0 引言
随着“双碳”目标的推进，再生钢筋混凝土结构的应用愈加广泛。氯离子、二氧化碳和水分是导致钢筋锈蚀的主要因素。LIANG等
[1]研究表明氯离子超标、再生骨料替代率提高均会导致混凝土结构的抗腐蚀能力减弱。与普通混凝土相比，再生混凝土中骨料的杂质和氯离子含量较高，因此，其钢筋锈蚀问题更严重。钢筋锈蚀会引发裂缝，导致结构强度降低甚至坍塌，严重影响结构的安全性和耐久性。
提高钢筋混凝土结构抗侵蚀性能的关键是减少侵蚀性介质的传输。虽然降低水胶比、添加掺合料
[2]和金属缓蚀剂等方法可提高结构的抗侵蚀能力，但这些方法存在一定的缺点，例如增加裂缝风险、降低早期强度、含有有害物质等，寻找经济环保的替代方法具有重要的现实意义。肖建庄等
[3]、鲍玖文等
[4]研究表明纳米材料可改善再生混凝土的性能，例如降低孔隙率、提高强度和抗侵蚀能力等，常被用来解决钢筋锈蚀问题。YING等
[5]研究表明纳米SiO
2和纳米TiO
2可细化再生混凝土的孔隙结构，改善再生混凝土的抗氯离子扩散性能。朱哲等
[6]研究表明水化响应纳米材料（SBT-TIA）可显著改善海工混凝土的抗腐蚀性能，降低氯离子扩散系数，提高整体耐蚀性。CABALLERO等
[7]研究表明在砂浆中添加葵二酸酯改性纳米层状双金属氢氧化物（LDHs），可显著减少水的吸收量，尤其在抑制氯化物引发的腐蚀方面，效果显著。虽然纳米材料可解决混凝土中钢筋的锈蚀问题，但大部分纳米材料价格较高，经济性较差。相对而言，纳米凹凸棒土（NAT）价格低廉，具有较好的吸附能力和离子交换能力，可提高水泥基材料的性能
[8]。LINDGREEN等
[9]研究表明纳米凹凸棒土可填充混凝土中的孔隙，增强结构的致密性，提高混凝土的力学性能和耐久性。潘钢华等
[10]研究表明煅烧后纳米凹凸棒土（CNAT）的火山灰活性更强，对混凝土强度的提升效果更佳。阎杰等
[11]研究表明500 ℃煅烧后的纳米凹凸棒土对改善再生混凝土的力学性能和耐久性能效果最佳。
目前，对于纳米凹凸棒土改善混凝土性能方面的研究较多，但对于纳米凹凸棒土改善再生混凝土中钢筋抗锈蚀及黏结性能方面的研究较少。本文将煅烧后的纳米凹凸棒土掺入再生混凝土中，通过电化学加速腐蚀试验和钢筋拉拔试验，研究500 ℃煅烧后的纳米凹凸棒土掺量和再生骨料替代率对再生混凝土的钢筋锈蚀、黏结特性和氯离子迁移系数的影响规律，结合孔径测量和扫描电镜表征工具分析再生混凝土的微观结构，为提高再生混凝土结构性能提供理论支撑。
1 原材料及试验方案
1.1 原材料
采用金隅牌普通硅酸盐水泥，型号为P·O42.5。将张家口建设工程质量检测中心废弃的混凝土试块进行破碎，作为再生粗骨料，其物理性能见
表1。细骨料采用水洗中级河砂，细度模数为2.69。纳米凹凸棒土产地为江苏省常州市，主要化学成分见
表2。NAT和CNAT的形貌见
图1。由
图1可知，煅烧后纳米凹凸棒土颜色由灰白色变为黄色。NAT和CNAT的扫描电镜结果见
图2。由
图2（a）可知，NAT结晶呈棒状，棒晶的粒径为20 ~ 70 nm，长为0.1 ~ 1.5 μm，排列不规则，烧失量为19.91%（质量分数）。由
图2（b）可知，CNAT长条形晶段显著变短，细小的束状晶体较多
[12]。钢筋物理参数见
表3。
1.2 试验方案
再生混凝土设计强度为C30，水胶比为0.5， CNAT掺量分别取0、3%、6%、9%，再生骨料替代率分别取0、50%、100%，制备CNAT再生混凝土试件。配合比设计见
