經環氧涂層和鍍鋅處理后鋼筋混凝土梁力學性能分析

竇遠明 鄧留藏 張晶晶 史一星 刁碩 鞠培東

摘要?實際工程中橋梁長期受環境腐蝕和往復荷載的作用，導致承載力降低。為提高橋梁耐腐蝕和抗疲勞性能，采用環氧樹脂涂層和熱浸鍍鋅兩種方式處理鋼筋，并對腐蝕后的試驗梁進行了靜載試驗和疲勞試驗。試驗結果表明：腐蝕作用下，經兩種方式處理的鋼筋混凝土梁的靜載承載力較未腐蝕原型梁有不同程度的提升。在疲勞荷載和鋼筋銹蝕的雙重作用下，環氧樹脂涂層鋼筋試驗梁具有良好的抗疲勞性能，根據理論分析和試驗結果，對截面剛度進行修正，研究結果可為混凝土結構的耐久性評估提供參考。

關?鍵?詞?疲勞;環氧樹脂鋼筋;熱浸鍍鋅鋼筋;剛度

中圖分類號?TU378.2?????文獻標志碼?A

Mechanical?analysis?of?reinforced?concrete?beams?after?epoxy?and?galvanized?treatment

DOU?Yuanming1，?DENG?Liucang1，2，?ZHANG?Jingjing1，

SHI?Yixing1，?DIAO?Shuo1，?JU?Peidong1

（1.?School?of?Civil?Engineering?and?Transportation，?Hebei?University?of?Technology，?Tianjin?300401，?China;2.?China's?Automotive?Engineering?Co?Ltd，?Tianjin?300100，?China）

Abstract?In?practical?engineering，?the?bearing?capacity?of?a?bridge?becomes?lower?and?lower?since?the?bridge?has?long?been?affected?by?environmental?corrosion?and?reciprocating?load.?In?order?to?improve?the?corrosion and?fatigue?resistance?of?the?bridge，?epoxy?resin?coating?and?hot?dip?galvanizing?were?adopted?to?deal?with?the?steel?bar，?and?the?static?load?and?fatigue?test?were?carried?out?on?the?corroded?test?beams.?The?results?show?that?under?static?load，?the?bearing?capacity?of?corroded?beams?treated?by?two?approaches?is?higher?than?that?of?the?original?beam.?Under?the?double?action?of?fatigue?load?and?steel?corrosion，?the?epoxy?resin?coated?steel?test?beam?shows?good?performance?under?fatigue?load.?Depending?on?the?theoretical?analysis?and?test?results，?the?section?stiffness?is?corrected.?The?research?results?can?provide?positive?references?for?durability?evaluation?of?concrete?structure.

Key?words?fatigue;?epoxy-coated?reinforcement;?hot-dip?galvanized?rebar;?stiffness

0?引言

隨大型跨海橋梁的建設，鋼筋混凝土橋梁遭受環境腐蝕導致的耐久性問題越來越受到重視，并且橋梁腐蝕后在車輛荷載往復作用下其承載力和抗疲勞性能大幅下降[1]。現役大部分鋼筋混凝土橋梁處于帶裂縫工作狀態，由于裂縫的存在，使得環境中有害介質（氯離子）侵蝕鋼筋的速度加快[2]，導致鋼筋銹蝕，普通鋼筋混凝土抗疲勞性能逐漸下降。為提高混凝土橋梁耐腐蝕性能，Yeaomans[3]對鍍鋅鋼筋在鋼筋混凝土結構中的應用做了研究，概述了鍍鋅鋼筋在混凝土中的承載力性能和耐腐蝕性能。蔣荃等[4]對熱浸鍍鋅鋼筋混凝土結構的耐久性進行了評估，進一步分析了熱浸鍍鋅鋼筋的耐腐蝕性能，得出了鍍鋅鋼筋的腐蝕電勢低于普通鋼筋的腐蝕電勢，同時能夠充分推遲氯離子誘導腐蝕的結論。高揚等[5]進行了疲勞荷載和環境腐蝕兩者共同作用下環氧涂層鋼筋混凝土試件的研究，探討了薄涂層和厚涂層在未經過疲勞加載和經過疲勞加載后，腐蝕試驗對試件耐久性的影響，得出了涂層鋼筋混凝土梁中鋼筋腐蝕程度較小，不同加載條件下，涂層鋼筋在腐蝕點位和阻抗圖譜的表現都優于無涂層鋼筋的結論。以上研究成果在實際工程中得到應用，但對預應力混凝土梁內鋼筋經過防腐蝕處理后的抗疲勞性能研究不足。因此，本文針對疲勞荷載與環境腐蝕雙重作用下，通過通電加速銹蝕的方法，對經環氧涂層和鍍鋅處理后預應力鋼筋混凝土梁耐久性展開試驗研究和理論分析，為橋梁的實際應用提供參考。

