锈蚀钢筋混凝土简支梁受剪承载力的研究（可编辑）

锈蚀钢筋混凝土简支梁受剪承载力的研究（可编辑） 锈蚀钢筋混凝土简支梁受剪承载力的研究 ‘ 一 一 ,一 一 一 一 一,‘一 一 一 一 一 ,目,一 ,一 一 一 一 月一 ‘ 一一 一 一 氏 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签“‘手” 艳牛签字日期 年‘”日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 南昌大学 有关保留、使用学位论文的规定, 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅 和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 翩 啦 衫 门 导师签名手写 洲 学位论文作者签名手写霖艳竿 于 日 年 签字日期 签字日期年 月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 南昌 科学甲 通讯地址第一章绪论 第一章绪论 混凝土结构的耐久性 众所周知,钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝上的优点,造价较低,是土 木结构设计中的首选型式,其应用范围非常广泛。虽然,随着新的结构计 算理论的提出和新型建筑材料的出现,将来还会出现许多新的结构形式,但 可 以肯定的是,钢筋混凝土结构仍然是最常用的结构形式之一 当然,这并不说明钢筋混凝土结构是十全十美的。事实上,从混凝土应用 于土木工程至今的年间,大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前 失效,达不到预定的服役年限,这其中有的是由于结构设计的抗力不足造成的, 有的是由于使用荷载的不利变化造成的,但更多的是由于结构的耐久性不足导 致的。特别是沿海及近海地区的混凝土结构,由于海洋环境对混凝土的腐蚀, 导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏,丧失了结构的耐久性能,已成为实际工 程中的重要问 早期损坏的结构需要花费大量的财力进行维修补强,甚至造 成停工停产的巨大经济损失。例如,我国南方城市湛江港于 年建成的一座 码头,建成后于年对其调查时发现梁底部分有顺筋锈裂,虽然于次年进行 了一次修补,但使用二十年后发现钢筋锈蚀更为严重,底板混凝土因钢筋锈蚀 而大面积脱落,露筋面积占底板的鉴于码头耐久性的严重不足以及码头继 续向前位移可能会导致的安全问题,经多方论证后,不得不将上部结构予以拆 除。因此,耐久性失效是导致混凝土结构在正常使用状态下失效的最主要原因。 所谓混凝土结构耐久性,是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内 部因素的作用下,在设计的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处 理 而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。通过进一步的分析可以发现,引 起结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。首先, 虽然在许多国家的规范中都明确规定钢筋混凝土结构必须具备安全性、适用性 与耐久性,但是,这一宗旨并没有充分地体现在具体的设计条文中,使得在以 往的乃至现在的工程结构设计中,普遍存在着重强度设计而轻耐久性设计的现 象。以我国年颁布的混凝土设计规范为例,该规范除了一些保证混凝土结第一章绪论 构耐久性构造措施之外,只是在正常使用极限状态验算中控制了一些与耐久性 设计有关的参数,如混凝土结构的裂缝宽度等,但这些参数的控制对结构耐久 性设计并不起决定性的作用,并且这些参数也会随时间而变化。同时,不合格 的施工也会影响混凝土结构的耐久性,常见的施工问题如混凝土质量不合格、 钢筋保护层厚度不足都有可能导致钢筋提前锈蚀。另外,在混凝土结构的使用 过程中,由于没有合理的维护而造成结构耐久性的降低也是不容忽视的,如对 结构的碰撞、磨损以及使用环境的劣化,这都会使混凝土结构无法达到预定的 使用年限。 国内外统计资料表明,由于混凝土结构的耐久性病害而导致的损失是巨大 的,并且耐久性问题会越来越严重。据调查,美国 年由于腐蚀引起的损失 达 亿美元,年则达亿美元,目前整个混凝土工程的价值约为 万亿 美元,而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达 亿美元 ,英国英格兰 岛中部环形快车道上座混凝土高架桥,当初建造费 万英镑,到 年因 为维修而耗资万英镑,是当初造价的倍,估计以后年还要耗资亿英 镑,累计接近当初造价的倍田,这反映了混凝土结构耐久性造成的损失大大超 过了人们的估计。