人工气候环境下锈蚀混凝土梁的结构性能退化研究.pdf

第3 6 卷第4 期中国矿业大学学报 v 0 1 ．3 6N o ．4 2 0 0 7 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yJ u l y2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 4 0 4 4 1 0 5 人工气候环境下锈蚀混凝土梁的结构性能退化研究 吴庆1 ’2 ，袁迎曙1 ，李洁勇1 1 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．安徽理工大学土木工程系，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要在影响钢筋混凝土耐久性的众多因素中，钢筋腐蚀引起的混凝土结构过早破坏，已成为其 中的一个主要原因．采用加速试验方法能在较短的时间内推测其几十年的性能．通过采用人工气 候环境加速锈蚀方法，研究了锈蚀钢筋混凝土梁的承载力、延性及其结构性能退化机理．结果表 明钢筋锈蚀特征与恒电流加速锈蚀情况存在很大不同，随着锈蚀率的增大，锈蚀钢筋混凝土梁的 承载力和延性降低，裂缝分布越来越稀疏且分布趋于不均匀，但大部分构件的破坏形态仍为正截 面破坏，而对应的锈蚀裂缝宽度为0 ．8m m 的恒电流加速锈蚀梁却发生了黏结撕裂破坏． 关键词人工气候；钢筋混凝土梁；加速锈蚀；结构性能 中图分类号T U3 7 5 ．0 2文献标识码A R e s e a r c ho nS t r u c t u r a lB e h a v i o r ’SD e t e r i o r a t i o no f C o r r o d e dR e i n f o r c e dC o n c r e t eB e a m sU n d e rM a n M a d eC l i m a t e W U Q i n 9 1 ”。Y U A NY i n g s h u l ，L IJi e y o n 9 1 1 ．S c h o o lo fE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n ，A n h u i2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t A m o n gf a c t o r si n f l u e n c i n gt h er e i n f o r c e dc o n c r e t e ’Sd u r a b i l i t y ，s t r u c t u r e sd e s t r o y i n g i na ne a r l yp e r i o da r o s eb yr e b a rc o r r o s i o nh a sb e c o m eap r i m a r yf a c t o r ．T h ed e t e r i o r a t i o no f s t r u c t u r a lb e h a v i o rc a nb es t u d i e du s i n ga c c e l e r a t e da g i n gm e t h o di nas h o r tp e r i o d ．