钢筋混凝土结构在荷载和锈蚀耦合作用下试验研究综述

苏欣

摘 要：随着研究水平的不断提高，锈蚀钢筋混凝土力学性能的试验研究方法呈现出各种各样。文章通过对文献的调研，对已有该类实验进行梳理总结，并给出相应的建议，同时分析了该类实验今后的发展趋势。

关键词：钢筋混凝土；锈蚀和荷载耦合；试验研究

中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0168-02

前言

钢筋混凝土材料劣化的所有因素中，对结构影响最大的莫过于钢筋锈蚀。具体来说钢筋锈蚀造成混凝土构件的承载力退化以致失效的原因有以下几个方面：一是由于钢筋锈蚀使钢筋截面面积减小，锈蚀钢筋的力学性能退化；二是钢筋锈蚀会产生锈胀力，造成混凝土截面损伤；三是钢筋锈蚀会使钢筋与混凝土之间的粘结性能退化。在实际工程中，锈蚀是伴随着混凝土结构承受荷载过程中而发生的，然而，早期的研究大多未考虑荷载作用效应，仅考虑环境作用效应。显然这跟实际工程中的情况相差甚远因而不能很好的模拟实际工程中结构真实的劣化过程。双因素及多因素的耦合作用研究是目前研究的热点问题。

1 荷载和锈蚀耦合作用下钢筋混凝土结构承载力试验

1.1 实验室中得到锈蚀钢筋混凝土构件的方法

实验室中得到锈蚀钢筋混凝土构件的方法主要有以下四种：实际工程中拆换下来的老构件、实验室电化学加速锈蚀、人工环境模拟加速锈蚀和实验室机械加工模拟锈蚀。应用最广泛的是电化学加速锈蚀和模拟人工环境加速锈蚀，下面着重介绍这两种方法。

电化学加速锈蚀之所以被广泛应用是因为其具有锈蚀速度快、锈蚀率易控制和试验条件比较容易达到等优点。

近年来人工环境模拟加速锈蚀得到锈蚀构件的方法应用越来越普遍，采用大型步入式人工环境试验箱进行试验，通过设置高温（40℃-50℃）、高湿（80%-90%）、氯盐溶液喷淋和干（红外灯照）湿（盐溶液喷淋）循环来模拟自然环境下的钢筋锈蚀，该方法得到的锈蚀钢筋构件更接近于实际工程。

电化学加速锈蚀与人工环境模拟加速锈蚀相比较，无论从电化学机理，还是从锈蚀产物、锈胀特征与锈胀形态上都存在明显差异。人工环境模拟加速锈蚀钢筋锈蚀以坑蚀为主，靠近保护层一侧钢筋首先受到侵蚀性介质的影响，锈蚀从靠近保护层一侧开始，外侧锈蚀明显比内侧严重，且自然环境中梁同时受到荷载作用容易产生微裂隙使得侵蚀介质更容易到达钢筋表面。通电锈蚀为各个方向的均匀锈蚀。两者的锈蚀产物也不相同。因此人工环境模拟加速锈蚀得到的锈蚀钢筋构件更接近于实际工程。

1.2 实验室持续荷载的加载方式

持续荷载的施加是锈蚀和荷载耦合试验的难点所在，持续荷载的大小为30%的极限承载力，要求荷载稳定并且安全可靠，并且需要利用传感器实时监测其恒载力的大小，当恒载力不足时及时补充使其在整个实验过程中都保持恒载的状态。目前较常用到的方法有以下几种。

第一种，利用千斤顶和反力架来达到恒荷载施加的目的，该方法可以很好的在整个实验过程中保持恒载大小，当恒载不足时补充恒载力也比较方便；第二種，利用配重块来达到施加恒载的目的，该方法简单易行安全可靠，恒载力的大小也比较容易控制，但该方法一般加载的力较小；第三种，利用钢板、螺杆、螺母和钢支座，采用两点对称的加载方案，恒载的施加主要靠拧紧螺母使得构件和钢板及钢支座产生的反力，该方法的优点在于一次可以有多个钢筋混凝土试件同时进行试验；第四种，采用杠杆挂篮砝码加载系统实现两点加载。杠杆一端放置砝码吊篮，另一端用地脚螺栓与地槽锚固。该方法可以长期保持荷载的稳定；第五种，适用于轴心及偏心短柱的试验，其有一定的特殊适用性。其保持恒荷载的方法是通过施加预应力来保持恒荷载，该方法的优点就是能很好的保持恒载的大小以及能在不卸载的情况下进行下面的承载力试验，更加接近于实际工程。

1.3 钢筋混凝土结构在荷载和锈蚀耦合作用下试验

荷载和锈蚀耦合的试验方法可以分为三大类。第一类，先进行锈蚀（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸盐侵蚀、冻融循环等等），再进行承载力等试验内容，两步互相分离，与实际出入较大。第二类，构件在加恒载（极限承载力的30%左右）的基础上同时进行锈蚀（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸盐侵蚀、冻融循环等等），锈蚀等作用完成后卸去恒载，再进行承载力等试验内容，这样的方法比较接近实际工程，该方法是目前的试验研究经常采用的试验方法。第三类，构件在加恒载（极限承载力的30%左右）的基础上同时进行锈蚀（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸盐侵蚀、冻融循环等等），锈蚀等作用完成后不卸载，直接进行承载力等试验内容，该方法可以一直持有恒荷载，更加接近于实际工程，也是该类试验的趋势。

