腐蚀后的钢管混凝土构件力学性能研究综述

2020-01-03袁林

四川建材 2020年2期

袁林

(长江大学，湖北荆州 434023)

1 钢管混凝土

钢管混凝土组合结构广泛应用于各类建筑结构中，较为常见的有钢管混凝土柱构件。钢管混凝土构件是内空钢管填充混凝土而制成的构件，常见的有圆钢管混凝土柱构件和方钢管混凝土柱构件，近年来还有不少异形钢管混凝土构件的出现。钢管与混凝土这两种材料各有优缺点，混凝土的抗压强度高，但抗弯、抗折和抗拉能力很弱，而钢材具有较高的抗拉强度，其中，型钢的抗弯能力强，而且钢材普遍具有良好的弹塑性，但是空钢管构件在轴向受压时容易失稳。而钢管混凝土结构能够将二者的优点结合在一起，在轴向受压时钢管中的核心混凝土处于侧向受压状态，由于外围钢管的束缚其抗压强度提高明显，从而大大地提高了承载能力。由于钢管混凝土构件优异的受力性能和施工性能，各种形状的钢管混凝土结构的迅速发展，其承载力高、延性好、塑性好，而且施工方便，可在预制工厂预制好后搬运至工地现场，结合装配式建筑施工，工期大大缩短。钢管混凝土结构施工时，也可以现场浇筑混凝土，在钢管安装好后，钢管可以承受施工荷载，此外，钢管混凝土的耐火性能较好。钢管混凝土整体的耐腐蚀性能优于单独的钢结构，钢管中心的混凝土使钢管与空气接触面积减少，受腐蚀面积因此也比钢结构少。

2 钢管混凝土腐蚀研究

钢管混凝土构件在使用过程中，都会受到环境因素的影响，有些构件甚至需要在恶劣环境中服役，比如寒冷地区的冻土中，或在温度较高的钢铁厂中，在众多环境因素影响中，其中较为常见的是在腐蚀性环境中使用，例如海洋平台建筑，埋地管道等都极易被环境所腐蚀，国内一些学者对钢管混凝土的腐蚀也进行了研究。

2.1 腐蚀后钢管混凝土构件的研究现状

2011年，张斌[1]详细分析了普通钢管混凝土、均匀锈蚀钢管混凝土、坑状锈蚀混凝土三种类型结构的力学性能，并且通过有限元建模与试验对比，着重分析了锈蚀后对钢管混凝土的力学性能、钢材本构关系、混凝土本构关系以及承载力的影响。

2012年，李威[2]采用玻璃纤维增强塑料(GFRP)钢管混凝土试件，以玻璃纤维增强塑料的包裹方式为试验的可变参数，进行力学静载试验，试验研究结果表明，随着锈蚀的加深，试件的刚度也逐渐降低，同时，承载力也不断下降，但相对于普通的钢管混凝土结构而言，玻璃纤维增强塑料增强了钢管混凝土构件整体的抗腐蚀能力，此外，通过有限元分析中局部腐蚀与整体腐蚀发现，试件的局部锈蚀损伤明显高于整体损伤，因此，建议在腐蚀性条件下使用钢管混凝土构件的实际工程中需要进行构件的局部加固。

2013年，陈梦成等[3]以地下环境为背景模拟了试件在地下环境中的锈蚀环境，研究了氯离子锈蚀对钢与混凝土组合结构中钢筋的影响规律。试验结果显示，氯离子与钢材发生腐蚀反应较为缓慢。当试验溶液中的氯离子浓度越大时，试件的锈蚀速率也越大，浸泡时间越长，锈蚀的现象越为明显。同年，何小平[4]制作了钢管混凝土柱试件，并用NaCl溶液涂抹在钢管与混凝土接触面上来模拟腐蚀环境，通过设定不同时长的锈蚀，分析了腐蚀时长和径厚比对于钢管与混凝土粘结界面力学性能的影响。许开成等[5]制作了10根钢管混凝土试件，在管内壁涂抹一定浓度的NaCl 溶液，将试件置于腐蚀环境之中进行试验，按一定时间获得不同腐蚀程度的管件来研究腐蚀程度与时间长短的关系。试验结果表明，随着腐蚀时间的不断增长，腐蚀现象越为明显。