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计 的重要性,即设计阶段对钢筋防护方面节省美元,那么就意味着 发现钢筋锈 蚀时采取措施将追加维修费美元 混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修 费 美元 严重破坏时采取措施将追加维修费美元。在我国,混凝土结构耐 久性的问题也十分严重。据年国家统计局和建设部对全国城乡二十八个省、 市、自治区的个城市和个镇进行普查的结果 目前我国已有城镇房屋 建筑面积亿平方米,占全部房屋建筑面积的 ,己有工业厂房约亿平方 米,覆盖的国有固定资产超过亿元,这些建筑物中约有 亿平方米需要分 期分批进行评估与加固,而其中半数以上急需维修加固之后才能正常使用。 另 外据年铁路秋季检查统计,在全国共有座铁路桥存在着不同程度的损 伤,占铁路桥总数的 因此,钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要加以解决 的问题,通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究,一方面能对已有的建筑结 构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测,以选择对其正确的处理方法 另 一方面也可对新建工程项目进行耐久性设计与研究,揭示影响结构寿命的内部 与外部因素,从而提高工程的设计水平和施工质量,确保混凝土结构生命全过第一章绪论 程的正常工作。因此,它既有服务于服役结构的现实意义,又有指导待建结构 进行耐久性设计的理论意义,同时,对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理 论也具有一定的理论价值本文研究问题的提出及研究意义 从国内外对水利工程、海港工程、路桥结构、工业建筑、民用建筑等调查 研究结果来看,混凝土中钢筋锈蚀,尤其是在海洋环境、化工车间、冬天撒化 冰盐的氯化物污染环境中,导致混凝土结构的过早破坏,是当今影响混凝土结 构耐久性的首要原因,钢筋锈蚀已经给国民经济带来巨大经济损失 钢筋混凝土结构在长期使用过程中,在自然环境及使用环境等因素的作用 下,将发生材料老化、结构损伤,这种累积必然造成结构性能的逐渐退化,承 载力下降,耐久性能降低。因此,锈蚀钢筋混凝土构件的承载力计算是钢筋混 凝土结构耐久性评估及剩余寿命预测的关键问题 纵筋锈蚀导致混凝土构件正截面承载力下降这方面前人已经做了很多研 究,但是箍筋锈蚀及纵筋与箍筋同时锈蚀对混凝土构件抗剪承载力的影响至今 没有一个成熟的分析计算模型。构件在服役期间因箍筋锈蚀有可能导致结构由 弯曲破坏转为剪切破坏,剪切破坏属于脆性破坏,而发生脆性破坏是非常危险 的,其带来的后果要比正截面破坏严重得多,会严重影响构件的安全性 箍筋 直径小对截面损失更为敏感 同时箍筋对梁纵向钢筋有约束作用,其过早破坏 会降低梁的延性和抗震性能,对结构的适用性也造成严重影响,由此带来的维 修与加固费用是相当昂贵的 而且,实践工程中的耐久性检测中发现,由于保 护层厚度相对较薄,箍筋锈蚀往往比纵筋更为严重。因此,研究钢筋锈蚀对混 凝土构件受剪承载力的影响是非常迫切和必要的。 箍筋锈蚀对钢筋混凝土梁抗剪承载力的影响主要表现在以下几个方面 箍 筋锈蚀造成箍筋截面面积和强度减小,从而使锈蚀箍筋承受的剪力,减小 箍 筋锈蚀造成箍筋和混凝土之间粘结性能降低,锈蚀箍筋和混凝土之间出现滑移, 箍筋不能很好地约束斜裂缝的开展,斜裂缝开展较快,从而造成斜裂缝两侧骨 料咬合力降低,混凝土骨料咬合力沿垂直梁轴方向的分量 减小 剪压区箍筋 锈蚀形成的锈胀裂缝造成剪压区截面损伤,从而使剪压区未开裂混凝土所能承 担的剪力凡变小第一章绪论 国内外研究现状 近年来国内外学者对以下内容作了较多的研究 钢筋锈蚀的因素 钢筋锈 蚀理论如钢筋锈蚀机理、钢筋锈蚀的预测模型、钢筋锈蚀速度等 钢筋锈 蚀后的力学性能研究 钢筋锈蚀对混凝土的影响、锈蚀钢筋与混凝土粘结性能 纵筋锈蚀的混凝土受弯构件和受压构件的正截面承载力 文献【从徐州市实际工程中取回使用了 年的 根钢筋混凝土梁,这些 梁因混凝土碳化引起钢筋锈蚀。对梁的初始顺筋裂缝进行了统计分析 对锈蚀 钢筋混凝土梁的受力性能和梁中锈蚀钢筋的力学性能进行了试验研究 并用钢 筋混凝土非线性有限元进一步分析了锈蚀钢筋混凝土梁的性能。 惠云玲通过现场取样对锈蚀钢筋的应力 应变曲线进行了试验研究,试 验表明钢筋锈蚀后塑性变差,主要表现为屈服平台缩短乃至消失、伸长率降低、 屈强比增大、并给出了钢筋伸长率、屈服强度、极限强度的表达式,但仅适 用 于截面锈蚀率小于 的情形。 中国建筑科学研究院通过快速锈蚀试验方法研究了直径为 和 的 级钢筋的力学性能【,刀,并给出了大气条件下极限延伸率和极限抗拉强度与 截面损失率的线性表达式,它适用于截面锈蚀率小于 的情形 孙维章等学者通过对锈蚀钢筋力学性能的试验,研究了锈蚀钢筋承载 能力与其锈蚀程度及其他参数的关系,提出钢筋锈蚀程度对强度无明显影响, 锈蚀钢筋承载能力主要取决于剩余的有效面积 文献【】对钢筋混凝土构件内的钢筋进行了锈蚀试验,给出了钢筋锈蚀后的 力学性能,所有公式对于截面锈蚀率达到 的钢筋仍可适用。 