T h ec a r r y i n gc a p a c i t y ，d u c t i l i t ya n ds t r u c t u r a lb e h a v i o r ’Sd e t e r i o r a t i o no fc o r r o d e dr e i n f o r c e dc o n c r e t e b e a m sw e r es t u d i e db yt h ea c c e l e r a t e dc o r r o s i o nm e t h o d su n d e ra r t i f i c i a lc l i m a t e ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h e r ea r eo b v i o u s l yd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n db e h a v i o r so nc o r r o d e db a rb e t w e e n t h eg a l v a n i z a t i o nm e t h o d sa n dt h ea c c e l e r a t e dc o r r o s i o nm e t h o d su n d e ra r t i f i c i a lc l i m a t e ．T h e b e a r i n gc a p a c i t ya n dd u c t i l i t yo fb e a m sd e c r e a s e da n dt h ec r a c k sd i s t r i b u t e dm o r es p a r s e l ya n d n o n h o m o g e n e o u sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ec o r r o s i o nr a t e ．T h ef a i l u r em o d e so fm o s tb e a m s w e r er i g h ts e c t i o nf a i l u r e ，w h i l et h eb e a m sw i t h0 ．8mc r a c k sareb o n d i n gt e a rf a i l u r eb yt h e g a l v a n i z a t i o nm e t h o d ． K e yw o r d s a r t i f i c i a lc l i m a t e ；r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s ；a c c e l e r a t e dc o r r o s i o n ；s t r u c t u r a lb e h a v i o r 由于混凝土中钢筋锈蚀需要很长时间，有的达 几十年，这就决定了钢筋混凝土结构耐久性试验不 同于一般常规试验，能否采用加速的方法，利用较 短时间内的加速锈蚀构件来推测其在较长时间的 耐久性性能，是我们目前需要解决的首要问题．很 多学者根据电化学原理提出应用通电方法加速钢 收稿日期2 0 0 6 1 1 1 3 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 8 1 0 0 ，5 0 5 3 8 0 7 0 ；淮南市科技计划项目 作者简介吴庆 1 9 7 2 ，男，山东省泰安市人，副教授，博士研究生，从事钢筋混凝土结构耐久性方面的研究 E - m a i l w u q i n g l 2 2 7 y a h o o ．C O I T I ．c n T e l 1 3 1 7 4 1 5 8 3 2 1 万方数据 4 4 2 中国矿业大学学报第3 6 卷 筋锈蚀，其优点是方法简单，试验周期时间可以大 大缩短n 。3 ] ，但通过试验现象发现该加速方法与自 然环境中实际构件的锈蚀情况相比存在不小差 距n ] ．