銹蝕程度對鋼筋性能的影響

1、中文翻譯銹蝕程度對鋼筋性能的影響摘要本論文報告是一項評估鋼筋銹蝕程度對其力學(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)行測試。 結(jié)果表明，當(dāng)用實際截面面積計算時，鋼筋銹蝕的程度并不影響其抗拉強度。 然 而，即使用公稱直徑來計算，當(dāng)6mm和12mm勺鋼筋的銹蝕程度分別為11%和24% 時抗拉強度還是小于 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了相當(dāng)多的資源。 據(jù)估計在美國 修復(fù)

2、和改造高速公路需要200多億美元，在英國修復(fù)道路橋梁需要6億多英鎊。在 其他國家修復(fù)和改造鋼筋混凝土建筑的花費的記錄也不是很好， 但毫無疑問，相 當(dāng)大的資源無疑是分配給了恢復(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，密實的、相對不透水的混凝土結(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，他們報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，Ca(OH)2和C-S-H 凝膠形成緩沖對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， 證實了氯離子的銹蝕是從破壞薄膜和金屬之間的結(jié)合開始。不論是什么原因，鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕都會導(dǎo)致混凝土開裂和后續(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/或鋼筋的抗拉強度的降低。雖然一些資料可查鋼筋銹蝕 對混凝土的粘結(jié)強度的影響，但缺乏對鋼筋力學(xué)性能的影響的研究。Maslehuddin 等人評估了空氣銹蝕對鋼筋力學(xué)

5、性能的影響。 但是應(yīng)該注意的是空氣銹蝕對鋼筋力學(xué)性能的影響不如他在混凝土中銹蝕的影響強烈。 另外，鋼筋銹蝕會引起混凝 土開裂從而影響構(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 被評估以驗證混凝土的殘余強度并且制定修復(fù)方案。本研究的目的在于評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. 實驗方案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。澆鑄過后混凝土試樣養(yǎng)護(hù)28天，外加2mA/cm的陽極電流以加速鋼筋銹蝕。 這是一個整合系統(tǒng)，通過一個直流整流器和一個內(nèi)置電流計來監(jiān)控電流和一個分 壓計控制電流強度來完成?；炷猎嚇硬糠纸谝粋€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)開裂。調(diào)整電流方向以便鋼筋成為一個正極而一個放在靠近 混凝土試件的不銹鋼板作為負(fù)極。實驗裝置示意圖如圖1所示。為了感應(yīng)不同程度的鋼筋銹蝕，事先建立一個外加電流持續(xù)時間與相應(yīng)的鋼筋銹蝕程度之間關(guān)系 的校準(zhǔn)

7、曲線以傳導(dǎo)實際實驗。對每一個混凝土試件的供電源定期進(jìn)行檢查，通過調(diào)整分壓計來調(diào)整其漂移。預(yù)期的鋼筋銹蝕程度從分析校準(zhǔn)曲線中陽極電流對應(yīng) 的持續(xù)時間得知。根據(jù)ASTM31中 Clark法清測定減少的質(zhì)量之后，鋼 250KN Instron萬能試驗機(jī)至試樣開始斷裂期間的負(fù)圖1加速銹蝕實驗裝置示意圖。達(dá)到預(yù)期銹蝕程度后混凝土試件沿鋼筋方向開裂。 理鋼筋后即可通過鋼筋質(zhì)量的減少來衡量銹蝕的程度。 筋進(jìn)行拉伸試驗以測試其力學(xué)性能。鋼筋拉伸試驗在 上進(jìn)行。用一個特制的伸長儀來測定鋼筋的伸長值。載和伸長數(shù)據(jù)使用計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來記錄每個試樣生成的數(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)系圖來確定屈

8、鋼筋服強度和抗拉強度。 拉伸試 驗完成以后，測量由于外加荷載引起的伸長，并且按初始長度以百分?jǐn)?shù)表示。選取未銹的和銹蝕的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗以便于評估鋼筋銹蝕程度對抗拉性 能的影響3. 結(jié)果與分析3.1銹蝕對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。這兩組鋼 筋的抗拉強度幾乎一樣。然而,銹蝕率為0.88%的鋼筋總伸長值比銹蝕率為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降低。由于鋼筋截面變小對凈抗拉強度有些許影響。 圖4顯示了 6mr直徑鋼筋不同銹蝕程度對應(yīng)的極限強度。未銹鋼筋和