张平生等学者研究了工程退换下的老化构件内锈损钢筋的力学性能,指 出锈蚀越严重,塑性降低越厉害,钢筋拉伸的应力一应变曲线屈服平台会缩短 和消失,伸长率降低,屈强比增大 锈蚀钢筋的屈服强度降低,其降低程度与 截面损失率成线性变化。 袁迎曙等学者研究了在室内快速锈蚀试验条件下 根梁的承载能力,结 果表明,锈蚀量为 和 时,锈蚀梁的极限强度分别下降 和 锈蚀 量为 的梁延性下降 ,锈蚀量为 的梁发生脆性破坏。随锈蚀量的增加, 垂直裂缝间距变大,破坏形态由适筋破坏转为钢筋粘结撕裂的脆性破坏。还利 用钢筋混凝土结构有限元方法和钢筋与粘结性能的退化数学模型,对不同锈蚀第一章 绪论 量的钢筋混凝土梁进行了分析,并对锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化机理进 行了研究。 惠云玲等学者研究了 根掺入氯化钙的梁在大气环境下 年的承载能 力,结果表明,不论钢筋的锈蚀程度如何,梁的承载能力都有下降 垂直裂 缝的出现时间相对滞后 裂缝宽度是正常构件的 倍左右 宏观上仍可采用平 截面假定 挠度增大系数可取为 结构的破坏形态由有预兆的延性破坏 变为无预兆的超筋或少筋破坏。但该实验研究不是真正意义上的大气环境下的 钢筋锈蚀。同时该文献还进行了 根柱的试验,考虑了钢筋直径、钢筋种类以 及同类钢筋在不同锈蚀状态下对结构性能的影响。由于受弯构件和受压构件受 力特点的不同,因而钢筋锈蚀、混凝土开裂对其强度影响的侧重点不同。除了 由于钢筋锈蚀开裂而在钢筋与混凝土之间的粘结力降低引起的强度降低外,受 弯构件的强度削弱主要是由于钢筋截面削弱引起,而受压构件受混凝土截面损 失和钢筋截面损失的共同影响。当构件截面较大、保护层相对较小且配筋量较 大时,钢筋截面损失起控制作用 当构件截面较小,保护层相对较大时,构件 截面损失起控制作用 当截面较小时,柱子的强度损失大于受弯构件的强度损 失。该文献还给出了锈蚀受弯和受压构件的承载能力计算方法,与试验结果吻 合良好,该方法可靠简单,便于实际应用。 范颖芳等研究了 根受氯化物腐蚀钢筋混凝土构件承载力,分析了构件 开裂荷载的变化,并认为它通常发生粘结锚固破坏,并建立了氯化物腐蚀环境 下承载能力的计算公式。 牛荻涛研究了 根室内和室外暴露环境下梁的受力性能,认为钢筋锈蚀 越严重,梁的承载能力越小 钢筋截面损失率小于 时,仍可用规范公式计算 承载能力。但是该试验研究的最大钢筋截面损失率只有 金伟良等研究了采用电化学加速锈蚀的 根梁的性能【,认为破坏时裂缝 由分布的几条转向集中在某一处,提出了在锈蚀率小于 的情况下,钢筋和混 凝土的协同工作系数。但是该试验的钢筋的最大重量损失率只有 陶峰等研究了 根某轧钢车间己使用了 年的天窗钢筋混凝土挡风支架 梁的受力性能 ,提出了按现行规范方法计算,但混凝土和钢筋应采用实际断 面和强度并考虑钢筋与混凝土协同工作性能的变化。 王庆霖研究了锈后无粘结钢筋混凝土梁的性能,认为严重锈蚀梁的抗裂 性和刚度均小于普通钢筋混凝土梁,并提出了不同配筋率的构件中钢筋应力的第一章绪论 确定方法和承载能力计算方法。 张伟平在综合分析钢筋混凝土材料力学性能的基础上,引入钢筋截面面积 损失率、混凝土截面几何损伤折减系数、屈服强度降低系数、协同工作能力降 低系数等参数,考虑锈后钢筋截面锈损、混凝土保护层胀裂、锈蚀钢筋屈服强 度降低、锈后钢筋混凝土粘结性能退化等因素对承载能力的影响,提出了锈蚀 后钢筋混凝土受弯构件正截面承载能力的计算模型 性分析了锈蚀钢筋混凝土构件弯、剪、扭承载能力的影 响机理 专门研究了锈蚀后截面损失对钢筋混凝土梁的承载能力 的影响,并编制了不同锈蚀程度下考虑几何非线性的仿真程序 文献〕利用已有数据,经过理论分析建立了混凝土胀裂时刻及胀裂前的均 匀钢筋锈胀力表达式,还推出了混凝土胀裂前钢筋锈胀力的简化表达式,可用 来估算不同情况的钢筋锈胀力值。 文献〔对混凝土结构耐久性的若干问题进行了进一步的研究,系统地介绍 了混凝土结构耐久性研究的内容框架,得到了混凝土保护层胀裂时刻钢筋锈蚀 率的解析表达式。 文献【针对实际工程构件中钢筋锈蚀的不均匀性,设计并完成了 根纵筋 锈蚀的钢筋混凝土梁在集中荷载作用下抗剪性能的试验,通过对各试件裂缝 分 布、荷载挠度、极限承载力等试验成果的对比分析,研究纵筋锈蚀引起的粘结 力削弱对混凝土受弯构件斜截面受力性能的影响,主要考虑了纵筋的不同锈蚀 范围、不同锈蚀程度以及不同锈蚀部位引起的粘结力削弱对斜截面受力性能的 影响。借助有限元软件 对试验的部分粘结失效梁进行了模拟计算分析, 探讨了影响受弯构件抗剪承载力的因素,利用析架 拱理论分析了纵筋、箍筋 锈蚀对受弯构件抗剪承载力的影响,并结合试验成果提出了锈蚀钢筋混凝土梁 在集中荷载作用下抗剪承载力计算公式。 文献【』从可靠性角度出发,在研究锈蚀钢筋混凝土构件抗剪承载力衰减模 型的基础上,借助 模拟,分析了钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁抗剪承载 力的影响。