混凝土構(gòu)件銹脹裂縫寬度與銹蝕量關(guān)系的試驗研究

萬勝武，徐杰

（武漢科技大學城市建設(shè)學院，湖北武漢430065）

混凝土構(gòu)件銹脹裂縫寬度與銹蝕量關(guān)系的試驗研究

萬勝武，徐杰

（武漢科技大學城市建設(shè)學院，湖北武漢430065）

主要研究了混凝土開裂后裂縫寬度與鋼筋銹蝕量之間的關(guān)系，并通過18組150 mm×150 mm ×150 mm的標準立方體試件的銹蝕對比試驗，得出了銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕深度之間呈線性關(guān)系，并分析了鋼筋截面損失率對鋼筋銹蝕深度的影響；鑒于銹脹裂縫相對鋼筋銹蝕率的觀測更容易，給出了由裂縫寬度推測鋼筋銹蝕量的公式。不僅對工程實踐中鋼筋銹蝕量的無損檢測有很大幫助，而且可以為建筑結(jié)構(gòu)的耐久性評估提供依據(jù)。

鋼筋銹蝕率；裂縫寬度；銹蝕深度；截面損失率；無損檢測

混凝土中鋼筋銹蝕主要有兩種形式：均勻銹蝕和坑蝕，其中坑蝕是自然條件下混凝土中鋼筋銹蝕的主要形式。國內(nèi)外對鋼筋混凝土構(gòu)件銹蝕力學性能的研究大部分都是基于鋼筋的均勻銹蝕而進行的。張偉平［1］對鋼筋銹蝕體積膨脹引起混凝土脹裂損傷機理進行了有限元分析，建立了混凝土脹裂時鋼筋截面損失率的理論計算模型。Andrade等［2］和王深［3］對混凝土銹脹開裂的開裂條件和開裂后銹蝕量與裂縫寬度的關(guān)系進行了研究，給出了混凝土銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕量的定量關(guān)系。本文采用快速銹蝕試驗法對18組試件進行了試驗分析，得出了不同鋼筋布置情況下混凝土銹脹裂縫寬度與鋼筋銹蝕量之間的定量關(guān)系，同時推出了由裂縫寬度預測鋼筋銹蝕深度的表達式，可應用于工程實踐中在不破壞原有結(jié)構(gòu)的情況下更為準確地推測鋼筋的銹蝕量以及構(gòu)件的耐久性評估。

1　銹蝕裂脹與相關(guān)公式

1.1混凝土銹蝕裂脹過程

當混凝土構(gòu)件處于氯化物含量高的環(huán)境中，氯離子能滲透和擴散進入混凝土，致使鋼筋銹蝕。鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)物的體積是鋼筋體積的2～4倍，銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹使鋼筋周圍混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應力。隨著鋼筋銹蝕物的積累，環(huán)向拉應力逐漸增大，當環(huán)向拉應力達到混凝土的抗拉強度時，在鋼筋和混凝土界面處將產(chǎn)生內(nèi)部徑向裂縫［4］。隨著鋼筋銹蝕的持續(xù)，鋼筋銹蝕量增加，徑向裂縫向混凝土表面發(fā)展，最終造成混凝土保護層開裂甚至脫落。混凝土保護層的銹蝕裂脹過程如圖1所示。

圖1　混凝土保護層的裂脹過程示意

1.2計算公式

1）裂縫寬度與鋼筋銹蝕深度的關(guān)系式

由Andrade等［2］提出的公式（1）和王深［3］提出的公式（2），均為由試驗結(jié)果回歸分析得出的直線方程。

式中：w為裂縫寬度；x為鋼筋銹蝕深度。

2）鋼筋的截面損失率表達式

鋼筋銹蝕程度通常用失重率或截面損失率表示。失重率反映的是整根鋼筋的銹蝕程度。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身和銹蝕過程的復雜性，導致銹蝕過程的不均勻性，從而使兩者有比較大區(qū)別［5］。所以，通常在考慮混凝土縱向開裂和鋼筋與混凝土黏結(jié)力下降時用失重率較好；而對于鋼筋承載力下降，由于試驗關(guān)心的是其破壞截面的銹蝕程度，因此用截面損失率較為合適。

