混凝土构件锈胀裂缝宽度与锈蚀量关系的试验研究

万胜武，徐杰

（武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉430065）

混凝土构件锈胀裂缝宽度与锈蚀量关系的试验研究

万胜武，徐杰

（武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉430065）

主要研究了混凝土开裂后裂缝宽度与钢筋锈蚀量之间的关系，并通过18组150 mm×150 mm ×150 mm的标准立方体试件的锈蚀对比试验，得出了锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀深度之间呈线性关系，并分析了钢筋截面损失率对钢筋锈蚀深度的影响；鉴于锈胀裂缝相对钢筋锈蚀率的观测更容易，给出了由裂缝宽度推测钢筋锈蚀量的公式。不仅对工程实践中钢筋锈蚀量的无损检测有很大帮助，而且可以为建筑结构的耐久性评估提供依据。

钢筋锈蚀率；裂缝宽度；锈蚀深度；截面损失率；无损检测

混凝土中钢筋锈蚀主要有两种形式：均匀锈蚀和坑蚀，其中坑蚀是自然条件下混凝土中钢筋锈蚀的主要形式。国内外对钢筋混凝土构件锈蚀力学性能的研究大部分都是基于钢筋的均匀锈蚀而进行的。张伟平［1］对钢筋锈蚀体积膨胀引起混凝土胀裂损伤机理进行了有限元分析，建立了混凝土胀裂时钢筋截面损失率的理论计算模型。Andrade等［2］和王深［3］对混凝土锈胀开裂的开裂条件和开裂后锈蚀量与裂缝宽度的关系进行了研究，给出了混凝土锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀量的定量关系。本文采用快速锈蚀试验法对18组试件进行了试验分析，得出了不同钢筋布置情况下混凝土锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀量之间的定量关系，同时推出了由裂缝宽度预测钢筋锈蚀深度的表达式，可应用于工程实践中在不破坏原有结构的情况下更为准确地推测钢筋的锈蚀量以及构件的耐久性评估。

1　锈蚀裂胀与相关公式

1.1混凝土锈蚀裂胀过程

当混凝土构件处于氯化物含量高的环境中，氯离子能渗透和扩散进入混凝土，致使钢筋锈蚀。钢筋锈蚀后，锈蚀产物的体积是钢筋体积的2～4倍，锈蚀产物的体积膨胀使钢筋周围混凝土产生环向拉应力。随着钢筋锈蚀物的积累，环向拉应力逐渐增大，当环向拉应力达到混凝土的抗拉强度时，在钢筋和混凝土界面处将产生内部径向裂缝［4］。随着钢筋锈蚀的持续，钢筋锈蚀量增加，径向裂缝向混凝土表面发展，最终造成混凝土保护层开裂甚至脱落。混凝土保护层的锈蚀裂胀过程如图1所示。

图1　混凝土保护层的裂胀过程示意

1.2计算公式

1）裂缝宽度与钢筋锈蚀深度的关系式

由Andrade等［2］提出的公式（1）和王深［3］提出的公式（2），均为由试验结果回归分析得出的直线方程。

式中：w为裂缝宽度；x为钢筋锈蚀深度。

2）钢筋的截面损失率表达式

钢筋锈蚀程度通常用失重率或截面损失率表示。失重率反映的是整根钢筋的锈蚀程度。由于钢筋混凝土结构本身和锈蚀过程的复杂性，导致锈蚀过程的不均匀性，从而使两者有比较大区别［5］。所以，通常在考虑混凝土纵向开裂和钢筋与混凝土黏结力下降时用失重率较好；而对于钢筋承载力下降，由于试验关心的是其破坏截面的锈蚀程度，因此用截面损失率较为合适。

钢筋锈蚀前钢筋截面积为

钢筋锈蚀后钢筋截面积为

钢筋锈蚀深度x与钢筋截面损失率K的关系为

式中：K为钢筋截面损失率；d为钢筋直径，mm。

2　试验研究

2.1试验方案

为了得到裂缝宽度w与钢筋锈蚀深度x的关系式，通过电化学快速腐蚀方法进行54个混凝土配筋试块锈胀裂缝宽度的试验研究。试块尺寸为150 mm× 150 mm×150 mm。试块中无箍筋，目的是为了尽量排除钢筋相邻位置锈胀开裂的相互影响，得到均匀锈蚀情况下的w-x关系式。试块钢筋直径d分别取16，20，25 mm，混凝土等级为C20，保护层厚度c分别取25，30，35 mm。试块分为18组，每组3个试块，其中A，B，C组中钢筋位于一般位置，D，E，F组中钢筋位于角区。具体参数见表1。

表1　试块参数

试块中钢筋位于一般位置和钢筋位于角区的布置示意如图2。

图2　钢筋布置示意（单位：mm）

为了模拟混凝土中钢筋锈蚀的过程，采用电化学快速锈蚀的方法，即将试块浸泡在浓度为5%的NaCl溶液中，按图3所示的试验法对混凝土试块中的钢筋接通直流电3～10 d。

图3　试验装置示意

2.2试验结果

试验通电结束后，用裂缝测宽仪测得开裂后的裂缝宽度。然后敲碎混凝土，取出生锈钢筋，经稀盐酸溶液除锈并干燥处理后，用天平称量钢筋的质量，并用千分尺测量钢筋3个截面的直径，从而计算锈蚀深度和钢筋截面腐蚀率。试验数据如表2所示。

