箍筋锈蚀混凝土棱柱体试件轴心受压试验研究.pdf

第 43 卷 第 1 期 2013 年 1 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 1 Jan 2013 箍筋锈蚀混凝土棱柱体试件轴心受压试验研究 * 李强， 牛荻涛， 刘磊， 王庆霖 ( 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055) 摘要通过电化学方法对方形箍筋约束混凝土棱柱体试件内箍筋进行了实验室加速腐蚀试验， 得到了箍筋锈蚀 程度不同的锈蚀试件， 并进一步开展了箍筋锈蚀混凝土棱柱体试件的轴压试验， 研究了箍筋锈蚀对混凝土棱柱体 试件破坏形态的影响， 分析了箍筋锈蚀造成的混凝土损伤。试验结果表明: 箍筋在角部锈蚀严重， 混凝土保护层锈 胀裂缝在角部沿竖向发展， 且随着锈蚀程度的增加， 裂缝宽度加大; 锈蚀产物在混凝土保护层与核心区混凝土界面 上的堆积， 降低了混凝土保护层对构件承载力的贡献; 箍筋锈蚀程度对试件的裂缝发展速度、 破坏形态均有影响， 箍筋锈蚀越严重， 裂缝发展越迅速， 核心混凝土的破坏程度愈大， 斜向破坏面愈明显， 混凝土试件的破坏形式从延 性破坏向脆性破坏转变。 关键词箍筋锈蚀;约束混凝土;轴心受压;混凝土损伤 中图分类号: TU375. 3文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 01- 0065- 04 Experimental study on reinforced concrete prism specimens confined by corroded stirrups Li Qiang，Niu Ditao，Liu Lei，Wang Qinglin ( School of Civil Engineering，Xian University of Architecture Technology，Xian 710055，China) Abstract: The corroded reinforced concrete prism specimens confined by the square stirrups，which were subjected to accelerated corrosion，were obtained The axial compressive test of the corroded reinforced concrete prism specimens and contrasted uncorroded reinforced concrete prism specimens was carried further The effect of corrosion of stirrups on the deterioration form of reinforced concrete prism specimens and the concrete damage were analyzed The results of axial compressive test show that，the corners of stirrups are corroded very seriously and the cracks of the protective layer are developed along the vertical direction at the corner of the reinforced concrete prism specimens，cracks widthes increase with the increase of corrosion degree The“piling up”of corrosion products between the concrete cover and the core