銹蝕混凝土梁承載力退化的試驗(yàn)研究

，，

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

在氯鹽環(huán)境中，鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效最主要的表現(xiàn)形式[1-2].鋼筋銹蝕不僅減小鋼筋截面積，而且不均勻銹蝕引起鋼筋銹坑周圍的應(yīng)力集中導(dǎo)致鋼筋承載力大大降低，同時，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能不斷退化，降低了結(jié)構(gòu)的整體性，更為重要的是，鋼筋銹蝕生成的銹蝕產(chǎn)物體積是原鋼筋體積的2～6倍[3]，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大的銹脹力，保護(hù)層受拉而順筋開裂、剝落，結(jié)構(gòu)剛度和承載能力急劇下降[4].一旦保護(hù)層開裂，外部環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)更容易到達(dá)鋼筋表面，加劇鋼筋銹蝕，產(chǎn)生更多的銹蝕產(chǎn)物，保護(hù)層裂縫寬度進(jìn)一步增大，直至結(jié)構(gòu)因耐久性破壞而失效.因此，研究鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)承載力的影響對于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評估和設(shè)計尤為重要.

十多年來，國內(nèi)外學(xué)者在銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化方面取得了一些成果.Huang和Yang通過預(yù)制裂縫梁的腐蝕試驗(yàn)，表明極限荷載和剛度的降低主要取決于混凝土質(zhì)量和預(yù)制裂縫[5].Ballim等人考慮工作荷載對銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力的影響，對于給定的銹蝕率，發(fā)現(xiàn)變形率隨著工作荷載的增大而增大，極限承載力下降主要由控制截面處的最大坑蝕所控制[6-7].Mangat和Algarf基于111根混凝土梁的快速銹蝕試驗(yàn)，提出了構(gòu)件剩余彎曲強(qiáng)度的計算模型，當(dāng)銹蝕程度較高時，預(yù)測結(jié)果偏于保守，而且需要實(shí)測銹蝕電流作為模型輸入?yún)?shù)，不便于工程應(yīng)用[8].金偉良和趙羽習(xí)采用快速銹蝕試驗(yàn)研究了17根混凝土梁的承載力，通過擬合給出了鋼筋銹蝕率對混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同工作系數(shù)的影響公式[9].以上結(jié)論大多基于梁的平截面假設(shè)，采用協(xié)同工作系數(shù)近似考慮粘結(jié)性能的降低，再按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算銹蝕混凝土梁的承載力.但是，這種方法僅適用于鋼筋銹蝕量較小、保護(hù)層尚未開裂、粘結(jié)性能下降不大的情況.因此，在前人工作的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究銹蝕混凝土梁的力學(xué)性能退化規(guī)律，并對各關(guān)鍵影響因素進(jìn)行評價.

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用杭州錢潮水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥.細(xì)骨料為中河砂，試驗(yàn)時篩除尺寸大于4.75 mm的卵石，表觀密度為2 650 kg/m3.粗骨料是經(jīng)過清洗和過篩的石灰?guī)r碎石，尺寸為4.75～26.5 mm，表觀密度為2 670 kg/m3.鹽采用浙江省鹽業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)的銀濤牌工業(yè)精制鹽，熔點(diǎn)為801 ℃，沸點(diǎn)為1 413 ℃，純度為94%.混凝土水灰比分別取0.35，0.45，0.55，各水灰比下混凝土的配合比和實(shí)測抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量如表1所示.