2014年，Lin-Hai Han等[6]对长期荷载-氯离子腐蚀下的方钢管混凝土进行了试验研究，其中17根柱构件和11根梁构件，一共28根试件。试验主要以荷载比和腐蚀条件为变量，分析了长期荷载和腐蚀对钢管混凝土柱的影响，此外与空钢管柱的受力性能作了对比，最后对比了用现有规范计算的极限承载力与试验得到的极限承载力。

2015年，花幼星等[7]对氯离子腐蚀环境下钢管混凝土轴拉构件受力性能进行了有限元模拟计算，模型考虑了长期荷载下混凝土的收缩徐变和恶劣环境腐蚀两方面的影响，有限元计算结果与试验结果吻合良好。同年，陈梦成等[8]参考自然界的酸雨成分配制了相同的溶液，运用通电加速腐蚀的方法，设计了不同长径比的钢管混凝土构件，研究了不同pH值的酸性环境对钢管混凝土构件力学性能的影响。试验研究表明：钢管混凝土的套箍系数会因为腐蚀而降低，钢管混凝土构件的刚度和承载力也因此而下降。

2016年，张风杰[9]对地下巷道支护工程环境进行了实验室人工模拟，设计了与实际工程环境较接近的人工加速锈蚀试验；试验结果显示钢材一旦出现锈蚀，时间越长，锈蚀速率也会增大。此外，发现当锈蚀度增大时，试件承载力退化趋势减缓，锈蚀形成的蚀坑是试件受压时的薄弱点，蚀坑部位也是应力集中点，因此，该位置容易发生破坏。而且，随锈蚀度增大均匀锈蚀逐渐变为严重局部的坑蚀，这也是承载力降幅增大的主因。同年，张凡孟[10]详细介绍了对于方形钢管混凝土柱的酸雨腐蚀率的测量方法，同时探讨了腐蚀度与钢材本构关系的影响。

2.2 影响腐蚀的因素

从已有研究可以看出，钢管混凝土构件的腐蚀与作用环境、腐蚀时间、离子浓度等有关。当钢管混凝土构件服役于氯盐和酸性环境中，构件容易发生锈蚀现象，且局部锈蚀损伤高于整体。从时间上来说，氯盐锈蚀是较为缓慢而长久的过程。锈蚀的速率与氯离子的浓度以及锈蚀的时间有很大关系，浓度越大，作用时间越长，锈蚀的现象越为明显。随着锈蚀的加深，腐蚀会降低钢管混凝土的套箍系数，试件的承载力不断下降，刚度也逐渐降低。当钢材存在GFRP材料包裹时，相对于无包裹的钢管混凝土结构，GFRP能有效地改善钢管混凝土结构的抗腐蚀能力。长期荷载和腐蚀对钢管混凝土柱和空钢管柱的受力性能影响对比，发现按照规范计算的极限承载力相对于试验值偏低，更趋于保守。研究表明钢质试件一旦锈蚀，其锈蚀速率将随时间延长将不断增大。此外，发现随锈蚀度、径厚比的增大试件承载力退化趋势减缓，锈蚀形成的蚀坑会造成钢管对核心混凝土紧箍约束作用的薄弱点，蚀坑部位会形成试件的应力集中点，试件更容易在此薄弱位置发生破坏。随锈蚀度增大，试件的锈蚀从均匀锈蚀逐渐演变为严重局部的坑蚀，这也是随锈蚀度增大试件承载力降幅增大的主因。

