栓釘銹蝕與抗剪承載力試驗研究＊

匡亞川 余志武 龔匡暉 石衛華

（中南大學土木工程學院 長沙 410075）

0 引 言

鋼－混凝土組合結構是在鋼結構和鋼筋混凝土結構基礎上發展起來的一種新型結構，它通過某種方式將鋼和混凝土有效的結合起來，充分利用鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能［1－2］.同鋼結構相比，可以節省用鋼量、增大剛度、增強結構抗火性等；同混凝土結構相比可以減輕自重、減小地震作用的影響、減小結構尺寸、增加有效使用空間等.鋼－混凝土組合結構適合我國基本建設的國情，具有顯著的技術經濟效益和廣泛的應用前景［3］.鋼－混凝土組合結構在工業廠房、高層建筑、橋梁結構、組合加固、港口工程、地下工程等領域具有廣闊的應用前景［4］.

組合結構主要指鋼－混凝土組合梁（板）、鋼骨混凝土、鋼管混凝土以及它們延伸形式的其他承重組合構件、鋼－混凝土組合體系.鋼－混凝土組合梁具有截面高度小、自重輕、強度高、剛度大、跨越能力大、便于施工等特點，是高層建筑和大跨橋梁中的重要結構構件.鋼－混凝土組合梁是一種新型的承重構件，混凝土板與鋼梁之間通過抗剪連接件（一般使用栓釘）連接.栓釘剪力連接件是保證鋼梁與混凝土翼緣共同工作的關鍵元件.發揮鋼梁和混凝土板組合作用的栓釘直接埋在混凝土中，在車輛等反復荷載作用下，栓釘界面連接處可能出現裂縫，導致混凝土與鋼梁界面的粘結作用喪失，形成界面裂縫.腐蝕介質從界面裂縫侵入，從而造成栓釘銹蝕，降低栓釘的抗剪性能，引起鋼梁和混凝土翼緣組合作用的弱化，甚至完全喪失組合作用.因此，栓釘銹蝕是造成鋼－混凝土組合梁性能退化的一個重要原因.目前，研究組合結構耐久性退化的試驗方法大體可分為兩大類：真實試驗法和模擬試驗法［5］.利用真實試驗法所測得數據一般都比較真實可靠，但往往需要幾年、甚至幾十年.因此，人工加速模擬試驗法越來越受到國內外的重視［6－8］.本文將通過恒電流加速模擬試驗，研究栓釘銹蝕對其承載力的影響規律，為銹蝕栓釘連接件的性能研究提供理論基礎。

1 栓釘的銹蝕機理及銹蝕率

1.1 栓釘的銹蝕機理

在鋼－混凝土組合結構中，栓釘的銹蝕是影響服役結構耐久性的主要因素.組合結構的栓釘銹蝕一般為電化學銹蝕［9］.二氧化碳和氯離子對混凝土本身都沒有嚴重的破壞作用，但是這兩種物質都是栓釘鈍化膜破壞的最重要又最常遇到的環境介質.因此，組合結構中栓釘銹蝕機理主要有兩種：即混凝土碳化和氯離子侵入.在組合結構使用壽命期間可能遇到的各種暴露條件下，氯化物是一種最危險的侵蝕介質，它的危害是多方面的.當混凝土中氯離子含量超過氯離子臨界濃度時，栓釘表面的鈍化膜就會遭到破壞，引起栓釘銹蝕.混凝土中氯離子的存在強化了離子通路，提高了混凝土的吸濕性，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學腐蝕的過程.

室內通電快速銹蝕，實際上是利用電能加速電解栓釘的過程.通電時不銹鋼板上發生陰極反應，栓釘發生陽極反應.陽極的栓釘銹蝕較為均勻，鐵被氧化成亞鐵離子，釋放出電子.在陰極，電子和氧氣和水結合，生成氫氧根離子.化學反應方程式為

直流電源從陽級不斷汲取電子，并往陰極不斷輸送電子，這就是電流引起栓釘快速銹蝕的原因所在.混凝土中的氯離子在反應過程中沒有被消耗，通過施加直流電加速混凝土中的離子和電子的流動，縮短氯離子進入混凝土中并達到栓釘表面的時間，加快離子之間的反應速度，從而加速栓釘的銹蝕.通過控制電流密度和通電時間，可以得到預定銹蝕率的栓釘.

