鋼筋銹蝕對橋梁樁基礎(chǔ)混凝土性能的影響研究

姚劍虹

（甘肅恒石公路檢測科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 試驗(yàn)基本原理

1.1 鋼筋銹蝕對混凝土結(jié)構(gòu)性能的影響機(jī)理

鋼筋發(fā)生銹蝕后, 導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件性能下降的原因主要有以下兩方面[1]：a.銹蝕對鋼筋屈服強(qiáng)度的影響。鋼筋銹蝕從點(diǎn)蝕開始，后期逐漸演變成坑蝕，然后逐步蔓延開來，最終將形成全面銹蝕。銹蝕后，鋼筋體積會膨脹，混凝土內(nèi)部將逐漸沿著主筋，逐漸形成裂縫，一旦形成裂縫，將造成鋼筋銹蝕進(jìn)一步加快，情況嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)斐杀Ｗo(hù)層剝落，最終導(dǎo)致構(gòu)件有效橫截面面積不足，承載力降低。b.銹蝕對粘結(jié)性能的影響。粘結(jié)性能主要表現(xiàn)為鋼筋與混凝土之間的化學(xué)膠著力、相互間的摩擦力以及機(jī)械咬合力三大部分。良好的粘結(jié)性能是這兩種不同材料能否很好地共同作用的基本前提。發(fā)生銹蝕后，在鋼筋表面將形成一層鐵銹層，其存在使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的粘結(jié)性能大幅降低。并且鋼筋發(fā)生銹蝕后體積會膨脹，鐵銹的體積約為鋼筋的2～4 倍[2]，并且它與混凝土相互作用，從而導(dǎo)致粘結(jié)性能降低，并最終造成構(gòu)件承載力減小。

1.2 鋼筋電化學(xué)快速銹蝕試驗(yàn)原理

鋼筋電化學(xué)快速銹蝕方法是通過對鋼筋施加外加電流，達(dá)到鋼筋在短期內(nèi)快速銹蝕的目的的一種方法。在一定試驗(yàn)條件下，電化學(xué)快速銹蝕方法與自然銹蝕原理基本相同，都是一種較長的電化學(xué)反應(yīng)，因此可以用表達(dá)電化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的法拉第定律[3]來進(jìn)行定量描述。法拉第定律認(rèn)為，電極上發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)的量與通過該電極的電量成正比。經(jīng)過推導(dǎo)，則可得出電流密度、銹蝕時(shí)間、鋼筋直徑和銹蝕率之間的關(guān)系，如下式所示。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合考慮各方面的因素，通過配制一定數(shù)量的鋼筋混凝土試塊，對試塊進(jìn)行快速銹蝕試驗(yàn)，對銹蝕后的試塊進(jìn)行屈服強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，然后對其銹蝕后的退化規(guī)律進(jìn)行分析處理，使得試驗(yàn)所得到結(jié)果能夠近似反映襯砌結(jié)構(gòu)性能退化的基本規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。制? 組尺寸為150mm×150mm×300mm的立方體試件，保護(hù)層厚度分別為2cm、5cm。如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)構(gòu)件示意圖

2.2 試驗(yàn)材料。試驗(yàn)用的NaCl 溶液由工業(yè)用氯鹽鄂精鹽和自來水配制而成；采用P Ⅱ42.5 號普通硅酸鹽水泥，粗集料最大公稱直徑16mm，按C30 標(biāo)號配置混凝土。配合比為水泥：砂：石：水=1：1.75：2.98：0.55；受拉主筋采用Φ10 鋼筋。拆模后標(biāo)養(yǎng)28d。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及儀器。采用直流穩(wěn)壓電壓，規(guī)格為0～30V, 0～3A,負(fù)極采用3mm 后不銹鋼板,絕緣水箱采用塑料水箱。用萬能試驗(yàn)機(jī)來測定鋼筋屈服強(qiáng)度,拉拔儀測定鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

3 銹蝕試驗(yàn)研究

試件編號與分組。根據(jù)試驗(yàn)方案，試塊的通電銹蝕時(shí)間分別為2d，4d，6d，8d，根據(jù)鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度的不同，將試塊分為2 組，一組保護(hù)層厚度為20mm，另一組保護(hù)層厚度為50mm。試驗(yàn)試件分組如表1 所示。

表1 試驗(yàn)銹蝕試件分組

4 試驗(yàn)成果

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

從整體來看,銹蝕部位主要集中在沿縱筋分布的范圍[4]。隨著快速銹蝕試驗(yàn)通電時(shí)間的增長,試塊的銹蝕狀況隨之加劇,主要表現(xiàn)為局部混凝土保護(hù)層剝落和沿縱向鋼筋產(chǎn)生銹脹裂縫,局部區(qū)域已損壞很嚴(yán)重。主要原因?yàn)殡S著通電時(shí)間的加長,鋼筋的銹蝕程度加深,銹蝕產(chǎn)物累積,而且銹蝕后的鋼筋會產(chǎn)生體積膨脹,鐵銹的體積是相應(yīng)鋼筋體積的2～4 倍,并且它與混凝土相互作用,產(chǎn)生鋼筋銹脹力,最終導(dǎo)致沿鋼筋布置位置出現(xiàn)混凝土脹裂,而裂縫的開展又加大了鋼筋銹蝕的速度,如此形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致試塊損壞。在相同的銹蝕時(shí)間下,不同的混凝土保護(hù)層厚度的試塊銹蝕狀況不同,保護(hù)層厚度大,銹蝕狀況較輕微。這是因?yàn)榛炷帘Ｗo(hù)層能有效減緩混凝土中鋼筋的銹蝕,延長鋼筋開始銹蝕的時(shí)間,從而使得鋼筋銹蝕的速率減慢[5]。

