尹毓良 孔繁智

(中國(guó)建筑第五工程局有限公司，遼寧大連 116000)

0 引言

近年來(lái)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為世界上最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，但由于環(huán)境變化，導(dǎo)致鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提前破壞較為普遍，已逐漸引起國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者們的重視［1］，在1991年，第二屆國(guó)際混凝土耐久性學(xué)術(shù)會(huì)議上，Metha［4］教授指出:“影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的順序依次為:鋼筋腐蝕、凍害、物理化學(xué)作用。”由此表明，鋼筋銹蝕是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的最主要因素。雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)起步較晚，但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題已經(jīng)成為影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素，目前，我國(guó)正處于房屋大規(guī)模建設(shè)的初級(jí)階段，更要重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性因素，避免重蹈發(fā)達(dá)國(guó)家的覆轍［5］。

本文在銹蝕鋼筋原材料力學(xué)性能變化的基礎(chǔ)上，分析了不同銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎力學(xué)性能，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究提供了理論參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件尺寸設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)8個(gè)尺寸為150mm×150mm×1700mm的鋼筋混凝土梁試件，設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為C30，混凝土的配合比為:水泥∶水∶砂子∶石子 =1∶0.45∶1.42∶3.01，坍落度為 90mm，鋼筋為414二級(jí)鋼，箍筋 φ6.5@100，保護(hù)層厚度為25mm。

1.2 試件制作

鋼筋綁扎前首先應(yīng)對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹，并稱出未銹蝕鋼筋質(zhì)量，標(biāo)記在導(dǎo)線的一端頭上，同時(shí)將另一頭導(dǎo)線系在鋼筋端部，并在導(dǎo)線與鋼筋交接處200mm范圍內(nèi)涂刷防銹漆，包裹絕緣膠帶，以免導(dǎo)線銹斷。同時(shí)在箍筋與架力筋交接處涂刷絕緣漆，避免發(fā)生箍筋銹斷，失去約束作用提前破壞。

此次試驗(yàn)采用電解液快速銹蝕法，將養(yǎng)護(hù)好的混凝土放入砂槽中，上部覆蓋塑料薄膜，定期對(duì)混凝土梁澆筑濃度為5%NaCl溶液，放置3d后接通穩(wěn)壓直流電源。電源正極接受拉鋼筋，電源負(fù)極接銅板，形成電解池。再根據(jù)設(shè)計(jì)銹蝕量與法拉第原理，選擇適當(dāng)?shù)碾娏骱屯姇r(shí)間［6］。

1.3 荷載取值或加載方式

本試驗(yàn)在延邊大學(xué)工學(xué)院土木工程系試驗(yàn)室進(jìn)行，加載程序如下:試驗(yàn)加載前，首先進(jìn)行預(yù)加載，觀測(cè)儀器儀表和試驗(yàn)裝置是否工作正常，及時(shí)排除故障;再進(jìn)行物理對(duì)中，加載荷載為極限荷載的30%，觀測(cè)應(yīng)變變化是否一致［7］。最后進(jìn)行正式加載，第一級(jí)荷載為梁極限荷載的20%，之后采用分級(jí)加載，按極限荷載的10%逐級(jí)加載，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%，降低為極限荷載的5%，從加載結(jié)束到下一級(jí)荷載開(kāi)始持荷時(shí)間為10min，待變形基本穩(wěn)定后記錄本級(jí)荷載，進(jìn)行下一級(jí)加載［8］。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同銹蝕率對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響

由表1可以看出，當(dāng)銹蝕率低于5%時(shí)，鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度幾乎無(wú)變化，且滿足規(guī)范要求，但伸長(zhǎng)率開(kāi)始降低;當(dāng)銹蝕率大于5%且小于11%時(shí)，鋼筋的極限強(qiáng)度隨著銹蝕率的增加而不斷降低，屈服強(qiáng)度仍無(wú)變化，伸長(zhǎng)率已不能滿足使用要求。當(dāng)銹蝕率大于15%左右時(shí)，鋼筋極限強(qiáng)度下降速率開(kāi)始加快，不能滿足使用要求，且失去屈服強(qiáng)度，發(fā)生脆性破壞。說(shuō)明鋼筋在銹蝕過(guò)程中伸長(zhǎng)率和極限強(qiáng)度是影響構(gòu)件脆性破壞的關(guān)鍵因素，也是造成混凝土構(gòu)件脆性破壞的決定性因素。

表1 不同銹蝕率鋼筋的力學(xué)性能

2.2 鋼筋銹蝕對(duì)混凝土梁的強(qiáng)度影響

由圖1，表2可以看出，鋼筋混凝土梁的承載能力并不隨著銹蝕率的增加而呈反比例降低，當(dāng)銹蝕率低于5%時(shí)，鋼筋混凝土梁的承載能力隨著鋼筋的銹蝕率的增加而不斷增加，主要因?yàn)榇藭r(shí)鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度并不受銹蝕率的影響，伸長(zhǎng)率雖然有所降低，但降低幅度不大，且鋼筋延性較好，由于鋼筋銹蝕導(dǎo)致鋼筋表面產(chǎn)生大量鐵屑，增加了與混凝土的粘結(jié)能力，提高了鋼筋混凝土梁的抗彎能力。當(dāng)銹蝕率大于5%，且小于13.5%時(shí)，雖鋼筋屈服強(qiáng)度沒(méi)有變化，但鋼筋極限強(qiáng)度逐漸降低，伸長(zhǎng)率也逐漸不能滿足使用要求，但鋼筋與混凝土仍能共同工作，銹蝕鋼筋混凝土梁的承載能力隨著銹蝕率的增加呈反比例增長(zhǎng)，當(dāng)銹蝕率大于13.5%，鋼筋表面螺紋被銹掉，鋼筋失去屈服強(qiáng)度，且極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均不能滿足使用要求，失去了與混凝土共同工作的能力，同時(shí)也失去了延性，造成混凝土強(qiáng)度急速下降，發(fā)生脆性破壞。