concrete zone reduces its contribution to the capacity of reinforced concrete prism specimens The corrosion rate of stirrups has influenced directly on the development speed of cracks and the damage mode The growth of cracks speeds up，the damage of the core concrete is more serious，the destroy incline section is more obvious and the deterioration form of the samples shift from ductile failure to the brittle failure，as the amount of stirrups corrosion grows Keywords: stirrups corrosion;confined concrete;axial compression;concrete damage *国家杰出青年科学基金项目( 50725824) ， 陕西省“13115” 科技创 新工程项目( 2010ZDKG- 55) 。 作者简介: 李强， 博士， Email: liguanqiang2005 126 com。 0引言 在混凝土构件中， 箍筋不仅起着钢筋骨架的作 用， 而且能够约束构件的横向变形， 抵抗沿斜剪面的 滑移， 从而明显改善混凝土构件的抗震性能。由于 箍筋直径小且其保护层厚度小等不利条件， 混凝土 碳化至箍筋表面时， 箍筋开始腐蚀， 且最终腐蚀程度 往往较纵筋严重 1; 作为箍筋的小直径光圆钢筋相 对于大直径的钢筋对锈蚀更具敏感性， 在轻微锈蚀 情况下其力学性能降低明显 2， 锈蚀率超过 10% 以 后， 其应 力-应 变 关 系 曲 线 中 的 屈 服 平 台 基 本 消 失 3。箍筋锈蚀后的截面减小和力学性能变化， 使 得箍筋对核心区混凝土的约束能力降低， 混凝土构 件的破坏形式从延性向脆性转变。由此可看出， 箍 筋锈蚀对钢筋混凝土构件力学性能的影响显著， 其 带来的后果比纵筋锈蚀更加严重。因此， 研究钢筋 锈蚀后构件的力学性能退化规律， 除考虑纵向钢筋 锈蚀的影响外， 还必须研究箍筋锈蚀对混凝土构件 的影响， 从而建立科学合理的锈蚀钢筋混凝土构件 性能退化模型。研究成果不仅可以直接应用于既有 钢筋混凝土结构的评估与加固改造设计， 而且对新 建结构的设计亦有一定的参考价值。 文 4 8对纵向钢筋锈蚀后混凝土柱的力 学性能进行了研究， 虽然试件破坏后， 发现试件内箍 筋锈蚀严重， 尤其是箍筋与纵筋交接部位的箍筋甚 至锈断， 但在研究中未能对箍筋锈蚀的影响进行深 入分析， 所建立的承载力退化模型也未能考虑箍筋 锈蚀的影响。目前， 国内外对不同箍筋锈蚀程度情 况下混凝土柱性能退化的研究尚属空白， 迫切需要 对箍筋锈蚀后钢筋混凝土受压构件力学性能退化进 建筑结构2013 年 行研究。本文对 12 根箍筋锈蚀钢筋混凝土棱柱体 试件和 3 根无锈蚀钢筋混凝土棱柱体对比试件进行 轴心受压试验， 深入分析箍筋锈蚀程度对钢筋混凝 土棱柱体试件破坏过程的影响， 研究受压构件的力 学性能退化规律。 1试验准备 1. 1 试件制作 本试验共制作混凝土棱柱体试件 15 个， 分为 5 组， 每组 3 个， 其中通电锈蚀试件 12 个， 无锈蚀对比 试件 3 个。通电锈蚀试件组按照拟达到的锈蚀量 ( 箍 筋 平 均重量损失 率 分别 为 10% ， 20% ， 30% ， 40% ) 分别编号为 CA- 1， CA- 2， CA- 3， CA- 4， 无锈蚀 对比试件组的编号为 CA- 0。为了研究箍筋锈蚀对 约束混凝土应力-应变关系的影响， 在试件设计时， 首先对箍筋和主筋采取绝缘措施， 然后用一根直径 为 4mm 的铁丝将中间 5 根箍筋连接。