表1 混凝土配合比和力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)著重考慮影響混凝土耐久性的三個主要因素：銹蝕電流密度、水灰比和保護(hù)層厚度，為了研究它們對銹蝕混凝土梁承載力的影響，設(shè)計了7組混凝土梁試件，如表2所示.這里需要指出的是，由于銹蝕率與銹蝕電流密度的平方根成正比[3,10]，銹蝕電流密度在某種意義上反映了鋼筋的銹蝕程度.每根梁試件的幾何尺寸均為150 mm×100 mm×900 mm，其配筋如圖1所示.為了便于控制保護(hù)層厚度，縱筋伸出混凝土兩端，并用環(huán)氧樹脂和絕緣膠布在箍筋和縱筋的接觸處進(jìn)行絕緣處理.本試驗(yàn)共澆鑄了58個梁試件，每個試件一次成型，振動臺震動15 s后抹平，放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，24 h時后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，每組取2個梁試件進(jìn)行正常加載和重復(fù)加載.用安裝有壓力傳感器的手動式液壓千斤頂兩點(diǎn)對稱加載，加載點(diǎn)離梁試件端部250 mm，中間400 mm為無剪力的純彎段，通過應(yīng)變儀連接壓力傳感器來控制每次的加載值，在梁試件的跨中和兩支座處安裝百分表測量跨中撓度和支座位移.試驗(yàn)過程中記錄梁側(cè)面裂縫圖案、跨中撓度和支座位移、開裂荷載和破壞荷載.其余梁試件焊接導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂密封外露鋼筋，待環(huán)氧樹脂固化后放入溶度為3.5%的鹽水中浸泡48 h，然后接入可變電阻與電源調(diào)試電流，穩(wěn)定后開始通電銹蝕試驗(yàn).通電過程中適時觀測試件的各種現(xiàn)象，特別是電流的變化以及裂縫的發(fā)展情況，通過可變電阻保持電流穩(wěn)定.裂縫出現(xiàn)后，在梁試件的純彎段等間距取5個點(diǎn)測量裂縫寬度，再取其平均值作為裂縫寬度.當(dāng)梁試件達(dá)到初裂、裂縫寬度為0.1 mm、裂縫寬度為0.3 mm和裂縫寬度為0.5 mm時，記錄銹蝕時間，并分別每組取出2根梁試件按上面的加載程序進(jìn)行加載試驗(yàn).

表2 各組梁試件的銹蝕電流密度、水灰比和保護(hù)層厚度

圖1 混凝土梁的幾何尺寸和配筋

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 裂縫分布

圖2給出了三種典型狀態(tài)下梁試件S4的裂縫分布，圖2中的數(shù)字表示裂縫延伸到該處時所對應(yīng)的荷載值.圖2(a)為無銹蝕梁，裂縫分布比較均勻，開裂荷載為20 kN，開裂后混凝土與鋼筋產(chǎn)生相對滑移，由于受粘結(jié)力的限制，裂縫擴(kuò)展比較緩慢，當(dāng)加載到20～30 kN時，純彎段出現(xiàn)多條新裂縫，而且支座處也出現(xiàn)兩條斜裂縫，當(dāng)荷載超過35 kN后不再出現(xiàn)新裂縫，但原裂縫隨著荷載的增大而不斷擴(kuò)展.當(dāng)荷載達(dá)到67.5 kN時，裂縫突然擴(kuò)大，撓度急劇增大，鋼筋開始屈服，梁達(dá)到承載力的極限值.圖2(b)為銹蝕至初裂的梁，由于銹蝕程度不高，銹蝕產(chǎn)物膨脹增大了混凝土對鋼筋的法向壓力，提高了它們之間的粘結(jié)力，因而裂縫間距更小，初裂荷載和破壞荷載均有一定程度的提高.圖2(c)為銹蝕至表面裂縫寬度為0.05 mm的梁，由于梁底部的縱向裂縫減小了混凝土與鋼筋之間的機(jī)械咬合力，降低了它們的粘結(jié)力，與圖2(a)相比，裂縫間距明顯增大，而且初裂荷載和極限荷載均有不同程度的降低.其他梁的裂縫分布與S4梁類似.

圖2 混凝土梁S4的裂縫分布

2.2 荷載-撓度曲線

圖3給出了混凝土梁S4的荷載-撓度曲線，圖3中的曲線1-5分別對應(yīng)于無銹蝕、銹蝕至初裂、銹蝕至縱向裂縫寬度0.01，0.03，0.05 mm的梁.從圖3可以看出：當(dāng)荷載小于初裂荷載時，荷載與撓度幾乎成線性關(guān)系，當(dāng)荷載大于初裂荷載時，梁剛度隨著裂縫的延伸和新裂縫的產(chǎn)生而不斷降低，曲線逐漸偏離原點(diǎn)的切線，當(dāng)荷載接近破壞荷載時，梁撓度急劇增大，表明梁中的鋼筋已經(jīng)開始屈服.從圖3還可以看出：曲線2和曲線1幾乎重合，表明盡管銹蝕減小了鋼筋的截面積，由于銹蝕程度不高，銹蝕產(chǎn)物膨脹增大了混凝土對鋼筋的法向壓力，提高了它們之間的粘結(jié)力，梁剛度幾乎沒什么變化.再比較曲線1和曲線3，4，5可以看出：在鋼筋銹蝕至一定的縱向裂縫寬度后，梁底部的縱向裂縫減小了混凝土與鋼筋之間的機(jī)械咬合力，降低了它們的粘結(jié)力，而且鋼筋的截面積也減小，因此，梁的剛度和承載力均下降，而且縱向表面裂縫寬度越大，梁剛度和承載力下降越多.

