銹蝕程度對(duì)鋼筋性能的影響

1、中文翻譯銹蝕程度對(duì)鋼筋性能的影響摘要本論文報(bào)告是一項(xiàng)評(píng)估鋼筋銹蝕程度對(duì)其力學(xué)性能的影響的研究成果。用鋼筋混凝土試樣中分離的一些6mm和12mn已經(jīng)銹蝕的鋼筋在拉力作用下進(jìn)行測(cè)試。 結(jié)果表明，當(dāng)用實(shí)際截面面積計(jì)算時(shí)，鋼筋銹蝕的程度并不影響其抗拉強(qiáng)度。 然 而，即使用公稱(chēng)直徑來(lái)計(jì)算，當(dāng)6mm和12mm勺鋼筋的銹蝕程度分別為11%和24% 時(shí)抗拉強(qiáng)度還是小于 ASTM A 615要求的600MPa此外，銹蝕程度大于12%的鋼 筋會(huì)出現(xiàn)脆性破壞。1. 引言鋼筋混凝土建筑有效使用壽命的減少主要是由于鋼筋的銹蝕， 這引起全球建 筑業(yè)的關(guān)注，修復(fù)和改造損壞的混凝土建筑耗費(fèi)了相當(dāng)多的資源。 據(jù)估計(jì)在美國(guó) 修復(fù)

2、和改造高速公路需要200多億美元，在英國(guó)修復(fù)道路橋梁需要6億多英鎊。在 其他國(guó)家修復(fù)和改造鋼筋混凝土建筑的花費(fèi)的記錄也不是很好， 但毫無(wú)疑問(wèn)，相 當(dāng)大的資源無(wú)疑是分配給了恢復(fù)變壞的混凝土建筑的有效使用壽命上面。在正常情況下，混凝土保護(hù)鋼筋，密實(shí)的、相對(duì)不透水的混凝土結(jié)構(gòu)提供了 物理保護(hù)，而高堿度的孔隙溶液提供了化學(xué)保護(hù)。水泥里的堿性化合物，主要是 鈣和部分碳酸鉀和鈉，構(gòu)成了高堿度(pH > 13.5)的孔隙溶液。在這種高pH值下， 鋼筋在氧氣里可能是由于形成微觀 丫 -Fe2O3薄膜而鈍化。Hime和Erlin提出鋼筋 表面鈍化層可能有除了 丫 -Fe2O3以外的合成物。根據(jù)記錄，鋼筋混

3、凝土的接觸面富含的石灰層為鋼筋提供了進(jìn)一步的保護(hù)。 這被Leek和Poole證實(shí)，他們報(bào)告了接觸面層由被水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠里的物 質(zhì)分解的變厚度(5- 15卩m)的氫氧鈣石Ca(OH)2自由聚合物組成。這一層由于侵 蝕性離子的直接出入并作為增堿劑緩沖由于鋼筋銹蝕產(chǎn)物的水解所降低的pH值而被認(rèn)為保護(hù)了鋼筋的表面。據(jù)Sagoe-Crentsil和Glasser所說(shuō)，Ca(OH)2和C-S-H 凝膠形成緩沖對(duì)并且他們都易維持高 PHfio鋼筋銹蝕是由于氯離子在鋼筋表面的擴(kuò)散或由于混凝土的碳化導(dǎo)致的。鋼筋銹蝕和混凝土的后續(xù)開(kāi)裂相比較混凝土的碳化而言更應(yīng)歸結(jié)于氯離子在鋼筋表 面的擴(kuò)散。氯化物分

4、解鈍化層的許多機(jī)理被提出， 如薄膜的化學(xué)溶解，薄膜/底層 接觸面上累積的金屬孔洞等，氧化鐵/孔隙溶液接觸面的高濃度氯導(dǎo)致了局部酸 化和斑蝕。Leek和Poole基于SEM EDStt行了砂漿棱柱里鋼筋鈍化膜分解的研究， 證實(shí)了氯離子的銹蝕是從破壞薄膜和金屬之間的結(jié)合開(kāi)始。不論是什么原因，鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕都會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂和后續(xù)承載力損失。鋼筋混凝土構(gòu)件因鋼筋銹蝕引起的承載力降低歸根結(jié)底是由于混凝土間粘 結(jié)力降低的綜合效應(yīng)和/或鋼筋的抗拉強(qiáng)度的降低。雖然一些資料可查鋼筋銹蝕 對(duì)混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度的影響，但缺乏對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響的研究。Maslehuddin 等人評(píng)估了空氣銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)

