基于銹蝕與凍融作用下鋼筋混凝土梁的抗彎性能分析

付明春

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 瓦房店 116300)

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基于銹蝕與凍融作用下鋼筋混凝土梁的抗彎性能分析

付明春

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 瓦房店 116300)

摘要：通過實(shí)驗(yàn)室分析方法，針對(duì)鋼筋銹蝕和凍融作用對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎性能的影響進(jìn)行了重點(diǎn)分析。在深入闡述這兩種作用的影響原理基礎(chǔ)上，分析了在這兩種作用下鋼筋混凝土梁抗彎性能的計(jì)算模型。根據(jù)具體案例，探討了提高土梁抗彎性能的有效措施，為鋼筋混凝土梁的施工過程及日常維護(hù)工作提供了依據(jù)，進(jìn)一步提高了鋼筋混凝土梁建筑物的使用性能。

關(guān)鍵詞：鋼筋銹蝕；凍融作用；鋼筋混凝土梁；抗彎性能

1鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎性能的影響

1.1　實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)法

1)實(shí)驗(yàn)原理

空氣中的CO2或Cl-等酸性離子吸附在鋼筋表面，使鋼筋中的Fe2+離子形成Fe(OH)2，并進(jìn)一步氧化成水合三氧化二鐵，使鋼筋表面產(chǎn)生鐵銹[1]。鐵銹的形成會(huì)導(dǎo)致體積增大，進(jìn)而對(duì)混凝土產(chǎn)生應(yīng)力作用。當(dāng)應(yīng)力大小超出混凝土層的承受范圍時(shí)，則會(huì)使土層產(chǎn)生裂縫，進(jìn)一步加重鋼筋銹蝕。

2)實(shí)驗(yàn)步驟

①將鋼筋籠按照一定比例縮小，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用鋼支架綁扎成型；

②遵循現(xiàn)場(chǎng)攪拌、澆筑的順序進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑完畢后常規(guī)養(yǎng)護(hù)25 d；

③將土梁試件和不銹鋼片浸泡在氯化鈉溶液中，試件與電源陽極相連，不銹鋼片與陰極相連，通電后即可形成回路，從而達(dá)到電化學(xué)腐蝕的目的；

④在土梁試件兩端和幾何中心處放置應(yīng)力測(cè)試片，當(dāng)試件表面出現(xiàn)明顯裂縫時(shí)，進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)。不同應(yīng)力條件下，鋼筋應(yīng)變力隨著銹蝕率的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1　鋼筋應(yīng)變力隨銹蝕率的變化

1.2　試驗(yàn)結(jié)論

由圖1可知，鋼筋應(yīng)力隨著銹蝕率的變大表現(xiàn)出先降低后上升的變化規(guī)律。分析其原因可知：銹蝕初期，輕度銹蝕使混凝土與鋼筋間的粘連作用有一定增幅，使混凝土的承壓力變大，進(jìn)而提高鋼筋混凝土的抗彎性能；隨著銹蝕程度的加重，鋼筋混凝土梁內(nèi)部的粘連作用大幅降低，使鋼筋混凝土梁的整體承重性能惡化，造成抗彎性能降低。

將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果和文獻(xiàn)查閱結(jié)果相結(jié)合，可將銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強(qiáng)度的計(jì)算公式[2]表示如下：

(1)

其中，Mc為鋼筋混凝土梁的抗彎強(qiáng)度，αc為抗彎受力矯正因數(shù)，α1為土梁受壓區(qū)實(shí)際應(yīng)力與設(shè)計(jì)值的比值，fc為土梁橫截面的單位承壓強(qiáng)度，b為截面寬度,x為土梁銹蝕深度，h0為土梁截面的有效高度。例如，某鋼筋混凝土梁的αc和α1分別為1.612及0.93，fc、h0、b及x均經(jīng)測(cè)量得出，通過計(jì)算可得Mc=3.812 MPa。工程人員可根據(jù)計(jì)算結(jié)果清楚地了解土梁的抗彎性能，并在此基礎(chǔ)上對(duì)土梁的使用年限進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2凍融作用對(duì)土梁抗彎性能的影響

2.1　實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)過程

按照上述方法制定相同的鋼筋混凝土試件。在凍融前用10～15 ℃的水浸泡，浸泡24 h后擦干試件表面后稱重，并將其放進(jìn)注有氯化鈣溶液的凍融箱內(nèi)。凍融2～3 h后取出試件，擦干表面并稱重，同時(shí)觀察試件表面是否產(chǎn)生裂縫等變化。當(dāng)試件重量的下降幅度大等于7%時(shí)停止凍融，控制凍結(jié)和融化間的時(shí)差小于15 min[3]。

統(tǒng)計(jì)不同承載壓力下鋼筋混凝土試件的截面應(yīng)力隨凍融次數(shù)變化的規(guī)律，其變化曲線如圖2所示。

2.2　試驗(yàn)結(jié)論

分析圖2可知，在相同承壓條件下，隨著凍融次數(shù)的增加，鋼筋混凝土梁截面所受壓力也表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)。出現(xiàn)這一變化現(xiàn)象的原因有：