1?試驗概況

1.1?試驗梁設計

本實驗共設計12根試驗梁，分別用環氧樹脂涂層和熱浸鍍鋅2種方式處理鋼筋，并對腐蝕后的試驗梁進行了靜載試驗和疲勞試驗，試件參數見表1。試驗梁截面尺寸為180?mm?×140?mm，長為3.2?m其中計算跨徑2.9?m，混凝土保護層厚度為25?mm，混凝土強度等級為C40，制作工藝為先張法預應力混凝土梁。預應力鋼筋采用？7的消除預應力鋼絲（[fpk]為抗拉強度標準值，取1?570），張拉應力為0.73[fpk]，截面配筋如圖1。

1.2?鋼筋防腐蝕處理

1.2.1?環氧樹脂涂層鋼筋

環氧樹脂作為一種涂層材料具有極高的化學穩定性，在普通環境下不與酸、堿發生反應，與金屬表面具有極佳的粘著性特點，并且膜層具有不滲透性，能阻止水分、氧、氯化物或侵蝕性介質接觸鋼筋表面，同時還有阻止鋼筋與外界電流接觸的性能，而被認為是化學電離子防腐屏障。環氧樹脂涂層鋼筋制作采用靜電粉末噴涂的方法，流程為：鋼筋表面處理（除銹、打毛）→加熱處理（約230?℃）→靜電噴涂→養護固化（固化后形成一層完整連續的環氧樹脂薄膜保護層）→純水冷卻。

1.2.2?熱浸鍍鋅鋼筋

鍍鋅鋼筋通過鐵與鋅之間的化學反應來達到在鋼筋外表面包裹附著上鋅合金鍍層的結果。暴露在大氣環境中的鋅會在其表面生成保護性腐蝕產物，能夠將鋼筋從腐蝕環境中隔開。另外鋅是一種負電位很高的金屬，鍍鋅層對鋼鐵基體具有隔離防護和電化學保護雙重作用。鍍鋅層作為鋼筋的阻擋層對其外圍的腐蝕環境與鋼筋本體進行了隔絕，同時在酸、鹽腐蝕的環境下，鍍鋅層通過犧牲鋅金屬對鋼筋起到了電化學保護作用。熱浸鍍鋅鋼筋制作流程：鋼筋擺放→表面處理→助溶劑處理→鍍鋅→冷卻→整理包裝。

1.3?試驗梁腐蝕過程

本試驗采用內摻法和電化學加速銹蝕法相結合，在試驗梁制作過程中摻加了氯鹽，以確保腐蝕過程中良好的通電效果。研究顯示[6]，鋼筋電化學腐蝕試驗所用的電解質溶液采用3%～5%的NaCl溶液，以3.5%的濃度為最佳，在通電前一般將試件在電解液中浸泡一段時間，以使得Cl-能充分的侵入混凝土的空隙到達鋼筋表面，試驗梁浸泡一段時間后將受力筋導線接入直流電源的陽極，然后將溶液中的銅板纏繞導線接入電源的陰極。腐蝕過程中保持電流恒定，腐蝕電流密度可取為2?mA/cm2，根據法拉第定律，計算出試驗梁達到設計腐蝕率所需要的時間。

2?靜載試驗結果分析

靜載試驗采用三分點加載，在正式加載前先進行預加載，以確保各儀器間連接正常。正式加載采用分級加載方式，初始階段采用2?kN為一級進行加載，當達到開裂荷載的0.8倍時，改為每級加載1?kN，當試驗梁發生開裂后，每級加載重新改為2?kN，當加載至極限荷載計算值的0.8倍時，需采用位移控制加載，從而獲得準確的極限承載力、最大裂縫寬度和最大撓度數據。試驗梁破壞后，將鋼筋取出，經過酸洗、稱重，計算實際腐蝕率，具體試驗結果見表2。