圖3 混凝土梁S4的荷載-撓度關(guān)系

2.3 承載力退化

圖4-6給出了鋼筋銹蝕程度、銹蝕電流密度、水灰比和保護(hù)層厚度對梁承載力退化的影響，橫坐標(biāo)表示梁銹蝕狀態(tài)，數(shù)字1-5分別對應(yīng)無銹蝕、銹蝕至初裂、銹蝕至縱向裂縫寬度0.01，0.03，0.05 mm的梁.從圖4-6可以看出：梁承載力并非隨著鋼筋銹蝕程度的增大而單調(diào)減小，而存在一個臨界裂縫寬度，當(dāng)銹蝕縱向裂縫寬度小于0.01 mm時，梁承載力隨著銹蝕程度的增大略有增大，表明銹蝕產(chǎn)物膨脹提高混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力成為主要因素，而鋼筋截面積減小則是次要因素；當(dāng)銹蝕縱向裂縫寬度大于0.01 mm時，梁承載力隨著銹蝕程度的增大而減小，表明鋼筋截面積減小和縱向裂縫降低混凝土與鋼筋之間的機(jī)械咬合力成為主要因素，銹蝕產(chǎn)物膨脹則是次要因素.從圖4可以看出：銹蝕電流密度越大，梁承載力退化越緩慢，這可能是因?yàn)殇P蝕電流密度大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的鐵銹體積大，由于鐵銹產(chǎn)物不能很好地從裂縫中擴(kuò)散出去，增大了混凝土對鋼筋的法向壓力，提高了混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力.圖5表明：水灰比越大，混凝土強(qiáng)度越低，梁承載力也越?。辉搱D5也表明：水灰比越大，梁承載力退化越快，這是因?yàn)樗冶仍酱?，在給定水化度下混凝土的孔隙率越高，有利于銹蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散，降低了混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力.圖6清楚地表明：保護(hù)層越厚，梁截面受彎的有效高度越小，無銹蝕梁的承載力下降；該圖也表明，保護(hù)層越厚，梁承載力退化越緩慢，一方面是保護(hù)層越厚，銹蝕產(chǎn)物不易通過縱向裂縫擴(kuò)散出去，提高了混凝土與鋼筋的粘結(jié)力，另一方面，保護(hù)層越厚，在混凝土表面裂縫寬度相等的情況下，鋼筋表面的縱向裂縫寬度相對較小，縱向裂縫對混凝土與鋼筋之間機(jī)械咬合力的減小幅度也較小.因此，增大保護(hù)層厚度不僅延長氯離子到達(dá)鋼筋表面的時間，而且減緩結(jié)構(gòu)承載力的下降，是混凝土材料和結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的一項重要措施.

圖4 銹蝕電流密度對梁承載力退化的影響

圖5 水灰比對梁承載力退化的影響

圖6 保護(hù)層厚度對梁承載力退化的影響

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)研究得到如下結(jié)論：1) 當(dāng)鋼筋銹蝕程度較小時，梁在荷載作用下的橫向裂縫間距較小；當(dāng)鋼筋銹蝕程度較大時，梁在荷載作用下的橫向裂縫間距較大.2) 鋼筋銹蝕對梁開裂荷載影響不大.3) 梁承載力與鋼筋銹蝕程度有關(guān)，當(dāng)銹蝕裂縫寬度小于0.01 mm時，梁承載力隨著銹蝕程度的增大略有提高，而當(dāng)銹蝕裂縫寬度大于0.01 mm時，梁承載力隨著銹蝕裂縫寬度的增大而不斷降低.4) 銹蝕電流密度、保護(hù)層厚度和水灰比對梁承載力退化速率均有不同程度的影響，增大銹蝕電流密度或保護(hù)層厚度會減小梁承載力退化速度，而提高水灰比會增大梁承載力退化速度.

鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)承載力退化是一個極為復(fù)雜的問題，筆者僅在此方面做了一些初步嘗試，今后擬在如下兩方面進(jìn)行進(jìn)一步探索：1) 實(shí)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均同時承受環(huán)境因素和荷載作用，可以通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)分析這種耦合作用對混凝土結(jié)構(gòu)承載力退化的影響.2) 幾乎所有結(jié)構(gòu)在使用期間都會承受各種隨機(jī)或動力荷載作用，可以將試驗(yàn)與理論計算相結(jié)合分析其他反復(fù)荷載或動力荷載作用下銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化特性.

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