1)凍融操作的反復(fù)進(jìn)行造成了土梁中心軸的抗壓能力及應(yīng)變彈性降低，從而導(dǎo)致土梁截面單位面積所受壓力增大；

2)反復(fù)凍融嚴(yán)重破壞了土梁內(nèi)部的抗拉力結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土間的粘連效應(yīng)[4]，引起土梁截面受壓力的增大。

借鑒鋼筋銹蝕實(shí)驗(yàn)中的模型計(jì)算方法，可得凍融狀態(tài)下鋼筋混凝土梁的抗彎應(yīng)力計(jì)算公式：

(2)

其中，Mn為凍融作用下土梁的抗彎強(qiáng)度，γn為凍融土梁應(yīng)力值的擬合系數(shù)，αN為凍融作用下土梁抗彎應(yīng)力的特征系數(shù)值,xN為凍融作用下土梁的開裂深度，fc、b0及b的意義與(1)式相同。例如，實(shí)驗(yàn)室土梁試件在經(jīng)過90次和180次凍融后，其抗彎強(qiáng)度計(jì)算值分別為3.801 MPa和3.294 MPa。在具體實(shí)踐中可利用公式計(jì)算凍融后土梁的抗彎應(yīng)力，并判定是否需進(jìn)行土梁加固。

圖2　鋼筋混凝土試件截面應(yīng)力隨凍融次數(shù)變化

2.3　共同作用下的土梁抗彎性能分析

按照處理方式的不同對(duì)土梁進(jìn)行編號(hào)，即A(30 min 銹蝕、60次凍融)，B(30 min銹蝕、120次凍融)、C(60 min銹蝕、60次凍融)和D(60 min銹蝕、120次凍融)。將這些土梁分別放置在抗彎性能試驗(yàn)裝置中，如圖3所示，通過加大壓力，測(cè)量不同部位的壓力值，并據(jù)此確定其抗彎應(yīng)力。

圖3　抗彎性能試驗(yàn)裝置

分析結(jié)果可知，A梁和B梁的抗彎強(qiáng)度值分別為2.863 MPa和2.495 MPa，C梁和D梁的抗彎應(yīng)力分別為2.547 MPa和2.036 MPa。綜合分析可得，在鋼筋銹蝕和凍融的共同作用下，鋼筋混凝土梁的抗彎應(yīng)力計(jì)算模型為：

(3)

式(3)中，Mc和Mn分別為鋼筋銹蝕和凍融單一作用下的抗彎強(qiáng)度，c為兩種作用的耦合系數(shù)。在實(shí)際中，鋼筋銹蝕和凍融作用往往同時(shí)存在，工程技術(shù)人員可借此計(jì)算出雙重作用條件下土梁的抗彎應(yīng)力。

3提高土梁抗彎性能的方法策略

3.1　灌漿料加固

灌漿料加固是利用灌漿料對(duì)現(xiàn)有鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)、連接部位等進(jìn)行漿料灌注，以提高土梁的抗彎性能。

3.1.1可行性分析

選取原有鋼筋混凝土試件進(jìn)行灌注加固，對(duì)經(jīng)加固和未經(jīng)加固的土梁試件給予相同應(yīng)力壓迫，比較兩試件在不同荷載條件下?lián)隙鹊淖兓?，如圖4所示。

3.1.2實(shí)現(xiàn)過程

1)根據(jù)實(shí)際情況選取合適的灌漿方法，常規(guī)使用的灌漿法包括“自重灌漿”和“壓力灌漿”等[5]；

2)待加固土梁進(jìn)行表面清理后，按照既定方案進(jìn)行土梁加固；

3)灌漿結(jié)束20～30 min后，采取噴灑養(yǎng)護(hù)劑或清水的方式進(jìn)行鋼筋混凝土梁養(yǎng)護(hù)處理。

3.2　鋼筋阻銹劑的應(yīng)用

3.2.1可行性分析

通過上述試驗(yàn)內(nèi)容可知，鋼筋銹蝕過程的實(shí)質(zhì)是電化學(xué)反應(yīng)過程，鋼筋阻銹劑可降低反應(yīng)速率或阻止反應(yīng)過程的發(fā)生。鋼筋阻銹劑不僅可延長(zhǎng)土梁中鋼筋生銹的初始時(shí)間，還能顯著降低鋼筋的銹蝕速度，提高土梁的抗彎能力[6]。

通過以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)衣庫在微信端的營(yíng)銷已經(jīng)早已拋棄簡(jiǎn)單的推文推送。而是基于用戶真正的需求出發(fā)，去貼合產(chǎn)品本身進(jìn)行相關(guān)服務(wù)內(nèi)容和技術(shù)上的開發(fā)，借助新潮的數(shù)字科技以及高質(zhì)量的內(nèi)容來吸引用戶持續(xù)關(guān)注，這在某種程度上比單純依靠其來進(jìn)行促銷和公告的發(fā)布要高效得多。