3　试验分析

3.1试验结果拟合

由试验值拟合的裂缝宽度w与钢筋锈蚀深度x的关系如图4所示。

由图4可见：裂缝宽度都随锈蚀程度的加深而增大；钢筋位于一般位置时裂缝宽度分布在0.6～2.2 mm之间，而钢筋位于角区时裂缝宽度分布在0.15～1.2 mm之间。试验发现，钢筋位于角区时开裂方式比较复杂，有时会出现多条裂缝，当只有一条表面裂缝时，在其他方向也可能有未贯通的裂缝可以容纳锈蚀产物，所以钢筋位于角区时裂缝比钢筋位于一般位置时要小［6-11］。图4中钢筋位于一般位置时锈蚀深度分布在0.15～0.6 mm之间，而钢筋位于角区时锈蚀深度分布在0.025～0.3 mm之间，说明就钢筋腐蚀引起的保护层开裂而言，钢筋位于角区时保护层的开裂裂缝明显小于钢筋位于一般位置时，钢筋的腐蚀程度也要小于钢筋位于一般位置时。

表2　试验数据

图4　裂缝宽度w与钢筋锈蚀深度x的关系

3.2试验结果分析

1）钢筋位于一般位置时，得出的裂缝宽度w与钢筋锈蚀深度x的关系式为

由图4（a）可以看出，钢筋锈蚀深度与裂缝宽度之间存在较好的线性关系，且混凝土保护层裂缝宽度集中于1.2～1.8 mm之间。

2）钢筋位于角区时，得出的裂缝宽度w与钢筋锈蚀深度x的关系式为

虽然线性回归得出了关系式，但是可以看到图4（b）中的数据点较为离散，可能是因为钢筋位于角区时开裂方式比较复杂，有时会出现多条裂缝，因此数据离散，且其裂缝宽度值较一般位置时要小许多。

3）鉴于工程实践中锈胀裂缝较钢筋锈蚀率更易观测，可将图4转换为图5，即由裂缝宽度确定钢筋锈蚀深度。

图5　钢筋锈蚀深度x与裂缝宽度w的关系

4）裂缝宽度w与钢筋截面损失率K的关系式

钢筋位于一般位置时，将图5中拟合的关系式代入式（5），得到用裂缝宽度w表示钢筋截面损失率K的表达式为

钢筋位于角区时，相应地用裂缝宽度w表示钢筋截面损失率K的表达式为

4　结论

1）通过对试验结果的拟合和分析，得出了钢筋布置不同位置时裂缝宽度w与钢筋锈蚀深度x的关系式。钢筋位于一般位置时x=0.231 0w+0.025 4，钢筋位于角区时x=0.250 6w+0.001 5。

2）钢筋截面损失率K的表达式分为钢筋位于一般位置和钢筋位于角区2种情况。钢筋位于一般位置时，K=1-［d-2（0.231 0w+0.025 4）］2/d2；钢筋位于角区时，K=1-［d-2（0.250 6w+0.001 5）］2/d2。在实际的无损检测工程中，确定构件的截面尺寸和钢筋的分布情况，再测量混凝土裂缝宽度和钢筋直径来计算钢筋的截面损失率，推断钢筋的锈蚀程度。

［1］张伟平.混凝土结构的钢筋锈蚀损伤预测及其耐久性评估［D］.上海：同济大学，1999.

［2］ANDRADE C，ALONSO C，MOLINA F J.Cover Cracking as a Function of Bar Corrosion：Part 1—Experimental Test［J］. Materials and Structures，1993，26（10）：453-464.

［3］王深.钢筋混凝土结构锈胀裂缝的研究及耐久性评估［D］.上海：同济大学，2000.

［4］赵春红.混凝土钢筋锈蚀检测技术研究［J］.中国公路，2016（5）：138-139.

［5］王晓刚，杜相波，闰军印，等.混凝土构件中钢筋锈蚀的电加速技术对比试验研究［J］.建筑结构学报，2015，36（1）：104-110.

［6］刘荣桂，喻孟雄.混凝土保护层锈胀开裂时间的计算模型［J］.江苏大学学报（自然科学版），2016，37（2）：219-224.

［7］吴锋，张章，龚景海.基于锈胀裂缝的锈蚀梁钢筋锈蚀率计算［J］.建筑结构学报，2013，34（10）：144-150.

［8］成立，邓春林，王新详，等.钢筋锈蚀状况的分析研究［J］.铁道建筑，2007（5）：100-102.

［9］姜慧，喻孟雄，刘荣桂.混凝土保护层均匀锈胀内裂分析［J］.混凝土，2014（9）：1-4.

［10］郑颖颖，徐亦冬.混凝土保护层锈胀开裂研究进展［J］.混凝土，2015（6）：26-31.

［11］张勇，杜修力，李悦，等.荷载与溶液腐蚀耦合作用下钢筋锈蚀速率试验研究［J］.铁道建筑，2013（4）：145-148.

（责任审编孟庆伶）

Experimental Study on Relationship Between Crack Width and Corrosion Extent of Concrete Members

WAN Shengwu，XU Jie
（Institute of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430065，China）

T he paper focuses on the relationship between crack width and steel corrosion extent after concrete cracking.T hrough analysis of 18 groups cube specimens（150 mm×150 mm×150 mm），the relation between crack width and steel corrosion depth，which is linear，can be got.T he relation between steel corrosion depth and steel section loss rate can also be indicated.T herefore，T he extent of steel corrosion can be forecasted by crack width.T he results can be used to get the extent of steel corrosion with nondestructive testing（NDT），and provide a basis for the durability assessment in engineering practice.

Steel corrosion rate；Crack width；Corrosion depth；Section loss rate；Nondestructive testing（NDT）

TU528.01

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.34

1003-1995（2016）10-0128-05

2016-06-04；

2016-07-20

万胜武（1964—），男，副教授，硕士。