付明春

(大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 瓦房店 116300)

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基于銹蝕與凍融作用下鋼筋混凝土梁的抗彎性能分析

付明春

(大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 瓦房店 116300)

摘要：通過實驗室分析方法，針對鋼筋銹蝕和凍融作用對鋼筋混凝土梁抗彎性能的影響進行了重點分析。在深入闡述這兩種作用的影響原理基礎上，分析了在這兩種作用下鋼筋混凝土梁抗彎性能的計算模型。根據(jù)具體案例，探討了提高土梁抗彎性能的有效措施，為鋼筋混凝土梁的施工過程及日常維護工作提供了依據(jù)，進一步提高了鋼筋混凝土梁建筑物的使用性能。

關鍵詞：鋼筋銹蝕；凍融作用；鋼筋混凝土梁；抗彎性能

1鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土梁抗彎性能的影響

1.1　實驗室試驗法

1)實驗原理

空氣中的CO2或Cl-等酸性離子吸附在鋼筋表面，使鋼筋中的Fe2+離子形成Fe(OH)2，并進一步氧化成水合三氧化二鐵，使鋼筋表面產(chǎn)生鐵銹[1]。鐵銹的形成會導致體積增大，進而對混凝土產(chǎn)生應力作用。當應力大小超出混凝土層的承受范圍時，則會使土層產(chǎn)生裂縫，進一步加重鋼筋銹蝕。

2)實驗步驟

①將鋼筋籠按照一定比例縮小，在實驗室內(nèi)利用鋼支架綁扎成型；

②遵循現(xiàn)場攪拌、澆筑的順序進行混凝土澆筑，澆筑完畢后常規(guī)養(yǎng)護25 d；

③將土梁試件和不銹鋼片浸泡在氯化鈉溶液中，試件與電源陽極相連，不銹鋼片與陰極相連，通電后即可形成回路，從而達到電化學腐蝕的目的；

④在土梁試件兩端和幾何中心處放置應力測試片，當試件表面出現(xiàn)明顯裂縫時，進行抗彎性能試驗。不同應力條件下，鋼筋應變力隨著銹蝕率的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1　鋼筋應變力隨銹蝕率的變化

1.2　試驗結論

由圖1可知，鋼筋應力隨著銹蝕率的變大表現(xiàn)出先降低后上升的變化規(guī)律。分析其原因可知：銹蝕初期，輕度銹蝕使混凝土與鋼筋間的粘連作用有一定增幅，使混凝土的承壓力變大，進而提高鋼筋混凝土的抗彎性能；隨著銹蝕程度的加重，鋼筋混凝土梁內(nèi)部的粘連作用大幅降低，使鋼筋混凝土梁的整體承重性能惡化，造成抗彎性能降低。

將實驗室結果和文獻查閱結果相結合，可將銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強度的計算公式[2]表示如下：

(1)

其中，Mc為鋼筋混凝土梁的抗彎強度，αc為抗彎受力矯正因數(shù)，α1為土梁受壓區(qū)實際應力與設計值的比值，fc為土梁橫截面的單位承壓強度，b為截面寬度,x為土梁銹蝕深度，h0為土梁截面的有效高度。例如，某鋼筋混凝土梁的αc和α1分別為1.612及0.93，fc、h0、b及x均經(jīng)測量得出，通過計算可得Mc=3.812 MPa。工程人員可根據(jù)計算結果清楚地了解土梁的抗彎性能，并在此基礎上對土梁的使用年限進行預測。

2凍融作用對土梁抗彎性能的影響

2.1　實驗室試驗過程

按照上述方法制定相同的鋼筋混凝土試件。在凍融前用10～15 ℃的水浸泡，浸泡24 h后擦干試件表面后稱重，并將其放進注有氯化鈣溶液的凍融箱內(nèi)。凍融2～3 h后取出試件，擦干表面并稱重，同時觀察試件表面是否產(chǎn)生裂縫等變化。當試件重量的下降幅度大等于7%時停止凍融，控制凍結和融化間的時差小于15 min[3]。

統(tǒng)計不同承載壓力下鋼筋混凝土試件的截面應力隨凍融次數(shù)變化的規(guī)律，其變化曲線如圖2所示。

2.2　試驗結論

分析圖2可知，在相同承壓條件下，隨著凍融次數(shù)的增加，鋼筋混凝土梁截面所受壓力也表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢。出現(xiàn)這一變化現(xiàn)象的原因有：

