O–Si equiv;)和硅醇基(equiv;SI–OH)组成。注意，“equiv;”表示每个硅原子与另外三个氧原子相连。由于高碱性环境，氢氧根离子（OH –）中和硅烷醇基团（equiv;Si–OH）并与硅氧烷基团（equiv;Si–O–Siequiv;）反应，如（1）、（2）等式中所示。

（equiv;Si–OH） OH^– →Si–O^– H₂O (1)

（equiv;Si–O–Siequiv;） 2OH^– →2（Si–O^–） H₂O (2)

为了维持电荷平衡，负带电的Si–O^–吸引存在于孔溶液中的带正电的阳离子（Na 和K )，并导致形成ASR凝胶。由于ASR凝胶的结构表面积大且多孔且有吸水的趋势，导致凝胶溶胀，从而引起混凝土中产生局部拉伸应力。

许多研究人员研究了ASR凝胶的化学成分。^4-6研究人员进行的分析表明ASR凝胶具有很高的二氧化硅含量，较二氧化硅和碱金属含量低的钙。据报道，ASR凝胶中的钙含量在凝胶形成的后期以及升高的温度下都会增加，这会导致凝胶更膨胀。

尽管大多数混凝土结构均具有出色的耐久性，但由于ASR，某些混凝土结构已发生劣化。 在美国和世界各地都发现了反应性骨料。 因此，ASR可能会在侵蚀性环境中发生，这可能会使结构易于腐蚀。尽管一般认为ASR裂纹可能导致氯化物渗透到混凝土中的速率更高，并且导致腐蚀开始的时间更早，但是关于ASR，氯化物的运输和腐蚀的协同作用的研究很少，需要更多的研究。

混凝土通过提供物理屏障和化学保护，为钢筋提供了腐蚀保护。 物理屏障由钢筋上的混凝土覆盖层提供。 较大的保护罩通常可提供更多保护，并延长使用寿命。 化学保护可以通过在钢筋表面上的保护性钝化层来提供。 通常，优质混凝土的孔溶液pH值在13.0和13.5之间。 由于孔隙溶液的高碱度，钢表面形成了保护性钝化层。

当符合侵蚀性条件时，便会发生腐蚀。 混凝土中钢筋的腐蚀是一种电化学过程。 该过程需要阳极，阴极以及阳极和阴极之间的离子连接（即电解质）。在阳极部位，发生氧化反应，铁转化为亚铁离子（Fe² ）。在阴极位置，反应取决于氧气的量和环境的pH值。（3）和（4）式中展示了在低氧含量和高氧含量的环境中可能发生的还原反应。

2H₂O 2e^-→H₂ 2（OH)^- （3）

2H₂O O₂ 4e^–→4（OH)^- （4）

阳极反应中的亚铁离子与阴极反应中的氢氧根离子反应，生成氢氧化亚铁Fe(OH)₂

Fe² 2OH^- → Fe(OH)₂ (5)

氢氧化亚铁氧化以生成氢氧化铁Fe(OH)₃，然后进一步脱水以生成氧化铁Fe₂O₃，这便是红色的铁锈。腐蚀产物比基体钢占据更多的体积，并且会在腐蚀的钢筋周围产生膨胀应力。该应力可能导致混凝土表层开裂和剥落，混凝土与钢之间的粘结力损失以及钢截面积的减小。 这种恶化会导致昂贵的维修，降低结构承载能力，并且如果不缓解，最终会导致结构失效。

当保护性钝化层被破坏时会发生腐蚀。 有两种机制可以破坏钝化层：1）碳化； 2）氯化物引起的腐蚀。 当二氧化碳（CO₂）传输到混凝土中并溶解在混凝土孔隙溶液中时，就会发生碳化。 CO2可以与水反应形成碳酸（H₂CO₃）。 碳酸可将混凝土孔隙溶液的pH值降低至8.5，这会使钝化膜变得不稳定⁷。二氧化碳在高质量混凝土中的扩散速率通常较低。 但是，在二氧化碳浓度较高的区域（例如，工业区和停车场）中的混凝土可能会有更高的碳化速率。

氯化物还也显着影响钢筋混凝土（RC）系统的腐蚀。 氯化物可以运输到混凝土中，随着时间的流逝可以到达钢筋。 在存在水分和氧气的情况下，钢与混凝土界面处的氯化物会导致钝化膜的局部破坏并引起腐蚀。 当钢筋中的氯化物浓度达到一定值（CT）时，会发生腐蚀。 腐蚀开始时间（Ti）定义为氯化物到达CT所需的时间。 在很多文献中已经报道了CT和Ti值。^8-11Angst等人¹²报道了CT粘合剂的重量范围为0.15至3.1％（酸溶性）。

