銹蝕程度對鋼筋性能的影響

1、中文翻譯銹蝕程度對鋼筋性能的影響摘要本論文報告是一項評估鋼筋銹蝕程度對其力學(xué)性能的影響的研究成果。用鋼 筋混凝土試樣中分離的一些6mm和12mm已經(jīng)銹蝕的鋼筋在拉力作用下進(jìn)行測試。 結(jié)果表明，當(dāng)用實際截面面積計算時，鋼筋銹蝕的程度并不影響其抗拉強度。然 而，即使用公稱直徑來計算，當(dāng)6mm和12mm的鋼筋的銹蝕程度分別為11%和24% 時抗拉強度還是小于ASTM A 615要求的600MPa。此外，銹蝕程度大于12%的鋼 筋會出現(xiàn)脆性破壞。引言鋼筋混凝土建筑有效使用壽命的減少主要是由于鋼筋的銹蝕，這引起全球建 筑業(yè)的關(guān)注，修復(fù)和改造損壞的混凝土建筑耗費了相當(dāng)多的資源。據(jù)估計在美國 修復(fù)和改造高速

2、公路需要200多億美元，在英國修復(fù)道路橋梁需要6億多英鎊。在 其他國家修復(fù)和改造鋼筋混凝土建筑的花費的記錄也不是很好，但毫無疑問，相 當(dāng)大的資源無疑是分配給了恢復(fù)變壞的混凝土建筑的有效使用壽命上面。在正常情況下，混凝土保護鋼筋，密實的、相對不透水的混凝土結(jié)構(gòu)提供了 物理保護，而高堿度的孔隙溶液提供了化學(xué)保護。水泥里的堿性化合物，主要是 鈣和部分碳酸鉀和鈉，構(gòu)成了高堿度(pH 13.5)的孔隙溶液。在這種高pH值下， 鋼筋在氧氣里可能是由于形成微觀Y -Fe2O3薄膜而鈍化。Hime和Erlin提出鋼筋 表面鈍化層可能有除了丫 -Fe2O3以外的合成物。根據(jù)記錄，鋼筋混凝土的接觸面富含的石灰層為

3、鋼筋提供了進(jìn)一步的保護。 這被Leek和Poole證實，他們報告了接觸面層由被水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠里的物 質(zhì)分解的變厚度(5-15頃)的氫氧鈣石 Ca(OH)2自由聚合物組成。這一層由于侵 蝕性離子的直接出入并作為增堿劑緩沖由于鋼筋銹蝕產(chǎn)物的水解所降低的pH值 而被認(rèn)為保護了鋼筋的表面。據(jù)Sagoe-Crentsil和Glasser所說，Ca(OH)2和C-S-H 凝膠形成緩沖對并且他們都易維持高PH值。鋼筋銹蝕是由于氯離子在鋼筋表面的擴散或由于混凝土的碳化導(dǎo)致的。鋼筋 銹蝕和混凝土的后續(xù)開裂相比較混凝土的碳化而言更應(yīng)歸結(jié)于氯離子在鋼筋表 面的擴散。氯化物分解鈍化層的許多機理被提出，如

4、薄膜的化學(xué)溶解，薄膜/底層 接觸面上累積的金屬孔洞等，氧化鐵/孔隙溶液接觸面的高濃度氯導(dǎo)致了局部酸 化和斑蝕。Leek和Poole基于SEM / EDS進(jìn)行了砂漿棱柱里鋼筋鈍化膜分解的研究， 證實了氯離子的銹蝕是從破壞薄膜和金屬之間的結(jié)合開始。不論是什么原因，鋼 筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的銹蝕都會導(dǎo)致混凝土開裂和后續(xù)承載力損失。鋼筋混凝土構(gòu)件因鋼筋銹蝕引起的承載力降低歸根結(jié)底是由于混凝土間粘 結(jié)力降低的綜合效應(yīng)和/或鋼筋的抗拉強度的降低。雖然一些資料可查鋼筋銹蝕 對混凝土的粘結(jié)強度的影響，但缺乏對鋼筋力學(xué)性能的影響的研究。Maslehuddin 等人評估了空氣銹蝕對鋼筋力學(xué)性能的影響。但是應(yīng)該注意的