9、那些銹蝕率為 75%勺鋼筋極限強度分別為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 拉強度依然超過600 MPa表1也顯示了用公稱直徑即6m計算的鋼筋的抗拉強度。 當(dāng)鋼筋的銹蝕率達(dá)到11.6%及以上時，使用這種標(biāo)準(zhǔn)鋼筋的抗拉強度會降到 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 表1試件#銹蝕率(%)平均直徑(mm)極限何載(kN)實際拉應(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，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應(yīng)的抗拉強度。 這些數(shù)據(jù)表明，鋼筋腐蝕的程度對其抗拉 強度的影響是很微不足道的。例如，未銹鋼筋的實際拉應(yīng)力是760 MP銹蝕率80%的鋼筋的實際拉應(yīng)力是844 MPa表2顯示了用公稱直徑即12m計算的鋼筋的抗拉 強度。使用實際截面面積計算的抗拉強度大于 ASTM A 615規(guī)定的600MPa然而 使用12mr直徑的公稱面積計算的抗拉強度小于 A 615規(guī)定的銹蝕率為

13、24%及其以 上的鋼筋抗拉強度值。表1試件#銹蝕率(%)平均直徑(mm)極限何載(kN)實際拉應(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，以實際截面計算的鋼筋抗拉強度也無顯著變 化。然而,當(dāng)鋼筋用公稱直徑來計算的抗拉強度，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，鋼筋銹蝕程度對其脆性的影響我們將會在后文討論。 Masle-huddin等人將六種不同規(guī)格的鋼筋曝露在空氣中16個月并得出結(jié)論：曝露 在空氣中16個月所發(fā)生的鋼筋銹蝕對

16、其屈服強度和極限抗拉強度的影響是微不 足道的。他們的試驗結(jié)果表明：隨著曝露時間的增長，鋼筋的強度會有微弱的提 高亦或是沒有改變。然而，在他們的試驗中，鋼筋的公稱直徑是用來計算屈服強 度和抗拉強度。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%相對濕度的潮濕房間和模擬的海水噴 淋，曝露時間各不相同，有的長達(dá)12個月。他們的研究表明，室內(nèi)和室外銹蝕鋼 筋的抗拉強度不受表面腐蝕程度影響，而經(jīng)過3個月海水銹蝕的鋼筋極限抗拉強-££J EE*ell 各制上 sJJwnwn圖4 6mn直徑鋼筋不同銹蝕程度對應(yīng)的抗

17、拉強度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900圖7 12mn直徑鋼筋不同銹蝕程度對應(yīng)的抗拉強度Uomoto等人評估了從建筑中獲取的銹蝕鋼筋的抗拉強度。他們的研究表明， 銹蝕鋼筋屈服強度和極限強度范圍為未銹鋼筋的90 - 95%另外，Uomoto和Misra對從梁、柱獲取的銹蝕鋼筋進(jìn)行了強度試驗， 這些試件曝露在海洋環(huán)境中時間長

18、 短不一。他們報告稱鋼筋的屈服強度和極限強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-伸長曲線。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減少。 在這個系統(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-伸長曲線銹蝕率為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 其外形的影響。可見隨著銹蝕度超過40%相對的一小段長度的鋼筋會變細(xì)，從 而證明了隨著鋼筋銹蝕有形成缺口的趨勢。 圖10和 11所示為幾個缺口比較嚴(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可見鋼筋載荷變形的特點。當(dāng)鋼筋有缺口或者局部有雜質(zhì)的截面受拉時， 缺口會發(fā)生應(yīng)力集中，在破壞時整 體拉力會低于未銹鋼筋。因此，隨著缺口變得更深，缺口位置的應(yīng)力集中會逐漸 增強，鋼筋也會更加體現(xiàn)出脆性。圖9銹蝕對鋼筋外形的影響圖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