鉴于此，中国矿业大学结构工程实验室建立 了国内第一个人工气候室，对钢筋混凝土构件进行 加速腐蚀研究，旨在克服通电加速方法的缺点，缩 短实验周期，降低实验成本、难度与复杂程度．此种 方法人为设计恶劣的环境，模拟普通自然大气环 境、恶劣工业大气环境、海洋大气环境等对混凝土 结构劣化的作用，通过提高温度、湿度以及通入腐 蚀性的气体或喷洒腐蚀性液体等把钢筋混凝土结 构在实际大气环境中的较长的使用寿命压缩在较 短的时间内使之老化，以达到实验室试验的要求． 在本课题组前期所做的恒电流加速条件下钢 筋锈蚀特征和锈蚀构件性能退化的研究[ 5 ] 基础上， 本文探讨了人工气候环境加速锈蚀钢筋的锈蚀机 理，研究了锈蚀率对钢筋混凝土梁的承载力和刚度 变化、破坏机理、破坏形态的影响，以及平截面假定 的适用性，并在试验结果的基础上建立了锈蚀率与 裂缝宽度问的关系模型． 1 试验设计 1 ．1加速试验方案及分组 人工气候环境模拟试验是在人工气候试验室 中通过用高温、高湿、盐水喷淋、红外灯照等人工方 法模拟自然气候环境 日光、雨淋、温度、湿度、C O 。 等 、恶劣工业环境、海洋环境等对钢筋混凝土结构 的老化作用，其过程在人工气候室进行，首先试件 脱模后在室内自然环境下洒水养护2 8d ，随之将试 验梁放置在人工气候室内进行加速锈蚀，设定人工 气候室内温度T 一4 0 ℃，湿度R H 9 0 ％，其中温 度采用水箱加热，通过放置在人工气候室内的温度 传感器控制温度口] ．为了更快地加速锈蚀钢筋混凝 土梁，试验还采用了干湿循环法，具体的干湿循环 制度为“干”8h ，“湿”1h ．其中“干”采用红外灯照， “湿”采用清水喷淋，具体操作通过人工气候控制室 的人工气候电控柜手动控制． 为了在人工气候室里更快地加速锈蚀试验梁， 在制作时通过水溶作用加入水泥重量5 ％的食盐． 本试验根据不同裂缝宽度进行分组，一组未锈 蚀梁作为控制梁．用读数显微镜定期观察人工气候 加速锈蚀梁的顺筋裂缝，将达到预定要求的试验梁 分批从人工气候室内取出，具体试验分组见表1 ． 测量梁的顺筋裂缝宽度时，对2 条顺筋裂缝分别按 照最大、中等和最小的宽度值测3 个点，最后取平 均值． 表1试验梁分组 T a b l e1 G r o u p i n go ft e s tb e a m s 注试验梁编号中的K 为无锈蚀控制粱；R 为梁采用人工气候 环境加速锈蚀方法；D 为采用恒电流加速试验方法． 试验结束后，对钢筋混凝土梁进行破型实验， 计算梁的受拉主筋的平均锈蚀率，从而对不同锈蚀 率的钢筋混凝土梁进行性能试验． 1 ．2试件制作及加载制度 1 ．2 ．1 材料 试验梁采用P 0 3 2 ．5 普通硅酸盐水泥，天然中 砂，粒径5 ～2 0m m 的碎石，纵筋为Ⅱ级0 1 2 ，箍筋 为I 级0 6 ，混凝土设计强度C 2 5 ，配合比为m 水泥 m 砂m 石m 水一1 1 ．7 5 2 ．9 8 0 ．5 5 ，塌落度为 7 0m m ． 1 ．2 ．2 试件尺寸及配筋 试验梁尺寸采用1 0 0m m 1 6 0m m 15 0 0 m m ，底部配以2 0 1 2 的Ⅱ级钢筋 配筋率为 1 ．4 1 ％ ，架立筋采用2 0 8 ，箍筋采用0 6 1 5 0 ，混 凝土保护层为1 5m m ，具体示意图如图1 所示． 置 图1 钢筋混凝土试验粱 F i g ．1 R e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mf o rt e s t i n g 1 ．2 ．3 试验装置及加载制度 为了研究锈蚀钢筋混凝土受弯构件正截面的 受弯性能，并测定出完整的钢筋混凝土梁的荷载 P 一跨中挠度 △ 曲线，试验加载在电液伺服动 静万能试验机上进行，用分配梁在3 分点处2 点加 载．如果不考虑梁自重的影响，则在2 个集中荷载 之间的区段内梁的剪力为零，弯矩为一常量，该区 段为纯弯区段．采用这种荷载布置方案是为了在研 究中间区段受弯性能时排除剪力的干扰．