结果表明,在同一时间下,同一构件中的箍筋锈蚀率大于纵筋锈蚀 率,构件抗剪失效的可能性大大增加,对梁的安全性和耐久性具有潜在危害, 对于在侵蚀环境下使用的钢筋混凝土构件,其抗剪性能的衰减是必须考虑的。 文献』认为锈蚀钢筋混凝土梁的承载力不仅与纵向钢筋的截面损失有关,第一章绪论 而且和钢筋与混凝土之间的粘结强度的降低、混凝土保护层中出现的纵向锈胀 裂缝有关。 文献进行了 个钢筋混凝土构件的试验。为了研究钢筋锈蚀前后混凝土 构件抗剪承载力的变化以及钢筋锈蚀程度不同对构件抗剪承载力的影响,将试 件分为完好构件钢筋未锈蚀和钢筋锈蚀致使构件受不同程度损伤的构件两类。 文献「】通过 根锈蚀钢筋混凝土简支梁和 根无锈蚀的普通钢筋混凝土 对比梁斜截面抗剪性能试验及理论分析,研究在不同剪跨比下,箍筋锈蚀程度 对钢筋混凝土简支梁斜截面破坏过程和特征。研究结果表明 剪跨比决定了试 验梁的破坏形态,箍筋锈蚀程度和混凝土强度只影响试验梁受剪承载力的大小, 不影响试验梁的破坏形态 箍筋锈蚀造成混凝土和钢筋之间粘结力下降,箍筋 和混凝土之间很容易出现滑移,箍筋对混凝土的约束降低,裂缝开展较快,从 而使斜裂缝两侧骨料咬合作用削弱,对剪跨比较大的构件尤为明显 箍筋锈蚀 降低了受弯构件抗剪的延性性能和承载能力。 总体上,国内外学者对钢筋锈蚀机理、影响因素、锈蚀梁的正截面受弯承 载力、锈蚀柱的正截面承载力等进行了大量而有效的研究,并取得了令人满意 的成果,但对锈蚀梁的斜截面受剪承载力的研究则相对较少,且由于受剪问题 的复杂性,目前还未取得令人满意的成果,有待进一步研究。 本文主要研究内容 本文主要对锈蚀钢筋混凝土梁斜截面的受剪性能进行分析和研究,主要研 究内容如下 、钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀机理和影响因素。 、通过对根箍筋锈蚀和箍筋与纵筋均锈蚀的钢筋混凝土简支梁斜截面受 剪性能的试验研究,考虑箍筋和纵筋不同的锈蚀率、剪跨比等影响因素,分析 箍筋和纵筋锈蚀程度对斜截面变形、裂缝形成和开展、破坏机理、承载能力等 性能的影响,并总结出影响规律。 、采用析架一拱模型推导、建立箍筋和纵筋锈蚀的钢筋混凝土梁斜截面抗 剪承载力计算公式,该公式较好地考虑了剪跨比、配箍率、箍筋锈蚀程度、纵 筋锈蚀程度对锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪承载力的影响。 、提出锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪承载力实用简化计算公式,该公第一章 绪论 式与现行混凝土结构设计规范公式表达形式一致,供工程应用参考。 、提出锈蚀钢筋混凝土梁的有关设计建议。第二章混凝土结构中钢筋的锈蚀 第二章混凝土结构中钢筋的锈蚀钢筋锈蚀机理 混凝土中钢筋锈蚀微观机理的研究是认识钢筋混凝土锈蚀破坏规律的前 提,是建立钢筋锈蚀模型的依据,也是研究钢筋混凝土锈蚀损伤评估方法的基 础 根据热力学原理,暴露于自然环境中的铁具有锈蚀的趋向,即还原为低能 量状态的氧化铁。但实践表明 即使是在潮湿环境中或有可能氧化的环境中, 优质混凝土中的钢筋是不会锈蚀的,这是由于混凝土孔隙中的水分通常以饱和 的氢氧化钙溶液形式存在,其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾, 值约为钢筋在这种高尸刀值条件下,只要含有少量氧气,由于初始的电化学腐蚀, 都会迅速形成一层非常致密、厚的尖晶石固溶体 膜,这层膜牢牢地吸附于钢筋表面上,阻止钢筋腐蚀,使钢筋很难继续进行 阳极反应。从电化学上看,就是由活态转化为钝态,这层膜称为钝化膜。 因此,施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构,即使处在海洋环境中, 钢筋基本上也能不发生腐蚀。也就是说如果混凝土所固有的这种致钝特性能长 期保持,在钢筋混凝土结构的整个使用寿命期间,钝化膜都是稳定的,结构中 的钢筋就不会锈蚀。但是,当由于各种原因,钢筋表面的钝化膜受到破坏,成 为活化态时,钢筋就容易腐蚀。 有两种不同的机理可能破坏钝化膜,从而导致钢筋锈蚀混凝土碳化。 仇与混凝土孔隙中溶解的碱性物质起化学反应,导致 值降低。氯离子侵蚀 孔隙中溶解的氯离子含量超过临界值 钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。二氧化碳和氯离子对混凝土本身 都没有严重的破坏作用,但是它们是混凝土中钢筋钝化膜破坏的最重要又常遇 到的环境介质。即当有二氧化碳、水汽和氯离子等腐蚀介质从混凝土表面通过 孔隙进入混凝土内部时,会和混凝土材料中的碱性物质中和,从而导致了混凝 土的尸万值降低,就出现 值小于 的情况,在这种环境下,混凝土中埋置钢筋 表面的钝化膜被逐渐破坏,钢筋表面的不同部位会出现较大的电位差,形成阳第二章混凝土结构中钢筋的锈蚀 极和阴极,在一定的环境条件下如氧和水的存在 钢筋就开始锈蚀 随着锈蚀的加剧,在钢筋表面生成的疏松状锈蚀产物体积会越来越大,是相 应钢筋体积的 倍,因而会向四周膨胀,而钢筋四周的混凝土会限制它的膨 胀,产生了交界面上的压力,这种压力就称为钢筋锈胀力。