鋼筋混凝土結構在荷載和銹蝕耦合作用下試驗研究綜述

蘇欣

摘 要：隨著研究水平的不斷提高，銹蝕鋼筋混凝土力學性能的試驗研究方法呈現出各種各樣。文章通過對文獻的調研，對已有該類實驗進行梳理總結，并給出相應的建議，同時分析了該類實驗今后的發展趨勢。

關鍵詞：鋼筋混凝土；銹蝕和荷載耦合；試驗研究

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0168-02

前言

鋼筋混凝土材料劣化的所有因素中，對結構影響最大的莫過于鋼筋銹蝕。具體來說鋼筋銹蝕造成混凝土構件的承載力退化以致失效的原因有以下幾個方面：一是由于鋼筋銹蝕使鋼筋截面面積減小，銹蝕鋼筋的力學性能退化；二是鋼筋銹蝕會產生銹脹力，造成混凝土截面損傷；三是鋼筋銹蝕會使鋼筋與混凝土之間的粘結性能退化。在實際工程中，銹蝕是伴隨著混凝土結構承受荷載過程中而發生的，然而，早期的研究大多未考慮荷載作用效應，僅考慮環境作用效應。顯然這跟實際工程中的情況相差甚遠因而不能很好的模擬實際工程中結構真實的劣化過程。雙因素及多因素的耦合作用研究是目前研究的熱點問題。

1 荷載和銹蝕耦合作用下鋼筋混凝土結構承載力試驗

1.1 實驗室中得到銹蝕鋼筋混凝土構件的方法

實驗室中得到銹蝕鋼筋混凝土構件的方法主要有以下四種：實際工程中拆換下來的老構件、實驗室電化學加速銹蝕、人工環境模擬加速銹蝕和實驗室機械加工模擬銹蝕。應用最廣泛的是電化學加速銹蝕和模擬人工環境加速銹蝕，下面著重介紹這兩種方法。

電化學加速銹蝕之所以被廣泛應用是因為其具有銹蝕速度快、銹蝕率易控制和試驗條件比較容易達到等優點。

近年來人工環境模擬加速銹蝕得到銹蝕構件的方法應用越來越普遍，采用大型步入式人工環境試驗箱進行試驗，通過設置高溫（40℃-50℃）、高濕（80%-90%）、氯鹽溶液噴淋和干（紅外燈照）濕（鹽溶液噴淋）循環來模擬自然環境下的鋼筋銹蝕，該方法得到的銹蝕鋼筋構件更接近于實際工程。

電化學加速銹蝕與人工環境模擬加速銹蝕相比較，無論從電化學機理，還是從銹蝕產物、銹脹特征與銹脹形態上都存在明顯差異。人工環境模擬加速銹蝕鋼筋銹蝕以坑蝕為主，靠近保護層一側鋼筋首先受到侵蝕性介質的影響，銹蝕從靠近保護層一側開始，外側銹蝕明顯比內側嚴重，且自然環境中梁同時受到荷載作用容易產生微裂隙使得侵蝕介質更容易到達鋼筋表面。通電銹蝕為各個方向的均勻銹蝕。兩者的銹蝕產物也不相同。因此人工環境模擬加速銹蝕得到的銹蝕鋼筋構件更接近于實際工程。

1.2 實驗室持續荷載的加載方式

持續荷載的施加是銹蝕和荷載耦合試驗的難點所在，持續荷載的大小為30%的極限承載力，要求荷載穩定并且安全可靠，并且需要利用傳感器實時監測其恒載力的大小，當恒載力不足時及時補充使其在整個實驗過程中都保持恒載的狀態。目前較常用到的方法有以下幾種。

第一種，利用千斤頂和反力架來達到恒荷載施加的目的，該方法可以很好的在整個實驗過程中保持恒載大小，當恒載不足時補充恒載力也比較方便；第二種，利用配重塊來達到施加恒載的目的，該方法簡單易行安全可靠，恒載力的大小也比較容易控制，但該方法一般加載的力較小；第三種，利用鋼板、螺桿、螺母和鋼支座，采用兩點對稱的加載方案，恒載的施加主要靠擰緊螺母使得構件和鋼板及鋼支座產生的反力，該方法的優點在于一次可以有多個鋼筋混凝土試件同時進行試驗；第四種，采用杠桿掛籃砝碼加載系統實現兩點加載。杠桿一端放置砝碼吊籃，另一端用地腳螺栓與地槽錨固。該方法可以長期保持荷載的穩定；第五種，適用于軸心及偏心短柱的試驗，其有一定的特殊適用性。其保持恒荷載的方法是通過施加預應力來保持恒荷載，該方法的優點就是能很好的保持恒載的大小以及能在不卸載的情況下進行下面的承載力試驗，更加接近于實際工程。

