基于大氣環(huán)境下銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)探討

文/馬榮軍 云南省迪慶州質(zhì)量監(jiān)督綜合檢測(cè)中心 云南迪慶州 674412

基于大氣環(huán)境下銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)探討

文/馬榮軍 云南省迪慶州質(zhì)量監(jiān)督綜合檢測(cè)中心 云南迪慶州 674412

隨著現(xiàn)代建筑工程技術(shù)的發(fā)展，鋼筋混凝土構(gòu)件成為了建筑工程中廣泛使用的結(jié)構(gòu)，對(duì)于建筑工程的耐久性和使用壽命提高做出了重要貢獻(xiàn)。但是隨著鋼筋混凝土構(gòu)件服役時(shí)間的增加，鋼筋出現(xiàn)銹蝕的現(xiàn)象也十分普遍。本文立足于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹蝕現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)不同銹蝕程度的鋼筋進(jìn)行除銹處理和力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出鋼筋銹蝕的力學(xué)性能會(huì)隨著銹蝕率的增加而下降，從而為找到合理方法防控鋼筋混凝土的銹蝕，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

大氣環(huán)境；銹蝕鋼筋；鋼筋混凝土；力學(xué)性能試驗(yàn)

鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和可靠性具有嚴(yán)重威脅，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年因?yàn)殇摻钿P蝕而產(chǎn)生的維護(hù)和加固費(fèi)用就高達(dá)1000億美元。隨著鋼筋銹蝕的不斷發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和安全性能均不斷下降。尤其是，鋼筋銹蝕后，由于鐵銹的存在，鋼筋的體積會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，從而在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)壓力，如果由于這個(gè)壓力所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土保護(hù)層就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能威脅極大。隨著鋼筋銹蝕的不斷發(fā)展，裂縫問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能和結(jié)構(gòu)剛度會(huì)不斷退化，混凝土構(gòu)件的承載力會(huì)不斷被削弱，對(duì)于建筑物的使用壽命構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

一、鋼筋銹蝕機(jī)理

在混凝土孔隙中普遍存在氫氧化鈣飽和溶液，pH值很高，堿度高，再加上混凝土中氧化鈉、氧化鉀的存在，實(shí)際的pH值還會(huì)有所增加。在這樣的高堿性環(huán)境下，鋼筋表面會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，形成一層水化氧化膜，并附著在鋼筋表面，也稱(chēng)為“鈍化膜”，即使是在有水分和氧氣的環(huán)境中，鋼筋也不會(huì)被銹蝕。但是，鋼筋之所以還能夠發(fā)生銹蝕，主要是由兩個(gè)因素導(dǎo)致的，分別是混凝土中性化使鋼筋位置的pH值降低和游離氯離子的濃度增加并擴(kuò)散到鋼筋表面，使鈍化膜失效。

在鈍化膜失效以后，混凝土中鋼筋的銹蝕是一個(gè)典型的電化學(xué)過(guò)程：陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe-2e←→Fe2+；陰極發(fā)生還原反應(yīng)：O2+2H20+4e←→4OH-。陰極和陽(yáng)極所生成的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成Fe（OH）2，如果氧氣充分，F(xiàn)e（OH）2會(huì)進(jìn)一步被氧化，生成Fe （OH）3，即4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe （OH）3，脫水后形成紅銹（Fe2O3)，如果氧氣不充分，則會(huì)生成黑銹（Fe3O4），即6Fe（OH）2+O2→2Fe3O4+6H2O[1]。在大氣環(huán)境下，鋼筋銹蝕的機(jī)理還可以用下圖1來(lái)形象表示。

圖1 大氣環(huán)境下混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕機(jī)理

二、大氣環(huán)境下銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)方法

1.試驗(yàn)取樣

本次試驗(yàn)所選用的是某地一服役20年的休息長(zhǎng)廊處的鋼筋混凝土構(gòu)件，通過(guò)構(gòu)件原位替換、現(xiàn)場(chǎng)取樣的方法，從中取出存在不同銹蝕程度的鋼筋作為試件。首先用弱酸對(duì)試件進(jìn)行清洗，后用清水對(duì)其進(jìn)行清洗，并用石灰水來(lái)進(jìn)行中和，之后還要用清水進(jìn)行洗滌，待清洗完畢后將試件做烘干處理，之后用天平進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定，并測(cè)定鋼筋的長(zhǎng)度，方可放入干燥器中備用。

2.鋼筋銹蝕率的確定

關(guān)于鋼筋銹蝕率的測(cè)定，如果鋼筋銹蝕均勻，可以采用界面損失率和質(zhì)量損失率來(lái)進(jìn)行銹蝕程度的判斷；如果鋼筋銹蝕不均勻，尤其是在大氣環(huán)境條件下，鋼筋的銹蝕往往不是均勻呈現(xiàn)的，而是多表現(xiàn)為坑蝕，銹蝕的不均勻性和離散性隨著銹蝕量的增加而增加，質(zhì)量損失率和截面損失率的差異也會(huì)增加。對(duì)于本次試驗(yàn)，對(duì)于鋼筋銹蝕率的確定，以質(zhì)量損失率為準(zhǔn)。鋼筋質(zhì)量損失率ρ的計(jì)算公式為

ρ=[(Mo-Mr)/Mo]*100%，

其中，Mo表示鋼筋初始質(zhì)量，Mr表示銹蝕后質(zhì)量。

3.試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)過(guò)程中，充分借助萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)鋼筋的主要力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，包括鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等[2]。在試驗(yàn)過(guò)程中，必須保證所有鋼筋試件的拉伸試驗(yàn)所使用的加載速率相同，鋼筋的銹蝕率通過(guò)對(duì)比分析計(jì)算的方式獲得。