随钢筋锈蚀率的增 加,钢筋锈胀力将导致混凝土保护层受拉而开裂,钢筋混凝土构件一旦受钢筋 锈胀力而出现混凝土纵向开裂以后,混凝土对钢筋的保护大大减弱,二氧化碳 等有害介质可以直接接触到钢筋,钢筋锈蚀速度加快,这对钢筋混凝土构件的 耐久性是十分不利的。因而,出现纵向开裂是钢筋混凝土构件耐久性极限状态 的标志之一 钥筋混凝土构件混凝土保护层开裂,会导致钢筋与混凝土之间的粘结力破 坏,钢筋受力截面减少,结构强度降低等不良后果,从而导致结构耐久性的降 低。通常情况下,受氯盐污染的混凝土中的钢筋有更严重的锈蚀情况。钢筋 锈 蚀给混凝土结构在使用性能和安全性能方面带来巨大隐患 混凝土碳化 当水泥遇水后,发生化学反应形成水化硅酸钙 凝胶和氢氧化钙。其中一 部分氢氧化钙和其他碱性化合物会溶于孔溶液中,但大部分仍以固状结合在 硬 化水泥浆体中。当空气中二氧化碳扩散到混凝土孔溶液中时,与溶解的氢氧 化 钙起中和反应,此时该孔溶液中的尸万值降低,即混凝土发生碳化。 碳化过程可分为三个阶段 第一阶段是 通过扩散到达混凝土中 第二阶段是 溶解到孔溶液中而形成少量的碳酸 践 一 第三阶段是碳酸与溶解到孔溶液中的氢氧化钙发生化学反应而形成碳酸钙 和水 当孔溶液中的氢氧化钙由上述反应消耗掉时,反应产物将周围毛细孔堵塞, 不再有更多的氢氧化钙参与中和反应,此时孔溶液的 值便由原来的 降到 左右。在这种条件下,钢筋的钝化膜保护层遭到破坏,即去钝化,从而导致 钢筋的锈蚀第二章混凝土结构中钢筋的锈蚀舰离子侵蚀 钢筋混凝土结构在使用寿命期间可能遇到的最危险的侵蚀介质就是氯离 子。一方面, ’可能是随混凝土组成材料水泥、砂、石、外加剂 进入的。 如在冬季施工,为提高混凝土抗冻性而掺入氯盐、海砂拌制混凝土等 另一方 面, 一是在混凝土硬化后经其孔隙由外界渗入的,如遭受海水侵蚀的海岸混凝 土构筑物,冬季在混凝土路面上喷洒盐水防止路面冰冻,游泳池用氯气消毒等 。它对混凝土结构的危害是多方面的,这里只评述氯离子促进钢筋锈蚀方面 的机理 由于混凝土结构在许多情况下与含有氯离子的溶液相接触,氯离子以扩散 的方式或由毛细孔吸附而被传输到混凝土内部的钢筋表面 氯离子导致的钢筋锈蚀是一个很复杂的电化学过程,这个过程可比作电池 反应。电池的电极是钢筋的不同表面,而这不同的钢筋表面分别起阳极或阴极 作用。与充电电池不同的是,锈蚀过程是不可逆的 锈蚀电池的电压是由钢筋 表面的电位差所形成的。钢筋锈蚀所需的电位差是由混凝土组分与钢筋接触部 分的局部不同的通风条件、钢筋表面的不均匀性或钢筋表面锈蚀产物的不均匀 性所形成。在混凝土中的钢筋总存在电位差。如果由钢筋表面的阴阳极组成的 锈蚀电池具有活性的话,那么电流就流过阴阳极。根据法拉第定律,电流与铁 电离速度成正比 呈活化态的钢筋表面所进行的腐蚀反应的电化学机理是 当钢筋表面有水 分存在时,就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应,相互以等速 度进行。 、在阳极,铁失去电子变成铁离子,由于水溶性氯化铁 的 形成,钢筋表面钝化膜破坏。阳极反应如下一 十、在阴极,电子、水、氧转化成氢氧根离子 阴极反应并不引起钢筋的任 何损伤,相反起到保护钢筋的作用,这称为阴极保护。阴极反应如下 ,氢氧根离子通过阴阳极之间所产生的带电区域向阳极方向传递带有负电 荷的离子。在阳极附近,向含氧量较高的混凝土孔溶液中迁移,在钢第二章混凝土结构中钢筋的锈蚀 筋表面析出 褐锈。根据湿度与通风条件,这些中间产物可能继续反应, 生成最终的铁锈。、 工 腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合。褐锈沉积于阳极周围, 同时放出『和 ,它们又回到阳极区,使阳极区附近的孔隙液局部酸化, 再带出更多的。这样,氯离子虽然不构成腐蚀产物,在腐蚀中也不消耗,但 是作为中间产物给腐蚀起了催化作用。溶解氧化反应最终产物是氢氧化铁,即是铁锈,并进一步生成 红锈 ,一部分氧化不完全 的变成黑锈 ,在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的 倍, 黑锈体积可大到原来的 倍。铁锈体积膨胀,对周围混凝土产生压力,将使混 凝土沿钢筋方向开裂,进而使保护层成片脱落,而裂缝及保护层的剥落又进一 步导致更剧烈的腐蚀。在氧气和水汽的共同作用下,由上述电化学反应式的 钢筋表面的铁不断失去而溶于水,从而逐渐被腐蚀。 钢筋腐蚀的类型及过程 就锈蚀机理而言,由金属和电解质连接的阴阳极所组成的锈蚀电池分均匀 电离的微电池和局部电离的宏电池 均匀锈蚀通常由钢筋附近大面积混凝土碳 化或均匀的高含量的氯离子所引起 这就是所谓的微电池,它由非常靠近的阴 阳极组成 由于在尺寸上是微观的,因此在外观上表现为均匀锈蚀。如果在不 均匀的混凝土中,在很小的钢筋表面上,混凝土孔溶液具有较高的氯化物浓度, 形成钝化膜的局部破坏,成为小阳极。此时钢筋表面的大部分仍具有钝化膜, 成为大阴极。