锈蚀混凝土梁承载力退化的试验研究

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(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014)

在氯盐环境中，钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性失效最主要的表现形式[1-2].钢筋锈蚀不仅减小钢筋截面积，而且不均匀锈蚀引起钢筋锈坑周围的应力集中导致钢筋承载力大大降低，同时，钢筋与混凝土之间的粘结性能不断退化，降低了结构的整体性，更为重要的是，钢筋锈蚀生成的锈蚀产物体积是原钢筋体积的2～6倍[3]，在混凝土内部产生很大的锈胀力，保护层受拉而顺筋开裂、剥落，结构刚度和承载能力急剧下降[4].一旦保护层开裂，外部环境中的腐蚀介质更容易到达钢筋表面，加剧钢筋锈蚀，产生更多的锈蚀产物，保护层裂缝宽度进一步增大，直至结构因耐久性破坏而失效.因此，研究钢筋锈蚀对混凝土结构承载力的影响对于混凝土结构耐久性的评估和设计尤为重要.

十多年来，国内外学者在锈蚀混凝土结构力学性能退化方面取得了一些成果.Huang和Yang通过预制裂缝梁的腐蚀试验，表明极限荷载和刚度的降低主要取决于混凝土质量和预制裂缝[5].Ballim等人考虑工作荷载对锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响，对于给定的锈蚀率，发现变形率随着工作荷载的增大而增大，极限承载力下降主要由控制截面处的最大坑蚀所控制[6-7].Mangat和Algarf基于111根混凝土梁的快速锈蚀试验，提出了构件剩余弯曲强度的计算模型，当锈蚀程度较高时，预测结果偏于保守，而且需要实测锈蚀电流作为模型输入参数，不便于工程应用[8].金伟良和赵羽习采用快速锈蚀试验研究了17根混凝土梁的承载力，通过拟合给出了钢筋锈蚀率对混凝土结构协同工作系数的影响公式[9].以上结论大多基于梁的平截面假设，采用协同工作系数近似考虑粘结性能的降低，再按混凝土结构设计规范计算锈蚀混凝土梁的承载力.但是，这种方法仅适用于钢筋锈蚀量较小、保护层尚未开裂、粘结性能下降不大的情况.因此，在前人工作的基础上，笔者进一步通过试验研究锈蚀混凝土梁的力学性能退化规律，并对各关键影响因素进行评价.

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

本试验采用杭州钱潮水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥.细骨料为中河砂，试验时筛除尺寸大于4.75 mm的卵石，表观密度为2 650 kg/m3.粗骨料是经过清洗和过筛的石灰岩碎石，尺寸为4.75～26.5 mm，表观密度为2 670 kg/m3.盐采用浙江省盐业集团生产的银涛牌工业精制盐，熔点为801 ℃，沸点为1 413 ℃，纯度为94%.混凝土水灰比分别取0.35，0.45，0.55，各水灰比下混凝土的配合比和实测抗压强度、抗拉强度和弹性模量如表1所示.