所采用钢筋 的力学性能如表 1 所示。 各试件混凝土强度设计等级均为 C25， 水泥采 用 P O32. 5 级水泥， 搅拌水为自来水， 粗骨料为天 然碎石， 最大粒径尺寸为 15mm， 试验用河砂为天然 中砂。 钢筋力学性能表 1 钢种 箍筋直径 /mm 屈服强度 /MPa 极限强度 /MPa 伸长率 /% 级光圆钢筋641060522 II 级螺纹钢筋12 45068029 混凝土采用搅拌机拌制。为保证试件混凝土材 性的均匀性， 混凝土沿竖向浇筑， 并于振动台上振捣 密实; 混凝土保护层厚度通过上、 下盖板( 上盖板为 半盖板) 上预先设定的定位孔定位纵向钢筋来保 证。在试件制作的同时预留标准混凝土立方体试 块， 测试养护 28d 后和轴心受压试验同期( 270d) 的 混凝土抗压强度。混凝土配合比及混凝土立方体抗 压强度见表 2。试件尺寸和钢筋布置见图 1。 混凝土配合比及强度表 2 水泥 /kg/m3 水 /kg/m3 天然中砂 /kg/m3 碎石 /kg/m3 无水氯化钠 /kg/m3 28d 强度 /MPa 270d 强度 /MPa 3851856901 1703. 8533. 551. 83 1. 2 混凝土棱柱体试件箍筋加速腐蚀试验 采用外加直流电对钢筋混凝土棱柱体试件箍筋 进行加速腐蚀， 快速锈蚀试验装置如图 2 所示。试 验电源采用 2 台双通道可调式直流稳压稳流电源， 可调电压范围为 0 30V， 可调电流范围为 0 2A， 两台直流电源均为双通道， 可为两个回路提供电流。 许多学者采用电化学加速腐蚀方法加速混凝土 图 1试件尺寸及配筋图 图 2快速锈蚀试验装置 试件中钢筋的锈蚀， 采用的电流密度大小各不相同， 从 0. 045 3mA/cm2不等， 结果发现， 相同锈蚀率 下， 电流密度愈大， 锈蚀产物产生愈快， 混凝土保护 层锈胀裂缝出现得愈早。钢筋在混凝土中自然腐蚀 的电流密度仅在 0. 05 0. 1mA/cm2之间9， 因此所 选用的锈蚀电流密度不能过大。 文 10 以电流密度 0. 1 0. 5mA/cm2在同条件 下进行加速腐蚀试验， 试验结果表明， 实测锈蚀率与 理论锈蚀率误差均在 5% 以内， 电流密度的大小对 钢筋锈蚀率无显著影响; 文 11在进行箍筋锈蚀梁 性能试验时， 选用的电流密度为 0. 6mA/cm2， 结果 发现， 电流密度值为 0. 6mA/cm2在保证箍筋快速锈蚀 同时， 其锈蚀产物与实际工程中钢筋锈蚀产物类似。 因此， 为真实地模拟混凝土构件内箍筋的锈蚀， 本锈蚀试验电流密度选为 0. 2 0. 5mA/cm2。各组 试件的通电锈蚀方案见表 3。 通电锈蚀方案表 3 试件组号电流密度 /mA /cm2通电时间 /d试件 /个 CA- 1 0. 530 3 0. 230 CA- 2 0. 530 3 0. 240 CA- 3 0. 530 3 0. 250 0. 530 CA- 40. 2503 0. 410 66 第 43 卷 第 1 期李强， 等 箍筋锈蚀混凝土棱柱体试件轴心受压试验研究 1. 3 试件端部处理 尽管通电前对试件下表面采用环氧树脂进行了 密封， 但经过长时间 NaCl 溶液浸泡， 试件底部混凝 土仍出现了不同程度的损伤， 个别试件底部混凝土 局部剥落; 此外， 为防止轴压试验过程中试件端部提 前破坏， 在受压试验之前， 首先对试件底部混凝土采 用环氧 砂 浆 进 行 修 复， 然 后 对 试 件 上 下 端 部 各 60mm 范围内混凝土表面打磨， 并粘贴 60mm 宽环 向碳纤维布两层。 1. 4 锈蚀试件表观损伤形态 在各组试件通电锈蚀早期， 主要表现为褐绿色 液态锈蚀产物透过混凝土保护层的微细孔渗出并在 试件表面积聚; 随着通电时间的延长， 渗出的锈蚀产 物逐渐增多， 部分形成锈蚀片层堆积于混凝土试件 表面， 部分进入 NaCl 电解液并在水箱底部沉积， 锈 蚀产物颜色以暗绿色为主。 