混凝土構(gòu)件銹脹裂縫寬度與銹蝕量關(guān)系的試驗(yàn)研究

萬(wàn)勝武，徐杰

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢430065）

混凝土構(gòu)件銹脹裂縫寬度與銹蝕量關(guān)系的試驗(yàn)研究

萬(wàn)勝武，徐杰

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢430065）

主要研究了混凝土開(kāi)裂后裂縫寬度與鋼筋銹蝕量之間的關(guān)系，并通過(guò)18組150 mm×150 mm ×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的銹蝕對(duì)比試驗(yàn)，得出了銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕深度之間呈線性關(guān)系，并分析了鋼筋截面損失率對(duì)鋼筋銹蝕深度的影響；鑒于銹脹裂縫相對(duì)鋼筋銹蝕率的觀測(cè)更容易，給出了由裂縫寬度推測(cè)鋼筋銹蝕量的公式。不僅對(duì)工程實(shí)踐中鋼筋銹蝕量的無(wú)損檢測(cè)有很大幫助，而且可以為建筑結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估提供依據(jù)。

鋼筋銹蝕率；裂縫寬度；銹蝕深度；截面損失率；無(wú)損檢測(cè)

混凝土中鋼筋銹蝕主要有兩種形式：均勻銹蝕和坑蝕，其中坑蝕是自然條件下混凝土中鋼筋銹蝕的主要形式。國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件銹蝕力學(xué)性能的研究大部分都是基于鋼筋的均勻銹蝕而進(jìn)行的。張偉平［1］對(duì)鋼筋銹蝕體積膨脹引起混凝土脹裂損傷機(jī)理進(jìn)行了有限元分析，建立了混凝土脹裂時(shí)鋼筋截面損失率的理論計(jì)算模型。Andrade等［2］和王深［3］對(duì)混凝土銹脹開(kāi)裂的開(kāi)裂條件和開(kāi)裂后銹蝕量與裂縫寬度的關(guān)系進(jìn)行了研究，給出了混凝土銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕量的定量關(guān)系。本文采用快速銹蝕試驗(yàn)法對(duì)18組試件進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得出了不同鋼筋布置情況下混凝土銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕量之間的定量關(guān)系，同時(shí)推出了由裂縫寬度預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕深度的表達(dá)式，可應(yīng)用于工程實(shí)踐中在不破壞原有結(jié)構(gòu)的情況下更為準(zhǔn)確地推測(cè)鋼筋的銹蝕量以及構(gòu)件的耐久性評(píng)估。

1　銹蝕裂脹與相關(guān)公式

1.1混凝土銹蝕裂脹過(guò)程

當(dāng)混凝土構(gòu)件處于氯化物含量高的環(huán)境中，氯離子能滲透和擴(kuò)散進(jìn)入混凝土，致使鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)物的體積是鋼筋體積的2～4倍，銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹使鋼筋周圍混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。隨著鋼筋銹蝕物的積累，環(huán)向拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在鋼筋和混凝土界面處將產(chǎn)生內(nèi)部徑向裂縫［4］。隨著鋼筋銹蝕的持續(xù)，鋼筋銹蝕量增加，徑向裂縫向混凝土表面發(fā)展，最終造成混凝土保護(hù)層開(kāi)裂甚至脫落?；炷帘Ｗo(hù)層的銹蝕裂脹過(guò)程如圖1所示。

圖1　混凝土保護(hù)層的裂脹過(guò)程示意

1.2計(jì)算公式

1）裂縫寬度與鋼筋銹蝕深度的關(guān)系式

由Andrade等［2］提出的公式（1）和王深［3］提出的公式（2），均為由試驗(yàn)結(jié)果回歸分析得出的直線方程。

式中：w為裂縫寬度；x為鋼筋銹蝕深度。

2）鋼筋的截面損失率表達(dá)式

鋼筋銹蝕程度通常用失重率或截面損失率表示。失重率反映的是整根鋼筋的銹蝕程度。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身和銹蝕過(guò)程的復(fù)雜性，導(dǎo)致銹蝕過(guò)程的不均勻性，從而使兩者有比較大區(qū)別［5］。所以，通常在考慮混凝土縱向開(kāi)裂和鋼筋與混凝土黏結(jié)力下降時(shí)用失重率較好；而對(duì)于鋼筋承載力下降，由于試驗(yàn)關(guān)心的是其破壞截面的銹蝕程度，因此用截面損失率較為合適。