1)凍融操作的反復進行造成了土梁中心軸的抗壓能力及應變彈性降低，從而導致土梁截面單位面積所受壓力增大；

2)反復凍融嚴重破壞了土梁內(nèi)部的抗拉力結構和鋼筋混凝土間的粘連效應[4]，引起土梁截面受壓力的增大。

借鑒鋼筋銹蝕實驗中的模型計算方法，可得凍融狀態(tài)下鋼筋混凝土梁的抗彎應力計算公式：

(2)

其中，Mn為凍融作用下土梁的抗彎強度，γn為凍融土梁應力值的擬合系數(shù)，αN為凍融作用下土梁抗彎應力的特征系數(shù)值,xN為凍融作用下土梁的開裂深度，fc、b0及b的意義與(1)式相同。例如，實驗室土梁試件在經(jīng)過90次和180次凍融后，其抗彎強度計算值分別為3.801 MPa和3.294 MPa。在具體實踐中可利用公式計算凍融后土梁的抗彎應力，并判定是否需進行土梁加固。

圖2　鋼筋混凝土試件截面應力隨凍融次數(shù)變化

2.3　共同作用下的土梁抗彎性能分析

按照處理方式的不同對土梁進行編號，即A(30 min 銹蝕、60次凍融)，B(30 min銹蝕、120次凍融)、C(60 min銹蝕、60次凍融)和D(60 min銹蝕、120次凍融)。將這些土梁分別放置在抗彎性能試驗裝置中，如圖3所示，通過加大壓力，測量不同部位的壓力值，并據(jù)此確定其抗彎應力。

圖3　抗彎性能試驗裝置

分析結果可知，A梁和B梁的抗彎強度值分別為2.863 MPa和2.495 MPa，C梁和D梁的抗彎應力分別為2.547 MPa和2.036 MPa。綜合分析可得，在鋼筋銹蝕和凍融的共同作用下，鋼筋混凝土梁的抗彎應力計算模型為：

(3)

式(3)中，Mc和Mn分別為鋼筋銹蝕和凍融單一作用下的抗彎強度，c為兩種作用的耦合系數(shù)。在實際中，鋼筋銹蝕和凍融作用往往同時存在，工程技術人員可借此計算出雙重作用條件下土梁的抗彎應力。

3提高土梁抗彎性能的方法策略

3.1　灌漿料加固

灌漿料加固是利用灌漿料對現(xiàn)有鋼筋混凝土梁的結構、連接部位等進行漿料灌注，以提高土梁的抗彎性能。

3.1.1可行性分析

選取原有鋼筋混凝土試件進行灌注加固，對經(jīng)加固和未經(jīng)加固的土梁試件給予相同應力壓迫，比較兩試件在不同荷載條件下?lián)隙鹊淖兓?，如圖4所示。

3.1.2實現(xiàn)過程

1)根據(jù)實際情況選取合適的灌漿方法，常規(guī)使用的灌漿法包括“自重灌漿”和“壓力灌漿”等[5]；

2)待加固土梁進行表面清理后，按照既定方案進行土梁加固；

3)灌漿結束20～30 min后，采取噴灑養(yǎng)護劑或清水的方式進行鋼筋混凝土梁養(yǎng)護處理。

3.2　鋼筋阻銹劑的應用

3.2.1可行性分析

通過上述試驗內(nèi)容可知，鋼筋銹蝕過程的實質(zhì)是電化學反應過程，鋼筋阻銹劑可降低反應速率或阻止反應過程的發(fā)生。鋼筋阻銹劑不僅可延長土梁中鋼筋生銹的初始時間，還能顯著降低鋼筋的銹蝕速度，提高土梁的抗彎能力[6]。

通過以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)衣庫在微信端的營銷已經(jīng)早已拋棄簡單的推文推送。而是基于用戶真正的需求出發(fā)，去貼合產(chǎn)品本身進行相關服務內(nèi)容和技術上的開發(fā)，借助新潮的數(shù)字科技以及高質(zhì)量的內(nèi)容來吸引用戶持續(xù)關注，這在某種程度上比單純依靠其來進行促銷和公告的發(fā)布要高效得多。