1.3 鋼筋混凝土結構在荷載和銹蝕耦合作用下試驗

荷載和銹蝕耦合的試驗方法可以分為三大類。第一類，先進行銹蝕（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸鹽侵蝕、凍融循環等等），再進行承載力等試驗內容，兩步互相分離，與實際出入較大。第二類，構件在加恒載（極限承載力的30%左右）的基礎上同時進行銹蝕（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸鹽侵蝕、凍融循環等等），銹蝕等作用完成后卸去恒載，再進行承載力等試驗內容，這樣的方法比較接近實際工程，該方法是目前的試驗研究經常采用的試驗方法。第三類，構件在加恒載（極限承載力的30%左右）的基礎上同時進行銹蝕（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸鹽侵蝕、凍融循環等等），銹蝕等作用完成后不卸載，直接進行承載力等試驗內容，該方法可以一直持有恒荷載，更加接近于實際工程，也是該類試驗的趨勢。

上述三種方法在銹蝕構件的試驗中都有采用，長沙理工大學學者做了拱結構的銹蝕試驗，其試驗方法為先進行銹蝕，再進行承載力等試驗內容，恒載的加載方式利用千斤頂和反力架進行加載，銹蝕方法為電化學加速銹蝕；浙江大學學者也進行了荷載和銹蝕耦合作用下的試驗，其試驗方法也為第二類方法，加載方式為利用鋼板、螺桿、螺母和鋼支座，采用兩點對稱的加載方案，恒載的施加主要靠擰緊螺母使得構件和鋼板及鋼支座產生的反力，銹蝕方法為“電滲-恒電流-干濕循環”，該銹蝕方法具體步驟為：首先，在恒定電壓下進行電滲，使氯離子到達鋼筋表面，由于混凝土材料的不均勻性，氯離子在鋼筋表面的濃度也不均勻，可以模擬實際鋼筋的不均勻銹蝕.然后在恒定電流下通電加速銹蝕，同時對試驗梁進行干濕循環處理；浙江工業大學學者進行的荷載和銹蝕耦合試驗，其加載方式為千斤頂和反力架加載，銹蝕是在人工環境箱中進行，利用高溫高濕的環境，并采用質量分數為5%的鹽霧從上部向下噴灑，以達到加速腐蝕的效果。設置的噴霧腐蝕時間為2h，干燥腐蝕46h。四個氣候環境依次循環，經歷的四個氣候環境后相當于為一個大循環（8d，相當于自然時間1年）。該實驗方法更接近于暴露在自然環境下進行銹蝕的實際工程構件，得到的試驗數據也更加值得信任。

2 關于鋼筋混凝土結構在荷載和銹蝕耦合作用下試驗建議

雖然近年來對鋼筋混凝土銹蝕構件力學性能研究的試驗越來越多，但是很多試驗其試驗方法并沒有體現出革新。試驗終究是服務于實際工程的，如果試驗的內容與實際工程中的情況相差甚遠，那試驗的意義也將大大降低。

通過對過往試驗的總結，提出以下幾點建議：（1）對加載裝置進行革新，目前的加載裝置都比較笨重且恒載施加起來十分的不方便，目前的加載裝置也無法達到大構件的不卸載而繼續進行承載力等試驗的目的，為了讓試驗更加接近于實際工程我們可以根據構件的形狀和大小來對加載裝置進行訂做，使其不僅滿足恒載保持的需要也可以實現大構件的不卸載而繼續進行承載力等試驗的目的；（2）改進銹蝕方法，電化學加速銹蝕雖然可以很快的達到目標銹蝕率但其機理和銹蝕結果都與實際工程相差較多，建議在今后的試驗中如果要用電化學加速銹蝕，有必要設置一定的修正系數對結果進行修正。模擬人工環境加速銹蝕的方法目前采用還不是特別廣泛，我們可以隨著設備的更新，調試出更加接近于真實環境的環境參數，另外模擬人工環境銹蝕的方法，試驗周期也是必須考慮的問題，一般情形下模擬人工銹蝕的試驗周期都較長；（3）目前考慮雙因素耦合作用下的影響的試驗較多，但是實際工程中的鋼筋混凝土構件普遍都是在多因素復雜耦合狀態下進行服役的，所以今后的研究方向也是多因素耦合作用下鋼筋混凝土的承載力試驗，梳理多因素之間的系數指標和影響程度，做好理論方面的研究，為試驗研究打下堅實的基礎。

3 結束語

隨著科學技術的高速發展，對于試驗方法和裝置的革新也勢在必行。本文通過資料的調研梳理了當前研究水平荷載和銹蝕耦合作用下鋼筋混凝土結構的試驗研究，從銹蝕方法、恒載加載方法、荷載和銹蝕耦合試驗方法三個方面進行了總結了該類試驗的發展和現狀，并給出了相應的建議，為以后的研究趨勢做了一個初步的探索，表明多因素耦合作用的研究是今后該類試驗研究的重點。

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