鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋銹蝕速率試驗研究*

向陽開 曾建民 馬艷兵

1 研究現(xiàn)狀

鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕是導致橋梁結(jié)構(gòu)耐久性降低的主要原因之一。國內(nèi)外學者對鋼筋銹蝕問題的研究成果比較豐富[1,2]。但是,其理論分析中諸多參數(shù)很難確定,缺乏一致性,使得實用性較差。

與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比,國內(nèi)外對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究相對較少。傳統(tǒng)認為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)因裂縫的自我閉合而不易產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕,但隨著預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)服役年限的增加,因預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕引起的破壞為數(shù)并不少。據(jù)我國1994年鐵路部門的統(tǒng)計,正在運營的有病害橋梁共6 137座,占所有橋梁總數(shù)的18%,其中預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁2 675座[3]。另外,斜拉橋和懸索橋,其拉索防護體系還不完善,使得拉索鋼絲在斜拉橋經(jīng)過多年運營后產(chǎn)生嚴重的腐蝕[4]。

要正確地對鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋結(jié)構(gòu)的耐久性進行合理評估,有必要進一步開展鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕規(guī)律的研究。

2 快速銹蝕試驗

2.1 普通鋼筋銹蝕試驗

鋼筋選用HBR335 B12,混凝土等級采用 C50,用425號普通硅酸鹽水泥配制,粗骨料最大粒徑為10 mm,混凝土配合比為水泥∶砂∶石∶水=1∶1.5∶2.13∶0.36,并按水泥質(zhì)量的2%,3%分別摻加早強劑和NaCl。具體尺寸及裝置設(shè)置如圖1所示。

試件在通電前預(yù)先在濃度5%的NaCl溶液中浸泡3 d后通電加速銹蝕。電流由一個可調(diào)式電源進行控制。電流強度穩(wěn)定為50 mA,在通電過程中觀察電流強度變化,調(diào)節(jié)電流強度,使其保持恒定。根據(jù)每根鋼筋通電的具體情況得出每根鋼筋的電流強度,換算成電流密度,電流密度不宜大于3 mA/cm2。根據(jù)通電時間長短,試驗分四組,通電時間分別為0 h,85 h,170 h,155 h;每組4個試件,保護層厚度分別為0 mm,15 mm,25 mm,35 mm,如表1所示。4組試驗同時開始進行,根據(jù)時間逐次停止4組試驗。

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線銹蝕試驗

鋼絞線選用1×7φ 15.2 mm鋼絞線,其抗拉強度標準值 fpk=1 860 MPa。張拉臺座為特制鋼箱(彎矩、剪力承載力分別為552 kN·m,997 kN,有效張拉長度為7.5 m)。張拉錨固端設(shè)穿心式傳感器。裝置設(shè)置如圖2所示。

試驗共分6組,通電銹蝕前有效應(yīng)力分別為1 324 MPa,1 264 MPa,1 194 MPa,1 144 MPa,1 057 MPa,978 MPa。對應(yīng)約為0.71fpk,0.68fpk,0.64fpk,0.62fpk,0.57fpk,0.53fpk,如表2所示。在鋼絞線中段30 cm長度位置安裝試液槽。張拉完成后,定時觀測傳感器讀數(shù),到達試驗設(shè)計時間后,結(jié)束通電。進行鋼絞線放張,截取各組鋼絞線銹蝕段稱重記錄。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 普通鋼筋快速銹蝕試驗

各試件鋼筋銹蝕后數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 快速銹蝕試驗試件鋼筋銹蝕特征值

通過表1可以看出,普通鋼筋銹蝕速率與保護層厚度有密切聯(lián)系,銹蝕速率隨保護層厚度增加而減小。另外,當銹脹達到一定程度后,保護層開裂脫落,鋼筋失去保護裸露于空氣或水中,銹蝕速率將會加快。

表1中,C為鋼筋保護層厚度;t為鋼筋快速銹蝕時間;鋼筋實際銹蝕長度la=100 mm,試驗通電電流強度為i=50 mA。

3.2 預(yù)應(yīng)力筋快速銹蝕試驗

在預(yù)應(yīng)力筋快速銹蝕試驗過程中記錄端部壓力傳感器數(shù)據(jù),其隨時間的變化情況如圖3所示。

試驗通電結(jié)束后,截取各束預(yù)應(yīng)力筋銹蝕段長度30 cm,除去鐵銹后,稱取各鋼絞線質(zhì)量(見表2)。

表2 鋼絞線銹蝕情況

其初始預(yù)應(yīng)力大小與銹蝕率關(guān)系如圖4所示。

從圖3和圖4可以看出,隨著銹蝕的進行,鋼絞線預(yù)應(yīng)力逐漸降低,說明銹蝕導致預(yù)應(yīng)力松弛;但對于不同的初始預(yù)應(yīng)力的鋼絞線,其銹蝕率都是隨著初始預(yù)應(yīng)力的增加而增加的。

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,可以看出試驗銹蝕率變化曲線與二次函數(shù)較為吻合,且隨應(yīng)力增大,變化趨勢呈放大發(fā)展。可得鋼絞線面積銹蝕率ηs(t)與初始應(yīng)力 fp之間的回歸關(guān)系式:

ηs(t)=(0.153 7-0.000 2fp+9.0×10-8f2p)t。

其中,t為試驗銹蝕時間,h。

以往對預(yù)應(yīng)力筋銹蝕研究不足,基本不考慮預(yù)應(yīng)力鋼絞線發(fā)生銹蝕,但事實并非如此。上式考慮鋼絞線初始應(yīng)力因素影響銹蝕速率,可對既有橋梁預(yù)應(yīng)力筋銹蝕情況進行直接的分析預(yù)測。

4 結(jié)語

通過理論研究及實驗數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論:1)普通鋼筋銹蝕速率與保護層厚度有密切聯(lián)系,銹蝕速率隨鋼筋保護層厚度增加而減小;2)隨著銹蝕的進行,鋼絞線預(yù)應(yīng)力逐漸降低,說明銹蝕導致預(yù)應(yīng)力松弛;但對于不同的初始預(yù)應(yīng)力的鋼絞線,其銹蝕率都是隨著初始預(yù)應(yīng)力的增加而增加的;3)通過對試驗數(shù)據(jù)的分析,可以看出預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕率變化曲線與時間和初始應(yīng)力呈二次函數(shù)曲線。

[1] 吳 瑾.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕損傷[M].北京:科學出版社,2005.

[2] 牛荻濤.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[M].北京:科學出版社,2003.

[3] 張德峰,母志濤.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀及其特點[J].工業(yè)建筑,2000,30(11):11-12.

[4] 馮俊杰,汪 浩.斜拉橋拉索病害檢測及退化程度評估[J].中外建筑,2007(2):37.

[5] 蔣德穩(wěn),李 果,袁迎曙.混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕速度多因素影響的試驗研究[J].混凝土,2008(7):21-23.