5、性能的影響。 但是應(yīng)該注意的是空氣銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響不如他在混凝土中銹蝕的影響強(qiáng)烈。 另外，鋼筋銹蝕會(huì)引起混凝 土開(kāi)裂從而影響構(gòu)件的完整性。鋼筋銹蝕的程度以及隨后構(gòu)件承載力的減少需要 被評(píng)估以驗(yàn)證混凝土的殘余強(qiáng)度并且制定修復(fù)方案。本研究的目的在于評(píng)估混凝土中鋼筋銹蝕的程度與他們的力學(xué)性能的關(guān)系。2. 實(shí)驗(yàn)方案ASTM C 150型水泥做成的鋼筋混凝土試件，最大尺寸 19毫米、比重2.64、吸 水率2.3%的碎灰?guī)r作為粗骨料，比重2.64、吸水率0.56%的海灘沙作為細(xì)骨料。 所有混凝土混合料中粗細(xì)骨料比1.68、水灰比0.45保持不變。準(zhǔn)備兩組混凝土試 樣，第一組樣本準(zhǔn)備6m直徑的鋼筋而

6、另一組準(zhǔn)備12m直徑的鋼筋。試樣中使用 符合ASTM A 615 G6（要求的螺紋鋼筋。澆鑄過(guò)后混凝土試樣養(yǎng)護(hù)28天，外加2mA/cm的陽(yáng)極電流以加速鋼筋銹蝕。 這是一個(gè)整合系統(tǒng)，通過(guò)一個(gè)直流整流器和一個(gè)內(nèi)置電流計(jì)來(lái)監(jiān)控電流和一個(gè)分 壓計(jì)控制電流強(qiáng)度來(lái)完成?；炷猎嚇硬糠纸谝粋€(gè)盛有5%氯化鈉溶液的玻璃槽 內(nèi)以確保便鋼筋在液面以上。選擇這種類(lèi)型的裝置是確保形成的銹蝕產(chǎn)物不被沖 走且混凝土試樣出現(xiàn)開(kāi)裂。調(diào)整電流方向以便鋼筋成為一個(gè)正極而一個(gè)放在靠近 混凝土試件的不銹鋼板作為負(fù)極。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。為了感應(yīng)不同程度的鋼筋銹蝕，事先建立一個(gè)外加電流持續(xù)時(shí)間與相應(yīng)的鋼筋銹蝕程度之間關(guān)系 的校準(zhǔn)

7、曲線(xiàn)以傳導(dǎo)實(shí)際實(shí)驗(yàn)。對(duì)每一個(gè)混凝土試件的供電源定期進(jìn)行檢查，通過(guò)調(diào)整分壓計(jì)來(lái)調(diào)整其漂移。預(yù)期的鋼筋銹蝕程度從分析校準(zhǔn)曲線(xiàn)中陽(yáng)極電流對(duì)應(yīng) 的持續(xù)時(shí)間得知。根據(jù)ASTM31中 Clark法清測(cè)定減少的質(zhì)量之后，鋼 250KN Instron萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)至試樣開(kāi)始斷裂期間的負(fù)圖1加速銹蝕實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。達(dá)到預(yù)期銹蝕程度后混凝土試件沿鋼筋方向開(kāi)裂。 理鋼筋后即可通過(guò)鋼筋質(zhì)量的減少來(lái)衡量銹蝕的程度。 筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以測(cè)試其力學(xué)性能。鋼筋拉伸試驗(yàn)在 上進(jìn)行。用一個(gè)特制的伸長(zhǎng)儀來(lái)測(cè)定鋼筋的伸長(zhǎng)值。載和伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)記錄每個(gè)試樣生成的數(shù)據(jù)都繪制成應(yīng) 力-應(yīng)變關(guān)系圖。利用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖來(lái)確定屈