5、是空氣銹蝕對鋼筋 力學(xué)性能的影響不如他在混凝土中銹蝕的影響強烈。另外，鋼筋銹蝕會引起混凝 土開裂從而影響構(gòu)件的完整性。鋼筋銹蝕的程度以及隨后構(gòu)件承載力的減少需要 被評估以驗證混凝土的殘余強度并且制定修復(fù)方案。本研究的目的在于評估混凝土中鋼筋銹蝕的程度與他們的力學(xué)性能的關(guān)系。實驗方案ASTM C 150型水泥做成的鋼筋混凝土試件，最大尺寸19毫米、比重2.64、吸 水率2.3%的碎灰?guī)r作為粗骨料，比重2.64、吸水率0.56%的海灘沙作為細(xì)骨料。 所有混凝土混合料中粗細(xì)骨料比1.68、水灰比0.45保持不變。準(zhǔn)備兩組混凝土試 樣，第一組樣本準(zhǔn)備6mm直徑的鋼筋而另一組準(zhǔn)備12mm直徑的鋼筋。試樣

6、中使用 符合ASTM A 615 G60要求的螺紋鋼筋。澆鑄過后混凝土試樣養(yǎng)護28天，外加2mA/cm2的陽極電流以加速鋼筋銹蝕。這是一個整合系統(tǒng)，通過一個直流整流器和一個內(nèi)置電流計來監(jiān)控電流和一個分 壓計控制電流強度來完成?；炷猎嚇硬糠纸谝粋€盛有5%氯化鈉溶液的玻璃槽 內(nèi)以確保便鋼筋在液面以上。選擇這種類型的裝置是確保形成的銹蝕產(chǎn)物不被沖 走且混凝土試樣出現(xiàn)開裂。調(diào)整電流方向以便鋼筋成為一個正極而一個放在靠近 混凝土試件的不銹鋼板作為負(fù)極。實驗裝置示意圖如圖1所示。為了感應(yīng)不同程 度的鋼筋銹蝕，事先建立一個外加電流持續(xù)時間與相應(yīng)的鋼筋銹蝕程度之間關(guān)系 的校準(zhǔn)曲線以傳導(dǎo)實際實驗。對每一個混

7、凝土試件的供電源定期進(jìn)行檢查，通過 調(diào)整分壓計來調(diào)整其漂移。預(yù)期的鋼筋銹蝕程度從分析校準(zhǔn)曲線中陽極電流對應(yīng) 的持續(xù)時間得知。圖1加速銹蝕實驗裝置示意圖。達(dá)到預(yù)期銹蝕程度后混凝土試件沿鋼筋方向開裂。根據(jù)ASTM G1中Clark法清 理鋼筋后即可通過鋼筋質(zhì)量的減少來衡量銹蝕的程度。測定減少的質(zhì)量之后，鋼 筋進(jìn)行拉伸試驗以測試其力學(xué)性能。鋼筋拉伸試驗在250KN Instron萬能試驗機 上進(jìn)行。用一個特制的伸長儀來測定鋼筋的伸長值。全試樣開始斷裂期間的負(fù) 載和伸長數(shù)據(jù)使用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來記錄每個試樣生成的數(shù)據(jù)都繪制成應(yīng) 力-應(yīng)變關(guān)系圖。利用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖來確定屈鋼筋服強度和抗拉強度。拉伸試

8、 驗完成以后，測量由于外加荷載引起的伸長，并且按初始長度以百分?jǐn)?shù)表示。選取未銹的和銹蝕的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗以便于評估鋼筋銹蝕程度對抗拉性 能的影響。結(jié)果與分析3.1銹蝕對鋼筋抗拉性能的影響圖2和3是為不同銹蝕程度的6毫米直徑鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。這兩組鋼 筋的抗拉強度幾乎一樣。然而,銹蝕率為0.88%的鋼筋總伸長值比銹蝕率為13.9%的鋼筋的大。表1總結(jié) 了不同銹蝕程度的6mm直徑鋼筋的抗拉強度。這些數(shù)據(jù)表明，隨著鋼筋銹蝕程度 提高鋼筋的有效承載能力會降低。由于鋼筋截面變小對凈抗拉強度有些許影響。 圖4顯示了 6mm直徑鋼筋不同銹蝕程度對應(yīng)的極限強度。未銹鋼筋和那些銹蝕率為 75%的鋼筋極限強度

9、分別為796和741 MPa。還應(yīng)注意的是即使由于鋼筋銹蝕造成鋼筋劣化但是依照ASTM A 615他們的抗 拉強度依然超過600 MPa。表1也顯示了用公稱直徑即6mm計算的鋼筋的抗拉強度。 當(dāng)鋼筋的銹蝕率達(dá)到11.6%及以上時，使用這種標(biāo)準(zhǔn)鋼筋的抗拉強度會降到ASTM A 615的600MPa標(biāo)準(zhǔn)以下。800 ,一 廠700-(tdM) 宜s04 o- 2 o.4112 HO.Oo.080.006o.Strain (mn/mm)圖2銹蝕率為0.88%的6mm直徑鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Strain (mm/mm)圖3銹蝕率為13.9%的6mm直徑鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 表1試件#銹蝕率(%)平均直

