杜衛(wèi)兵

（河南省水利科學(xué)研究院，河南省水利工程安全技術(shù)重點實驗室，河南 鄭州 450003）

1 引言

外界環(huán)境對混凝土的劣化過程有重要影響。港工、水工等建筑物多處于自然環(huán)境中，自然環(huán)境中的空氣溫度、濕度在不斷變化，與民用建筑相比受人為因素影響較小，在這樣的環(huán)境中混凝土更易碳化，鋼筋更易銹蝕。研究表明，混凝土的碳化將影響其力學(xué)性能。而混凝土的碳化將使混凝土pH值降低，當(dāng)pH值小于9.5時，在水和氧氣的作用下，鋼筋會發(fā)生電化學(xué)腐蝕，即生銹。銹蝕鋼筋的體積通常會膨脹，至一定程度將導(dǎo)致混凝土保護層開裂，破壞鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。混凝土的碳化、鋼筋的銹蝕及混凝土與鋼筋粘結(jié)力的喪失將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力的降低。

建國以后，我國修建了大量的港口、水利工程，由于長期的物理、化學(xué)及生物的作用，許多工程中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重的老化病害，面臨著許多需要解決的問題[1-7]。目前針對長期自然環(huán)境中混凝土材料性能的研究較為缺乏，本文結(jié)合一水利工程的改造，獲取了近50 a齡期的混凝土芯樣及鋼筋試樣，通過試驗研究了自然狀況下長齡期混凝土強度由表至里的變化規(guī)律及不同銹蝕率鋼筋的力學(xué)性能，為科學(xué)評定長期自然環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的安全性提供技術(shù)支持。

2 混凝土強度特性研究

2.1 試驗方法

混凝土芯樣取自某大型水庫泄洪閘地板，其設(shè)計強度14MPa，芯樣直徑100mm，長200～300mm。采用橫劈法測定圓柱體混凝土抗拉強度，即將劈拉線荷載作用在圓柱體芯樣的橫截面上，使圓柱體的母線方向受拉，造成圓柱體橫截面的劈拉破壞（試驗裝置見圖1）。在此定義混凝土的名義劈拉強度為線荷載總量與試件橫截面積的比值。

由于碳化層厚度較小，如用碳化混凝土制成立方體抗壓強度試件，其尺寸非常小，屬非標(biāo)準(zhǔn)小尺寸試件，試驗結(jié)果的代表性非常差。加之閘底板內(nèi)骨料尺寸較大，即使精心挑選，也很難避免骨料對試驗結(jié)果的嚴(yán)重影響。因此獲取碳化混凝土的抗壓強度非常困難。文獻[8]的研究結(jié)果表明：荷載作用圓心角θ為90°時，混凝土的名義劈拉強度與混凝土的抗壓強度及混凝土常規(guī)劈拉試驗得到的立方體、圓柱體縱劈強度有很好的相關(guān)性；混凝土抗壓強度及縱劈強度均隨名義劈拉強度的增大而增大。因此由橫劈法試驗結(jié)果可定性地評價混凝土碳化前后強度的變化。

圖1 試驗裝置圖

2.2 試驗步驟

混凝土的碳化深度受多種因素影響，在同一混凝土體中碳化的深度是不一樣的，碳化的鋒面為不規(guī)則的曲面，因此在碳化混凝土與未碳化混凝土間存在一個既有碳化也有未碳化的交接層。首先采用酚汰試劑測定芯樣的碳化層與未碳化層的范圍，確定碳化與未碳化的交接層，然后采用橫劈法分別對芯樣的碳化層、交接層和未碳化層進行橫劈試驗。當(dāng)試件劈開后，再用酚汰試劑對劈裂面進行檢測，如果劈裂面上混凝土未出現(xiàn)紅色，則表明劈裂處的混凝土已完全碳化；如劈裂面上混凝土全部變紅，則表明劈裂處的混凝土未碳化；如劈裂面上混凝土部分變紅，部分未變紅，則可以認為劈裂面為交接層。試驗共進行了8組。

2.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表1。由表可見，當(dāng)碳化深度≤40mm時，各層名義劈拉強度值相近；碳化深度＞40mm后，各層名義劈拉強度值相差明顯。顯示易碳化的混凝土，碳化前后混凝土的強度將出現(xiàn)較大的起伏，因此提高混凝土的抗碳化能力，可以防止混凝土強度出現(xiàn)較大波動。

表1 各組芯樣劈拉試驗結(jié)果

不同劈拉位置所得試件名義劈拉強度分布見圖2。試驗所得碳化層、交接層及未碳化層3部位的混凝土名義劈拉強度平均值分別為2.60MPa、3.09MPa和3.42MPa，故混凝土碳化層至交接層及未碳化層的劈拉強度逐漸增加。一般情況下，碳化后混凝土的密實度增加，強度相應(yīng)增加，但是由于閘底板處于自然環(huán)境下，其表層的碳化混凝土?xí)艿接晁?、洪水的沖刷，碳化混凝土的某些物質(zhì)會發(fā)生流失，造成碳化混凝土的物質(zhì)含量及孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致其強度降低，這可能也是長期處于自然環(huán)境中碳化混凝土強度變化的一個特點。