上述三种方法在锈蚀构件的试验中都有采用，长沙理工大学学者做了拱结构的锈蚀试验，其试验方法为先进行锈蚀，再进行承载力等试验内容，恒载的加载方式利用千斤顶和反力架进行加载，锈蚀方法为电化学加速锈蚀；浙江大学学者也进行了荷载和锈蚀耦合作用下的试验，其试验方法也为第二类方法，加载方式为利用钢板、螺杆、螺母和钢支座，采用两点对称的加载方案，恒载的施加主要靠拧紧螺母使得构件和钢板及钢支座产生的反力，锈蚀方法为“电渗-恒电流-干湿循环”，该锈蚀方法具体步骤为：首先，在恒定电压下进行电渗，使氯离子到达钢筋表面，由于混凝土材料的不均匀性，氯离子在钢筋表面的浓度也不均匀，可以模拟实际钢筋的不均匀锈蚀.然后在恒定电流下通电加速锈蚀，同时对试验梁进行干湿循环处理；浙江工业大学学者进行的荷载和锈蚀耦合试验，其加载方式为千斤顶和反力架加载，锈蚀是在人工环境箱中进行，利用高温高湿的环境，并采用质量分数为5%的盐雾从上部向下喷洒，以达到加速腐蚀的效果。设置的喷雾腐蚀时间为2h，干燥腐蚀46h。四个气候环境依次循环，经历的四个气候环境后相当于为一个大循环（8d，相当于自然时间1年）。该实验方法更接近于暴露在自然环境下进行锈蚀的实际工程构件，得到的试验数据也更加值得信任。

2 关于钢筋混凝土结构在荷载和锈蚀耦合作用下试验建议

虽然近年来对钢筋混凝土锈蚀构件力学性能研究的试验越来越多，但是很多试验其试验方法并没有体现出革新。试验终究是服务于实际工程的，如果试验的内容与实际工程中的情况相差甚远，那试验的意义也将大大降低。

通过对过往试验的总结，提出以下几点建议：（1）对加载装置进行革新，目前的加载装置都比较笨重且恒载施加起来十分的不方便，目前的加载装置也无法达到大构件的不卸载而继续进行承载力等试验的目的，为了让试验更加接近于实际工程我们可以根据构件的形状和大小来对加载装置进行订做，使其不仅满足恒载保持的需要也可以实现大构件的不卸载而继续进行承载力等试验的目的；（2）改进锈蚀方法，电化学加速锈蚀虽然可以很快的达到目标锈蚀率但其机理和锈蚀结果都与实际工程相差较多，建议在今后的试验中如果要用电化学加速锈蚀，有必要设置一定的修正系数对结果进行修正。模拟人工环境加速锈蚀的方法目前采用还不是特别广泛，我们可以随着设备的更新，调试出更加接近于真实环境的环境参数，另外模拟人工环境锈蚀的方法，试验周期也是必须考虑的问题，一般情形下模拟人工锈蚀的试验周期都较长；（3）目前考虑双因素耦合作用下的影响的试验较多，但是实际工程中的钢筋混凝土构件普遍都是在多因素复杂耦合状态下进行服役的，所以今后的研究方向也是多因素耦合作用下钢筋混凝土的承载力试验，梳理多因素之间的系数指标和影响程度，做好理论方面的研究，为试验研究打下坚实的基础。

3 结束语

随着科学技术的高速发展，对于试验方法和装置的革新也势在必行。本文通过资料的调研梳理了当前研究水平荷载和锈蚀耦合作用下钢筋混凝土结构的试验研究，从锈蚀方法、恒载加载方法、荷载和锈蚀耦合试验方法三个方面进行了总结了该类试验的发展和现状，并给出了相应的建议，为以后的研究趋势做了一个初步的探索，表明多因素耦合作用的研究是今后该类试验研究的重點。

参考文献：

[1]金伟良，王毅.持续荷载与氯盐作用下钢筋混凝土梁力学性能试验[J].浙江大学学报，2014，02-221-07.

[2]滕海文，周乐云，等.不同应力比下锈蚀钢筋混凝土梁承载力试验研究[J].建筑科学，2010，11-0056-03.

[3]吴庆，张鑫森，袁迎曙.不同加速锈蚀方法下钢筋砼结构性能试验研究[J].安徽理工大学学报，2005，03-0021-05.

[4]何世钦，贡金鑫.负载钢筋混凝土梁钢筋锈蚀及使用性能试验研究[J].东南大学学报，2004，04-0474-06.

[5]吴庆，袁迎曙.人工气候环境下锈蚀混凝土梁的结构性能退化研究[J].中国矿业大学学报，2007，04-0441-05.

[6]袁迎曙，章鑫森，姬永生.人工气候与恒电流通电法加速锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能比较研究[J].土木工程学报，2006，03-0042-05.