锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能研究

尹毓良 孔繁智

(中国建筑第五工程局有限公司，辽宁大连 116000)

0 引言

近年来，钢筋混凝土结构已成为世界上最为广泛的结构形式之一，但由于环境变化，导致钢筋锈蚀引起钢筋混凝土结构提前破坏较为普遍，已逐渐引起国内外专家、学者们的重视［1］，在1991年，第二届国际混凝土耐久性学术会议上，Metha［4］教授指出:“影响钢筋混凝土结构破坏的顺序依次为:钢筋腐蚀、冻害、物理化学作用。”由此表明，钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性降低的最主要因素。虽然与发达国家相比，我国钢筋混凝土结构相对起步较晚，但钢筋混凝土结构耐久性问题已经成为影响钢筋混凝土结构稳定性的主要因素，目前，我国正处于房屋大规模建设的初级阶段，更要重视混凝土结构的耐久性因素，避免重蹈发达国家的覆辙［5］。

本文在锈蚀钢筋原材料力学性能变化的基础上，分析了不同锈蚀钢筋混凝土梁抗弯力学性能，为混凝土结构耐久性研究提供了理论参考。

1 试验方案

1.1 试件尺寸设计

本次试验共设计8个尺寸为150mm×150mm×1700mm的钢筋混凝土梁试件，设计强度均为C30，混凝土的配合比为:水泥∶水∶砂子∶石子 =1∶0.45∶1.42∶3.01，坍落度为 90mm，钢筋为414二级钢，箍筋 φ6.5@100，保护层厚度为25mm。

1.2 试件制作

钢筋绑扎前首先应对钢筋进行除锈，并称出未锈蚀钢筋质量，标记在导线的一端头上，同时将另一头导线系在钢筋端部，并在导线与钢筋交接处200mm范围内涂刷防锈漆，包裹绝缘胶带，以免导线锈断。同时在箍筋与架力筋交接处涂刷绝缘漆，避免发生箍筋锈断，失去约束作用提前破坏。

此次试验采用电解液快速锈蚀法，将养护好的混凝土放入砂槽中，上部覆盖塑料薄膜，定期对混凝土梁浇筑浓度为5%NaCl溶液，放置3d后接通稳压直流电源。电源正极接受拉钢筋，电源负极接铜板，形成电解池。再根据设计锈蚀量与法拉第原理，选择适当的电流和通电时间［6］。

1.3 荷载取值或加载方式

本试验在延边大学工学院土木工程系试验室进行，加载程序如下:试验加载前，首先进行预加载，观测仪器仪表和试验装置是否工作正常，及时排除故障;再进行物理对中，加载荷载为极限荷载的30%，观测应变变化是否一致［7］。最后进行正式加载，第一级荷载为梁极限荷载的20%，之后采用分级加载，按极限荷载的10%逐级加载，当荷载达到极限荷载的80%，降低为极限荷载的5%，从加载结束到下一级荷载开始持荷时间为10min，待变形基本稳定后记录本级荷载，进行下一级加载［8］。

2 试验结果分析

2.1 不同锈蚀率对钢筋力学性能的影响

由表1可以看出，当锈蚀率低于5%时，钢筋的屈服强度和极限强度几乎无变化，且满足规范要求，但伸长率开始降低;当锈蚀率大于5%且小于11%时，钢筋的极限强度随着锈蚀率的增加而不断降低，屈服强度仍无变化，伸长率已不能满足使用要求。当锈蚀率大于15%左右时，钢筋极限强度下降速率开始加快，不能满足使用要求，且失去屈服强度，发生脆性破坏。说明钢筋在锈蚀过程中伸长率和极限强度是影响构件脆性破坏的关键因素，也是造成混凝土构件脆性破坏的决定性因素。

表1 不同锈蚀率钢筋的力学性能

2.2 钢筋锈蚀对混凝土梁的强度影响

由图1，表2可以看出，钢筋混凝土梁的承载能力并不随着锈蚀率的增加而呈反比例降低，当锈蚀率低于5%时，钢筋混凝土梁的承载能力随着钢筋的锈蚀率的增加而不断增加，主要因为此时钢筋屈服强度和极限强度并不受锈蚀率的影响，伸长率虽然有所降低，但降低幅度不大，且钢筋延性较好，由于钢筋锈蚀导致钢筋表面产生大量铁屑，增加了与混凝土的粘结能力，提高了钢筋混凝土梁的抗弯能力。当锈蚀率大于5%，且小于13.5%时，虽钢筋屈服强度没有变化，但钢筋极限强度逐渐降低，伸长率也逐渐不能满足使用要求，但钢筋与混凝土仍能共同工作，锈蚀钢筋混凝土梁的承载能力随着锈蚀率的增加呈反比例增长，当锈蚀率大于13.5%，钢筋表面螺纹被锈掉，钢筋失去屈服强度，且极限强度和伸长率均不能满足使用要求，失去了与混凝土共同工作的能力，同时也失去了延性，造成混凝土强度急速下降，发生脆性破坏。