通過測試，得到保護(hù)層厚度為20mm 和50mm 的試塊，在不同銹蝕時(shí)間、不同銹蝕電流下每根鋼筋的銹蝕率如表2 和表3 所示，實(shí)測鋼筋銹蝕率變化曲線如圖2 和圖3 所示。

表2 不同銹蝕條件下的鋼筋銹蝕率（c=20mm）

表3 不同銹蝕條件下的鋼筋銹蝕率(c=50mm)

圖2 不同銹蝕時(shí)間下銹蝕率曲線（c=20mm）

圖3 不同銹蝕時(shí)間下銹蝕率曲線（c=50mm）

結(jié)果表明，隨著通電電流的增大和銹蝕時(shí)間的增長,鋼筋的銹蝕率逐漸增大,而且保護(hù)層厚度小的鋼筋的銹蝕率高于保護(hù)層厚度大的鋼筋,說明混凝土保護(hù)層厚度有效地減緩了混凝土中的鋼筋銹蝕。在銹蝕后期,由于試塊裂縫的增長使得后期鋼筋銹蝕的速度增長。

4.2 鋼筋銹蝕對橋梁樁基礎(chǔ)性能的影響

4.2.1 鋼筋屈服強(qiáng)度變化規(guī)律。通過鋼筋加速銹蝕試驗(yàn),對不同銹蝕程度的鋼筋進(jìn)行拉拔試驗(yàn),分別測得各鋼筋的屈服強(qiáng)度如表4 和表5 所示。

表4 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強(qiáng)度（c=20mm）

表5 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強(qiáng)度（c=50mm）

從表中我們可以看到,在鋼筋銹蝕初期,而且通電電流較小的情況下,鋼筋的屈服強(qiáng)度幾乎沒有變化,而在銹蝕后期,通電電流比較大的情況下,屈服強(qiáng)度降低了很多,嚴(yán)重的甚至在混凝土內(nèi)部就被銹斷。這是因?yàn)樵阡摻畹匿P蝕率比較小的情況下,幾乎沒有坑蝕現(xiàn)象,也不會有應(yīng)力集中發(fā)生,而到了后期,銹蝕率明顯增大,坑蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重,在截面薄弱部位很容易因應(yīng)力集中而導(dǎo)致鋼筋提前屈服。

各鋼筋屈服強(qiáng)度變化曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強(qiáng)度變化曲線（c=20mm）

圖5 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強(qiáng)度變化曲線（c=50mm）

從圖可以看出，鋼筋的屈服強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢，圖4下降幅度比圖5 的下降幅度要大，這是因?yàn)榛炷帘Ｗo(hù)層厚度較厚的試塊有效地減緩了鋼筋的銹蝕，從而使鋼筋的屈服強(qiáng)度退化的較慢。對同一保護(hù)層厚度，相同銹蝕時(shí)間的試塊來說，通電電流越大，鋼筋的銹蝕速率就越快，從而導(dǎo)致鋼筋坑蝕嚴(yán)重，屈服強(qiáng)度下降。

4.2.2 鋼筋銹蝕對混凝土構(gòu)件性能的影響。鋼筋截面積的減少或鋼筋屈服強(qiáng)度的降低，直接導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的性能退化。現(xiàn)選取混凝土保護(hù)層厚度為20mm，通電電流為0.40A的試塊，研究其性能的退化規(guī)律。鋼筋銹蝕后鋼本身材料的性質(zhì)不會發(fā)生改變，而之所以導(dǎo)致屈服強(qiáng)度的降低，是因?yàn)殇摻钿P蝕使得鋼筋實(shí)際的有效截面積發(fā)生減小，然而鋼筋屈服應(yīng)力的測定仍然采用未銹蝕時(shí)的截面積，所以計(jì)算出來的屈服應(yīng)力會變小。通過試驗(yàn)，得到在不同銹蝕率下屈服強(qiáng)度的變化曲線如圖6 所示。

圖6 不同銹蝕率下的鋼筋屈服強(qiáng)度變化曲線

5 結(jié)論

通過室內(nèi)電化學(xué)快速銹蝕試驗(yàn),對不同銹蝕條件下,鋼筋的銹蝕率隨時(shí)間和電流的變化規(guī)律、不同保護(hù)層厚度對鋼筋快速銹蝕時(shí)銹蝕率影響的大致規(guī)律研究。從結(jié)果來看,鋼筋保護(hù)層的存在會對鋼筋的銹蝕起到減緩作用,并且隨著保護(hù)層厚度的增大,這種減緩作用將愈加明顯。綜合考慮鋼筋材料性能的退化和鋼筋與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的退化對構(gòu)件性能的影響,對銹蝕后的試塊進(jìn)行屈服強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn),然后對其銹蝕后的退化規(guī)律進(jìn)行分析處理,從而使得試驗(yàn)所得結(jié)果能夠近似反映襯砌結(jié)構(gòu)性能退化的基本規(guī)律。