2.3 锈蚀度测定的讨论

在当前研究中，为了测定腐蚀程度有着许多方法，其中常用的钢铁锈蚀速率方法有磁场法、声发射法、电化学法、截面损失法、失重法，下面重点介绍一下电化学法、截面损失法和失重法。电化学法是依据电化学相关理论，根据钢锈蚀的电化学特性，通过检测电流、电位等来测定电参数，总结不同锈蚀情况下相应的规律，从而确定钢的锈蚀程度或速度。钢材的电化学锈蚀过程，从微观角度看是电子的不断转移造成的。当转移的电子数量越多，则形成的电位差越大，输出的电量越大，同时钢筋的失重也越多。在目前的腐蚀研究中，多用电化学腐蚀来模拟普通环境腐蚀的情形，通过物理电学相关定律，以电流计算钢材的锈蚀量，与真实环境的腐蚀相比，电化学腐蚀加速了腐蚀的速率，缩短了试验的时间。截面损失法是通过钢质材料锈蚀前后截面面积的损失，计算材料的损失量，例如对于圆形截面构件所采用千分尺来测量直径，计算腐蚀前后的直径差值，再除以腐蚀时长，此外结合构件的形状计算面积差值。失重法与截面损伤法较为类似，这两种方法的原理是对钢质材料截面面积、锈蚀前后的质量损失、锈蚀时间进行测定，并根据既定的公式计算得出相应的锈蚀速率。

2.4 锈蚀层与非锈蚀层界定探讨

1989，国家颁布《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》(GB/T8923-2011)标准，将钢材表面原始锈蚀程度等级分为A、B、C、D四个锈蚀等级，锈蚀等级中，A级为全面地覆盖着氧化皮而几乎没有铁锈的钢材表面；B为级已发生锈蚀,且部分氧化皮已经剥落的钢材表面；C级为氧化皮已因锈蚀而剥落或者可以刮除,且有少量点蚀的钢材表面；D级为氧化皮已因锈蚀而全面剥离,且已普遍发生点蚀的钢材。

国家颁布的锈蚀等级基本为观察的现象来定义锈蚀程度，然而这种定义不适合用于定量计算，定义锈蚀层厚度需要定量计算，这是一个矛盾，当下不少研究认为去除锈层让试件露出材质本身色泽后的厚度即为锈蚀层厚度。很多研究中对锈蚀试件先用打磨机将锈蚀层清除，裸露出光滑的钢材表面即为锈层清除干净，然而这种操作确不好把握，在打磨环节，无论是使用机械或者手工擦拭，清除锈蚀层也只是观察到的，当使用机械时，很可能打磨了未锈蚀的表面层，这就造成了后续的测量不准，当打磨过量，很可能造成较大的偏差，在锈蚀层的界定方面还需要更多的研究和探讨。

2.5 腐蚀构件的有限元模拟讨论

目前各类腐蚀后的钢管混凝土柱有限元模拟试验，基本采用计算折减后的钢管混凝土构件来进行有限元模拟，这种折减算法实质上并不是腐蚀环境的有限元模拟，这种折减算法把去除腐蚀层后的钢管混凝土构件简化为理想化的试件，然而腐蚀层的去除难以精确把握，清除的腐蚀层厚度关系到折减系数，这种模拟误差较大，而且，由于腐蚀的环境各不相同，腐蚀具有化学腐蚀和电化学腐蚀等复合作用，存在点腐蚀、局部腐蚀和整体腐蚀等情况，那么以理想化、均匀化的状态来计算腐蚀平均厚度则不准确，尤其在构件自身形成了电化学腐蚀回路情况下，构成微电池的两端是腐蚀的两个特殊点，阳极不断放电被腐蚀，阴极受到保护。这种不均匀的腐蚀在电化学腐蚀中较为常见，显然此种腐蚀情况不能以平均腐蚀厚度来进行有限元模拟，其中腐蚀较严重的位置在轴压加载下较为脆弱，容易先发生破坏。当前有限元模拟中缺少腐蚀场的环境，往后的计算机研究可以开发相关程序，基于流体力学，将腐蚀性的盐离子、氢离子以及酸根离子作为标记，以统计学的随机概率模型进行腐蚀场模拟，对于腐蚀类研究，可以将构件放入腐蚀场中，经腐蚀场腐蚀后的构件再进行加载模拟，此种有限元模拟会较为准确。