表4。
采用尺寸为150 mm的立方体试件，未配箍筋。试件制成24 h后拆模，标准养护28 d。钢筋的有效锚固长度取钢筋直径的5倍，钢筋自由端外露，长为50 mm，加载端长为200 mm，在加载端一侧设置非黏结端，长为60 mm，采用PVC套管进行保护。用于钢筋锈蚀试验的试件见
图3。
设计12组钢筋锈蚀试验，将养护好的试件置于浓度为5%的氯化钠溶液中浸泡，液面不高于钢筋底表面。通电加速锈蚀，控制锈蚀时间分别为24 h和48 h，电流为60 mA，电压为25 V。钢筋锈蚀装置见
图4。
采用500 kN的万能试验机进行钢筋拉拔试验，位移计分别固定在钢筋的自由端和固定端。通过位移控制加载方式，首先进行2 kN的预加载，然后将位移计归0，正式开始试验，加载速率为1 mm/min。采用失重法描述钢筋锈蚀率。将拔出后的钢筋浸入浓度为12%的稀盐酸溶液中，去除表面锈迹并擦拭干净，通过比较处理前后的质量差，确定钢筋的锈蚀质量。
依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）
[13]开展氯离子迁移试验。试验中采用3H-2000PM1型孔径分析仪（见
图5），并利用BJH法对再生混凝土试件的孔体积-孔径分布进行测试。
采用蔡司Sigma300型扫描电子显微镜观察试件的微观结构，见
图6。为获取高分辨率、高灵敏度的原位图像，观察前对样品进行表面镀层处理。
2 试验结果与分析
2.1 试验现象
钢筋锈蚀试验试件的表观如
图7所示。从图中可以看出，自由端钢筋与混凝土接触面出现溢锈现象。同时，混凝土表面逐渐出现结晶，钢筋先出现红锈，随后逐渐产生黑锈。
钢筋拉拔试验试件的破坏形态见
图8。由
图8可知，试件主要发生劈裂破坏，且分裂成2 ~ 3块。
钢筋锈蚀状态见
图9。由
图9可知，时间越长，钢筋锈蚀越严重。与混凝土中钢筋相比，自由端处钢筋锈蚀更严重，这是由于钢筋的自由端暴露在空气中，在氧气、湿气和其他物质的影响下，锈蚀反应更剧烈。
2.2 钢筋锈蚀率结果分析
钢筋锈蚀率的变化见
图10。由
图10可知，钢筋锈蚀率随再生骨料替代率和锈蚀时间的增加而增大。未掺CNAT且锈蚀24 h的条件下，与普通混凝土（再生骨料替代率为0）相比，全再生骨料混凝土（再生骨料替代率为100%）的钢筋锈蚀率增大了58%，这是由于再生骨料会增加混凝土中的孔隙和裂缝，导致氯离子更易渗入混凝土，钢筋锈蚀更严重。再生骨料替代率相同的条件下，钢筋锈蚀率随CNAT掺量的增加先减小后趋于稳定。CNAT掺量为6%时，钢筋的锈蚀率最小或接近最小值。再生骨料替代率为50%且锈蚀24 h的条件下，CNAT掺量从0增至6%时，钢筋锈蚀率减小了34.2%，这是由于CNAT具有强大的吸附能力和火山灰活性
[14]，可减少混凝土的孔隙率并提高其密实性，有效阻碍氯离子的渗透。CNAT掺量超过6%后，钢筋锈蚀率小幅度增大，这是由于CNAT掺量过多，搅拌过程中不易均匀分散，部分CNAT发生团聚
[15]，无法振捣密实，导致混凝土内部产生较多孔隙，钢筋的抗锈蚀能力下降。
2.3 再生骨料和CNAT掺量对黏结强度的影响
由