1.2 栓釘銹蝕方法及銹蝕率

試驗采用恒電流方法進行推出試件內的栓釘剪力件的快速銹蝕.加速銹蝕栓釘的具體做法為：將養護到齡期的試件泡入氯化鈉溶液中若干天后，將連接栓釘的導線與恒定直流電源的正極相連，外置的不銹鋼板（泡入氯化鈉溶液中）與恒定直流電源的負極相連，通過氯化鈉溶液形成回路，使陽極的栓釘銹蝕［10］.根據通電時間和電流密度，利用法拉第定律較準確的算出栓釘的銹蝕率.

法拉第定律可以表述為：電池中電極上發生化學變化的物質的量與通過該電極的電量成正比.若通過指定電極的電量為Q，相應發生化學變化的物質的量為n，則［11］

式中：比例系數F 為法拉第常數.若在陽極區通過的陽極電流密度值為i，則單位面積的陽極區上單位時間內被腐蝕的栓釘的質量為

式中：W 為陽極區單位面積上栓釘的質量損失平均速度；M 為金屬的相對分子質量或相對原子質量；t為通電時間.若栓釘的質量為m，截面面積為A，腐蝕電流大小為I，則在t時間內栓釘腐蝕的質量損失m損為［12］

利用式（4）、（5）和（6）可得

通過控制直流電流的大小，結合式（7）可計算出栓釘達到不同銹蝕率所需的能電時間t.

2 銹蝕栓釘的抗剪承載力試驗

2.1 試件制作

共設計了7 個推出試件T0～T6，試件基本情況見表1，試件基本尺寸見圖1.工字鋼的型號為25a，工字鋼上每邊各焊一個栓釘，栓釘規格為直徑16×70mm.鋼梁兩邊的混凝土翼緣板內均配有4根直徑10mm 縱筋，2道直徑10mm 箍筋.通電時，推出試件T1，T2，T3和T4中僅栓釘銹蝕，其預計銹蝕率分別為4%，8%，12%，16%；為防止鋼梁和鋼筋銹蝕，試驗前在鋼梁和鋼筋表面刷上了一層防銹漆.T5和T6通電時鋼梁和栓釘均銹蝕，其中栓釘預計銹蝕率分別為8%，12%.

表1 試件基本情況

圖1 推出試件尺寸及配筋

2.2 試驗方法

試件在中南大學土木工程學院試驗室成型養護后，將試件T1～T6 浸泡在5%的NaCl溶液中，7d后進行通電銹蝕試驗.浸泡前測得混凝土的立方體抗壓強度為42.74 MPa.為了避免通電流加速銹蝕過程中銹蝕產物從裂縫處大量滲出溶于溶液，通電時試件沒有浸泡在NaCl溶液中，而是采用海綿濕潤法.通電前，將浸泡后的試件從NaCl溶液取出，在混凝土翼緣板表面置一不銹鋼板，將不銹鋼板與直流電源的負極相連，栓釘導出的導線與電源正極相連，形成電解池，如圖2 所示.鋼板與混凝土板之間鋪一層細沙，用以保證電流流通順暢.不銹鋼板上置一厚海綿（海綿預先吸收較多NaCl溶液），并定期在海綿上澆NaCl溶液，使海綿和試件保持濕潤.細沙的作用是使混凝土板與不銹鋼板充分接觸（混凝土板表面凹凸不平），保證電流的流通［13］.試件的通電強度預先設定，在通電期間需校正，以保持恒定的電流強度，通電時間根據法拉第定律計算，其結果見表1.圖3為通電銹蝕試驗試件.通電銹蝕以后，進行推出試驗，圖4為加載示意圖和試驗裝置.