分析表2可知，耐腐蝕鋼筋混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁相比，構件LC2的承載力比LC0、LC1小，鍍鋅鋼筋與混凝土粘結力下降約達13%[7-8]，這是由于鋼筋經過鍍鋅處理后，與混凝土粘結力降低導致。在相同的腐蝕情況下，普通構件LC3承載力下降較大，下降了約22%，耐腐蝕構件體現出其鋼筋外涂材料的優越性能，使其承載力不僅沒有下降反而有略微的提高，LC4、LC5分別提高了約4%、6%，承載力提高的原因是由于鋼筋與混凝土間的縫隙被鋼筋銹蝕后產生的銹蝕產物填滿，使其粘結作用加強，但LC3鋼筋銹蝕程度過大，導致鋼筋表面銹坑深度大，同時由于混凝土銹脹裂縫的出現，鋼筋與混凝土之間黏結明顯降低。結合試驗現象分析，裂縫首先出現在彎矩最大處，受腐蝕試驗梁體現出裂縫開展較為集中、寬度較大的特點。在靜力荷載作用下構件LC4表現為延性特征，而LC5則表現出明顯的脆性特征。與腐蝕普通鋼筋混凝土梁相比，熱浸鍍鋅鋼筋混凝土在裂縫開展深度和速度都有明顯的改善，而環氧樹脂鋼筋混凝土梁則有大幅提升，說明耐腐蝕特性能有效阻止鋼筋與腐蝕介質的接觸，降低鋼筋的銹蝕程度。

3?疲勞試驗及分析

在等幅疲勞試驗以前，先確定疲勞荷載的上下限，考慮到結構的自重、橋面鋪裝，并根據已有車輛荷載研究[9]以及重載交通模型分析，確定了疲勞下限為0.2倍的Pu。而對于疲勞荷載上限，按照車輛的最大額定載重來考慮作用效應時，此時的作用效應為JTG?D60—2004《公路橋涵設計通用規范》作用效應的0.7，對試驗梁而言，其荷載設計值正好對應0.75Pu（Pu為極限荷載值），而0.7的荷載設計值對應0.6Pu[10]。因此，將疲勞荷載上限取為0.60Pu，其中極限荷載值Pu為靜載試驗梁LC0極限承載力值。學者普遍認為混凝土材料的疲勞強度小于靜載強度，相當于200萬次時疲勞強度為靜載強度的56%～67%[11]，對鋼筋混凝土梁而言，疲勞壽命為200萬次，當疲勞試驗加載至200萬次后試驗梁未發生破壞，則滿足疲勞壽命要求，繼續靜力加載至破壞。疲勞試驗結果見表3。

試驗結果表明，試驗梁的疲勞破壞形式均為受彎破壞，破壞是由于梁中普通鋼筋的斷裂引起。在疲勞實驗過程中，隨著疲勞次數的增加，已有裂縫不斷擴展，新的裂縫不斷出現，普通鋼筋和預應力鋼筋的應力幅不斷增大，疲勞損傷加劇，最終導致試驗梁發生疲勞斷裂。LCF0、LCF1、LCF2、LCF4在疲勞加載后，都未發生疲勞破壞，但由于疲勞循環次數的不斷增加，混凝土與鋼筋的粘結力逐漸下降，與靜力試驗對比發現，四者的剩余承載力降低約達56%、59%、58%，71%。由于腐蝕的存在，LCF3的疲勞壽命比LCF0降低了約73%，LCF5的疲勞壽命比LCF2降低了約24%，這主要是因為鋼筋銹蝕后，由于銹坑的存在又加劇鋼筋銹蝕的不均勻性，集中應力現象更加明顯，造成了疲勞壽命的降低。

3.1?試驗梁撓度-荷載比曲線

在疲勞試驗過程中得到的撓度及荷載值，利用撓度-荷載比的變化規律可近似反映剛度與循環次數的變化規律，與剛度成反比的關系。撓度-荷載比即梁的跨中撓度與相應單點的荷載值的比，如圖4所示。