8、鋼筋服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。 拉伸試 驗(yàn)完成以后，測(cè)量由于外加荷載引起的伸長(zhǎng)，并且按初始長(zhǎng)度以百分?jǐn)?shù)表示。選取未銹的和銹蝕的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以便于評(píng)估鋼筋銹蝕程度對(duì)抗拉性 能的影響3. 結(jié)果與分析3.1銹蝕對(duì)鋼筋抗拉性能的影響圖2和3是為不同銹蝕程度的6毫米直徑鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。這兩組鋼 筋的抗拉強(qiáng)度幾乎一樣。然而,銹蝕率為0.88%的鋼筋總伸長(zhǎng)值比銹蝕率為13.9%的鋼筋的大。表1總結(jié) 了不同銹蝕程度的6mr直徑鋼筋的抗拉強(qiáng)度。這些數(shù)據(jù)表明，隨著鋼筋銹蝕程度 提高鋼筋的有效承載能力會(huì)降低。由于鋼筋截面變小對(duì)凈抗拉強(qiáng)度有些許影響。 圖4顯示了 6mr直徑鋼筋不同銹蝕程度對(duì)應(yīng)的極限強(qiáng)度。未銹鋼筋和

9、那些銹蝕率為 75%勺鋼筋極限強(qiáng)度分別為796和741 MPa還應(yīng)注意的是即使由于鋼筋銹蝕造成鋼筋劣化但是依照 ASTMK 615他們的抗 拉強(qiáng)度依然超過(guò)600 MPa表1也顯示了用公稱(chēng)直徑即6m計(jì)算的鋼筋的抗拉強(qiáng)度。 當(dāng)鋼筋的銹蝕率達(dá)到11.6%及以上時(shí)，使用這種標(biāo)準(zhǔn)鋼筋的抗拉強(qiáng)度會(huì)降到 ASTM A 615的600MP標(biāo)準(zhǔn)以下。800 _ 一 二 _700-100_0 010.04Q.060.0B0 100.12 Q.MStriin (mm/mm)Strain圖3銹蝕率為13.9%的6m直徑鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn) 表1試件#銹蝕率(%)平均直徑(mm)極限何載(kN)實(shí)際拉應(yīng)力(MPa)名義

10、拉應(yīng)力(MPa)ST105.921.76796769.0ST205.921.76796769.0ST305.921.76796769.02SAC20.885.8521.01781.7742.82SCB21.105.8020.49775.9724.81SAA11.225.8520.86776.1737.52SAA11.455.8120.53774.5725.82SAA21.455.8921.09774.03745.61SCD11.635.8520.762772.45734.01SCB211.645.2516.521763.2584.02SCA212.3645.1016.75819.95592.2

11、1SAB213.134.814.62808.07517.02SAB213.894.9514.13734.00499.41SAG117.834.9513.05678.20461.42SAG219.404.9515.03780.80531.21SAD124.954.3010.79743.00381.52SCC127.274.159.043668.56319.71SCC128.324.009.281738.90328.12SAH232.023.909.266776.00327.61SCA240.704.1010.156769.00359.01SAI248.254.1010.134767.60358.

12、32SAI275.003.004.877740.80172.2圖5和6是典型12mr直徑鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，銹蝕率分別為11.7%和32.70%。同樣，在這組標(biāo)本中鋼筋銹蝕程度未影響極限拉應(yīng)力。圖7所示12m直徑鋼筋不同銹蝕程度對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度。 這些數(shù)據(jù)表明，鋼筋腐蝕的程度對(duì)其抗拉 強(qiáng)度的影響是很微不足道的。例如，未銹鋼筋的實(shí)際拉應(yīng)力是760 MP銹蝕率80%的鋼筋的實(shí)際拉應(yīng)力是844 MPa表2顯示了用公稱(chēng)直徑即12m計(jì)算的鋼筋的抗拉 強(qiáng)度。使用實(shí)際截面面積計(jì)算的抗拉強(qiáng)度大于 ASTM A 615規(guī)定的600MPa然而 使用12mr直徑的公稱(chēng)面積計(jì)算的抗拉強(qiáng)度小于 A 615規(guī)定的銹蝕率為