钢筋混凝 土试验梁简支于刚性支墩上，一端为固定铰支座， 另一端为滚动支座．在梁的跨中和支座上分别设位 移计测量梁的挠度．加载点和支座位置均设有1 0 m m 6 0m m 1 0 0m m 的钢垫板，以防止混凝土 发生局部破坏，见示意图2 ． 试验前，在试验梁表面涂刷一层石灰浆，并在 表面划出2 0r n l T l 2 0m m 的网格，从而有利于观 察裂缝发展情况． 万方数据 第4 期 吴庆等气候环境下锈蚀混凝土梁的结构性能退化研究4 4 3 位移计I ll 位移计 d I lh l鞫千分表 位移计3 位移计4 位移计5 图2试验装置及位移计布置 F i g ．2S e t u p sf o rb e a mt e s t i n g 在正式加载前应对梁进行预加载，以保证构件 各部分接触良好，并检查仪器是否工作正常、荷载 与变形关系是否趋于稳定、试验梁是否对中，确保 试验装置准确无误后卸载至零．预加荷载值约为梁 极限承载力理论计算值的1 0 ％，本次试验用3k N ． 加载采用位移控制、分级加载，每级位移增量 为0 ．5 ～2m i l l ．每级加载后观察梁的裂缝出现和 发展情况，读测应变和挠度值，直到梁破坏为止，从 而获得以下信息 1 试验力、梁的跨中挠度由试验机的采集系 统自动采集．其中试验力通过试验机的压力传感器 得到，在梁两端支座及跨中位置处布置位移计以测 得挠度，以建立P - △曲线； 2 观察不同锈蚀率下的钢筋混凝土梁在加载 过程中横向裂缝的分布形式、裂缝间距的变化趋 势、混凝土裂缝的发展过程，并在梁表面记录，据此 研究锈蚀梁的破坏形态． 2 试验结果及分析 2 ．1 试验梁的裂缝 试验加载后，梁的裂缝分布在纯弯段有7 ～9 条裂缝继续发展，并有2 ～4 条主裂缝导致梁最终 破坏，其余横向裂缝未继续发展．在这一方面，人工 气候环境加速方法与恒电流加速试验方法的结果 基本相同．图3 为梁L R 3 试验后的裂缝分布图． 图3试验后的试验梁L R 3 裂缝分布 F i g ．3C r a c k i n gd i s t r i b u t i o n so ft e s tb e a mL R 3 从试验现象可见，随着锈蚀程度的增加，梁的 横向裂缝分布有越来越稀疏的趋势，许多横向裂缝 在从梁底到梁顶的延伸过程中出现了在顺筋裂缝 处不连贯、断开的现象，支座处斜裂缝的发展区域 越来越向跨中靠近，表现出类似于少筋破坏的情 况．接近支座处斜裂缝逐渐与沿受拉主筋方向的顺 筋裂缝连接，并且裂缝向上延伸不高，有的只发展 到梁高的一半位置处．这是由于随着梁钢筋的锈蚀 程度的提高使钢筋和混凝土之间的黏结性能产生 退化，减弱了钢筋与混凝土之间的黏结应力传递． 2 ．2 钢筋锈蚀特征 加载试验结束后，对不同锈蚀裂缝宽度的钢筋 混凝土梁进行破型，通过观察混凝土中钢筋的锈蚀 特征，结果发现 1 人工气候加速锈蚀的钢筋沿圆周方向锈蚀 是不均匀的，靠近保护层一侧锈蚀较背向保护层一 侧严重，而且铁锈呈现“红褐色”，如图4 a 所示．主 要是因为氧气和水分从保护层一侧进入，钢筋锈蚀 的电化学反应进行的比较彻底，氧化也更充分；而 背向保护层一侧氧气和水分供应不足使电化学反 应不充分所致．恒电流加速的钢筋锈蚀沿圆周方向 是很均匀的，这是因为钢筋周围电解质是氯盐溶 液，而氯盐溶液的电阻很小，因此钢筋表面的锈蚀 反应很均匀，从而使沿圆周方向钢筋表面的锈蚀接 近全面锈蚀，而且受拉主筋表面的铁锈颜色呈“黑 色” 图4 b ．这是因为通电加速锈蚀速度很快而混 凝土内氧气供应不足，造成钢筋的锈蚀产物氧化不 充分，反应产物通常为F e 2 ，所以锈蚀产物呈黑 色，与自然锈蚀产物有区别f 钆铂；另外，通电加速时 铁锈流失严重，并向混凝土内部大量渗入 图4 b ， 这些都不符合实际环境中混凝土内钢筋锈蚀情况． 