鋼筋銹蝕前鋼筋截面積為

鋼筋銹蝕后鋼筋截面積為

鋼筋銹蝕深度x與鋼筋截面損失率K的關(guān)系為

式中：K為鋼筋截面損失率；d為鋼筋直徑，mm。

2　試驗研究

2.1試驗方案

為了得到裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系式，通過電化學快速腐蝕方法進行54個混凝土配筋試塊銹脹裂縫寬度的試驗研究。試塊尺寸為150 mm× 150 mm×150 mm。試塊中無箍筋，目的是為了盡量排除鋼筋相鄰位置銹脹開裂的相互影響，得到均勻銹蝕情況下的w-x關(guān)系式。試塊鋼筋直徑d分別取16，20，25 mm，混凝土等級為C20，保護層厚度c分別取25，30，35 mm。試塊分為18組，每組3個試塊，其中A，B，C組中鋼筋位于一般位置，D，E，F(xiàn)組中鋼筋位于角區(qū)。具體參數(shù)見表1。

表1　試塊參數(shù)

試塊中鋼筋位于一般位置和鋼筋位于角區(qū)的布置示意如圖2。

圖2　鋼筋布置示意（單位：mm）

為了模擬混凝土中鋼筋銹蝕的過程，采用電化學快速銹蝕的方法，即將試塊浸泡在濃度為5%的NaCl溶液中，按圖3所示的試驗法對混凝土試塊中的鋼筋接通直流電3～10 d。

圖3　試驗裝置示意

2.2試驗結(jié)果

試驗通電結(jié)束后，用裂縫測寬儀測得開裂后的裂縫寬度。然后敲碎混凝土，取出生銹鋼筋，經(jīng)稀鹽酸溶液除銹并干燥處理后，用天平稱量鋼筋的質(zhì)量，并用千分尺測量鋼筋3個截面的直徑，從而計算銹蝕深度和鋼筋截面腐蝕率。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

3　試驗分析

3.1試驗結(jié)果擬合

由試驗值擬合的裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可見：裂縫寬度都隨銹蝕程度的加深而增大；鋼筋位于一般位置時裂縫寬度分布在0.6～2.2 mm之間，而鋼筋位于角區(qū)時裂縫寬度分布在0.15～1.2 mm之間。試驗發(fā)現(xiàn)，鋼筋位于角區(qū)時開裂方式比較復雜，有時會出現(xiàn)多條裂縫，當只有一條表面裂縫時，在其他方向也可能有未貫通的裂縫可以容納銹蝕產(chǎn)物，所以鋼筋位于角區(qū)時裂縫比鋼筋位于一般位置時要小［6-11］。圖4中鋼筋位于一般位置時銹蝕深度分布在0.15～0.6 mm之間，而鋼筋位于角區(qū)時銹蝕深度分布在0.025～0.3 mm之間，說明就鋼筋腐蝕引起的保護層開裂而言，鋼筋位于角區(qū)時保護層的開裂裂縫明顯小于鋼筋位于一般位置時，鋼筋的腐蝕程度也要小于鋼筋位于一般位置時。

表2　試驗數(shù)據(jù)

圖4　裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系

3.2試驗結(jié)果分析

1）鋼筋位于一般位置時，得出的裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系式為

由圖4（a）可以看出，鋼筋銹蝕深度與裂縫寬度之間存在較好的線性關(guān)系，且混凝土保護層裂縫寬度集中于1.2～1.8 mm之間。

2）鋼筋位于角區(qū)時，得出的裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系式為

雖然線性回歸得出了關(guān)系式，但是可以看到圖4（b）中的數(shù)據(jù)點較為離散，可能是因為鋼筋位于角區(qū)時開裂方式比較復雜，有時會出現(xiàn)多條裂縫，因此數(shù)據(jù)離散，且其裂縫寬度值較一般位置時要小許多。