表1 混凝土配合比和力学性能

1.2 试验方案

本试验着重考虑影响混凝土耐久性的三个主要因素：锈蚀电流密度、水灰比和保护层厚度，为了研究它们对锈蚀混凝土梁承载力的影响，设计了7组混凝土梁试件，如表2所示.这里需要指出的是，由于锈蚀率与锈蚀电流密度的平方根成正比[3,10]，锈蚀电流密度在某种意义上反映了钢筋的锈蚀程度.每根梁试件的几何尺寸均为150 mm×100 mm×900 mm，其配筋如图1所示.为了便于控制保护层厚度，纵筋伸出混凝土两端，并用环氧树脂和绝缘胶布在箍筋和纵筋的接触处进行绝缘处理.本试验共浇铸了58个梁试件，每个试件一次成型，振动台震动15 s后抹平，放入养护室养护，24 h时后拆模，标准养护28 d，每组取2个梁试件进行正常加载和重复加载.用安装有压力传感器的手动式液压千斤顶两点对称加载，加载点离梁试件端部250 mm，中间400 mm为无剪力的纯弯段，通过应变仪连接压力传感器来控制每次的加载值，在梁试件的跨中和两支座处安装百分表测量跨中挠度和支座位移.试验过程中记录梁侧面裂缝图案、跨中挠度和支座位移、开裂荷载和破坏荷载.其余梁试件焊接导线，用环氧树脂密封外露钢筋，待环氧树脂固化后放入溶度为3.5%的盐水中浸泡48 h，然后接入可变电阻与电源调试电流，稳定后开始通电锈蚀试验.通电过程中适时观测试件的各种现象，特别是电流的变化以及裂缝的发展情况，通过可变电阻保持电流稳定.裂缝出现后，在梁试件的纯弯段等间距取5个点测量裂缝宽度，再取其平均值作为裂缝宽度.当梁试件达到初裂、裂缝宽度为0.1 mm、裂缝宽度为0.3 mm和裂缝宽度为0.5 mm时，记录锈蚀时间，并分别每组取出2根梁试件按上面的加载程序进行加载试验.

表2 各组梁试件的锈蚀电流密度、水灰比和保护层厚度

图1 混凝土梁的几何尺寸和配筋

2 试验结果分析

2.1 裂缝分布

图2给出了三种典型状态下梁试件S4的裂缝分布，图2中的数字表示裂缝延伸到该处时所对应的荷载值.图2(a)为无锈蚀梁，裂缝分布比较均匀，开裂荷载为20 kN，开裂后混凝土与钢筋产生相对滑移，由于受粘结力的限制，裂缝扩展比较缓慢，当加载到20～30 kN时，纯弯段出现多条新裂缝，而且支座处也出现两条斜裂缝，当荷载超过35 kN后不再出现新裂缝，但原裂缝随着荷载的增大而不断扩展.当荷载达到67.5 kN时，裂缝突然扩大，挠度急剧增大，钢筋开始屈服，梁达到承载力的极限值.图2(b)为锈蚀至初裂的梁，由于锈蚀程度不高，锈蚀产物膨胀增大了混凝土对钢筋的法向压力，提高了它们之间的粘结力，因而裂缝间距更小，初裂荷载和破坏荷载均有一定程度的提高.图2(c)为锈蚀至表面裂缝宽度为0.05 mm的梁，由于梁底部的纵向裂缝减小了混凝土与钢筋之间的机械咬合力，降低了它们的粘结力，与图2(a)相比，裂缝间距明显增大，而且初裂荷载和极限荷载均有不同程度的降低.其他梁的裂缝分布与S4梁类似.

图2 混凝土梁S4的裂缝分布

2.2 荷载-挠度曲线

图3给出了混凝土梁S4的荷载-挠度曲线，图3中的曲线1-5分别对应于无锈蚀、锈蚀至初裂、锈蚀至纵向裂缝宽度0.01，0.03，0.05 mm的梁.从图3可以看出：当荷载小于初裂荷载时，荷载与挠度几乎成线性关系，当荷载大于初裂荷载时，梁刚度随着裂缝的延伸和新裂缝的产生而不断降低，曲线逐渐偏离原点的切线，当荷载接近破坏荷载时，梁挠度急剧增大，表明梁中的钢筋已经开始屈服.从图3还可以看出：曲线2和曲线1几乎重合，表明尽管锈蚀减小了钢筋的截面积，由于锈蚀程度不高，锈蚀产物膨胀增大了混凝土对钢筋的法向压力，提高了它们之间的粘结力，梁刚度几乎没什么变化.再比较曲线1和曲线3，4，5可以看出：在钢筋锈蚀至一定的纵向裂缝宽度后，梁底部的纵向裂缝减小了混凝土与钢筋之间的机械咬合力，降低了它们的粘结力，而且钢筋的截面积也减小，因此，梁的刚度和承载力均下降，而且纵向表面裂缝宽度越大，梁刚度和承载力下降越多.