这种由大阴极和小阳极组成的锈蚀电池,有时阴极离阳极很远, 故称为宏电池。由于大阴极供氧充分,使小阳极上铁迅速溶解而产生深坑,小 阳极局部酸化 同时由于大阴极的阴极反应,生成 使 值增高 氯化物混 凝土的吸湿性,使阴极与阳极之间的电阻降低。这些方面的都使得局部锈蚀的 宏电池以局部深入的形式继续进行,钢筋截面局部减小。因此,局部锈蚀的危 害比均匀锈蚀更大 从时间上讲,混凝土因钢筋腐蚀发生的破坏过程可由图所示的几个阶段 来表示,其具体内容如下第二章混凝土结构中钢筋的锈蚀 钢 筋 钢筋腐蚀到不 府 佣 容许的程度 蚀 必须全面大修 构件不能安全使用 过 程 碱开始胀裂 钢筋开始腐蚀 碱龄期 图 钢筋腐蚀破坏的几个阶段 段 碳化前沿达到钢筋表面或侵蚀介质在混凝土与钢筋界面达到临界 值,但钢筋钝化膜未被破坏 这一阶段主要是腐蚀介质在混凝土中的扩散及 其 在混凝土与钢筋界面的积累。 段 由于腐蚀介质在局部区域超过临界值而发生局部腐蚀,腐蚀产物 的积累导致混凝土局部开裂,这一阶段是由钢筋表面的钝化膜发生局部破坏 至 混凝土发生局部开裂的时间。段 钢筋发生大面积腐蚀,混凝土大面积开裂, 钢筋腐蚀速度加快, 导致钢筋界面迅速减小,以致结构安全性能低于安全性允许的可靠性指标。段 构件不能安全使用,必须进行维修加固 因此,可以认为,段是 真正的结构安全使用期,最保守的寿命预测应当是段的预测。虽然现在不少研 究者致力于段或段的预测,但是由于混凝土和实际环境的复杂性,加上数据 和模型的缺乏,在进行预测时往往遇到许多困难。更值得一提的是,当结构处 于段时,应当尽快实施加固维修,不能任其受到破坏。 钢筋锈蚀的影响因素 根据电化学作用原理,钢筋锈蚀须具备个条件 钢筋表面要有电势差第二章 混凝土结构中钢筋的锈蚀 、阴极和阳极之间要有电介质联系 、在阳极金属表面要处于活化状态 、在阴极,钢筋表面要有足够数量的氧和水分。 对裂缝处的钢筋,在一般大气条件下,条件 是具备的 从客观上讲, 裂缝处是阳极,混凝土未开裂处是阴极,由于裂缝处钢筋暴露于空气中,钢筋 失去混凝土的钝化而处于活化状态,因此,条件也是具备的 至于条件 氧 的扩散速度越大,钢筋腐蚀越快。因此腐蚀的速度取决于混凝土的密实度及保 护层厚度,混凝土密实度越差,腐蚀速度越大 混凝土中钢筋锈蚀的影响因素有 混凝土的密实度、混凝土保护层厚度、 混凝土碳化、环境湿度、抓离子侵入等。在这些因素中,棍凝土保护层的碳 化 和氯离子侵入是造成钢筋锈蚀的主要原因【 、混凝土对钢筋的保护作用主要体现在两个方面 一是混凝土的高碱性使 钢筋表面形成钝化膜 二是保护层对外界腐蚀介质、氧气及水分等渗入的阻止 作用。后一种作用主要取决于混凝土的密实度及保护层厚度 试验表明,随着 水灰比的增大,混凝土的氧扩散系数及透氧量都明显增大,因此严格控制水灰 比对提高密实度非常重要 除了水灰比之外,混凝土的养护条件对其密实度也 有很大影响,特别是初期养护影响更大 为了保证钢筋不锈,必须使其具有一定厚度的混凝土保护层 还有混凝土 保护层的完好性是否开裂、有无蜂窝、孔洞等对钢筋的锈蚀有明显影响,特 别是对处于潮湿环境或腐蚀介质中的钢筋混凝土结构影响更大。实际调查结 果证明,在潮湿环境中使用的钢筋混凝土结构,裂缝宽度达 时即可引起钢 筋锈蚀。钢筋锈蚀产物体积的膨胀又会加大保护层的彻底剥落和钢筋混凝土结 构的最终破坏 混凝土碳化、侵蚀气体和介质的侵入 碳化是介质与混凝土相互作用的一种很广泛的形式。调查资料表明 混凝 土的碳化深度和混凝土密实度有很大关系。密实度好的混凝土碳化深度仅局限 在表面 而密实度差的混凝土,则碳化深度就大。 理论分析和实验分析表明,在大气环境下,混凝土的碳化深度与时间的关 系为了 。一, 式中碳化深度第二章混凝土结构中钢筋的锈蚀混凝土表面的浓度的扩散系数 ,一单位体积混凝土碳化所需的 量混凝土碳化系数,与结构所处的自然环境和使用环境、水泥品 种、结构混凝土质量及混凝土早期养护条件有关混凝土暴露时间年 由于混凝土碳化后尸万值降低,因而随着碳化深度的增加,钢筋的锈蚀率相 应增加。据资料,钢筋的锈蚀与混凝土的抗碳化能力间有明显的函数关系。保 护层厚度为 时的钢筋失重率 与混凝土 碳化深度的函数关系式为 或一式中混凝土保护层厚度为时的钢筋失重率, 龄期为的混凝土碳化深度, 、与环境湿度密切相关 混凝土的碳化和钢筋腐蚀与环境湿度有直接关系。在十分潮湿的环境中, 其空气相对湿度接近于 时,混凝土孔隙中充满水分,阻碍了空气中的氧向 钢筋表面扩散,二氧化碳也难以透入,所以,使钢筋难以腐蚀。当相对湿度低 于 时,在钢筋表面难以形成水膜,钢筋几乎不生锈,碳化也难以深入。而空 气相对湿度在 左右时,有利于碳化作用,混凝土中的钢筋锈蚀发展很快。由 于环境中湿度往往随气候和生产情况而变化,因而混凝土在气侯或生产环境变 化中会遭到碳化,钢筋会腐蚀。实际情况调查表明,钢筋混凝土结构在干燥 无腐蚀介质条件下的使用寿命比在潮湿及腐蚀介质中的要长 倍。