3）鑒于工程實踐中銹脹裂縫較鋼筋銹蝕率更易觀測，可將圖4轉(zhuǎn)換為圖5，即由裂縫寬度確定鋼筋銹蝕深度。

圖5　鋼筋銹蝕深度x與裂縫寬度w的關(guān)系

4）裂縫寬度w與鋼筋截面損失率K的關(guān)系式

鋼筋位于一般位置時，將圖5中擬合的關(guān)系式代入式（5），得到用裂縫寬度w表示鋼筋截面損失率K的表達式為

鋼筋位于角區(qū)時，相應地用裂縫寬度w表示鋼筋截面損失率K的表達式為

4　結(jié)論

1）通過對試驗結(jié)果的擬合和分析，得出了鋼筋布置不同位置時裂縫寬度w與鋼筋銹蝕深度x的關(guān)系式。鋼筋位于一般位置時x=0.231 0w+0.025 4，鋼筋位于角區(qū)時x=0.250 6w+0.001 5。

2）鋼筋截面損失率K的表達式分為鋼筋位于一般位置和鋼筋位于角區(qū)2種情況。鋼筋位于一般位置時，K=1-［d-2（0.231 0w+0.025 4）］2/d2；鋼筋位于角區(qū)時，K=1-［d-2（0.250 6w+0.001 5）］2/d2。在實際的無損檢測工程中，確定構(gòu)件的截面尺寸和鋼筋的分布情況，再測量混凝土裂縫寬度和鋼筋直徑來計算鋼筋的截面損失率，推斷鋼筋的銹蝕程度。

［1］張偉平.混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕損傷預測及其耐久性評估［D］.上海：同濟大學，1999.

［2］ANDRADE C，ALONSO C，MOLINA F J.Cover Cracking as a Function of Bar Corrosion：Part 1—Experimental Test［J］. Materials and Structures，1993，26（10）：453-464.

［3］王深.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹裂縫的研究及耐久性評估［D］.上海：同濟大學，2000.

［4］趙春紅.混凝土鋼筋銹蝕檢測技術(shù)研究［J］.中國公路，2016（5）：138-139.

［5］王曉剛，杜相波，閏軍印，等.混凝土構(gòu)件中鋼筋銹蝕的電加速技術(shù)對比試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2015，36（1）：104-110.

［6］劉榮桂，喻孟雄.混凝土保護層銹脹開裂時間的計算模型［J］.江蘇大學學報（自然科學版），2016，37（2）：219-224.

［7］吳鋒，張章，龔景海.基于銹脹裂縫的銹蝕梁鋼筋銹蝕率計算［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2013，34（10）：144-150.

［8］成立，鄧春林，王新詳，等.鋼筋銹蝕狀況的分析研究［J］.鐵道建筑，2007（5）：100-102.

［9］姜慧，喻孟雄，劉榮桂.混凝土保護層均勻銹脹內(nèi)裂分析［J］.混凝土，2014（9）：1-4.

［10］鄭穎穎，徐亦冬.混凝土保護層銹脹開裂研究進展［J］.混凝土，2015（6）：26-31.

［11］張勇，杜修力，李悅，等.荷載與溶液腐蝕耦合作用下鋼筋銹蝕速率試驗研究［J］.鐵道建筑，2013（4）：145-148.

（責任審編孟慶伶）

Experimental Study on Relationship Between Crack Width and Corrosion Extent of Concrete Members

WAN Shengwu，XU Jie
（Institute of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430065，China）

T he paper focuses on the relationship between crack width and steel corrosion extent after concrete cracking.T hrough analysis of 18 groups cube specimens（150 mm×150 mm×150 mm），the relation between crack width and steel corrosion depth，which is linear，can be got.T he relation between steel corrosion depth and steel section loss rate can also be indicated.T herefore，T he extent of steel corrosion can be forecasted by crack width.T he results can be used to get the extent of steel corrosion with nondestructive testing（NDT），and provide a basis for the durability assessment in engineering practice.

Steel corrosion rate；Crack width；Corrosion depth；Section loss rate；Nondestructive testing（NDT）

TU528.01

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.34

1003-1995（2016）10-0128-05

2016-06-04；

2016-07-20

萬勝武（1964—），男，副教授，碩士。