銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能研究

尹毓良 孔繁智

(中國建筑第五工程局有限公司，遼寧大連 116000)

0 引言

近年來，鋼筋混凝土結構已成為世界上最為廣泛的結構形式之一，但由于環境變化，導致鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土結構提前破壞較為普遍，已逐漸引起國內外專家、學者們的重視［1］，在1991年，第二屆國際混凝土耐久性學術會議上，Metha［4］教授指出:“影響鋼筋混凝土結構破壞的順序依次為:鋼筋腐蝕、凍害、物理化學作用。”由此表明，鋼筋銹蝕是導致鋼筋混凝土結構耐久性降低的最主要因素。雖然與發達國家相比，我國鋼筋混凝土結構相對起步較晚，但鋼筋混凝土結構耐久性問題已經成為影響鋼筋混凝土結構穩定性的主要因素，目前，我國正處于房屋大規模建設的初級階段，更要重視混凝土結構的耐久性因素，避免重蹈發達國家的覆轍［5］。

本文在銹蝕鋼筋原材料力學性能變化的基礎上，分析了不同銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎力學性能，為混凝土結構耐久性研究提供了理論參考。

1 試驗方案

1.1 試件尺寸設計

本次試驗共設計8個尺寸為150mm×150mm×1700mm的鋼筋混凝土梁試件，設計強度均為C30，混凝土的配合比為:水泥∶水∶砂子∶石子 =1∶0.45∶1.42∶3.01，坍落度為 90mm，鋼筋為414二級鋼，箍筋 φ6.5@100，保護層厚度為25mm。

1.2 試件制作

鋼筋綁扎前首先應對鋼筋進行除銹，并稱出未銹蝕鋼筋質量，標記在導線的一端頭上，同時將另一頭導線系在鋼筋端部，并在導線與鋼筋交接處200mm范圍內涂刷防銹漆，包裹絕緣膠帶，以免導線銹斷。同時在箍筋與架力筋交接處涂刷絕緣漆，避免發生箍筋銹斷，失去約束作用提前破壞。

此次試驗采用電解液快速銹蝕法，將養護好的混凝土放入砂槽中，上部覆蓋塑料薄膜，定期對混凝土梁澆筑濃度為5%NaCl溶液，放置3d后接通穩壓直流電源。電源正極接受拉鋼筋，電源負極接銅板，形成電解池。再根據設計銹蝕量與法拉第原理，選擇適當的電流和通電時間［6］。

1.3 荷載取值或加載方式

本試驗在延邊大學工學院土木工程系試驗室進行，加載程序如下:試驗加載前，首先進行預加載，觀測儀器儀表和試驗裝置是否工作正常，及時排除故障;再進行物理對中，加載荷載為極限荷載的30%，觀測應變變化是否一致［7］。最后進行正式加載，第一級荷載為梁極限荷載的20%，之后采用分級加載，按極限荷載的10%逐級加載，當荷載達到極限荷載的80%，降低為極限荷載的5%，從加載結束到下一級荷載開始持荷時間為10min，待變形基本穩定后記錄本級荷載，進行下一級加載［8］。

2 試驗結果分析

2.1 不同銹蝕率對鋼筋力學性能的影響

由表1可以看出，當銹蝕率低于5%時，鋼筋的屈服強度和極限強度幾乎無變化，且滿足規范要求，但伸長率開始降低;當銹蝕率大于5%且小于11%時，鋼筋的極限強度隨著銹蝕率的增加而不斷降低，屈服強度仍無變化，伸長率已不能滿足使用要求。當銹蝕率大于15%左右時，鋼筋極限強度下降速率開始加快，不能滿足使用要求，且失去屈服強度，發生脆性破壞。說明鋼筋在銹蝕過程中伸長率和極限強度是影響構件脆性破壞的關鍵因素，也是造成混凝土構件脆性破壞的決定性因素。

表1 不同銹蝕率鋼筋的力學性能

2.2 鋼筋銹蝕對混凝土梁的強度影響

由圖1，表2可以看出，鋼筋混凝土梁的承載能力并不隨著銹蝕率的增加而呈反比例降低，當銹蝕率低于5%時，鋼筋混凝土梁的承載能力隨著鋼筋的銹蝕率的增加而不斷增加，主要因為此時鋼筋屈服強度和極限強度并不受銹蝕率的影響，伸長率雖然有所降低，但降低幅度不大，且鋼筋延性較好，由于鋼筋銹蝕導致鋼筋表面產生大量鐵屑，增加了與混凝土的粘結能力，提高了鋼筋混凝土梁的抗彎能力。當銹蝕率大于5%，且小于13.5%時，雖鋼筋屈服強度沒有變化，但鋼筋極限強度逐漸降低，伸長率也逐漸不能滿足使用要求，但鋼筋與混凝土仍能共同工作，銹蝕鋼筋混凝土梁的承載能力隨著銹蝕率的增加呈反比例增長，當銹蝕率大于13.5%，鋼筋表面螺紋被銹掉，鋼筋失去屈服強度，且極限強度和伸長率均不能滿足使用要求，失去了與混凝土共同工作的能力，同時也失去了延性，造成混凝土強度急速下降，發生脆性破壞。