鋼筋銹蝕前鋼筋截面積為

鋼筋銹蝕后鋼筋截面積為

鋼筋銹蝕深度x與鋼筋截面損失率K的關(guān)系為

式中：K為鋼筋截面損失率；d為鋼筋直徑，mm。

2　試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)方案

為了得到裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系式，通過(guò)電化學(xué)快速腐蝕方法進(jìn)行54個(gè)混凝土配筋試塊銹脹裂縫寬度的試驗(yàn)研究。試塊尺寸為150 mm× 150 mm×150 mm。試塊中無(wú)箍筋，目的是為了盡量排除鋼筋相鄰位置銹脹開(kāi)裂的相互影響，得到均勻銹蝕情況下的w-x關(guān)系式。試塊鋼筋直徑d分別取16，20，25 mm，混凝土等級(jí)為C20，保護(hù)層厚度c分別取25，30，35 mm。試塊分為18組，每組3個(gè)試塊，其中A，B，C組中鋼筋位于一般位置，D，E，F(xiàn)組中鋼筋位于角區(qū)。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　試塊參數(shù)

試塊中鋼筋位于一般位置和鋼筋位于角區(qū)的布置示意如圖2。

圖2　鋼筋布置示意（單位：mm）

為了模擬混凝土中鋼筋銹蝕的過(guò)程，采用電化學(xué)快速銹蝕的方法，即將試塊浸泡在濃度為5%的NaCl溶液中，按圖3所示的試驗(yàn)法對(duì)混凝土試塊中的鋼筋接通直流電3～10 d。

圖3　試驗(yàn)裝置示意

2.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)通電結(jié)束后，用裂縫測(cè)寬儀測(cè)得開(kāi)裂后的裂縫寬度。然后敲碎混凝土，取出生銹鋼筋，經(jīng)稀鹽酸溶液除銹并干燥處理后，用天平稱量鋼筋的質(zhì)量，并用千分尺測(cè)量鋼筋3個(gè)截面的直徑，從而計(jì)算銹蝕深度和鋼筋截面腐蝕率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

3　試驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果擬合

由試驗(yàn)值擬合的裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)：裂縫寬度都隨銹蝕程度的加深而增大；鋼筋位于一般位置時(shí)裂縫寬度分布在0.6～2.2 mm之間，而鋼筋位于角區(qū)時(shí)裂縫寬度分布在0.15～1.2 mm之間。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼筋位于角區(qū)時(shí)開(kāi)裂方式比較復(fù)雜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多條裂縫，當(dāng)只有一條表面裂縫時(shí)，在其他方向也可能有未貫通的裂縫可以容納銹蝕產(chǎn)物，所以鋼筋位于角區(qū)時(shí)裂縫比鋼筋位于一般位置時(shí)要?。?-11］。圖4中鋼筋位于一般位置時(shí)銹蝕深度分布在0.15～0.6 mm之間，而鋼筋位于角區(qū)時(shí)銹蝕深度分布在0.025～0.3 mm之間，說(shuō)明就鋼筋腐蝕引起的保護(hù)層開(kāi)裂而言，鋼筋位于角區(qū)時(shí)保護(hù)層的開(kāi)裂裂縫明顯小于鋼筋位于一般位置時(shí)，鋼筋的腐蝕程度也要小于鋼筋位于一般位置時(shí)。

表2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4　裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

1）鋼筋位于一般位置時(shí)，得出的裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系式為

由圖4（a）可以看出，鋼筋銹蝕深度與裂縫寬度之間存在較好的線性關(guān)系，且混凝土保護(hù)層裂縫寬度集中于1.2～1.8 mm之間。

2）鋼筋位于角區(qū)時(shí)，得出的裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系式為

雖然線性回歸得出了關(guān)系式，但是可以看到圖4（b）中的數(shù)據(jù)點(diǎn)較為離散，可能是因?yàn)殇摻钗挥诮菂^(qū)時(shí)開(kāi)裂方式比較復(fù)雜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多條裂縫，因此數(shù)據(jù)離散，且其裂縫寬度值較一般位置時(shí)要小許多。