因此，从锈蚀产物和锈蚀均匀性方面讲，人工气候 加速钢筋锈蚀能更好地贴近实际环境． 图4不同加速条件下钢筋内外侧锈蚀对比 F i g ．4 C o m p a r i s o no fc o r r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s t e e lb a rw i t hd i f f e r e n ta c c e l e r a t e dc o r r o s i o n 2 本试验中，纵筋与箍筋接触部位，纵筋几乎 没有锈蚀，而箍筋却锈蚀很严重 图5 ．主要是因 为箍筋的保护层比纵筋小，同样环境条件下，箍筋 先锈蚀，这样箍筋就作为阳极，与之接触的纵筋就 成为阴极，从而形成了箍筋对纵筋的保护． 图5 纵筋与箍筋接触部位锈蚀形态 F i g ．5 C o r r o s i o nc h a r a c t e r i s t i C Sa tj o i n to f m a i nr e i n f o r c i n gb a r sa n ds t i r r u p s 3 钢筋表面的锈蚀也不是均匀的，表面有很 ～明显的点蚀，除锈后发现钢筋表面有大量的坑状锈 万方数据 4 4 4 中国矿业大学学报第3 6 卷 斑，锈蚀严重的部位锈蚀作用向钢筋深部发展，部 分坑状锈斑演变为锈坑，甚至部分钢筋的变形肋损 失，如图6 a 所示． 图6钢筋表面锈蚀特征 F i g ．6 C o r r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e lb a r 这与恒电流加速条件下的试验情况[ 5 1 不相符 图6 b ，而比较符合实际环境中混凝土内钢筋的 锈蚀情况．这主要是钢筋的锈蚀原理不同造成的 人工气候加速环境和自然环境中，钢筋锈蚀是电化 学腐蚀，最初在最薄弱部位作为阳极，其它部位作 为阴极，形成“大阴极，小阳极”，最后形成局部坑蚀 点；而恒电流加速锈蚀遵循电解原理，将整根钢筋 作为阳极，而在混凝土中部布置1 根不锈钢筋作为 阴极，从而导致整根钢筋均匀腐蚀． 2 ．3锈蚀梁承载力分析 试验梁的屈服荷载、极限荷载及变形等试验结 果的一些具体数据及变化情况见表2 ．由表中数据 可见，随着裂缝宽度的增大，试验梁的屈服荷载和 极限荷载先略有增大，然后有不同程度的降低，延 性比下降幅度比前者大得多． 表2试验结果 T a b l e2T e s tr e s u l t so fb e a m s 注△，为梁屈服时跨中挠度；△。为梁破坏时的跨中挠度；[ ] 中为锈蚀后各参数值与未锈蚀梁的比值 W m m 图7不同裂缝宽度试验梁的P △曲线 F i g ．7 P - Ac u r v e so ft e s tb e a m sw i t hd i f f e r e n tw i d t hc r a c k 从图7 中曲线可以看出 1 相同顺筋裂缝的试验梁L R l 和L D l 承载 力不同，前者最高，甚至比未锈蚀的试验梁L K 的 承载力略有提高．其原因是人工气候加速环境中的 试验梁的受拉主筋的锈蚀率不大，而且仅有靠近保 护层一侧的钢筋表面锈蚀较严重，另一侧基本上没 有锈蚀，使得钢筋性能以及钢筋与混凝土间的黏结 力退化不明显．另外，混凝土保护层开裂程度也不 是很大，铁锈的膨胀力作用一定程度上增加了钢筋 与混凝土之间的握裹力，提高了钢筋与混凝土之间 的黏结强度．在综合因素作用下，梁的承载力可能 会有一定的提高．而恒电流加速的钢筋锈蚀沿圆周 方向是很均匀的，并且存在锈蚀产物流失的情况， 从而导致恒电流加速锈蚀的试验梁比人工气候环 境和自然环境下的试验梁承载力要低一些． 2 裂缝宽度为0 ．8m m 的试验梁L R 2 和L D 2 的承载力比未锈蚀梁I 。K 都有较明显的降低，但荷 载一挠度曲线却有很大不同．