图11可知，再生骨料替代率相同的条件下，随着CNAT掺量的增加，不同锈蚀时间下混凝土-钢筋之间的黏结强度几乎均呈先增大后减小的变化趋势。CNAT掺量为6%时，黏结强度相对最大。对于普通混凝土，CNAT掺量相同的条件下，混凝土-钢筋之间的黏结强度随锈蚀时间的增加而增大。锈蚀48 h情况下，RC-6-0试件的黏结强度最大，为21.28 MPa，与未锈蚀时相比，黏结强度增大了9.8%，这是由于在锈蚀过程中，CNAT持续水化会产生较多的凝胶，可增大混凝土-钢筋之间的黏结强度
[16]。
再生骨料替代率为50%、锈蚀时间相同的条件下，不同CNAT掺量下再生混凝土-钢筋之间的黏结强度基本上均大于普通混凝土-钢筋之间的黏结强度，且随着锈蚀时间的增加，黏结强度呈先增大后减小的变化趋势。锈蚀24 h情况下，与未锈蚀时相比，RC-6-50试件的黏结强度增大了11.97%，高达22.64 MPa，这是由于再生骨料的表面更粗糙，可增大骨料与水泥石的咬合力，且再生骨料与水泥石的弹性模量相近，有利于增大再生骨料与水泥石之间的相互作用力
[17]。CNAT掺量、锈蚀时间相同的条件下，全再生骨料混凝土-钢筋之间的黏结强度最小，且整体上随锈蚀时间的增加呈先增大后减小的变化趋势。未掺加CNAT的条件下，全再生骨料-钢筋之间的黏结强度随锈蚀时间的增加而减小，这是由于全再生骨料的孔隙和裂缝较多，导致再生混凝土的弹性模量发生变化，黏结强度减小。
2.4 黏结应力-滑移量的变化分析
黏结应力-滑移量的变化见
图12。因试验条件与采集方式的限制，仅采集到该曲线的上升段，但曲线整体变化趋势与普通混凝土-钢筋的黏结应力-滑移量曲线基本一致。
由
图12可知，再生骨料替代率相同的条件下，黏结应力-滑移量曲线与
x轴所围面积随CNAT掺量的增加呈先增大后减小的变化趋势。CNAT掺量从0增至6%时，曲线前段变陡，滑移量的增幅越来越小，黏结应力越来越大。当试件接近破坏阶段时，曲线变化较平缓，且CNAT掺量越大，各试件破坏阶段曲线越平缓。再生骨料替代率为0和100%时，试件破坏时的滑移量随CNAT掺量的增加而减小。再生骨料替代率为50%、CNAT掺量为9%时，与CNAT掺量为6%时相比，虽然试件破坏时的滑移量有所增大，但黏结强度减小约10%。由黏结应力-滑移量曲线与
x轴所围面积可知，CNAT掺量为6%时，混凝土-钢筋可更好地吸收变形过程中产生的能量，耗能能力更佳。通过以上分析可知，CNAT掺量为6%、再生骨料替代率为50%时，再生混凝土与钢筋之间的黏结滑移性能最佳。
2.5 氯离子迁移系数的变化分析
由
图13可知，再生骨料替代率与氯离子迁移系数正相关。CNAT掺量为0、再生骨料替代率为50%和100%时，与普通混凝土相比，氯离子迁移系数分别增大了24.2%和48.5%，与赵隆柳等
[18]的研究结论一致。再生骨料替代率相同的条件下，随着CNAT掺量的增加，氯离子迁移系数呈先减小后增大的变化趋势，且CNAT掺量为6%时，氯离子迁移系数最小。CNAT掺量为6%的条件下，再生骨料替代率为0、50%和100%时，与未掺加CNAT的试件相比，氯离子迁移系数分别减小了18.2%、22.0%和22.4%，表明CNAT能有效阻止氯离子在基体内的迁移，改善混凝土的抗渗性能。此外，CNAT具有火山灰活性，可以起到填充孔隙及表面改性作用，增强混凝土的内部致密性。CNAT掺量为9%时，氯离子迁移系数不减反增，且普通混凝土的氯离子迁移系数增量最大。CNAT掺量为9%的条件下，再生骨料替代率为50%和100%时，与CNAT掺量为6%时相比，氯离子迁移系数分别增大了0.2和0.1，但始终低于CNAT掺量为3%时的氯离子迁移系数。通过以上分析可知，掺入适量的CNAT可提高再生混凝土的抗氯离子侵蚀能力，有效防止钢筋发生锈蚀。