13、24%及其以 上的鋼筋抗拉強(qiáng)度值。表1試件#銹蝕率(%)平均直徑(mm)極限何載(kN)實(shí)際拉應(yīng)力(MPa)名義拉應(yīng)力(MPa)ST105.921.76796769.0ST205.921.76796769.0ST305.921.76796769.02SAC20.885.8521.01781.7742.82SCB21.105.8020.49775.9724.81SAA11.225.8520.86776.1737.52SAA11.455.8120.53774.5725.82SAA21.455.8921.09774.03745.61SCD11.635.8520.762772.45734.01SCB2

14、11.645.2516.521763.2584.02SCA212.3645.1016.75819.95592.21SAB213.134.814.62808.07517.02SAB213.894.9514.13734.00499.41SAG117.834.9513.05678.20461.42SAG219.404.9515.03780.80531.21SAD124.954.3010.79743.00381.52SCC127.274.159.043668.56319.71SCC128.324.009.281738.90328.12SAH232.023.909.266776.00327.61SCA2

15、40.704.1010.156769.00359.01SAI248.254.1010.134767.60358.32SAI275.003.004.877740.80172.2上述結(jié)果表明：即使高度腐蝕，以實(shí)際截面計(jì)算的鋼筋抗拉強(qiáng)度也無(wú)顯著變 化。然而,當(dāng)鋼筋用公稱(chēng)直徑來(lái)計(jì)算的抗拉強(qiáng)度，這些值低于ASTM A 615寸于鋼筋銹蝕率為11.6%及其以上的6mr鋼筋和銹蝕率為24%及其以上的12毫米鋼筋所規(guī) 定的600 MPa。另外，鋼筋銹蝕程度對(duì)其脆性的影響我們將會(huì)在后文討論。 Masle-huddin等人將六種不同規(guī)格的鋼筋曝露在空氣中16個(gè)月并得出結(jié)論：曝露 在空氣中16個(gè)月所發(fā)生的鋼筋銹蝕對(duì)

16、其屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度的影響是微不 足道的。他們的試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著曝露時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼筋的強(qiáng)度會(huì)有微弱的提 高亦或是沒(méi)有改變。然而，在他們的試驗(yàn)中，鋼筋的公稱(chēng)直徑是用來(lái)計(jì)算屈服強(qiáng) 度和抗拉強(qiáng)度。Aldridge等人將符合ASTM350 - 56T的各種規(guī)格的鋼筋曝露在三 種不同腐蝕環(huán)境條件中，即普通室外，100%相對(duì)濕度的潮濕房間和模擬的海水噴 淋，曝露時(shí)間各不相同，有的長(zhǎng)達(dá)12個(gè)月。他們的研究表明，室內(nèi)和室外銹蝕鋼 筋的抗拉強(qiáng)度不受表面腐蝕程度影響，而經(jīng)過(guò)3個(gè)月海水銹蝕的鋼筋極限抗拉強(qiáng)-££J EE*ell 各制上 sJJwnwn圖4 6mn直徑鋼筋不同銹蝕程度對(duì)應(yīng)的抗

17、拉強(qiáng)度1000020 040.06 Q.0B 0 |00.120 14Strain mm/mm)圖5銹蝕率為11.7%的12m鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)tddx)200_I I1|r00.Q20 040 06 O.OB 0.100J20 14Stnin (mmtmm)圖6銹蝕率為32.7%的12m鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)900圖7 12mn直徑鋼筋不同銹蝕程度對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度Uomoto等人評(píng)估了從建筑中獲取的銹蝕鋼筋的抗拉強(qiáng)度。他們的研究表明， 銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度范圍為未銹鋼筋的90 - 95%另外，Uomoto和Misra對(duì)從梁、柱獲取的銹蝕鋼筋進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)， 這些試件曝露在海洋環(huán)境中時(shí)間長(zhǎng)