三、試驗(yàn)結(jié)果分析

1.鋼筋極限伸長(zhǎng)率與銹蝕率的關(guān)系

通過(guò)試驗(yàn)，不難看出，在鋼筋發(fā)生銹蝕后，伸長(zhǎng)率明顯下降，如下圖2所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，伸長(zhǎng)率均為鋼筋的極限伸長(zhǎng)率，鋼筋發(fā)生銹蝕后，鋼筋的伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，當(dāng)銹蝕率低于4%-6%時(shí)，伸長(zhǎng)率基本上已經(jīng)超過(guò)規(guī)范最小允許值。當(dāng)銹蝕率超過(guò)8%-10%時(shí)，伸長(zhǎng)率也會(huì)低于規(guī)范最小允許值。對(duì)于I級(jí)鋼筋和 和II級(jí)鋼筋，其銹蝕率分別取下限值和上限值。當(dāng)銹蝕率超過(guò)5%時(shí)，具有局部坑蝕的鋼筋，其伸長(zhǎng)率和銹蝕率之間的關(guān)系可以表示為

δ1=aρ+δIu，

其中，a表示銹蝕相關(guān)系數(shù)，I級(jí)鋼筋取-0.5，II級(jí)鋼筋取-0.59，ρ表示鋼筋質(zhì)量損失率，δIu為正常鋼筋的極限伸長(zhǎng)率。

圖2 不同類(lèi)型鋼筋極限伸長(zhǎng)率與銹蝕率的關(guān)系

2.屈服強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系

通過(guò)試驗(yàn)得知，隨著銹蝕率的增加，鋼筋的屈服強(qiáng)度不斷下降，詳見(jiàn)圖3，銹蝕后鋼筋屈服強(qiáng)度與銹蝕率之間的關(guān)系用公式表示為

σys=cρ+310，

其中，σys為鋼筋屈服強(qiáng)度，單位為MPa，ρ表示鋼筋的質(zhì)量損失率，用%表示，c為影響系數(shù)，I級(jí)鋼筋取-3.1，II級(jí)鋼筋取-7.5。

圖3 鋼筋屈服強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系

3.鋼筋抗拉強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系

詳見(jiàn)圖3，鋼筋銹蝕率增加，抗拉強(qiáng)度越來(lái)越低，但是又呈現(xiàn)出波動(dòng)趨勢(shì)。之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，主要還是跟鋼筋銹蝕的不均勻性有關(guān)系，由于存在坑蝕現(xiàn)象，應(yīng)力集中，所以鋼筋的抗拉強(qiáng)度在波動(dòng)中隨著銹蝕程度的加深而下降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，抗拉強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系可以用公式表示為

σts=k1x+k2，其中，σts為鋼筋銹蝕后的抗拉強(qiáng)度，x為鋼筋質(zhì)量損失率，k1和k2為銹蝕影響系數(shù)，關(guān)于k1，I級(jí)鋼筋取-4.0，II級(jí)鋼筋取-5.6；關(guān)于k2，I級(jí)鋼筋取315，II級(jí)鋼筋取445。

4.銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)論綜述

在大氣環(huán)境條件下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕主要以坑蝕為主，銹蝕產(chǎn)物也呈現(xiàn)出明顯的赤褐色，疏松多孔陪你過(guò)，體積膨脹率大[3]。在本次試驗(yàn)過(guò)程中所用試件已出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象，對(duì)于混凝土間的可靠性和粘結(jié)度極為不利，嚴(yán)重影響著混凝土結(jié)構(gòu)的安全度和可靠性。與此同時(shí)，由于鋼筋的不均勻銹蝕和局部坑蝕，鋼筋受力性能也受到嚴(yán)重?fù)p害，不利于建筑物的可持續(xù)發(fā)展。

其次，隨著鋼筋銹蝕程度不斷加深，銹蝕率不斷增加，鋼筋的延性會(huì)不斷下降，脆性會(huì)不斷增加。

第三，隨著鋼筋銹蝕程度的不斷加深，鋼筋的力學(xué)性能呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，在這一方面，II級(jí)鋼筋的下降趨勢(shì)明顯高于I級(jí)鋼筋。

結(jié)語(yǔ)：

綜上，在大氣環(huán)境下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋的銹蝕受到多種因素的干擾，不能以一個(gè)力學(xué)性能試驗(yàn)來(lái)解釋所有問(wèn)題，其中，銹蝕后鋼筋粘結(jié)性能下降、鋼筋銹蝕物膨脹率的測(cè)定等問(wèn)題仍然需要進(jìn)一步研究。但是，隨著現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑工程施工工藝的完善，鋼筋銹蝕問(wèn)題應(yīng)該全面重視起來(lái)，不斷提高鋼筋的抗銹蝕能力，提高鋼筋混凝土的穩(wěn)定性，促進(jìn)建筑工程實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

[1]沈德建,吳勝興.大氣環(huán)境下嚴(yán)重銹蝕鋼筋混凝土梁力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].橋梁建設(shè),2007,(1):28-31.

[2]李鳳蘭,侯維玲,侯朋兵,等.銹蝕鋼筋的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2013,34(4):61-64.

[3]陳輝,張偉平,顧祥林,等.高應(yīng)變率下銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2013,16(5):869-875.