銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究現(xiàn)狀

曲 偉 偉

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究現(xiàn)狀

曲 偉 偉

(太原市住宅保障中心，山西 太原 030001)

從銹蝕鋼筋的力學(xué)性能、微觀特征、粘結(jié)性能、銹蝕率對鋼筋屈服強度的影響四個方面入手，分析了銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能進行了歸納總結(jié)，以供參考應(yīng)用。

銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能，微觀特性，粘結(jié)性能

銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷是指由于鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化。隨著時間的增加，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力也在下降，而造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力下降的主要原因是鋼筋的銹蝕。同時鋼筋銹蝕也是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。鋼筋銹蝕造成結(jié)構(gòu)破壞的具體原因主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先是由于隨著鋼筋銹蝕，鋼筋的橫截面逐漸減小，鋼筋的受拉壓彎扭的橫截面面積減小，同時鋼筋與混凝土粘結(jié)面積減小，所以降低了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；其次是由于鋼筋在銹蝕過程中，會產(chǎn)生化學(xué)變化，產(chǎn)生大量的氣體，如O2，CO2等，此現(xiàn)象造成鋼筋混凝土的體積膨脹，此膨脹力會對混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大的拉張力，最終將導(dǎo)致混凝土從內(nèi)部向外產(chǎn)生裂縫，使混凝土的強度和剛度大幅降低。最重要的是鋼筋與混凝土粘結(jié)性能降低，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能降低，繼而影響鋼筋混凝土的正常使用；最后是由于鋼筋銹蝕在混凝土中產(chǎn)生相當大的拉應(yīng)力，使鋼筋混凝土承受雙向或三向應(yīng)力，另外由于鋼筋在銹蝕過程中，會產(chǎn)生化學(xué)變化，產(chǎn)生新的雜質(zhì)，從而降低了鋼筋混凝土的延性[1]。根據(jù)理論和實際工程廣泛的應(yīng)用得知，鋼筋銹蝕會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力產(chǎn)生很大的影響，局部損傷會導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失去承載性能，最終由于一部分的破壞導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞，甚至導(dǎo)致整個建筑處于很危險的境地，給經(jīng)濟建設(shè)造成不可挽回的損失。

1 銹蝕鋼筋的力學(xué)性能

鋼筋銹蝕后，使得鋼筋的屈服強度和鋼筋剛度產(chǎn)生很大的降低，使得整體鋼筋混凝土的承載能力下降。要想判斷一個鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力下降的程度，了解鋼筋銹蝕后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律，就需要充分掌握鋼筋銹蝕后鋼筋內(nèi)部和混凝土內(nèi)部的力學(xué)性能和金相組織變化規(guī)律。進入21世紀，隨著科學(xué)技術(shù)和土木工程技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外的很多科研工作者對銹蝕鋼筋的力學(xué)性能做了大量的研究[2]?；菰屏醄3]引用中國建筑科學(xué)研究院以及西安建筑科技大學(xué)的部分試驗數(shù)據(jù)，研究了銹蝕鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化特征以及對應(yīng)的屈服點的特征。然后對21根不同銹蝕量的鋼筋進行了冷彎試驗來了解銹蝕鋼筋的冷彎性能，通過大量的實驗研究和金相組織對比觀察，得到了鋼筋銹蝕后截面損失率與重量損失率之間的統(tǒng)計關(guān)系，提出了銹蝕鋼筋的屈服強度與銹蝕鋼筋截面銹蝕率之間的計算方法以及建議取值：

(1)

(2)

σus=(1-0.69ηs)fu

(3)

還有其他的學(xué)者通過對上述三式的修正，得到了銹蝕鋼筋的屈服強度與銹蝕鋼筋截面銹蝕率之間的簡化計算方法：

σys=(1-1.077ηs)fy

(4)

σus=(1-0.805ηs)fu

(5)

對于式(1)～式(5)，當ηs≤15%時，公式σys=(1-1.077ηs)fy的計算準確率會高；當ηs≥15%時，公式σus=(1-0.805ηs)fu的計算準確率會高。

Tomosawa F等[4]考慮了鋼筋的兩種銹蝕方法，包括均勻銹蝕和坑狀銹蝕。通過實驗研究了兩種銹蝕對鋼筋屈服強度的影響。同時基于實驗數(shù)據(jù)得到了銹蝕鋼筋屈服強度的誘導(dǎo)公式。當δ<3%時，銹蝕鋼筋的屈服強度的減小量小于3%，銹蝕鋼筋混凝土的力學(xué)分析時，可不考慮銹蝕鋼筋對鋼筋混凝土力學(xué)特性的影響；當δ>15%時，此時銹蝕鋼筋的屈服點不明顯，伸長率小于規(guī)范允許的最小值。

對于鋼筋的均勻銹蝕，其表達式表示為：

(6)

對于鋼筋的坑狀銹蝕，其表達式為：

(7)

其中，fy為原始鋼筋的屈服強度；fyc為銹蝕鋼筋的屈服強度；δ為鋼筋的質(zhì)量損失率。

李鳳蘭等[5]根據(jù)式(6)和式(7)得到了銹蝕鋼筋的屈服強度，并將銹蝕鋼筋的計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如表1所示。

