鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在荷載和銹蝕耦合作用下試驗(yàn)研究綜述

蘇欣

摘 要：隨著研究水平的不斷提高，銹蝕鋼筋混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究方法呈現(xiàn)出各種各樣。文章通過對文獻(xiàn)的調(diào)研，對已有該類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行梳理總結(jié)，并給出相應(yīng)的建議，同時(shí)分析了該類實(shí)驗(yàn)今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；銹蝕和荷載耦合；試驗(yàn)研究

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0168-02

前言

鋼筋混凝土材料劣化的所有因素中，對結(jié)構(gòu)影響最大的莫過于鋼筋銹蝕。具體來說鋼筋銹蝕造成混凝土構(gòu)件的承載力退化以致失效的原因有以下幾個(gè)方面：一是由于鋼筋銹蝕使鋼筋截面面積減小，銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化；二是鋼筋銹蝕會產(chǎn)生銹脹力，造成混凝土截面損傷；三是鋼筋銹蝕會使鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能退化。在實(shí)際工程中，銹蝕是伴隨著混凝土結(jié)構(gòu)承受荷載過程中而發(fā)生的，然而，早期的研究大多未考慮荷載作用效應(yīng)，僅考慮環(huán)境作用效應(yīng)。顯然這跟實(shí)際工程中的情況相差甚遠(yuǎn)因而不能很好的模擬實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)真實(shí)的劣化過程。雙因素及多因素的耦合作用研究是目前研究的熱點(diǎn)問題。

1 荷載和銹蝕耦合作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)室中得到銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的方法

實(shí)驗(yàn)室中得到銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的方法主要有以下四種：實(shí)際工程中拆換下來的老構(gòu)件、實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)加速銹蝕、人工環(huán)境模擬加速銹蝕和實(shí)驗(yàn)室機(jī)械加工模擬銹蝕。應(yīng)用最廣泛的是電化學(xué)加速銹蝕和模擬人工環(huán)境加速銹蝕，下面著重介紹這兩種方法。

電化學(xué)加速銹蝕之所以被廣泛應(yīng)用是因?yàn)槠渚哂袖P蝕速度快、銹蝕率易控制和試驗(yàn)條件比較容易達(dá)到等優(yōu)點(diǎn)。

近年來人工環(huán)境模擬加速銹蝕得到銹蝕構(gòu)件的方法應(yīng)用越來越普遍，采用大型步入式人工環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)，通過設(shè)置高溫（40℃-50℃）、高濕（80%-90%）、氯鹽溶液噴淋和干（紅外燈照）濕（鹽溶液噴淋）循環(huán)來模擬自然環(huán)境下的鋼筋銹蝕，該方法得到的銹蝕鋼筋構(gòu)件更接近于實(shí)際工程。

電化學(xué)加速銹蝕與人工環(huán)境模擬加速銹蝕相比較，無論從電化學(xué)機(jī)理，還是從銹蝕產(chǎn)物、銹脹特征與銹脹形態(tài)上都存在明顯差異。人工環(huán)境模擬加速銹蝕鋼筋銹蝕以坑蝕為主，靠近保護(hù)層一側(cè)鋼筋首先受到侵蝕性介質(zhì)的影響，銹蝕從靠近保護(hù)層一側(cè)開始，外側(cè)銹蝕明顯比內(nèi)側(cè)嚴(yán)重，且自然環(huán)境中梁同時(shí)受到荷載作用容易產(chǎn)生微裂隙使得侵蝕介質(zhì)更容易到達(dá)鋼筋表面。通電銹蝕為各個(gè)方向的均勻銹蝕。兩者的銹蝕產(chǎn)物也不相同。因此人工環(huán)境模擬加速銹蝕得到的銹蝕鋼筋構(gòu)件更接近于實(shí)際工程。

1.2 實(shí)驗(yàn)室持續(xù)荷載的加載方式

持續(xù)荷載的施加是銹蝕和荷載耦合試驗(yàn)的難點(diǎn)所在，持續(xù)荷載的大小為30%的極限承載力，要求荷載穩(wěn)定并且安全可靠，并且需要利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測其恒載力的大小，當(dāng)恒載力不足時(shí)及時(shí)補(bǔ)充使其在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中都保持恒載的狀態(tài)。目前較常用到的方法有以下幾種。