CA- 1 组试件在整个锈蚀过程中仅表现为液态 锈蚀产 物 的 溢 出， 未 出 现 锈 胀 裂 缝; CA- 2， CA- 3， CA- 4组试件在通电 70d 左右， 较多混凝土试件中间 部位的某一个或两个角部开始出现沿试件竖直方向 的锈胀微裂缝， 随着通电时间的延长， 此锈胀裂缝自 试件中部向两端部扩展， 裂缝形态基本表现为中间 部位宽、 靠近端部窄; CA- 4 组试件混凝土保护层开 裂最为严重， 裂缝宽度约为 4. 0mm。锈蚀后混凝土 构件表观损伤照片如图 3 所示。 图 3加速试验完成时锈蚀表观损伤照片 2箍筋锈蚀棱柱体试件轴心受压试验 2. 1 试验设备及加载方案 本试验加载装置选用 YAW- 5000F 微机控制液 压伺服长柱压力试验机， 见图 4。采用等位移速度 单调加载方式， 位移速度为 0. 3mm/min。试验数据 采集方法: 荷载和竖向位移由与试验机连接的计算 机自动采集， 每 0. 5s 自动采集一次。 2. 2 箍筋锈蚀混凝土棱柱体试件的轴压破坏形态 由于受压试件包括箍筋未锈蚀试件和箍筋锈蚀 图 4加载设备 试件， 且箍筋锈蚀试件的箍 筋锈蚀程度不同， 从而导致 各类试件的裂缝发展过程 存在差异。 箍筋未锈蚀试件的破 坏过程经历了内部微裂缝 产生、 裂缝发展与贯通、 保 护层剥离脱落、 破坏斜面形 成直至最后受压破坏; 当荷 载达 到 峰 值 的 80% 左 右 时， 试件 表 面开 始 出 现 裂 缝， 且裂缝发展缓慢; 但当 荷载超过峰值后， 试件表面的裂缝迅速发展， 混凝土 保护层片状剥离后脱落。最终的破坏表现为混凝土 保护层斜向开裂、 剥离脱落， 核心区混凝土未发生明 显的破坏。 CA- 1 组试件的箍筋锈蚀率较小( 箍筋平均重量 损失率为 14. 0% ) ， 混凝土保护层未发生锈胀开裂， 因此， 其破坏过程与箍筋未锈蚀试件基本相同， 但由 于液态锈蚀产物将箍筋附近混凝土的微细孔填堵， 使得其破坏过程所经历的时间比未锈蚀试件相对较 长， 裂缝发展速率相对较慢。 箍筋锈蚀严重试件的破坏过程经历了锈胀裂缝 的弥合、 原有锈胀裂缝发展并伴随新裂缝产生、 裂缝 贯通、 保护层剥离脱落、 破坏斜面形成直至最后试件 受压破坏几个阶段。CA- 2， CA- 3， CA- 4 组试件的箍 筋锈蚀率相对较大( 箍筋平均重量损失率分别为 20. 79% ， 25. 09% ， 33. 25% ) ， 在加速腐蚀试验过程 中， 试件在保护层表面以及保护层与核心混凝土结 合面处已经存在锈胀裂缝或间隙， 在受压初始阶段， 压应力发展稍慢， 而竖向位移发展相对较快， 说明试 件原锈胀微裂缝弥合; 但当荷载达到峰值的 60% 后， 试件原有锈胀裂缝开始发展， 并且箍筋锈蚀越严 重， 其裂缝开始发展的时间越早， 且裂缝发展的速度 越快， 裂缝发展的同时试件角部出现新的竖向裂缝， 混凝土保护层与核心混凝土结合面出现剥离; 超过 峰值荷载后， 新、 老裂缝迅速发展并贯通， 继而保护 层脱落， 破坏面形成， 然后箍筋在角部断裂， 纵筋压 曲， 继而试件破坏。 从试验现象可以得出以下结论: 试验过程中发 现， 在受压的整个过程中， 新裂缝不断产生的同时原 有锈蚀裂缝缓慢、 持续发展， 试件最后的受压破坏斜 面基本是在原有锈胀裂缝的基础上发展形成的; 试 件的破坏特征也随着箍筋锈蚀程度不同而发生改 变， 随着箍筋锈蚀量的增加， 核心区混凝土的破坏程 76 建筑结构2013 年 图 5试件破坏形态照片 图 6锈蚀严重试件锈蚀产物的堆积 度逐渐增大， 斜向破坏面越来越明显; 随着箍筋锈蚀 量的增加， 超过峰值荷载后的破坏过程所经历的时 间逐渐缩短， 即试件的延性越来越差， 从延性破坏向 脆性破坏转变。 图 5 为各组试件的典型破坏照片。从箍筋锈蚀 形态可以看出， 箍筋总体锈蚀不均匀， 各转角部位因 混凝土密实度差、 氯离子双向渗透而锈蚀严重， 各侧 边直线段锈蚀稍轻且基本呈均匀锈蚀; 从破坏形态 可以看出， 箍筋锈蚀率愈大， 核心混凝土的破坏程度 愈大， 斜向破坏面愈明显。 