圖2 不同位置劈拉強度的分布情況

3 鋼筋強度特性研究

3.1 試驗方法及步驟

鋼筋取自該大型水庫泄洪閘閘墩，共獲取直徑分別為φ12、φ19和φ25的Ⅰ級鋼筋21根。觀察發(fā)現(xiàn)，試驗所用銹蝕鋼筋上存在明顯的銹坑，基于此本次采用截面損失率來表征鋼筋的銹蝕程度，即

式中：ηs為鋼筋截面銹蝕率，%；F為鋼筋原始截面面積，mm2；Fmin為銹蝕最嚴(yán)重處鋼筋截面面積，mm2。

試驗前用游標(biāo)卡尺在鋼筋銹損最嚴(yán)重的部位量測5次，測定銹蝕鋼筋最小截面面積，并由式（1）得出鋼筋截面損失率。然后將試件置于小噸位萬能材料試驗機上，通過拉伸測取銹蝕鋼筋的名義屈服強度（定義為銹蝕鋼筋的屈服荷載與原始截面面積的比值）、名義極限強度（定義為銹蝕鋼筋的極限荷載與原始截面面積的比值）及極限延伸率。鋼筋變形量采用桿式引伸計測量。取φ12的鋼筋試件的試驗標(biāo)距為10 D（D為鋼筋直徑），φ19及φ25的鋼筋試件的試驗標(biāo)距定為5 D，試件中銹損最嚴(yán)重的部位位于標(biāo)距范圍內(nèi)。

3.2 試驗結(jié)果

21根試件的拉伸試驗結(jié)果見表2。由表2中結(jié)果可知，本次試驗采用的鋼筋銹蝕率在0.67%～5.19%，由于銹蝕的影響，鋼筋的名義屈服強度降幅為0.4%～12.5%，名義極限強度的降幅為1.4%～16.5%，極限延伸率降幅為0.3%～21.2%。

表2 鋼筋力學(xué)性能試驗結(jié)果

銹蝕鋼筋強度隨著銹蝕率的增大呈下降趨勢，這與以往研究結(jié)論一致[9，10]。造成鋼筋強度下降的主要原因，一是鋼筋銹蝕后有效截面面積的減小；二是銹坑處的應(yīng)力集中造成鋼筋受力狀況惡化。自然環(huán)境中的銹蝕鋼筋，這兩種因素是相輔相成的，鋼筋銹蝕越嚴(yán)重，鋼筋出現(xiàn)大的銹坑的概率就越大，則鋼筋有效截面面積的減少就越多，銹坑處的應(yīng)力集中將越嚴(yán)重，鋼筋強度降幅將越大。

圖3、圖4分別給出本次試驗所得鋼筋名義屈服強度及名義極限強度與銹蝕率的關(guān)系，通過對試驗結(jié)果擬合，得出名義屈服強度與銹蝕率的關(guān)系式為：

式中：fy′為銹蝕鋼筋的名義屈服強度，MPa；其它符號意義及單位同前。

實測值與式（2）計算值相比，平均值為0.999 95，離散系數(shù)為0.026 3。

圖3 名義屈服強度與銹蝕率的關(guān)系

擬合所得名義極限強度與銹蝕率的關(guān)系式為

式中：fu′為銹蝕鋼筋的名義極限強度，MPa。

實測值與式（3）計算值相比，平均值為0.999 98，離散系數(shù)為0.024 2。

圖4 名義極限強度與銹蝕率的關(guān)系

試驗結(jié)果顯示隨著銹蝕率的增大，極限延伸率逐漸變小（見圖5），表明銹蝕鋼筋的塑性性能隨著銹蝕量的增大而變差。銹蝕鋼筋塑性下降的原因與其強度降低的原因相同。本次試驗鋼筋銹蝕率不超過5.2%，因此鋼筋的極限延伸率下降趨勢不明顯，試驗值均大于規(guī)范所規(guī)定最小允許值。當(dāng)銹蝕率小于1.5%時，延伸率基本與未銹蝕鋼筋相同。對試驗結(jié)果擬合得極限延伸率與銹蝕率的關(guān)系式為：

式中：εu為鋼筋的極限延伸率，%。

實測值與式（4）計算值相比，平均值為1.000 06，離散系數(shù)為0.073 2。

4 結(jié)語

通過對自然環(huán)境下工作近50 a的結(jié)構(gòu)中混凝土及鋼筋材料的試驗研究，得出以下認識與結(jié)論：

（1）碳化混凝土、碳化層與未碳化層的交接面及未碳化混凝土的劈拉強度依次增大，特別是碳化混凝土的強度低于未碳化混凝土強度的試驗結(jié)果與以往的研究結(jié)果有所不同，這可能是自然環(huán)境中經(jīng)受水力作用的混凝土的一個特點。

（2）隨著銹蝕率的增大，鋼筋的名義屈服強度及名義極限強度均明顯降低。鋼筋的極限延伸率亦隨銹蝕率的增大而降低，但降幅不明顯。

（3）自然環(huán)境下長齡期混凝土結(jié)構(gòu)中銹蝕鋼筋力學(xué)性能的變化規(guī)律，與民用建筑中的變化規(guī)律基本一致。

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