2.3 锈蚀钢筋混凝土梁的应力—应变分析

由图2可以看出，对于未锈蚀钢筋混凝土梁的应力—应变曲线大体可以分为两个阶段，主要是弹性阶段和强化阶段，加载初期，由于荷载较小，混凝土表面并未产生裂缝，应变变化较小，应力—应变呈线性增长，当荷载达到极限荷载的70%时，混凝土表面开始出现裂缝，应变增长速率逐渐变快，直至试件破坏。当锈蚀率低于5%时，由于钢筋的力学性能并没有明显变化，且能够提高与混凝土的粘结能力，导致锈蚀钢筋混凝土梁的变形性能与未锈蚀钢筋混凝土梁大体相同，甚至变形性能更好。当锈蚀率大于13.5%时，由于钢筋力学性能的衰减，失去了延性，同时表面铁屑的增加，降低了与混凝土的粘结能力，造成锈蚀钢筋混凝土梁呈现脆性破坏。

图1 锈蚀钢筋混凝土梁强度变化曲线

表2 锈蚀钢筋混凝土梁极限强度

图2 锈蚀钢筋混凝土梁应力—应变曲线

2.4 锈蚀钢筋混凝土梁的荷载—位移分析

由图3可以看出，锈蚀钢筋混凝土梁的延性与锈蚀钢筋混凝土梁的应变性能相似，但锈蚀率越大，前期混凝土梁位移变化速率越快，且变形能力越差。对于未锈蚀或锈蚀率低于5%的梁，钢筋与混凝土粘结性能较好，锈蚀钢筋混凝土梁变形能力较强，锈蚀钢筋混凝土梁延性随着锈蚀率的增加不断衰减，但降低幅度不大。当锈蚀率大于13.5%，由于钢筋锈蚀较严重，表面已经被碳化，钢筋肋被锈掉，失去了与混凝土的粘结能力，导致钢筋不能与混凝土共同工作，造成剥离破坏。

图3 锈蚀钢筋混凝土梁应力—位移曲线

3 结语

1)通过24根锈蚀钢筋试验结果表明，钢筋锈蚀初期，钢筋屈服强度和极限强度并无明显变化，伸长率开始降低缓慢，当锈蚀率大于5%且小于11%时，屈服强度无变化，极限强度和伸长率已经达到临界值，当锈蚀率大于11%时，钢筋逐渐失去屈服强度，极限强度和伸长率迅速下降，呈现脆性破坏。

2)锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯强度并不随着锈蚀率呈反比例降低，当锈蚀率低于5%时，锈蚀钢筋混凝土梁的强度随锈蚀率的增加而不断增加，当锈蚀率大于5%且小于13.5%时，锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度随着锈蚀率的增加呈反比例增长，当锈蚀率大于13.5%时，钢筋混凝土梁抗弯强度随着锈蚀率的增长急剧下降，呈脆性破坏。

3)锈蚀钢筋混凝土梁的变形能力随着锈蚀率的增加而不断降低，当锈蚀率低于13.5%时，钢筋与混凝土握裹能力较好，锈蚀钢筋混凝土梁主要呈现塑性破坏，当锈蚀率大于13.5%时，钢筋失去了与混凝土的粘结能力，梁承载能力急剧下降，呈现脆性破坏。

［1］王增忠.基于混凝土耐久性的建筑工程项目全寿命经济分析［D］.上海:同济大学经济与管理学院，2006.

［2］赵国潘，金伟良，贡金鑫.结构可靠度理论［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

［3］金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性［M］.北京:科学出版社，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，陈 驹，等.锈蚀钢筋混凝土构件残余承载能力［Z］.

［6］易美英，方从启，王艺霖，等.受锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能研究［J］.低温建筑技术，2008(1):51-53.

［7］郭 夏.CFRP加固局部强度不足的钢筋混凝土柱试验研究［D］.大连:大连理工大学，2008.

［8］唐 飞，孙 静，刘家蓬.芳纶纤维布加固小偏压混凝土柱试验研究［J］.水利与建筑工程学报，2009，7(2):95-98.