这是因为随着钢筋锈 蚀率的增大，锈蚀钢筋的力学性能及其与混凝土之 间的黏结性能都发生了退化，且混凝土开裂导致截 面有效高度也变小，最终导致了锈蚀钢筋混凝土梁 的承载力的下降．特别是L D 2 ，下降更明显，当达 到4 2 ．3k N 时发生突然的脆性破坏，这除了与钢 筋全截面锈蚀、铁锈有流失现象以及钢筋与混凝土 之间的黏结性能退化更多之外，还与钢筋的坑蚀造 成钢筋应力集中，并在顺筋裂缝宽度相同的情况 下，钢筋的锈蚀率比人工气候环境下的要大造成 的．这一点也说明了通过恒电流加速来锈蚀模拟实 际环境中混凝土内钢筋的锈蚀是不行的． 3 严重锈蚀梁L R 3 的承载力降低较多，主要 原因是随着钢筋锈蚀率的进一步增大，锈蚀钢筋的 力学性能和锈蚀钢筋与混凝土之间的黏结性能退 化加剧，混凝土开裂导致截面有效高度继续变小， 最终导致了锈蚀钢筋混凝土梁承载力下降更明 显． 万方数据 第4 期吴庆等气候环境下锈蚀混凝土梁的结构性能退化研究 4 4 5 2 ．4锈蚀梁的延性及破坏形态 从表2 和图7 中可以看出，随着梁顺筋裂缝宽 度的增大，试验梁的延性比的下降速度比屈服荷载 和极限荷载的下降速度要快的多．主要原因与承载 力下降原因相同，其中混凝土开裂、钢筋不均匀锈 蚀以及钢筋与混凝土黏结界面的性质发生部分改 变对构件的延性影响更大． 大部分试验梁 L K ，L R l ，L R 2 和L D l 的破坏 形态基本一致，都是最后在梁的纯弯段出现受压区 混凝土压碎破坏而导致结构的最终失效，结构的破 坏形式均表现为正截面受弯的适筋延性破坏。分析 其原因，尽管试验梁锈胀开裂，有的甚至裂缝已经 很大 如L R 3 ，使靠近保护层一侧的黏结力基本 丧失，但是钢筋内侧还没有达到很严重的锈蚀程 度，钢筋与混凝土之间还能够较好地建立起部分黏 结应力，最后试验梁破坏仍然是纯弯段受压区混凝 土压碎破坏而导致结构失效．而试验梁L D 2 破坏 形态发生了变化，破坏时剪弯区和支座锚固区段受 拉主筋沿主筋方向出现较大的滑移，形成黏结撕裂 的脆性破坏，类似于少筋破坏[ s ] ．这是因为通电加 速锈蚀的钢筋表面锈蚀特征表现为全截面锈蚀，在 顺筋裂缝宽度相同的情况下，受拉主筋锈蚀率较 大，钢筋与混凝土之间的黏结性能退化较多；另外， 包括锚固区在内的全长锈蚀，对锈蚀构件的破坏形 态变化也有重要影响． 3结论 1 随着锈蚀率的增大，梁的横向裂缝分布有 越来越稀疏的趋势，且逐渐向跨中集聚，分布趋于 更不均匀． 2 随着裂缝宽度增大，试验梁的屈服荷载、极 限荷载先略有增大后降低；延性比随裂缝宽度增大 而下降，幅度比承载力大的多．随锈蚀率的增大，钢 筋锈蚀对承载力的影响趋于明显．这主要是由于混 凝土保护层脱落、锈蚀钢筋截面减小并发生坑蚀以 及钢筋与混凝土间的黏结力部分退化所致． 3 靠近保护层侧锈蚀较背向保护层一侧严 重；纵筋与箍筋接触部位，纵筋几乎没有锈蚀，而箍 筋却锈蚀很严重，钢筋表面的锈蚀也不均匀，表面 有很明显的点蚀．因为混凝土中钢筋腐蚀主要是电 化学腐蚀，保护层一侧空气和水分供给充分，在钢 筋表面形成阴阳极，且箍筋对纵筋有保护作用． 4 人工气候环境加速条件下梁破坏形态和恒 电流加速下裂缝宽度较小的梁基本一致，都是最后 在梁的纯弯段出现受压区混凝土压碎破坏而导致 结构的最终失效，结构的破坏形式均表现为正截面 受弯的适筋延性破坏；而通电加速锈蚀裂缝达到 0 ．8m m 时，试验梁发生黏结撕裂破坏．这主要与 钢筋锈蚀特征和锈蚀程度有关． 致谢本文受中国矿业大学科技基金项目 O B 0 6 1 0 4 5 资助，特此感谢． 参考文献 [ 1 ]袁迎曙，余索．锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化 E J ] ．建筑结构学报，1 9 9 7 ，1 8 4 5 1 - 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