最不利的 使用条件是有强腐蚀介质的地下管道及海洋环境的道路、桥梁、港口等第三 章锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪性能试验研究 第三章锈蚀钢筋混凝土 简支梁斜截面受剪性能试验研究 试件设计与制作 试验目的及试件设计 本文通过 根箍筋锈蚀和箍筋与纵筋均锈蚀的钢筋混凝土简支梁斜截面抗 剪性能的试验研究,分析箍筋和纵筋不同锈蚀程度、剪跨比等因素对斜截面 裂 缝形成和开展、破坏机理、承载能力等性能的影响,并总结出影响规律,为进 一步理论分析提供依据。 根据上述试验目的,论文设计了 根试验梁,设计参数如表所示。 表 试验梁设计参数 试 箍筋 纵筋 验 剪 硅强 梁 截面有 配筋 配箍 锈蚀 锈蚀 梁宽 梁高 梁 跨 长 效高度 率 率 度等 率 率 城编 比 级 号 。科 第三章锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪性能试验研究 一试验的主要测试内容有 开裂荷载、裂缝分布与开展、纵筋和箍筋应变、 跨中挠度、承载力等 一般情形下,混凝土在钢筋混凝土梁的抗剪承载力中起的作用还是很大的。 因此为了较明显地体现箍筋和纵筋锈蚀对钢筋混凝土梁受剪承载力的影响,在 本试验中尽量降低混凝土的强度等级,按 要求设计混凝土强度等级 混凝土 配合比为水泥 砂 石 水共制作了 根钢筋混凝土简支梁,分为三种 根箍筋锈蚀梁编号为 根纵筋和箍筋均锈蚀梁编号为 和 根无锈蚀编号为对比梁,其中 根梁的剪跨比为 根梁的剪跨比为 。试验梁截面 均为 ,长度均为 。为了保证构件破坏为斜截面破坏,梁 底部配置足够的抗弯钢筋 根直径为 的 级钢筋,配筋率 架力筋采用 根直径为 ”的级钢筋,箍筋配置均为杯 ,配 箍率 。试验梁的具体尺寸如图 所示。 图 钢筋混凝土试验梁配筋图材料性能 试验梁采用江西兰丰集团南昌兰丰水泥有限公司生产的 号普通硅酸盐 水泥,普通河砂,碎石最大粒径 拌制混凝土。试件制作时预留了混凝土 试块,试块在 液压式压力试验机上进行了抗压试验。为保证试验质量,第三章锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪性能试验研究 试验前对每一试件都用回弹仪进行辅助强度测试 在构件的每侧各取 个的 测区,每个测区选择个测点,将最大和最小的个值剔除后,把余 下的 个数据进行平均,作为该试件的回弹值。由于制作、养护、表面平整度 和有浮浆及系统误差等方面原因,回弹强度值低于同条件试块强度值。因此 为 准确起见,综合考虑二者因素混凝土试块强度和回弹推定强度 进行修正, 得到每根试验梁的混凝土抗压强度关如表 表 试验梁抗压强度 梁编号强度值梁编号 强度值采用安徽长江钢铁有限责任公司生产的钢筋,预留了长度为 的受力 筋和箍筋各三根试样,在 液压万能试验机上对钢筋试样进行了力学性能测 试,得到的钢材强度指标见表 表 试验构件的钢筋强度指标‘屈服强度 极限强度 弹性模量 钢筋种类 真竺 之 本次试验构件的浇捣制作由浙江标力集团南昌莱茵半岛工地完成。采用木 模板支模,插入式振动棒进行振捣。 试件制作日期为 年 月 日,因气温较高,养护特别重要,为保证试 件的质量,每天上下午各浇水两次,如此养护 天后改为每天浇水一次,直至 天。构件实测几何尺寸见表 表 试件几何参数 梁 几何尺寸 梁 几何尺寸 编号 编号 第三章锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪性能试验研究一 一 一 一钢筋快速锈蚀方法及锈蚀率预测 自然环境和使用环境中钢筋混凝土结构的腐蚀都是在环境腐蚀介质的作用 下,存在水和氧时形成电化学腐蚀电池而发生的。由于腐蚀电流非常微弱, 腐 蚀过程很缓慢。所以直接用类似自然环境腐蚀的钢筋混凝土构件进行研究是 不 现实的。 因此本文根据钢筋腐蚀的电化学原理,进行快速腐蚀试验 电化学快速锈 蚀试验通常的方法为 将钢筋混凝土试件浸泡在 溶液中若干天后, 将恒定直流电源的阳极与连接钢筋的导线相连接,而直流电源的阴极则与溶 液 中的不锈钢或铜相连接,通过 溶液形成回路,使阳极的钢筋锈蚀 然后运 用失重法计算箍筋锈蚀率切。, 和纵筋锈蚀率 电化学中的法拉第定律 可以表述为 电池中电极上发生化 学变化的物质的量与通过该电极的电量成正比。即 式中 一通过指定电极的电量, 库仑 一发生化学变化的物质的量 一法拉第常数,它的数值等于 发生化学变化的物质的相对分子质量「如式 中的 为 ,式 中的 为除以电极反应中电子。的化学计量系数 如式中的 式 中的 ,即为发生化学变化的物质的量。 根据法拉第定律 单位面积的阳极区上单位时间内被腐蚀的铁的质量为 ,, ,, ” 协笠? 二 式中 一阳极区单位面积上铁钢筋 的质量损失平均速度,到一金属的相对 分子质量或相对原子质量,对于铁来说,其数值为第三章锈蚀钢筋混凝土简支梁 斜截面受剪性能试验研究 一阳极区通过单位面积的的平均电量, 一法拉第常数 一阳极区通过单位面积的电流密度值, 为电流的单位 安培 腐蚀时间, 另外还有协 式中钢筋的密度 一平均腐蚀深度, 用 。 。,泌将式代入式一二,, 于是”一粤一 由式 可见,通过控制电流密度和腐蚀时间,就可以控制钢筋的平均 腐蚀深度,因此式 即为钢筋平均腐蚀深度的控制方程。 