銹蝕鋼筋力學性能的試驗研究

銹蝕鋼筋力學性能的試驗研究

中國建筑科學研究院

徐有鄰一、前言二、試驗方案三、鋼筋截面積的銹蝕損失四、銹蝕前后的鋼筋本構(gòu)關(guān)系五、銹蝕對鋼筋強度的影響六、銹蝕對鋼筋延性的影響七、工程結(jié)構(gòu)中銹蝕鋼筋的試驗分析八、結(jié)論一、前言鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的耐久性問題。鋼筋銹蝕的發(fā)生過程：混凝土的碳化和鋼筋的脫鈍

鋼筋逐漸銹蝕

銹蝕發(fā)展而引起的銹脹

鋼筋性能及鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固能力的退化

引起承載力降低及其它影響使用功能和結(jié)構(gòu)安全的問題。二、試驗方案鋼筋試件：7種鋼筋，共31組試件。分別測定直徑、密度、截面積，屈服強度(fy)、抗拉強度(fb)及均勻伸長率(δgt)。具體見鋼筋試件表1。腐蝕環(huán)境：4%的鹽(NaCl)溶液中并加入少量鹽酸(HCl)以模擬氯離子(Cl－)及酸性介質(zhì)的腐蝕性環(huán)境

編號鋼筋類型試件數(shù)量公稱直徑(mm)實測直徑(mm)A熱軋光面HPB2359×4=366、8、10、126.27、7.92、9.62、11.73B熱軋帶肋HRB3359×4=3614、20、25、2813.67、19.61、24.50、27.63C熱軋帶肋HRB4009×9=816、8、10各三組5.95、7.84、9.84D冷軋帶肋LL5509×1=955.0E冷軋扭LZN5809×3=278、10、127.32、9.59、11.34F螺旋肋鋼絲1570級9×8=723、4、4.8、5、6、7、7、82.8、4.7、4.92、5.03、6.1、6.94、6.95、8.99G鋼絞線1860級9×2=188.6、12.78.74、13.35表1鋼筋試件總表二、試驗方案量測及分析：在170d、213d、340d時分別取出部分試件進行量測。工程調(diào)查：對已發(fā)生耐久性問題的實際混凝土結(jié)構(gòu)中的銹蝕鋼筋進行研究。

三、鋼筋截面積的銹蝕損失銹蝕速度：

銹蝕鋼筋的截面損失率數(shù)值ψA(%)(表2)

銹蝕鋼筋面積減小(圖1)鋼筋類型的影響：熱軋鋼筋最耐銹蝕，而冷加工鋼筋及經(jīng)過熱處理的預應力鋼絲、鋼絞線銹蝕速度較快。鋼筋直徑的影響隨著直徑減小，銹蝕速度相對加快。編號鋼筋類型170d213d340dAHPB235-0.38-0.84-0.87BHRB335-0.30-0.54-0.50CHRB400-0.51-0.97-1.27DLL550-1.81-2.37-2.75ELZN580-0.42-1.43-2.28F螺旋肋鋼絲1570級-1.19-2.67-3.32G鋼絞線1860-0.27-1.62-2.19表2銹蝕鋼筋的截面損失率ψA(%)

圖1銹蝕鋼筋面積減小及強度降低四、銹蝕前后的鋼筋本構(gòu)關(guān)系熱軋鋼筋：對HRB400及HRB335影響不大，對HPB235影響較大。冷加工鋼筋：與無銹蝕狀態(tài)基本一致，本構(gòu)曲線略有波動。高強預應力鋼絲、鋼絞線：影響不大，曲線形狀基本不變。五、銹蝕對鋼筋強度的影響

銹蝕前后鋼筋強度的變化(表3)

銹蝕鋼筋強度降低(圖1)銹蝕后屈服強度和抗拉強度的降低有差別。銹蝕后強度降低的速度不均衡。與截面積損失的程度比較，強度降低速度相對較大。熱軋鋼筋強度降低數(shù)值相對不大，冷加工鋼筋及高強預應力鋼絲、鋼絞線強度降低較大。

編號鋼筋類型屈服強度(f

yR/fy0)抗拉強度(f

bR/fb0)170d213d340d170d213d340dAHPB2351.0351.0180.9531.0090.9970.973BHRB3351.0090.9991.0010.9941.0101.004CHRB4000.9940.9860.9780.9960.9960.969DLL5500.8520.9700.9560.8601.0100.940ELZN580———0.9800.9520.957F螺旋肋鋼絲1570級0.9660.9410.9090.9960.9730.915G鋼絞線1860級———0.9570.9760.970表3銹蝕前后鋼筋強度的變化六、銹蝕對鋼筋延性的影響

銹蝕前后鋼筋均勻伸長率相對變化(表4)

銹蝕后不同鋼筋的均勻伸長率降低(圖2)銹蝕對鋼筋延性的影響要比強度明顯得多。熱軋鋼筋及預應力鋼絲、鋼絞線延性損失的速度比較均衡，而冷加工鋼筋隨時間延性呈加速退化趨勢。熱軋鋼筋的延性損失較小，高強預應力鋼絲、鋼絞線次之，而冷加工鋼筋最大。延性的損失實際更為嚴重(尤其是冷加工鋼筋)，應引起廣泛注意

。

圖2銹蝕后均勻伸長率的降低編號鋼筋類型170d213d340dAHPB2350.7390.6760.755BHRB3350.9761.0480.884CHRB4000.9880.9270.786DLL5500.7040.7320.449ELZN5800.8660.9860.364F螺旋肋鋼絲1570級0.8500.5470.700G鋼絞線1860級0.9680.8730.885表4銹蝕前后鋼筋均勻伸長率相對變化(δgtR/δgt0)七、工程結(jié)構(gòu)中銹蝕鋼筋的試驗分析試件取樣及試驗方案從始建于上世紀六十年代某火電廠混凝土結(jié)構(gòu)中取出19根直徑d=14mm的HPB235級鋼筋，研究方案同前。截面的平均損失率ψA與承載面積減小率φA

統(tǒng)計各試件，在ψA>10%的嚴重銹蝕的條件下，兩者有以下近似的線性關(guān)系：

φA＝0.784ψA+0.225(γ=0.843)φA數(shù)值較小是由于銹蝕的不均勻性引起的。

七、工程結(jié)構(gòu)中銹蝕鋼筋的試驗分析銹蝕對鋼筋本構(gòu)曲線的影響呈現(xiàn)出無預兆的脆性破壞特征。銹蝕對強度的影響

銹蝕對延性的影響

銹蝕對鋼筋延性的影響更甚于強度

八、結(jié)論腐蝕環(huán)境中鋼筋銹蝕對力學性能影響的主要原因為：材性的改變、承載截面的削弱、銹坑引起的應力集中。最早起作用的是腐蝕性介質(zhì)引起的鋼筋材性退化，銹蝕發(fā)展以后才逐漸疊加上截面削弱以及應力集中的影響。

冷加工鋼筋及高強預應力鋼絲對腐蝕環(huán)境的反應比較敏感,熱軋鋼筋比較耐銹蝕。銹蝕后鋼筋強度降低的速度超過截面減小的速度，抗拉強度降低的速度超過屈服強度降低的速度。

八、結(jié)論由于銹蝕的不均勻性，鋼筋承載截面的減小遠超過由稱重所測得的平均截面損失。

銹蝕對鋼