第一種，利用千斤頂和反力架來達(dá)到恒荷載施加的目的，該方法可以很好的在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保持恒載大小，當(dāng)恒載不足時(shí)補(bǔ)充恒載力也比較方便；第二種，利用配重塊來達(dá)到施加恒載的目的，該方法簡單易行安全可靠，恒載力的大小也比較容易控制，但該方法一般加載的力較?。坏谌N，利用鋼板、螺桿、螺母和鋼支座，采用兩點(diǎn)對稱的加載方案，恒載的施加主要靠擰緊螺母使得構(gòu)件和鋼板及鋼支座產(chǎn)生的反力，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于一次可以有多個(gè)鋼筋混凝土試件同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)；第四種，采用杠桿掛籃砝碼加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)加載。杠桿一端放置砝碼吊籃，另一端用地腳螺栓與地槽錨固。該方法可以長期保持荷載的穩(wěn)定；第五種，適用于軸心及偏心短柱的試驗(yàn)，其有一定的特殊適用性。其保持恒荷載的方法是通過施加預(yù)應(yīng)力來保持恒荷載，該方法的優(yōu)點(diǎn)就是能很好的保持恒載的大小以及能在不卸載的情況下進(jìn)行下面的承載力試驗(yàn)，更加接近于實(shí)際工程。

1.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在荷載和銹蝕耦合作用下試驗(yàn)

荷載和銹蝕耦合的試驗(yàn)方法可以分為三大類。第一類，先進(jìn)行銹蝕（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸鹽侵蝕、凍融循環(huán)等等），再進(jìn)行承載力等試驗(yàn)內(nèi)容，兩步互相分離，與實(shí)際出入較大。第二類，構(gòu)件在加恒載（極限承載力的30%左右）的基礎(chǔ)上同時(shí)進(jìn)行銹蝕（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸鹽侵蝕、凍融循環(huán)等等），銹蝕等作用完成后卸去恒載，再進(jìn)行承載力等試驗(yàn)內(nèi)容，這樣的方法比較接近實(shí)際工程，該方法是目前的試驗(yàn)研究經(jīng)常采用的試驗(yàn)方法。第三類，構(gòu)件在加恒載（極限承載力的30%左右）的基礎(chǔ)上同時(shí)進(jìn)行銹蝕（或其他的一些劣化作用如碳化、硫酸鹽侵蝕、凍融循環(huán)等等），銹蝕等作用完成后不卸載，直接進(jìn)行承載力等試驗(yàn)內(nèi)容，該方法可以一直持有恒荷載，更加接近于實(shí)際工程，也是該類試驗(yàn)的趨勢。

上述三種方法在銹蝕構(gòu)件的試驗(yàn)中都有采用，長沙理工大學(xué)學(xué)者做了拱結(jié)構(gòu)的銹蝕試驗(yàn)，其試驗(yàn)方法為先進(jìn)行銹蝕，再進(jìn)行承載力等試驗(yàn)內(nèi)容，恒載的加載方式利用千斤頂和反力架進(jìn)行加載，銹蝕方法為電化學(xué)加速銹蝕；浙江大學(xué)學(xué)者也進(jìn)行了荷載和銹蝕耦合作用下的試驗(yàn)，其試驗(yàn)方法也為第二類方法，加載方式為利用鋼板、螺桿、螺母和鋼支座，采用兩點(diǎn)對稱的加載方案，恒載的施加主要靠擰緊螺母使得構(gòu)件和鋼板及鋼支座產(chǎn)生的反力，銹蝕方法為“電滲-恒電流-干濕循環(huán)”，該銹蝕方法具體步驟為：首先，在恒定電壓下進(jìn)行電滲，使氯離子到達(dá)鋼筋表面，由于混凝土材料的不均勻性，氯離子在鋼筋表面的濃度也不均勻，可以模擬實(shí)際鋼筋的不均勻銹蝕.然后在恒定電流下通電加速銹蝕，同時(shí)對試驗(yàn)梁進(jìn)行干濕循環(huán)處理；浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)者進(jìn)行的荷載和銹蝕耦合試驗(yàn)，其加載方式為千斤頂和反力架加載，銹蝕是在人工環(huán)境箱中進(jìn)行，利用高溫高濕的環(huán)境，并采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鹽霧從上部向下噴灑，以達(dá)到加速腐蝕的效果。設(shè)置的噴霧腐蝕時(shí)間為2h，干燥腐蝕46h。四個(gè)氣候環(huán)境依次循環(huán)，經(jīng)歷的四個(gè)氣候環(huán)境后相當(dāng)于為一個(gè)大循環(huán)（8d，相當(dāng)于自然時(shí)間1年）。該實(shí)驗(yàn)方法更接近于暴露在自然環(huán)境下進(jìn)行銹蝕的實(shí)際工程構(gòu)件，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也更加值得信任。