10、徑(mm)極限荷載(kN)實際拉應(yīng)力(MPa)名義拉應(yīng)力(MPa)ST105.921.76796769.0ST205.921.76796769.0ST305.921.76796769.02SAC20.885.8521.01781.7742.82SCB21.105.8020.49775.9724.81SAA11.225.8520.86776.1737.52SAA11.455.8120.53774.5725.82SAA21.455.8921.09774.03745.61SCD11.635.8520.762772.45734.01SCB211.645.2516.521763.2584.02SCA21

11、2.3645.1016.75819.95592.21SAB213.134.814.62808.07517.02SAB213.894.9514.13734.00499.41SAG117.834.9513.05678.20461.42SAG219.404.9515.03780.80531.21SAD124.954.3010.79743.00381.52SCC127.274.159.043668.56319.71SCC128.324.009.281738.90328.12SAH232.023.909.266776.00327.61SCA240.704.1010.156769.00359.01SAI2

12、48.254.1010.134767.60358.32SAI275.003.004.877740.80172.2圖5和6是典型12mm直徑鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，銹蝕率分別為11.7% 和32.70%。同樣，在這組標(biāo)本中鋼筋銹蝕程度未影響極限拉應(yīng)力。圖7所示12mm直 徑鋼筋不同銹蝕程度對應(yīng)的抗拉強度。這些數(shù)據(jù)表明，鋼筋腐蝕的程度對其抗拉 強度的影響是很微不足道的。例如，未銹鋼筋的實際拉應(yīng)力是760 MPa銹蝕率80% 的鋼筋的實際拉應(yīng)力是844MPa。表2顯示了用公稱直徑即12mm計算的鋼筋的抗拉 強度。使用實際截面面積計算的抗拉強度大于ASTM A 615規(guī)定的600MPa。然而 使用12m

13、m直徑的公稱面積計算的抗拉強度小于A 615規(guī)定的銹蝕率為24%及其以 上的鋼筋抗拉強度值。表1試件#銹蝕率(%)平均直徑(mm)極限荷載(kN)實際拉應(yīng)力(MPa)名義拉應(yīng)力(MPa)ST105.921.76796769.0ST205.921.76796769.0ST305.921.76796769.02SAC20.885.8521.01781.7742.82SCB21.105.8020.49775.9724.81SAA11.225.8520.86776.1737.52SAA11.455.8120.53774.5725.82SAA21.455.8921.09774.03745.61SCD11

14、.635.8520.762772.45734.01SCB211.645.2516.521763.2584.02SCA212.3645.1016.75819.95592.21SAB213.134.814.62808.07517.02SAB213.894.9514.13734.00499.41SAG117.834.9513.05678.20461.42SAG219.404.9515.03780.80531.21SAD124.954.3010.79743.00381.52SCC127.274.159.043668.56319.71SCC128.324.009.281738.90328.12SAH23

15、2.023.909.266776.00327.61SCA240.704.1010.156769.00359.01SAI248.254.1010.134767.60358.32SAI275.003.004.877740.80172.2上述結(jié)果表明：即使高度腐蝕，以實際截面計算的鋼筋抗拉強度也無顯著變 化。然而，當(dāng)鋼筋用公稱直徑來計算的抗拉強度，這些值低于ASTM A 615對于鋼 筋銹蝕率為11.6%及其以上的6mm鋼筋和銹蝕率為24%及其以上的12毫米鋼筋所規(guī) 定的600 MPa。另外，鋼筋銹蝕程度對其脆性的影響我們將會在后文討論。 Masle-huddin等人將六種不同規(guī)格的鋼筋曝露在空氣中

16、16個月并得出結(jié)論：曝露 在空氣中16個月所發(fā)生的鋼筋銹蝕對其屈服強度和極限抗拉強度的影響是微不 足道的。他們的試驗結(jié)果表明：隨著曝露時間的增長，鋼筋的強度會有微弱的提 高亦或是沒有改變。然而，在他們的試驗中，鋼筋的公稱直徑是用來計算屈服強 度和抗拉強度。Aldridge等人將符合ASTM 350 - 56T的各種規(guī)格的鋼筋曝露在三 種不同腐蝕環(huán)境條件中，即普通室外，100%相對濕度的潮濕房間和模擬的海水噴 淋，曝露時間各不相同，有的長達(dá)12個月。他們的研究表明，室內(nèi)和室外銹蝕鋼 筋的抗拉強度不受表面腐蝕程度影響，而經(jīng)過3個月海水銹蝕的鋼筋極限抗拉強 度下降了大約3.7%。9001I I 1!