圖2 推出試件通電加速銹蝕示意圖

圖3 通電銹蝕試件

圖4 推出試驗裝置

3 試驗結果及分析

3.1 破壞形狀

試驗加載前在推出試件的兩混凝土板下面鋪一層細沙，保證試件平整.加載方式為單調分級加載.加載時工字鋼將大部分荷載傳遞給栓釘，另外一部分荷載以摩擦力的形式直接傳遞給混凝土板.栓釘根部下面的混凝土，在高應力作用下發生變形，使工字鋼與混凝土之間發生相對變形.由于試件中栓釘強度相對較低，所有試件表現為栓釘剪斷破壞，栓釘從根部被剪斷，如圖5所示.試件破壞時出現較大的響聲.

圖5 推出試件破壞形態

3.2 抗剪承載力

圖6為試件的承載力與通電銹蝕時間曲線.從圖中可以看出：隨著通電時間的增大，栓釘的銹蝕率增大，試件的承載力呈下降的趨勢.試件T2，T3的通電時間分別與試件T5，T6的通電時間相同，試件T2和T3的承載力分別為242.3kN 和204.3kN，試件L5 和L6 承載力分別為270.4 kN 和235.7kN.試件T5承載力比試件T2大，試件T6承載力比試件T3 大.這是由于在試件T2，T3的鋼梁和鋼筋表面都刷了防銹漆，因此在通電時間相同的情況下，末刷防銹漆的試件T5，T6的銹蝕比試件T2，T3嚴重，而栓釘的銹蝕則不如T2，T3，因此承載力有所提高.

圖6 試件承載力與通電銹蝕時間曲線

加靜載破壞后，敲開混凝土，取出栓釘并酸洗去銹，測量栓釘的剩余直徑，計算栓釘的截面積損失率，取兩個栓釘銹蝕率的平均值作為該試件栓釘的實際銹蝕率，計算結果見表2.

表2 栓釘抗剪承載力及實際銹蝕率

3.3 荷載－滑移曲線

為測得試件的荷載－滑移曲線，在試件栓釘所在的平面上安裝百分表，每個試件4 個，對稱布置，如圖7所示，取4個百分表的平均值作為其滑移值.圖8為試件T0～T4的荷載－滑移曲線.從圖可以看出，荷載達到120kN 前，T0～T4 的荷載－滑移曲線基本相同，滑移值較小且基本成直線增長.荷載達到120kN 后，末銹蝕試件T0的荷載和滑移繼續保持較快增長，銹蝕試件T1～T4的荷載增幅變小，而滑移增幅變大，曲線變得較為平緩.隨著栓釘銹蝕率的增大，試件的荷載－滑移曲線變得越來越平緩，即在荷載相同時，相對滑移變大.這表明隨著栓釘銹蝕率的增加，其屈服荷載變小，推出試件的相對滑移值增大.

圖7 百分表布置圖

圖8 T0～T4的荷載－滑移曲線

3.4 栓釘銹蝕后抗剪承載力的計算型

圖9為銹蝕栓釘抗剪承載力擬合曲線，根據擬合曲線得到銹蝕栓釘的抗剪承載力退化規律為

圖9 銹蝕栓釘抗剪承載力擬合曲線

則，銹蝕栓釘的抗剪承載力為

4 結 論

1）隨著通電時間的增大，栓釘的銹蝕率增大，其抗剪承載力降低.

2）在通電量相同的情況下，末刷防銹漆的推出試件中的鋼梁銹蝕嚴重，栓釘的銹蝕降低，其承載力比較涂刷了防銹漆的試件高.

3）隨著栓釘銹蝕率的增大，荷載－滑移曲線變得越來越平緩，即在荷載相同時，相對滑移增大.這表明隨著栓釘銹蝕率的增加，其屈服荷載變小，推出試件的相對滑移值增大.

4）栓釘銹蝕后，其抗剪承載力可通過引入降低系數k進行計算.

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