圖4表明：試件LCF3、LCF4、LCF5在20萬次以內，由于銹坑的不斷深入，隨著疲勞荷載作用的不斷進行，內部損傷累積不斷增大，導致梁的整體剛度隨循環次數的不斷增加迅速下降，LCF3、LCF4、LCF5在20-200萬次疲勞荷載過程中，鋼筋銹蝕和疲勞荷載造成的累積損傷變緩，使得剛度下降緩慢并逐漸趨于平緩，而LC3在50萬次以后，由于銹坑的存在和疲勞裂縫不斷擴展，導致剛度急劇下降，具有明顯的脆性特征，LCF5由于疲勞裂縫的擴展，進一步削弱了鋼筋與混凝土間的粘結作用，在疲勞過程中突然破壞。因此梁的剛度變化整體上表現出三階段特征：迅速下降—緩慢下降—趨于平穩，這是由于鋼筋表面銹蝕和疲勞次數的不斷增加使得鋼筋與混凝土的粘結強度降低，從而導致剛度退化。通過LCF3、LCF4、LCF5之間的對比分析可以得出，在疲勞和腐蝕共同作用下環氧樹脂涂層鋼筋混凝土試驗梁展現了良好的疲勞變形性能，可以抵抗環境的腐蝕。

3.2?鋼筋應變

在疲勞荷載作用下，鋼筋銹蝕率是制約鋼筋力學性能的主要因素之一。資料表明，部分預應力混凝土梁疲勞破壞是由于受拉區非預應力鋼筋中某一根鋼筋首先疲勞斷裂，最終導致預應力鋼筋的疲勞破壞，梁退出工作[12]。因此鋼筋銹蝕后，對部分預應力鋼筋混凝土梁普通鋼筋應變研究是梁構件疲勞性能研究的重要方面，同時是耐久性課題研究的關鍵組成部分。在經歷不同循環次數后，梁的荷載-鋼筋應變曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著循環次數的增加，試驗梁體內普通鋼筋應變逐漸增大。試驗梁LC0普通鋼筋應變大致呈線性增長，各曲線保持平行。LCF3、LCF4、LCF5普通鋼筋應變在加載初期，增長幅度較大，隨著疲勞作用的不斷進行，應變趨于平穩，加載后期，應變急劇增長，普通鋼筋應變具有明顯的“三階段”特征。由于在加載初期，梁體開裂導致截面應力重分布，混凝土抗拉能力降低，預應力損失增加，普通鋼筋承擔大部分應力，隨著循環次數的增加，預應力承擔一部分應力，普通鋼筋應變趨于穩定，加載后期，由于鋼筋銹蝕導致疲勞損傷的累積，使得鋼筋與混凝土之間的粘結力下降，并且普通鋼筋進入屈服階段，應變急劇增加。預應力鋼筋混凝土梁的疲勞壽命受鋼筋腐蝕因素的制約，試驗梁腐蝕率越高脆性特征越明顯，對比發現LC3梁破壞具有明顯的脆性特征，在整個加載實驗過程中，梁LCF4的抗疲勞性能好于LCF3、LCF5。

3.3?剛度計算公式修正

結構在使用期間剛度的變化是反應結構適用性的一個重要指標，銹蝕構件剛度變化的主要受鋼筋銹蝕率、疲勞循環次數和疲勞循環應力幅的影響。由于鋼筋混凝土梁是不均勻的非彈性材料，對混凝土受彎構件來說，截面剛度是變化的，會隨著彎矩的增大而減小，并且隨著荷載作用的時間的增長而減小[13]，因此結合試驗數據，提出銹蝕鋼筋混凝土梁疲勞抗彎剛度計算方法。規范中[14]給出了預應力混凝土受彎構件的短期剛度[BS]的計算公式：

[BS=0.85EcI0κcr+（1-κcr）ω？？？]， （1）

[κcr=McrMk]，

[ω=（1.0+0.21αEρ）（1+0.45γf）-0.7]，

[Mcr=（σpc+γftk）W0]，

[γf=（bf-b）hfbh0]，

[ρ=α1Ap+ASbh0]，

式中：[Ec]為混凝土的彈性模量;[I0]為梁截面的等效慣性矩;[κcr]為預應力混凝土受彎構件正截面的開裂彎矩Mcr與彎矩[Mk]的比值;[γf]為受拉翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值;ρ為縱向受拉鋼筋配筋率，對無粘結預應力鋼筋[α1=0.3];[αE]為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值;[σpc]為扣除預應力損失后，有預應力在抗裂驗算邊緣產生的混凝土預壓應力;γ為混凝土構件截面抵抗彎矩塑性影響系數。