在受腐蚀钢筋混凝土结构性能的研究中,更为常用的概念为钢筋锈蚀率钢 筋失重率 ,近似有 、 几 州 一二 下 刀 式中钢筋初始直径, 。 式可以变为 斧 将式 代入式 ,则 竺 一式 给出了腐蚀电流密度、腐蚀时间和钢筋初始直径、钢筋锈蚀率之 间的关系。第三章锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪性能试验研究 将式进行变换,得到。一 丫斗斗口其中,一毒 浏 式中 一腐蚀电流 一钢筋长度。 在本文中采用式作为钢筋电化学快速锈蚀试验的控制方程,据此确 定试验通电时间。 当能直接确定箍筋纵筋 锈蚀前后的质量时,箍筋锈蚀率 和纵筋 锈蚀率, 也可按下式计算 一 式中 ,一箍筋或纵筋锈蚀前质量 一箍筋或纵筋锈蚀后质量。试验过程 钥筋处理、称孟及绑扎 按设计要求在切割机上切割所需的钢筋段,制作纵筋和箍筋。 用台式砂轮机将纵向受力钢筋跨中大约 长, 宽的小块部位螺纹打 磨平整,然后用锉刀锉平 用天平称取号梁每根受力钢筋的质量 精确 至 和一 号梁剪弯区箍筋的质量当时梁一端各一根, 时 梁一端各两根 并且逐一记录,作为箍筋和纵筋的初质量见表 再用电 工胶布将小块硬质泡沫塑料绑在钢筋打磨处和箍筋剪弯区可能出现斜裂缝之 处 然后用细钢丝固定在钢筋和箍筋上,以便试验时顺利找寻打磨部位,贴应 变片 最后再用电工胶布将小块硬质泡沫塑料缠绕在钢筋及箍筋上,一方面加 固泡沫塑料块,另一方面避免浇筑碱时硅颗粒进入打磨处,方便锈蚀试验结束 做加载试验时寻找打磨位置。 为了防止在通电锈蚀时,不需要锈蚀的钢筋 的架立筋和 的纵筋 和及非剪弯段的箍筋也发生锈蚀,造成电流强度损失 同时为了使纵第三章锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪性能试验研究 梁试验部分结果如表 表 试验荷载与裂缝最大宽度、长度 弯曲裂 最大 梁 斜裂缝 最大斜 剪跨 缝出现 破坏荷 斜裂 编 出现荷 裂缝宽 备注 比入 荷载 载 缝长 号 载 乃 此六根梁为只有剪弯区箍筋锈蚀的 梁 名 此六根梁为纵筋和剪弯 区箍筋均锈 蚀的梁 此两根为无 锈蚀对比梁 滩 试验结果表明,箍筋锈蚀对试验梁的开裂荷载影响很小,其原因主要有以 下几个方面 由于斜裂缝出现之前,斜截面上的剪应力基本上由斜截面混凝 土承担,箍筋应力很低,箍筋对混凝土的约束还没有发挥作用 箍筋锈蚀所 产生的锈胀裂缝垂直于试件轴线,与斜截面斜交,因此对整个斜截面造成的 损 伤较小 由于试件锈胀裂缝的存在,因荷载产生的裂缝在发展到一定宽度之 后才能分辩出。 箍筋锈蚀对试验梁的极限荷载影响较大,箍筋锈蚀对试验梁极限荷载的影 响主要表现在以下几个方面 箍筋锈蚀减小了斜截面上的配箍率,箍筋所能 承担的剪力降低 箍筋锈蚀造成混凝土和钢筋之间粘结能力下降,箍筋和混 第三章锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面受剪性能试验研究 凝土之间很容易出现滑移,箍筋对混凝土的约束降低,裂缝开展较快,从而使 斜裂缝两侧骨料咬合作用削弱,对剪跨比较大的构件尤为明显 临近破坏时 试验梁端裂缝宽度开展较大,削弱了纵向钢筋的销栓力 箍筋锈蚀所产生的 锈蚀裂缝,削弱了混凝土保护层部分的截面面积,因而锈胀裂缝对构件斜截面 抗剪有一定影响,特别是当剪压区混凝土存在锈胀裂缝时,构件抗剪承载力往 往下降较大。 本试验所有试验梁均为受剪破坏。因两种剪跨比 都属于剪 压破坏范畴,因此破坏以剪压破坏的形式出现。这些梁,无论是锈蚀梁还是对 比梁,破坏形态没有明显区别。也就是说,箍筋、纵筋锈蚀程度及混凝土强度 只影响试验梁承受剪力的大小,不影响试验梁的破坏形态 剪切斜裂缝出现较晚,一旦出现,裂缝即迅速发展,直至试验梁破坏。出 现单边剪裂的破坏情况比较多。箍筋和纵筋的锈蚀不影响混凝土梁的抗弯和抗 剪裂缝出现的时间,这和以往的研究成果是一致的。 这些试件破坏时弯曲裂缝开展较小,斜裂缝数量较多且开展很大,在临界 斜裂缝旁出现若干平行的斜向短缝,有些斜裂缝在临界斜裂缝上部或下部呈倒 树枝状。试件破坏部位处有明显的主裂缝,且一般是腹部裂缝较宽,而梁上、 下部位主斜裂缝的宽度较小,受压区的混凝土基本没有压碎,纵向受拉钢筋也 没有屈服,呈现较明显的剪压破坏特征。 从试验结果来看,箍筋和纵筋轻度锈蚀 不但对钢筋混凝土梁的破 坏形式影响甚微,对钢筋混凝土梁受剪承载力的影响也较小。试验梁荷载 挠度曲线 图 是部分试验梁的荷载挠度曲线。从图中可以看出 曲线显示出比较 明显的线性特征,表明试验梁的延性较差,主要原因是本次试验为保证构件受 剪破坏,纵筋截面较大,到构件破坏时纵向钢筋基本尚未屈服。试件破坏前挠 度都很小,破坏时基本没有明显预兆,达到极限荷载后卸荷迅速,试件突然丧 失了承载力,破坏具有极大的脆性特征。 从图中还可以观察到箍筋和纵筋锈蚀率对钢筋混凝土梁的抗剪性能,包括 强度和刚度,都有一些影响 从整体上来看,锈蚀后的梁,不管是只有剪弯区 箍筋锈蚀的梁还是纵筋和剪弯区箍筋均锈蚀的梁的挠度都大于无锈蚀的对比