其中，fys為銹蝕鋼筋的屈服強度的試驗值，由表1中實測值與計算值比值的平均值為0.979，標準差為0.047。

2 銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的微觀特征

章鑫森等[6]通過顯微電鏡對大量銹蝕鋼筋表面特征的觀測，結(jié)合鋼筋銹蝕的電化學(xué)理論可知，鋼筋銹蝕均由大量坑狀銹斑組成，隨著銹蝕量的增大，銹蝕的離散性逐漸增大。當鋼筋的銹蝕處于初始階段時，銹蝕程度不高，鋼筋銹蝕的深度很淺，此種情況的鋼筋銹蝕可以看作為均勻銹蝕。隨著鋼筋的銹蝕程度逐漸增加時，鋼筋銹蝕的深度開始變深，此時不能將銹蝕看作是均勻銹蝕，部分銹斑變成為銹坑，銹蝕影響開始向鋼筋內(nèi)部擴展，此種情況的鋼筋銹蝕可以看作為坑狀銹蝕。鑒于銹蝕鋼筋表面的不對等性，將鋼筋銹蝕程度用平均銹蝕率表示，平均銹蝕率定義為銹蝕的鋼筋與無銹蝕鋼筋的質(zhì)量比。

3 銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能

對于鋼筋混凝土來說，完好鋼筋混凝土具有很好的力學(xué)性能，主要是由于鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力導(dǎo)致的。當鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力最大時，其粘結(jié)性能最好。所以粘結(jié)性能是鋼筋和混凝土之間相互作用、相互耦合的主要因素。隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開始對銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能的研究主要側(cè)重于三種研究方法：首先可以通過制備試件進行現(xiàn)場實驗研究；其次可以通過一定假設(shè)建立正確幾何模型推導(dǎo)出理論計算公式；最后通過有限元軟件對所研究的幾何模型進行數(shù)值分析。

表1 銹蝕鋼筋的計算值和實驗值

J Casal等[7]通過拔出實驗，對不同銹蝕率的鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能進行了實驗，通過實驗結(jié)果得到：當鋼筋的銹蝕程度較小時，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)強度隨銹蝕量的增加而增加，但隨著鋼筋銹蝕程度的嚴重，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)強度將明顯減小。G.J.Al-Sulaimani等[8]通過混凝土粘結(jié)性能拔出實驗來研究鋼筋銹蝕和粘結(jié)劑開裂的力學(xué)機理與鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)強度的影響?；炷琳辰Y(jié)性能拔出實驗是用來模擬嚴重的局部銹蝕，而梁測試是模擬鋼筋表面相對均勻的銹蝕。

4 銹蝕率對鋼筋屈服強度的影響

通過理論知識得知，鋼筋的銹蝕程度有兩種表示方法，分別為：截面損失率和質(zhì)量損失率[9]。

對于鋼筋的銹蝕程度，我們可以采用質(zhì)量損失率δ來表示[5]：

(8)

其中，m0為原始鋼筋的質(zhì)量；mc為銹蝕鋼筋的質(zhì)量。

當鋼筋的銹蝕處于初始階段，銹蝕為均勻銹蝕時，此時銹蝕程度不高，鋼筋銹蝕的深度很淺，鋼筋的截面損失率和質(zhì)量損失率近似相等；隨著鋼筋的銹蝕程度逐漸增加時，鋼筋銹蝕的深度開始變深，鋼筋的銹蝕為坑狀銹蝕，質(zhì)量損失率和截面損失率完全不同，此時的鋼筋的截面損失率遠大于質(zhì)量損失率。

銹蝕鋼筋的名義強度是基于未銹蝕鋼筋的公稱面積得出的。銹蝕鋼筋的力學(xué)性能變化主要是由鋼筋截面面積減少引起的。鋼筋的屈服荷載和極限荷載取決于鋼筋的最小剩余截面面積，最大蝕坑深度是影響鋼筋力學(xué)性能的主要因素。

5 結(jié)語

本文從銹蝕鋼筋的力學(xué)性能、銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的微觀特征、銹蝕鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能、銹蝕率對鋼筋屈服強度的影響四個方面對銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了詳細的論述。

[1] 蘇 剛.銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評估研究現(xiàn)狀[J].IM&P化工礦物與加工,2002(5):29-31.

[2] 毛蘇毅.銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力研究現(xiàn)狀[J].山西建筑,2007,33(34):85-86.

[3] 惠云玲，柳志伸，李 榮.銹蝕鋼筋性能試驗研究[J].工業(yè)建筑，1997，27(6):10-13.

[4] Lee H S,Noguchi T,Tomosawa F.FEM analysis for structural performance of deteriorated RC structures due to rebar corrosion[C].Proceedings of the Second International Conference on Concrete under Severe Conditions,Troms,Norway,1998:327-336.

[5] 李鳳蘭,侯維玲,侯朋兵.銹蝕鋼筋的力學(xué)性能試驗研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,2013,34(4):61-64.

[6] 章鑫森,戴靠山.銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化模型[J].重慶建筑,2004(S1):84-85.

[7] J Rodriguez,LM Ortega,J Casal.Load carrying capacity of concrete structures with corroded reinforcement[J].Construction and Building Material,1997,11(4)：239-248.

[8] G.J.Al-Sulaimani,M.Kaleemullah,I.A.Basunbul,et al.Influence of Corrosion and Cracking on Bond Behavior and Strength of Reinforced Concrete Members[J].Structural Journal,1990,87(2):220-231.

[9] 侯鵬兵.不均勻銹蝕鋼筋混凝土梁承載力試驗研究[D].鄭州:華北水利水電學(xué)院,2012.

Research status of corroded steel reinforced concrete structure performance

QU Wei-wei

(TaiyuanHousingGuaranteeCenter,Taiyuan030001,China)

The paper analyzes factors influencing steel yield strength from four aspects of mechanical performance, micro-specialty, adhesive property and corrosion rate, discusses domestic and abroad research status of corroded steel reinforced concrete structure performance, and summarizes corroded steel reinforced concrete structure performance, with a view to provide some guidance.

corroded reinforced concrete structure, mechanical performance, micro-specialty, adhesive property

1009-6825(2014)30-0055-02

2014-07-16

曲偉偉(1983- )，女，工程師

TU375

A