3.2.2實(shí)現(xiàn)過程

1)現(xiàn)場(chǎng)考察后，對(duì)土梁表面的雜質(zhì)、油污、銹蝕及疏松物質(zhì)等進(jìn)行清理，確保土梁表面的充分外露和清潔；

圖4　對(duì)照土梁與加固試件的應(yīng)力變化

2)將事先備好的鋼筋阻銹劑均勻涂刷于土梁表面，噴涂間隔為3～4 h，反復(fù)1～2次[7]；

3)噴涂完畢后檢查覆蓋效果，對(duì)噴涂不均部位進(jìn)行二次噴涂。

4案例分析

4.1　案例工程概況

某建筑為5層“工”字形結(jié)構(gòu)，其建成時(shí)間為1957年，至今已使用57年。該建筑物東西跨度為65.31 m，南北縱深為19.97 m，總建筑面積為3 108 ㎡。由于技術(shù)限制和使用年限較長(zhǎng)，該建筑的部分地基發(fā)生輕微沉降，建筑中的鋼筋混凝土梁間距較大，土梁下端未架設(shè)承重柱，且部分土梁構(gòu)件出現(xiàn)位移或裂縫現(xiàn)象。

4.2　具體加固措施

4.2.1灌漿料加固施工

清除原混凝土梁表面的疏松或腐蝕部分，在清除部位上方30～35 mm處架設(shè)灌漿模板。采取壓力灌漿方式從模板一側(cè)向模板內(nèi)灌注漿料至另一側(cè)有漿料溢出，灌漿厚度以45～60 mm為佳。灌漿結(jié)束后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件采取有效的養(yǎng)護(hù)措施。

4.2.2鋼筋阻銹劑的使用

待上述灌漿料加固施工完畢1～2個(gè)月后，在土梁

表面涂刷阻銹劑。首先清除土梁表面的雜質(zhì)及混凝土疏松部分，確保表面的清潔與平整。其次，在土梁表面均勻涂刷鋼筋阻銹劑并晾干，如此往復(fù)1～2次。最后，檢驗(yàn)噴涂效果，對(duì)不均勻部分進(jìn)行重新噴涂。

4.3效果綜合評(píng)估

在蒙特卡羅概率方法的基礎(chǔ)上構(gòu)建耐久性計(jì)算模型[8]，對(duì)加固后建筑物和應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)施工的建筑物進(jìn)行耐久性評(píng)估，同時(shí)邀請(qǐng)專家對(duì)兩種不同施工技術(shù)條件下的施工時(shí)長(zhǎng)和資金量進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表1所示。

表1　不同施工技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土梁的影響比較分析

比較表1中的評(píng)估結(jié)果可知，應(yīng)用加固技術(shù)進(jìn)行施工的建筑使用周期更長(zhǎng)，其施工時(shí)長(zhǎng)及資金投入量均低于使用非加固施工技術(shù)的建筑。由此可知，應(yīng)用灌漿料加固及鋼筋阻銹劑涂刷等施工技術(shù)，可提高鋼筋混凝土梁的抗彎性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

5結(jié)論

鋼筋銹蝕和凍融作用均會(huì)對(duì)鋼筋混凝土梁的抗彎性能造成不利影響，進(jìn)而影響到鋼筋混凝土梁的正常使用。在不同作用下，土梁抗彎性能的變化情況互不相同。灌漿料加固技術(shù)和鋼筋阻銹劑粉刷技術(shù)可顯著提高鋼筋混凝土梁的抗彎性能，盡可能地延長(zhǎng)土梁在具體建筑物中的使用年限，兩種技術(shù)的應(yīng)用效果已在具體實(shí)踐中得到充分體現(xiàn)，應(yīng)用價(jià)值較高，可在實(shí)踐中廣泛使用。

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(責(zé)任編輯張凱校對(duì)佟金鍇)

The Flexural Performance of Reinforced Concrete Beams under the

Action of Rebar Corrosion and Freeze-thaw

FU Ming-chun

(Applied Technology College,Dalian Ocean University,Wafangdian 116300,Liaoning Province)

Abstract：The influence of reinforcement corrosion and freeze-thaw action on the flexural performance of reinforced concrete was analyzed in this paper.The calculation models under the two types actions were analyzed based on the elaboration of the two influence principles in detailed.According to the specific case,the effective measures to improve the flexural properties of concrete beam were discussed in order to provide a basis for the construction process of reinforced concrete beams and daily maintenance work,and to further improve the performance of reinforced concrete buildings.

Key words：corrosion;freeze-thaw;reinforced concrete beam;flexural performance

作者簡(jiǎn)介：付明春(1971-)，男(滿族)， 遼寧瓦房店人，講師，碩士研究生。

收稿日期：2014-11-24

中圖分類號(hào)：TU375

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)02-0189-04

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.022