2.3 銹蝕鋼筋混凝土梁的應(yīng)力—應(yīng)變分析

由圖2可以看出，對(duì)于未銹蝕鋼筋混凝土梁的應(yīng)力—應(yīng)變曲線大體可以分為兩個(gè)階段，主要是彈性階段和強(qiáng)化階段，加載初期，由于荷載較小，混凝土表面并未產(chǎn)生裂縫，應(yīng)變變化較小，應(yīng)力—應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的70%時(shí)，混凝土表面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸變快，直至試件破壞。當(dāng)銹蝕率低于5%時(shí)，由于鋼筋的力學(xué)性能并沒(méi)有明顯變化，且能夠提高與混凝土的粘結(jié)能力，導(dǎo)致銹蝕鋼筋混凝土梁的變形性能與未銹蝕鋼筋混凝土梁大體相同，甚至變形性能更好。當(dāng)銹蝕率大于13.5%時(shí)，由于鋼筋力學(xué)性能的衰減，失去了延性，同時(shí)表面鐵屑的增加，降低了與混凝土的粘結(jié)能力，造成銹蝕鋼筋混凝土梁呈現(xiàn)脆性破壞。

圖1 銹蝕鋼筋混凝土梁強(qiáng)度變化曲線

表2 銹蝕鋼筋混凝土梁極限強(qiáng)度

圖2 銹蝕鋼筋混凝土梁應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.4 銹蝕鋼筋混凝土梁的荷載—位移分析

由圖3可以看出，銹蝕鋼筋混凝土梁的延性與銹蝕鋼筋混凝土梁的應(yīng)變性能相似，但銹蝕率越大，前期混凝土梁位移變化速率越快，且變形能力越差。對(duì)于未銹蝕或銹蝕率低于5%的梁，鋼筋與混凝土粘結(jié)性能較好，銹蝕鋼筋混凝土梁變形能力較強(qiáng)，銹蝕鋼筋混凝土梁延性隨著銹蝕率的增加不斷衰減，但降低幅度不大。當(dāng)銹蝕率大于13.5%，由于鋼筋銹蝕較嚴(yán)重，表面已經(jīng)被碳化，鋼筋肋被銹掉，失去了與混凝土的粘結(jié)能力，導(dǎo)致鋼筋不能與混凝土共同工作，造成剝離破壞。

圖3 銹蝕鋼筋混凝土梁應(yīng)力—位移曲線

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)24根銹蝕鋼筋試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋銹蝕初期，鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度并無(wú)明顯變化，伸長(zhǎng)率開(kāi)始降低緩慢，當(dāng)銹蝕率大于5%且小于11%時(shí)，屈服強(qiáng)度無(wú)變化，極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率已經(jīng)達(dá)到臨界值，當(dāng)銹蝕率大于11%時(shí)，鋼筋逐漸失去屈服強(qiáng)度，極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率迅速下降，呈現(xiàn)脆性破壞。

2)銹蝕鋼筋混凝土梁的抗彎強(qiáng)度并不隨著銹蝕率呈反比例降低，當(dāng)銹蝕率低于5%時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度隨銹蝕率的增加而不斷增加，當(dāng)銹蝕率大于5%且小于13.5%時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強(qiáng)度隨著銹蝕率的增加呈反比例增長(zhǎng)，當(dāng)銹蝕率大于13.5%時(shí)，鋼筋混凝土梁抗彎強(qiáng)度隨著銹蝕率的增長(zhǎng)急劇下降，呈脆性破壞。

3)銹蝕鋼筋混凝土梁的變形能力隨著銹蝕率的增加而不斷降低，當(dāng)銹蝕率低于13.5%時(shí)，鋼筋與混凝土握裹能力較好，銹蝕鋼筋混凝土梁主要呈現(xiàn)塑性破壞，當(dāng)銹蝕率大于13.5%時(shí)，鋼筋失去了與混凝土的粘結(jié)能力，梁承載能力急劇下降，呈現(xiàn)脆性破壞。

［1］王增忠.基于混凝土耐久性的建筑工程項(xiàng)目全壽命經(jīng)濟(jì)分析［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，2006.

［2］趙國(guó)潘，金偉良，貢金鑫.結(jié)構(gòu)可靠度理論［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

［3］金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

［4］Metha P K.Durability of Concrete-fifty Years of Progress，Durability of Concrete［A］.G.M.Idorn International Symposium［C］.SP-126，American Concrete Institute，Detroit，1991:1-31.

［5］邢 峰，何 勇，陳 駒，等.銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件殘余承載能力［Z］.

［6］易美英，方從啟，王藝霖，等.受銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2008(1):51-53.

［7］郭 夏.CFRP加固局部強(qiáng)度不足的鋼筋混凝土柱試驗(yàn)研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［8］唐 飛，孫 靜，劉家蓬.芳綸纖維布加固小偏壓混凝土柱試驗(yàn)研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2009，7(2):95-98.