3.2.2實現(xiàn)過程

1)現(xiàn)場考察后，對土梁表面的雜質(zhì)、油污、銹蝕及疏松物質(zhì)等進行清理，確保土梁表面的充分外露和清潔；

圖4　對照土梁與加固試件的應力變化

2)將事先備好的鋼筋阻銹劑均勻涂刷于土梁表面，噴涂間隔為3～4 h，反復1～2次[7]；

3)噴涂完畢后檢查覆蓋效果，對噴涂不均部位進行二次噴涂。

4案例分析

4.1　案例工程概況

某建筑為5層“工”字形結構，其建成時間為1957年，至今已使用57年。該建筑物東西跨度為65.31 m，南北縱深為19.97 m，總建筑面積為3 108 ㎡。由于技術限制和使用年限較長，該建筑的部分地基發(fā)生輕微沉降，建筑中的鋼筋混凝土梁間距較大，土梁下端未架設承重柱，且部分土梁構件出現(xiàn)位移或裂縫現(xiàn)象。

4.2　具體加固措施

4.2.1灌漿料加固施工

清除原混凝土梁表面的疏松或腐蝕部分，在清除部位上方30～35 mm處架設灌漿模板。采取壓力灌漿方式從模板一側向模板內(nèi)灌注漿料至另一側有漿料溢出，灌漿厚度以45～60 mm為佳。灌漿結束后，結合現(xiàn)場條件采取有效的養(yǎng)護措施。

4.2.2鋼筋阻銹劑的使用

待上述灌漿料加固施工完畢1～2個月后，在土梁

表面涂刷阻銹劑。首先清除土梁表面的雜質(zhì)及混凝土疏松部分，確保表面的清潔與平整。其次，在土梁表面均勻涂刷鋼筋阻銹劑并晾干，如此往復1～2次。最后，檢驗噴涂效果，對不均勻部分進行重新噴涂。

4.3效果綜合評估

在蒙特卡羅概率方法的基礎上構建耐久性計算模型[8]，對加固后建筑物和應用傳統(tǒng)技術施工的建筑物進行耐久性評估，同時邀請專家對兩種不同施工技術條件下的施工時長和資金量進行科學評估，評估結果如表1所示。

表1　不同施工技術對鋼筋混凝土梁的影響比較分析

比較表1中的評估結果可知，應用加固技術進行施工的建筑使用周期更長，其施工時長及資金投入量均低于使用非加固施工技術的建筑。由此可知，應用灌漿料加固及鋼筋阻銹劑涂刷等施工技術，可提高鋼筋混凝土梁的抗彎性能，延長其使用壽命。

5結論

鋼筋銹蝕和凍融作用均會對鋼筋混凝土梁的抗彎性能造成不利影響，進而影響到鋼筋混凝土梁的正常使用。在不同作用下，土梁抗彎性能的變化情況互不相同。灌漿料加固技術和鋼筋阻銹劑粉刷技術可顯著提高鋼筋混凝土梁的抗彎性能，盡可能地延長土梁在具體建筑物中的使用年限，兩種技術的應用效果已在具體實踐中得到充分體現(xiàn)，應用價值較高，可在實踐中廣泛使用。

參考文獻

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[3]崔釗瑋.氯鹽干濕交替下開裂RC梁的侵蝕及抗彎性能退化研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2013.

[4]張治軍,周禹,羅輝.凍融循環(huán)對混凝土梁抗彎性能的影響[J].建筑技術開發(fā),2014,41(1)：8-10.

[5]趙榮偉.灌漿料加固鋼筋銹蝕混凝土梁板的試驗研究[D].杭州：浙江大學，2012.

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[7]岑暢明,申翔.銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能評估[J].國外建材科技,2007,28(3)：32-35.

[8]杭彧.局部銹蝕鋼筋混凝土梁受彎性能的數(shù)值模擬研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2010.

(責任編輯張凱校對佟金鍇)

The Flexural Performance of Reinforced Concrete Beams under the

Action of Rebar Corrosion and Freeze-thaw

FU Ming-chun

(Applied Technology College,Dalian Ocean University,Wafangdian 116300,Liaoning Province)

Abstract：The influence of reinforcement corrosion and freeze-thaw action on the flexural performance of reinforced concrete was analyzed in this paper.The calculation models under the two types actions were analyzed based on the elaboration of the two influence principles in detailed.According to the specific case,the effective measures to improve the flexural properties of concrete beam were discussed in order to provide a basis for the construction process of reinforced concrete beams and daily maintenance work,and to further improve the performance of reinforced concrete buildings.

Key words：corrosion;freeze-thaw;reinforced concrete beam;flexural performance

作者簡介：付明春(1971-)，男(滿族)， 遼寧瓦房店人，講師，碩士研究生。

收稿日期：2014-11-24

中圖分類號：TU375

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1603(2015)02-0189-04

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.022