试验加载过程中， 当锈蚀箍筋被拉断时， 荷载将 出现明显下降， 但试件仍具有一定的承载力。由于 核心混凝土的横向膨胀， 试件中间区段的破坏面两 侧的混凝土有着相对的运动使锈蚀箍筋达到了极限 应变。此外， 由于箍筋在转角部位锈蚀严重， 并且箍 筋早期制作时的弯折加工使其在该部位相对薄弱， 大部分锈蚀箍筋的拉断发生在其转角处。 2. 3 箍筋锈蚀造成的混凝土损伤分析 在加速腐蚀试验过程中所产生的锈蚀产物氧化 不充分， 其体积膨胀率一般为 1. 1 1. 8， 而自然环 境下氧化充分的锈蚀产物体积膨胀率一般为 2. 5 412。因此， 相对大气环境中混凝土构件的自然腐 蚀， 本试验加速腐蚀试验完成后， 混凝土保护层仅在 试件角部产生裂缝， 且裂缝宽度一般较小。 在轴压试验过程中发现， 锈蚀轻微试件的混凝 土保护层裂缝的发展、 脱落过程与未锈蚀构件基本 一致， 但锈蚀严重试件的混凝土保护层与核心区混 凝土之间的界面上附着大量的红色锈蚀产物， 由于 锈蚀产物在截面上分布面积较大， 并且形成锈蚀产 物的“堆积” 状态( 图 6) ， 造成了混凝土保护层与核 心区混凝土的剥离， 部分或完全丧失粘结性能， 致使 试件承受荷载之后， 混凝土保护层的剥离脱落提前， 其对整个试件承载力的贡献大大减弱， 从而降低了 试件的承载能力。 3结论 ( 1) 箍筋在加速腐蚀混凝土构件中发生严重的 不均匀锈蚀， 在转角部位附近锈蚀严重， 侧边直线段 部分锈蚀相对较轻且基本呈均匀锈蚀， 与实际结构 箍筋锈蚀状况基本一致; 箍筋在转角部位的严重锈 蚀导致试件角部产生锈胀裂缝， 且裂缝宽度随着通 电时间的延长而增大; 相对自然环境腐蚀构件， 加速 腐蚀试件表面锈胀裂缝一般较小。 ( 2) 不同箍筋锈蚀程度试件的裂缝发展过程、 破坏形态均存在差异， 箍筋锈蚀越严重， 裂缝发展越 迅速， 核心混凝土的破坏程度愈大， 斜向破坏面愈明 ( 下转第 80 页) 86 建筑结构2013 年 ( 2) 试件 HL- 3 的初始荷载比和混凝土保护层 厚度与试件 HL- 4 的相同。受拉区纵向钢筋配筋 率: HL- 3 为 1. 05% ， HL- 4 为 0. 7% 。从试验取得的 结果来看两者的耐火极限非常接近， 因此， 受拉区纵 向钢筋配筋率对耐火极限的影响不显著。 ( 3) 试件 HL- 3 与试件 HL- 5 仅混凝土保护层厚 度不同。该组试件对比主要考察混凝土保护层厚度 对试件耐火极限的影响。从理论上讲混凝土保护层 厚度越大， 试件受拉区纵向钢筋的温度上升相对就 越慢， 试件的耐火极限就应该相应较大。通过试验 得到混凝土保护层厚度对耐火极限的影响也很明 显。试件 HL- 3 的混凝土保护层厚度为 25mm， 试件 HL- 5 的混凝土保护层厚度为 35mm， 后者耐火极限 大于前者耐火极限值较多。 3结论 ( 1) 各试件截面温度场变化情况相近， 钢筋对 截面温度场分布影响不大。符合钢筋混凝土试件截 面温度场一般变化规律。在试件截面温度场计算中 可以忽略 HRBF500 钢筋对截面温度的影响。 ( 2) 试件破坏形式属于混凝土弯曲破坏。整个 挠度变化过程可以划分 2 个阶段。第一阶段挠度缓 慢均匀增加; 第二阶段挠度急剧加速增加， 导致试件 迅速破坏。 ( 3) 从试验结果得到: 混凝土保护层厚度及荷 载比对试件耐火极限影响较大。随着保护层厚度的 增加， 试件耐火极限时间相应增加。在其他条件相 同的情况下， 荷载比越大， 试件的耐火极限时间就越 短; 配筋率对试件耐火极限影响不明显。 参考文献 1 赵志华， 杜秀林， 胡燕慧， 等 400MPa 级超细晶粒钢的 力学性能J 机械工程材料， 2004， 28( 10) : 35- 40 2 GB 1499. 