图3 混凝土梁S4的荷载-挠度关系

2.3 承载力退化

图4-6给出了钢筋锈蚀程度、锈蚀电流密度、水灰比和保护层厚度对梁承载力退化的影响，横坐标表示梁锈蚀状态，数字1-5分别对应无锈蚀、锈蚀至初裂、锈蚀至纵向裂缝宽度0.01，0.03，0.05 mm的梁.从图4-6可以看出：梁承载力并非随着钢筋锈蚀程度的增大而单调减小，而存在一个临界裂缝宽度，当锈蚀纵向裂缝宽度小于0.01 mm时，梁承载力随着锈蚀程度的增大略有增大，表明锈蚀产物膨胀提高混凝土与钢筋之间的粘结力成为主要因素，而钢筋截面积减小则是次要因素；当锈蚀纵向裂缝宽度大于0.01 mm时，梁承载力随着锈蚀程度的增大而减小，表明钢筋截面积减小和纵向裂缝降低混凝土与钢筋之间的机械咬合力成为主要因素，锈蚀产物膨胀则是次要因素.从图4可以看出：锈蚀电流密度越大，梁承载力退化越缓慢，这可能是因为锈蚀电流密度大，单位时间内产生的铁锈体积大，由于铁锈产物不能很好地从裂缝中扩散出去，增大了混凝土对钢筋的法向压力，提高了混凝土与钢筋之间的粘结力.图5表明：水灰比越大，混凝土强度越低，梁承载力也越小；该图5也表明：水灰比越大，梁承载力退化越快，这是因为水灰比越大，在给定水化度下混凝土的孔隙率越高，有利于锈蚀产物的扩散，降低了混凝土与钢筋之间的粘结力.图6清楚地表明：保护层越厚，梁截面受弯的有效高度越小，无锈蚀梁的承载力下降；该图也表明，保护层越厚，梁承载力退化越缓慢，一方面是保护层越厚，锈蚀产物不易通过纵向裂缝扩散出去，提高了混凝土与钢筋的粘结力，另一方面，保护层越厚，在混凝土表面裂缝宽度相等的情况下，钢筋表面的纵向裂缝宽度相对较小，纵向裂缝对混凝土与钢筋之间机械咬合力的减小幅度也较小.因此，增大保护层厚度不仅延长氯离子到达钢筋表面的时间，而且减缓结构承载力的下降，是混凝土材料和结构耐久性设计的一项重要措施.

图4 锈蚀电流密度对梁承载力退化的影响

图5 水灰比对梁承载力退化的影响

图6 保护层厚度对梁承载力退化的影响

3 结 论

通过试验研究得到如下结论：1) 当钢筋锈蚀程度较小时，梁在荷载作用下的横向裂缝间距较小；当钢筋锈蚀程度较大时，梁在荷载作用下的横向裂缝间距较大.2) 钢筋锈蚀对梁开裂荷载影响不大.3) 梁承载力与钢筋锈蚀程度有关，当锈蚀裂缝宽度小于0.01 mm时，梁承载力随着锈蚀程度的增大略有提高，而当锈蚀裂缝宽度大于0.01 mm时，梁承载力随着锈蚀裂缝宽度的增大而不断降低.4) 锈蚀电流密度、保护层厚度和水灰比对梁承载力退化速率均有不同程度的影响，增大锈蚀电流密度或保护层厚度会减小梁承载力退化速度，而提高水灰比会增大梁承载力退化速度.

钢筋锈蚀引起混凝土结构承载力退化是一个极为复杂的问题，笔者仅在此方面做了一些初步尝试，今后拟在如下两方面进行进一步探索：1) 实际钢筋混凝土结构均同时承受环境因素和荷载作用，可以通过实验室和现场试验分析这种耦合作用对混凝土结构承载力退化的影响.2) 几乎所有结构在使用期间都会承受各种随机或动力荷载作用，可以将试验与理论计算相结合分析其他反复荷载或动力荷载作用下锈蚀混凝土结构的性能退化特性.

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