17、1I 11Degree of Corrosion, Percent Loss in Weighto O o o o O 7 6 4 2 三 EE9fga-us 片E一45圖4 6mm直徑鋼筋不同銹蝕程度對應(yīng)的抗拉強度圖5銹蝕率為11.7%的12mm鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖6銹蝕率為32.7%的12mm鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線900 TOC o 1-5 h z 300 - 200 -| 100 -0 |i|01020304050607080Degree of Corrosion, Percent Lost in Weight圖7 12mm直徑鋼筋不同銹蝕程度對應(yīng)的抗拉強度Uomoto等人評估了從建筑中

18、獲取的銹蝕鋼筋的抗拉強度。他們的研究表明， 銹蝕鋼筋屈服強度和極限強度范圍為未銹鋼筋的90 -95%。另外，Uomoto和Misra 對從梁、柱獲取的銹蝕鋼筋進(jìn)行了強度試驗，這些試件曝露在海洋環(huán)境中時間長 短不一。他們報告稱鋼筋的屈服強度和極限強度鋼筋降低的范圍為原始鋼筋的 5%-10%。表2 12mm直徑鋼筋的抗拉強度試件#銹蝕率(%)平均直徑(mm)極限荷載(kN)實際拉應(yīng)力(MPa)名義拉應(yīng)力(MPa)1PCCT011.7582.38759.72728.12PCCT011.7582.25758.5727.03PCCT011.7081.58758.8721.01PCC2.1111.6380

19、.52757.97711.72PAG2.6911.7582.12757.3725.82PCD3.3711.7081.31756.3718.72PAH3.9311.7181.34757.5719.21PAG4.011.7081.68753.9722.02PAE4.7811.7181.11753.3716.91PAH5.0911.6780.36751.29710.31PAE5.6811.7080.96753.0715.62PFD6.6011.5878.66746.7695.21PFE7.8011.4476.61745.32677.11PCA11.7211.1071.94743.42635.82PF

20、F12.2911.0074.32782.00656.92PCA15.6510.5069.88807.0617.61PAC20.5510.5069.45802.0613.81PAD24.010.2064.27786.0568.01PCB24.010.0559.33748.0524.42PAD25.6510.0560.5762.0534.71PAJ32.659.3554.70796.8483.51PAB39.508.6047.34815.0418.41PAA48.257.3033.68816.0297.71PCD51.007.9040.00816.0353.51PAF60.707.4529.366

21、73.0259.52PAA80.004.513.43844.0118.73.2.受銹蝕影響的鋼筋的破壞形式圖8顯示了不同銹蝕率的6mm直徑鋼筋載荷-伸長曲線。這種比較表明，隨著 銹蝕程度的增加，相應(yīng)的鋼筋破壞之前的伸長減少。在這個系統(tǒng)模式下，隨著銹 蝕，相比未銹鋼筋而言銹蝕鋼筋少量屈服應(yīng)變便會破壞，這表明在它們最終破壞 之前有大量的屈服。這表明鋼筋銹蝕增加脆性。68101214161820 2224Elongation (mm)0 02201510圖8不同腐蝕率的6mm直徑鋼筋荷載-伸長曲線銹蝕率為12.6%及其以上的鋼筋顯示其脆性特征。另外，銹蝕率為12%及其以 上的鋼筋的伸長率通常小于AS

22、TM 615的規(guī)定，即9%。圖9所示隨著鋼筋的銹蝕對 其外形的影響?？梢婋S著銹蝕度超過40%，相對的一小段長度的鋼筋會變細(xì)，從 而證明了隨著鋼筋銹蝕有形成缺口的趨勢。圖10和11所示為幾個缺口比較嚴(yán)重的 鋼筋，銹蝕率分別為75%和80%。這種優(yōu)先銹蝕的特點是：高濃度氯化物或混凝土 破裂的情況或氯離子和氧氣可接觸鋼筋表面的特殊環(huán)境的蜂窩樓板。優(yōu)先銹蝕導(dǎo) 致一小段長度的鋼筋變細(xì)造成的影響是局部鋼筋截面面積明顯減少，因此降低了 鋼筋承載力。優(yōu)先銹蝕和缺口的形成也不同，由圖8可見鋼筋載荷變形的特點。 當(dāng)鋼筋有缺口或者局部有雜質(zhì)的截面受拉時，缺口會發(fā)生應(yīng)力集中，在破壞時整 體拉力會低于未銹鋼筋。因此，隨著缺口變得更深，缺口位置的應(yīng)力集中會逐漸 增強，鋼筋也會更加體現(xiàn)出脆性。圖9銹蝕對鋼筋外形的影響圖10鋼筋銹蝕率達(dá)到75%對其外形的影響圖11鋼筋銹蝕率達(dá)到