2 關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在荷載和銹蝕耦合作用下試驗(yàn)建議

雖然近年來對鋼筋混凝土銹蝕構(gòu)件力學(xué)性能研究的試驗(yàn)越來越多，但是很多試驗(yàn)其試驗(yàn)方法并沒有體現(xiàn)出革新。試驗(yàn)終究是服務(wù)于實(shí)際工程的，如果試驗(yàn)的內(nèi)容與實(shí)際工程中的情況相差甚遠(yuǎn)，那試驗(yàn)的意義也將大大降低。

通過對過往試驗(yàn)的總結(jié)，提出以下幾點(diǎn)建議：（1）對加載裝置進(jìn)行革新，目前的加載裝置都比較笨重且恒載施加起來十分的不方便，目前的加載裝置也無法達(dá)到大構(gòu)件的不卸載而繼續(xù)進(jìn)行承載力等試驗(yàn)的目的，為了讓試驗(yàn)更加接近于實(shí)際工程我們可以根據(jù)構(gòu)件的形狀和大小來對加載裝置進(jìn)行訂做，使其不僅滿足恒載保持的需要也可以實(shí)現(xiàn)大構(gòu)件的不卸載而繼續(xù)進(jìn)行承載力等試驗(yàn)的目的；（2）改進(jìn)銹蝕方法，電化學(xué)加速銹蝕雖然可以很快的達(dá)到目標(biāo)銹蝕率但其機(jī)理和銹蝕結(jié)果都與實(shí)際工程相差較多，建議在今后的試驗(yàn)中如果要用電化學(xué)加速銹蝕，有必要設(shè)置一定的修正系數(shù)對結(jié)果進(jìn)行修正。模擬人工環(huán)境加速銹蝕的方法目前采用還不是特別廣泛，我們可以隨著設(shè)備的更新，調(diào)試出更加接近于真實(shí)環(huán)境的環(huán)境參數(shù)，另外模擬人工環(huán)境銹蝕的方法，試驗(yàn)周期也是必須考慮的問題，一般情形下模擬人工銹蝕的試驗(yàn)周期都較長；（3）目前考慮雙因素耦合作用下的影響的試驗(yàn)較多，但是實(shí)際工程中的鋼筋混凝土構(gòu)件普遍都是在多因素復(fù)雜耦合狀態(tài)下進(jìn)行服役的，所以今后的研究方向也是多因素耦合作用下鋼筋混凝土的承載力試驗(yàn)，梳理多因素之間的系數(shù)指標(biāo)和影響程度，做好理論方面的研究，為試驗(yàn)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，對于試驗(yàn)方法和裝置的革新也勢在必行。本文通過資料的調(diào)研梳理了當(dāng)前研究水平荷載和銹蝕耦合作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，從銹蝕方法、恒載加載方法、荷載和銹蝕耦合試驗(yàn)方法三個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)了該類試驗(yàn)的發(fā)展和現(xiàn)狀，并給出了相應(yīng)的建議，為以后的研究趨勢做了一個(gè)初步的探索，表明多因素耦合作用的研究是今后該類試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。

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