RC抵抗氯化物引起的腐蚀的耐久性在很大程度上取决于混凝土对外部氯化物渗透的抵抗力。因此，混凝土的抗渗性在腐蚀嵌入混凝土的增强材料的时间中起着重要的作用。混凝土由三种相组成：骨料；水泥浆；大量HCP；和ITZ。 ITZ在骨料-HCP界面处形成，其特性与水泥浆和骨料均不同。ITZ的孔隙率高于散装水泥浆。人们认为，ITZ的这种多孔结构是由壁效应引起的，这种效应阻止了水泥颗粒在骨料表面附近堆积在一起。¹³壁效应导致骨料周围聚集了一层的厚度为15至50 micro;m（0.59至1.96 mil）的ITZ。氯化物可以穿透混凝土的三个相中的每个相。 但是，骨料的结构通常比HCP和ITZ致密得多，这大大降低了氯化物通过该相的速度。高孔隙度ITZ的存在可以提供更快的运输速度和更低的通过混凝土的阻力路径，这有助于氯化物在混凝土中的运输。ITZ的厚度可以通过增加水灰比（w / b）来增加。¹⁴Zheng等人^[15]报告说，ITZ占混凝土浆料总体积的很大一部分。 因此，ITZ将影响混凝土的整体抗渗性能。

ITZ的高孔隙率结构可以提高侵蚀性离子（例如氯化物）进入混凝土的速度。¹⁶一些研究人员已经研究了ITZ的扩散系数（DITZ）。^17-20据报道，DITZ通常是水泥浆的扩散系数的1.6至16.2倍.²¹根据ITZ的厚度和混凝土的骨料含量，各个骨料界面处的ITZ可以相互连接，从而影响混凝土的运输性能。²²Delagrave等人^[20]报道说，砂浆中砂体积分数的增加导致ITZ的连通性增加，这有利于氯化物向砂浆中的传输。但是，增加固体颗粒（例如细骨料）会导致较高的曲折度，从而增加氯化物到达钢筋表面的时间。Delagrave等人^[20]得出结论，砂浆的抗渗性能受骨料的影响比受ITZ的影响更大。

有许多研究证实RC中的裂纹为侵蚀剂提供了通往钢筋表面的途径。^23-25由于ASR会导致混凝土开裂，并且裂纹会加速氯化物的运输，因此通常认为ASR可以提高混凝土中氯化物的运输速度并减少发生主动腐蚀的时间。但是，ASR凝胶可以填充裂缝和ITZ，从而导致“氯化物阻塞”，这可能导致较高的曲折度和较长的腐蚀时间。关于ASR对氯化物传输和混凝土中钢筋腐蚀时间的影响的研究很少。 这项研究调查了ASR对氯化物传输特性和腐蚀时间的影响。

1. 研究意义

ASR和钢筋锈蚀是众所周知的劣化机制，会影响RC系统的长期性能。尽管分别对ASR和腐蚀的机理和破坏分别进行了重要研究，但对ASR破坏如何影响影响埋入混凝土中的钢筋腐蚀的参数的研究却很少。 RC结构可能会同时出现ASR和钢筋腐蚀，因此需要有关ASR损坏如何影响钢筋腐蚀时间的信息。 这项研究调查了ASR如何影响氯化物的运输和RC样品腐蚀的时间。

1. 原材料与实验方法

我们评估了碱骨料反应性（即ASR）对RC试样腐蚀性能的影响。当前，没有标准的测试方法可用来评估ASR对腐蚀性能和磁化率的影响。这项研究包括对设计的标本的一些参数进行评估比如由ASR引起的长度变化，氯化物传输速率和腐蚀活性。样品是根据ASTM G109和ASTM C1293的一般要求设计的。为了方便实验，这些规范中的一些要求已被修改以满足本研究的目标。

我们总共制作并评估了十个11.25 x 6 x 4.5英寸（285 x 152 x 114毫米）的样品。非活性石灰石粗骨料和非活性细骨料购自俄勒冈州波特兰市。活性的天然硅质河砂从俄勒冈州本德采购。这些骨料的反应性在实验前已在ASTM C1260和ASTM C1293中确认，粗骨料的最大骨料（MSA）为0.5英寸（12.7毫米），并符合ASTM C33中的8级等级。

表 1混凝土配比

5个样品含有反应性细骨料，而5个样品含有非反应性细骨料。所有样品均含有非反应性粗骨料。 用三根4号（13M）60级（420 MPa）钢筋加固样品，将钢筋切成11.25英寸（285 mm）长的块。钻出并敲击钢筋的末端，以容纳1.5英寸（38.1毫米）长的No. 8-32不锈钢机械螺钉。电镀胶带用于覆盖钢筋两端的1.62英寸（41.4毫米），留出8英寸（200毫米）长的长度用于测试。混凝土配合比见表1。增强层的顶层和底层与一个100欧姆（plusmn;5％）的电阻器电连接（请参见图1）。

图 1 样品示意图

将储罐浇铸到样品的顶部和底部。 这些替代了ASTM G109中指定的聚甲基丙烯酸甲酯储罐。将两个规格的螺柱埋入到试样两端的混凝土中，而不是按照ASTM C1293的规定将其埋入两端。这样做是为了评估样品顶部和底部的长度

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