18、 短不一。他們報(bào)告稱(chēng)鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度鋼筋降低的范圍為原始鋼筋的 5%-10%表2 12mn直徑鋼筋的抗拉強(qiáng)度ndz一 EEEL 占上缶怎上5 曇 EE45試件#銹蝕率(%)平均直徑(mm)極限何載(kN)實(shí)際拉應(yīng)力(MPa)名義拉應(yīng)力(MPa)1PCCT011.7582.38759.72728.12PCCT011.7582.25758.5727.03PCCT011.7081.58758.8721.01PCC2.1111.6380.52757.97711.72PAG2.6911.7582.12757.3725.82PCD3.3711.7081.31756.3718.72PAH3.9311

19、.7181.34757.5719.21PAG4.011.7081.68753.9722.02PAE4.7811.7181.11753.3716.91PAH5.0911.6780.36751.29710.31PAE5.6811.7080.96753.0715.62PFD6.6011.5878.66746.7695.21PFE7.8011.4476.61745.32677.11PCA11.7211.1071.94743.42635.82PFF12.2911.0074.32782.00656.92PCA15.6510.5069.88807.0617.61PAC20.5510.5069.45802.0

20、613.81PAD24.010.2064.27786.0568.01PCB24.010.0559.33748.0524.42PAD25.6510.0560.5762.0534.71PAJ32.659.3554.70796.8483.51PAB39.508.6047.34815.0418.41PAA48.257.3033.68816.0297.71PCD51.007.9040.00816.0353.51PAF60.707.4529.36673.0259.52PAA80.004.513.43844.0118.732受銹蝕影響的鋼筋的破壞形式圖8顯示了不同銹蝕率的6m直徑鋼筋載荷-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)。這種比較

21、表明，隨著 銹蝕程度的增加，相應(yīng)的鋼筋破壞之前的伸長(zhǎng)減少。 在這個(gè)系統(tǒng)模式下，隨著銹 蝕，相比未銹鋼筋而言銹蝕鋼筋少量屈服應(yīng)變便會(huì)破壞， 這表明在它們最終破壞 之前有大量的屈服。這表明鋼筋銹蝕增加脆性。圖8不同腐蝕率的6mr直徑鋼筋荷載-伸長(zhǎng)曲線(xiàn)銹蝕率為12.6%及其以上的鋼筋顯示其脆性特征。另外，銹蝕率為12%及其以 上的鋼筋的伸長(zhǎng)率通常小于ASTM 615勺規(guī)定，即9%圖9所示隨著鋼筋的銹蝕對(duì) 其外形的影響?？梢?jiàn)隨著銹蝕度超過(guò)40%相對(duì)的一小段長(zhǎng)度的鋼筋會(huì)變細(xì)，從 而證明了隨著鋼筋銹蝕有形成缺口的趨勢(shì)。 圖10和 11所示為幾個(gè)缺口比較嚴(yán)重的 鋼筋，銹蝕率分別為75唏口80%這種優(yōu)先銹蝕的特點(diǎn)是：高濃度氯化物或混凝土 破裂的情況或氯離子和氧氣可接觸鋼筋表面的特殊環(huán)境的蜂窩樓板。優(yōu)先銹蝕導(dǎo)致一小段長(zhǎng)度的鋼筋變細(xì)造成的影響是局部鋼筋截面面積明顯減少，因此降低了鋼筋承載力。優(yōu)先銹蝕和缺口的形成也不同，由圖8可見(jiàn)鋼筋載荷變形的特點(diǎn)。當(dāng)鋼筋有缺口或者局部有雜質(zhì)的截面受拉時(shí)， 缺口會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，在破壞時(shí)整 體拉力會(huì)低于未銹鋼筋。因此，隨著缺口變得更深，缺口位置的應(yīng)力集中會(huì)逐漸 增強(qiáng)，鋼筋也會(huì)更加體現(xiàn)出脆性。圖9銹蝕對(duì)鋼筋外形的影響圖10鋼筋銹蝕率達(dá)到75%寸其外形的影響圖11鋼筋銹蝕率達(dá)到80%寸其外形的影響上