2.6 微观分析
为深入分析CNAT掺量对混凝土抗锈蚀性能的影响，采用SEM和孔体积-孔径仪器研究混凝土的微观结构和孔结构。采用CNAT掺量为0 ~ 6%、再生骨料替代率为50%的试件，利用BET多点法研究混凝土比表面积随CNAT掺量的变化情况，利用BJH法分析相应孔径的分布特征，孔体积-孔径积分、微分分布曲线见
图14，其中，Δ
v/Δ
d表示孔体积分布密度，Δ
v/Δ
d越大，则该孔径范围内孔体积分布越密集。由
图14可知，不同CNAT掺量下，再生混凝土孔结构的分布规律相似，均主要集中在小于50 nm的孔径范围内，吸附气体体积随CNAT掺量的增加而减小。孔体积-孔径微分分布曲线在3 ~ 5 nm处达到峰值，表明在结构内部存在较多孔径为3 ~ 5 nm的孔隙。
为更直观地反映CNAT掺量对孔隙的影响，计算得到2 ~ 50 nm的中孔体积和大于50 nm的大孔体积占总孔体积的比例，见
图15。由
图15可知，再生混凝土的总孔体积、中孔及大孔体积均随CNAT掺量的增加而减小。与未掺加CNAT的试件相比，CNAT掺量为6%时，总孔体积、中孔体积和大孔体积分别减小了34.7%、26.8%和57.3%，表明掺加CNAT可填充再生混凝土的微观孔隙和裂隙，降低孔隙率，阻碍氯离子的渗透
[19]，增强再生混凝土的密实性以及内部钢筋的抗锈蚀能力。
试件内部的微观形貌见
图16。由
图16（a）和
图16（c）可知，硬化水泥砂浆中存在大量的裂缝和孔隙，且水化物之间的连接较为疏松。由
图16（b）和
图16（d）可知，硬化水泥砂浆内部存在的大量C-S-H凝胶可填充裂缝和孔隙，增大钢筋与再生混凝土之间的黏结力
[20]和结构密实度。
界面过渡区形态见
图17。通过对比可知，未掺加CNAT时，再生混凝土界面过渡区存在裂缝，砂浆区较为松散且存在大量孔隙。CNAT掺量为6%时，再生混凝土界面过渡区黏结更为紧密，孔隙较少，砂浆区更密实，表明CNAT可增大界面过渡区的黏结度，提高再生混凝土的性能。
3 结论
本文聚焦再生混凝土性能优化，探讨煅烧的纳米凹凸棒土掺量及再生骨料替代率对钢筋锈蚀与性能演变规律的影响，并结合微观结构特征，深入分析其改善机制，得出如下结论。
（1）再生骨料替代率对钢筋锈蚀率影响显著。掺入CNAT可减小再生混凝土的钢筋锈蚀率，其中，再生骨料替代率为0、CNAT掺量为6%时，钢筋锈蚀率最小。
（2）钢筋与再生混凝土之间的黏结强度随再生骨料替代率和CNAT掺量的增加先增大后减小。锈蚀24 h的条件下，再生骨料替代率为50%、CNAT掺量为6%时，黏结强度最大。
（3）CNAT可填充再生混凝土孔隙和裂缝，并生成更加稳定的硅酸盐凝胶，抑制氯离子渗透，减小钢筋与再生混凝土之间的滑移量及氯离子迁移系数，提高水泥基质的强度和耐久性。
河北省高等学校科学技术研究项目(ZC2024136)
张家口市科技发展计划项目(2322145D)
河北省建设科技研究指导性计划项目(2024-2187)
河北省建设科技研究指导性计划项目(2024-2188)
京公网安备11010202008535号
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