2.3 銹蝕鋼筋混凝土梁的應力—應變分析

由圖2可以看出，對于未銹蝕鋼筋混凝土梁的應力—應變曲線大體可以分為兩個階段，主要是彈性階段和強化階段，加載初期，由于荷載較小，混凝土表面并未產生裂縫，應變變化較小，應力—應變呈線性增長，當荷載達到極限荷載的70%時，混凝土表面開始出現裂縫，應變增長速率逐漸變快，直至試件破壞。當銹蝕率低于5%時，由于鋼筋的力學性能并沒有明顯變化，且能夠提高與混凝土的粘結能力，導致銹蝕鋼筋混凝土梁的變形性能與未銹蝕鋼筋混凝土梁大體相同，甚至變形性能更好。當銹蝕率大于13.5%時，由于鋼筋力學性能的衰減，失去了延性，同時表面鐵屑的增加，降低了與混凝土的粘結能力，造成銹蝕鋼筋混凝土梁呈現脆性破壞。

圖1 銹蝕鋼筋混凝土梁強度變化曲線

表2 銹蝕鋼筋混凝土梁極限強度

圖2 銹蝕鋼筋混凝土梁應力—應變曲線

2.4 銹蝕鋼筋混凝土梁的荷載—位移分析

由圖3可以看出，銹蝕鋼筋混凝土梁的延性與銹蝕鋼筋混凝土梁的應變性能相似，但銹蝕率越大，前期混凝土梁位移變化速率越快，且變形能力越差。對于未銹蝕或銹蝕率低于5%的梁，鋼筋與混凝土粘結性能較好，銹蝕鋼筋混凝土梁變形能力較強，銹蝕鋼筋混凝土梁延性隨著銹蝕率的增加不斷衰減，但降低幅度不大。當銹蝕率大于13.5%，由于鋼筋銹蝕較嚴重，表面已經被碳化，鋼筋肋被銹掉，失去了與混凝土的粘結能力，導致鋼筋不能與混凝土共同工作，造成剝離破壞。

圖3 銹蝕鋼筋混凝土梁應力—位移曲線

3 結語

1)通過24根銹蝕鋼筋試驗結果表明，鋼筋銹蝕初期，鋼筋屈服強度和極限強度并無明顯變化，伸長率開始降低緩慢，當銹蝕率大于5%且小于11%時，屈服強度無變化，極限強度和伸長率已經達到臨界值，當銹蝕率大于11%時，鋼筋逐漸失去屈服強度，極限強度和伸長率迅速下降，呈現脆性破壞。

2)銹蝕鋼筋混凝土梁的抗彎強度并不隨著銹蝕率呈反比例降低，當銹蝕率低于5%時，銹蝕鋼筋混凝土梁的強度隨銹蝕率的增加而不斷增加，當銹蝕率大于5%且小于13.5%時，銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強度隨著銹蝕率的增加呈反比例增長，當銹蝕率大于13.5%時，鋼筋混凝土梁抗彎強度隨著銹蝕率的增長急劇下降，呈脆性破壞。

3)銹蝕鋼筋混凝土梁的變形能力隨著銹蝕率的增加而不斷降低，當銹蝕率低于13.5%時，鋼筋與混凝土握裹能力較好，銹蝕鋼筋混凝土梁主要呈現塑性破壞，當銹蝕率大于13.5%時，鋼筋失去了與混凝土的粘結能力，梁承載能力急劇下降，呈現脆性破壞。

［1］王增忠.基于混凝土耐久性的建筑工程項目全壽命經濟分析［D］.上海:同濟大學經濟與管理學院，2006.

［2］趙國潘，金偉良，貢金鑫.結構可靠度理論［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000.

［3］金偉良，趙羽習.混凝土結構耐久性［M］.北京:科學出版社，2002.

［4］Metha P K.Durability of Concrete-fifty Years of Progress，Durability of Concrete［A］.G.M.Idorn International Symposium［C］.SP-126，American Concrete Institute，Detroit，1991:1-31.

［5］邢 峰，何 勇，陳 駒，等.銹蝕鋼筋混凝土構件殘余承載能力［Z］.

［6］易美英，方從啟，王藝霖，等.受銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能研究［J］.低溫建筑技術，2008(1):51-53.

［7］郭 夏.CFRP加固局部強度不足的鋼筋混凝土柱試驗研究［D］.大連:大連理工大學，2008.

［8］唐 飛，孫 靜，劉家蓬.芳綸纖維布加固小偏壓混凝土柱試驗研究［J］.水利與建筑工程學報，2009，7(2):95-98.