22007 钢筋混凝土用钢 第 2 部分: 热轧带 肋钢筋S 北京: 中国建筑工业出版社，2008: 1- 14 3 肖建庄，代媛媛，赵勇，等 500MPa 细晶粒钢筋高温 下的应力-应变关系J 建筑材料学报， 2008， 11( 3) : 276- 282 4 吴红翠，王全凤，徐玉野，等 HRBF500 钢筋高温后 力学性能试验研究J 工业建筑， 2009， 39( 11) :5- 8 5 胡玲，杨勇新，王全凤，等 HRBF500 钢筋粘结锚固 性能的试验研究J 工业建筑，2009，39( 11) :13- 16， 44 6 赵进阶， 张钦喜， 杨勇新， 等 HRBF500 钢筋混凝土梁 受弯承载力试验研究J 工业建筑， 2009， 39 ( 3) : 52- 55。 7 王全凤，邱毅，徐玉野，等 HRBF500 级钢筋混凝土 梁受火 后 力 学 性 能 试 验 研 究J 建 筑 结 构 学 报， 2012，33( 2) :50- 55 8 牛向阳，王全凤，杨勇新，等 高温后普通混凝土与 细晶粒钢筋粘结性能试验研究J 建筑结构，2012， 42( 3) : 116- 118，32 9 GB/T 99782008 建筑构件耐火试验方法S 北京: 中国标准出版社， 2008 ( 上接第 68 页) 显， 混凝土试件的破坏形式从延性破坏向脆性破坏 转变。 ( 3) 锈蚀产物在混凝土保护层与核心区混凝土 之间的界面上的“堆积” ， 导致混凝土保护层与核心 区混凝土的粘结性能部分或完全丧失， 使其对整个 试件承载力的贡献大大减弱， 从而降低了试件的承 载能力。 参考文献 1 刘西拉 重大土木与水利工程安全性及耐久性的基础 性研究J 土木工程学报， 2001， 34( 6) :1- 4 2 惠云玲， 林志伸， 李荣 锈蚀钢筋性能试验研究分析 J 工业建筑， 1997， 27( 6) : 10- 13， 33 3 张伟平， 商登峰， 顾祥林 锈蚀钢筋应力-应变关系研 究J 同济大学学报: 自然科学版， 2006， 34( 5) : 106- 242 4 杨亚东 钢筋腐蚀混凝土构件的性能退化与可靠性分 析D 西安: 西安建筑科技大学， 2000 5 颜桂云 锈蚀钢筋混凝土压弯构件恢复力性能的试验 研究与承载力的理论分析D 西安: 西安建筑科技大 学， 2001 6 王学民 锈蚀钢筋混凝土构件抗震性能试验与恢复力 模型研究D 西安: 西安建筑科技大学， 2003 7 RODRIGUEZ J，ORTEGA L M，CASAL J Load bearing capacity of concrete columns with corroded reinforcement C / /CorrosionofReinforcementinConcrete ConstructionLondon:Ove Arup and Partners， 1996: 220- 230 8 史庆轩， 李小健， 牛荻涛 钢筋锈蚀前后混凝土偏心受 压构件承载力试验研究J 西安建筑科技大学学报: 自然科学版， 1999， 31( 3) : 218- 221 9 阎培渝， 游秩，崔路， 等 高含氯混凝土中钢筋宏电池 腐蚀速率控制因素J 工业建筑， 2005， 30( 5) : 6- 9 10 TAMER A， KHALED AEffectiveness of impressed currenttechniquetosimulatecorrosionofsteel reinforcement in concreteJJournal of Materials in Civil Engineering，2003，15( 1) :41- 47 11 CHRISTOPHER HIGGINS，WILLIAM C FARROW III Tests of reinforced concrete beams with corrosion damaged stirrupsJ ACI Structural Journal，2006，103 ( 1): 133- 141 12 宋华， 牛荻涛 电化学快速锈蚀与自然环境钢筋锈蚀 的相似性分析J 西安建筑科技大学学报: 自然科学 版，2009， 41( 4) : 508- 511 08