3）鑒于工程實(shí)踐中銹脹裂縫較鋼筋銹蝕率更易觀測(cè)，可將圖4轉(zhuǎn)換為圖5，即由裂縫寬度確定鋼筋銹蝕深度。

圖5　鋼筋銹蝕深度x與裂縫寬度w的關(guān)系

4）裂縫寬度w與鋼筋截面損失率K的關(guān)系式

鋼筋位于一般位置時(shí)，將圖5中擬合的關(guān)系式代入式（5），得到用裂縫寬度w表示鋼筋截面損失率K的表達(dá)式為

鋼筋位于角區(qū)時(shí)，相應(yīng)地用裂縫寬度w表示鋼筋截面損失率K的表達(dá)式為

4　結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合和分析，得出了鋼筋布置不同位置時(shí)裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系式。鋼筋位于一般位置時(shí)x=0.231 0w+0.025 4，鋼筋位于角區(qū)時(shí)x=0.250 6w+0.001 5。

2）鋼筋截面損失率K的表達(dá)式分為鋼筋位于一般位置和鋼筋位于角區(qū)2種情況。鋼筋位于一般位置時(shí)，K=1-［d-2（0.231 0w+0.025 4）］2/d2；鋼筋位于角區(qū)時(shí)，K=1-［d-2（0.250 6w+0.001 5）］2/d2。在實(shí)際的無(wú)損檢測(cè)工程中，確定構(gòu)件的截面尺寸和鋼筋的分布情況，再測(cè)量混凝土裂縫寬度和鋼筋直徑來(lái)計(jì)算鋼筋的截面損失率，推斷鋼筋的銹蝕程度。

［1］張偉平.混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕損傷預(yù)測(cè)及其耐久性評(píng)估［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，1999.

［2］ANDRADE C，ALONSO C，MOLINA F J.Cover Cracking as a Function of Bar Corrosion：Part 1—Experimental Test［J］. Materials and Structures，1993，26（10）：453-464.

［3］王深.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹裂縫的研究及耐久性評(píng)估［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2000.

［4］趙春紅.混凝土鋼筋銹蝕檢測(cè)技術(shù)研究［J］.中國(guó)公路，2016（5）：138-139.

［5］王曉剛，杜相波，閏軍印，等.混凝土構(gòu)件中鋼筋銹蝕的電加速技術(shù)對(duì)比試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36（1）：104-110.

［6］劉榮桂，喻孟雄.混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)間的計(jì)算模型［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，37（2）：219-224.

［7］吳鋒，張章，龔景海.基于銹脹裂縫的銹蝕梁鋼筋銹蝕率計(jì)算［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34（10）：144-150.

［8］成立，鄧春林，王新詳，等.鋼筋銹蝕狀況的分析研究［J］.鐵道建筑，2007（5）：100-102.

［9］姜慧，喻孟雄，劉榮桂.混凝土保護(hù)層均勻銹脹內(nèi)裂分析［J］.混凝土，2014（9）：1-4.

［10］鄭穎穎，徐亦冬.混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂研究進(jìn)展［J］.混凝土，2015（6）：26-31.

［11］張勇，杜修力，李悅，等.荷載與溶液腐蝕耦合作用下鋼筋銹蝕速率試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2013（4）：145-148.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Experimental Study on Relationship Between Crack Width and Corrosion Extent of Concrete Members

WAN Shengwu，XU Jie
（Institute of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430065，China）

T he paper focuses on the relationship between crack width and steel corrosion extent after concrete cracking.T hrough analysis of 18 groups cube specimens（150 mm×150 mm×150 mm），the relation between crack width and steel corrosion depth，which is linear，can be got.T he relation between steel corrosion depth and steel section loss rate can also be indicated.T herefore，T he extent of steel corrosion can be forecasted by crack width.T he results can be used to get the extent of steel corrosion with nondestructive testing（NDT），and provide a basis for the durability assessment in engineering practice.

Steel corrosion rate；Crack width；Corrosion depth；Section loss rate；Nondestructive testing（NDT）

TU528.01

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.34

1003-1995（2016）10-0128-05

2016-06-04；

2016-07-20

萬(wàn)勝武（1964—），男，副教授，碩士。