引起銹蝕梁剛度退化的主要因素有鋼筋截面面積的減小、構件截面尺寸的削弱、材料力學性能的劣化、混凝土與鋼筋之間的粘結力退化[15]。本文主要考慮鋼筋銹蝕和疲勞荷載引起混凝土與鋼筋之間粘結力退化的因素，而公式（1）沒有考慮鋼筋銹蝕程度和疲勞荷載對剛度的影響，因此對公式（1）進行修正。文獻[16]給出了鋼筋混凝土梁銹蝕后剛度退化系數K，K反映了粘結退化效應對梁抗彎剛度的影響系數，即銹蝕使粘結力下降引起的梁剛度退化系數。

[K=0.025?5η+0.970?3？？？???????????????????0≤η≤51.296?8-0.039?8η????????????????????5？<？η??<？15？]， （2）

式中：η為鋼筋銹蝕率?。即銹蝕后鋼筋混凝土梁抗彎剛度計算公式修正為

[BSC=KBS]。 （3）

在銹蝕鋼筋混凝土梁剛度退化系數K的基礎上，考慮疲勞荷載對梁剛度的影響，文獻[17]中給出了疲勞荷載作用下剛度降低系數[θf]，令

[θf=BfSC（n）BSC=fSff（n）？]， （4）

作為循環次數為n時的剛度降低系數。其中：[fs]為實測靜載作用下的跨中撓度值;[ff（n）]是基于實測得到的當循環次數為n時的跨中撓度值。因此考慮疲勞和腐蝕共同作用下，將疲勞荷載作用后銹蝕鋼筋混凝土梁的剛度公式修正為

[BfSC（n）=k？θf？BS？]。?????????????????????????（5）

根據試驗數據，做出試驗梁在疲勞荷載與靜載作用下的撓度對比曲線，進行線性回歸，求出在疲勞荷載作用下剛度降低系數[θf]，如圖6和表4所示。

圖6中曲線的斜率表示[θf]降低的快慢程度，從圖中可以看出3根梁由快到慢的順序為LCF3、LCF5、LCF4。由此可知，在同等腐蝕條件下，環氧樹脂涂層鋼筋混凝土梁可以有效減小剛度降低的速率，而且受腐蝕的普通鋼筋試件在疲勞破壞之前出現剛度驟然衰減的脆性特征，其下降幅度約為25%。受腐蝕的環氧樹脂涂層鋼筋試驗梁表現出了良好的抗彎性能，證明其可以應對模擬海洋環境的侵蝕。

綜上所述，疲勞荷載作用后耐腐蝕鋼筋混凝土的剛度計算公式修正為

[BSCf（n）=（1.296?8-0.039?8η）？（0.983?3-0.058?5lgN）BSLCF3（0.025?5η+0.970?3）？（1.017?7-0.055?5lgN）BSLCF4（0.02?5η+0.970?3）？（0.998?7-0.056?3lgN）BSLCF5？？]。 （6）

對于本次試驗，根據式（6）計算出的剛度值，與實驗值進行比較，結果見表5。

分析表5可得：公式（6）計算出的剛度值與實驗值得出的誤差在10%以內，表明式（6）計算結果與實驗值吻合良好，為2種鋼筋混凝土梁的剛度計算提供理論依據。

4?結論

1）靜載試驗結果表明，未處理原梁腐蝕后承載能力出現大幅下降，下降了約22%，受腐蝕后的鍍鋅鋼筋及環氧樹脂涂層鋼筋混凝土梁承載能力不但沒有下降，反而相較于未腐蝕的原型梁有小幅的提升，約提升6%、4%。

2）疲勞試驗結果表明，在腐蝕和疲勞雙重作用下，鍍鋅鋼筋及環氧樹脂涂層鋼筋混凝土梁疲勞性能明顯優于普通混凝土，環氧樹脂涂層和鍍鋅層都起到了延緩鋼筋腐蝕的作用，而環氧樹脂涂層構件表現出了良好的疲勞變形性能，說明環氧樹脂涂層能有效保護鋼筋。

3）綜合考慮疲勞和腐蝕兩個因素，試驗梁的剛度在疲勞過程中表現出明顯的三階段特性：急速下降—緩慢下降—趨于平穩，對比發現環氧樹脂涂層鋼筋試驗梁表現出了良好的抗疲勞性能，根據理論分析和試驗結果，提出了梁截面剛度的修正公式，并利用試驗結果對公式進行了驗證，證明公式可靠性良好，可供工程實際參考。

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[責任編輯????楊????屹]