锈蚀程度对钢筋性能的影响

1、中文翻译锈蚀程度对钢筋性能的影响摘要本论文报告是一项评估钢筋锈蚀程度对其力学性能的影响的研究成果。用钢筋混凝土试样中分离的一些6mm和12mn已经锈蚀的钢筋在拉力作用下进行测试。 结果表明，当用实际截面面积计算时，钢筋锈蚀的程度并不影响其抗拉强度。 然 而，即使用公称直径来计算，当6mm和12mm勺钢筋的锈蚀程度分别为11%和24% 时抗拉强度还是小于 ASTM A 615要求的600MPa此外，锈蚀程度大于12%的钢 筋会出现脆性破坏。1. 引言钢筋混凝土建筑有效使用寿命的减少主要是由于钢筋的锈蚀， 这引起全球建 筑业的关注，修复和改造损坏的混凝土建筑耗费了相当多的资源。 据估计在美国 修复

2、和改造高速公路需要200多亿美元，在英国修复道路桥梁需要6亿多英镑。在 其他国家修复和改造钢筋混凝土建筑的花费的记录也不是很好， 但毫无疑问，相 当大的资源无疑是分配给了恢复变坏的混凝土建筑的有效使用寿命上面。在正常情况下，混凝土保护钢筋，密实的、相对不透水的混凝土结构提供了 物理保护，而高碱度的孔隙溶液提供了化学保护。水泥里的碱性化合物，主要是 钙和部分碳酸钾和钠，构成了高碱度(pH > 13.5)的孔隙溶液。在这种高pH值下， 钢筋在氧气里可能是由于形成微观 丫 -Fe2O3薄膜而钝化。Hime和Erlin提出钢筋 表面钝化层可能有除了 丫 -Fe2O3以外的合成物。根据记录，钢筋混

3、凝土的接触面富含的石灰层为钢筋提供了进一步的保护。 这被Leek和Poole证实，他们报告了接触面层由被水化硅酸钙(C-S-H)凝胶里的物 质分解的变厚度(5- 15卩m)的氢氧钙石Ca(OH)2自由聚合物组成。这一层由于侵 蚀性离子的直接出入并作为增碱剂缓冲由于钢筋锈蚀产物的水解所降低的pH值而被认为保护了钢筋的表面。据Sagoe-Crentsil和Glasser所说，Ca(OH)2和C-S-H 凝胶形成缓冲对并且他们都易维持高 PHfio钢筋锈蚀是由于氯离子在钢筋表面的扩散或由于混凝土的碳化导致的。钢筋锈蚀和混凝土的后续开裂相比较混凝土的碳化而言更应归结于氯离子在钢筋表 面的扩散。氯化物分

4、解钝化层的许多机理被提出， 如薄膜的化学溶解，薄膜/底层 接触面上累积的金属孔洞等，氧化铁/孔隙溶液接触面的高浓度氯导致了局部酸 化和斑蚀。Leek和Poole基于SEM EDStt行了砂浆棱柱里钢筋钝化膜分解的研究， 证实了氯离子的锈蚀是从破坏薄膜和金属之间的结合开始。不论是什么原因，钢筋混凝土构件中钢筋的锈蚀都会导致混凝土开裂和后续承载力损失。钢筋混凝土构件因钢筋锈蚀引起的承载力降低归根结底是由于混凝土间粘 结力降低的综合效应和/或钢筋的抗拉强度的降低。虽然一些资料可查钢筋锈蚀 对混凝土的粘结强度的影响，但缺乏对钢筋力学性能的影响的研究。Maslehuddin 等人评估了空气锈蚀对钢筋力学

5、性能的影响。 但是应该注意的是空气锈蚀对钢筋力学性能的影响不如他在混凝土中锈蚀的影响强烈。 另外，钢筋锈蚀会引起混凝 土开裂从而影响构件的完整性。钢筋锈蚀的程度以及随后构件承载力的减少需要 被评估以验证混凝土的残余强度并且制定修复方案。本研究的目的在于评估混凝土中钢筋锈蚀的程度与他们的力学性能的关系。2. 实验方案ASTM C 150型水泥做成的钢筋混凝土试件，最大尺寸 19毫米、比重2.64、吸 水率2.3%的碎灰岩作为粗骨料，比重2.64、吸水率0.56%的海滩沙作为细骨料。 所有混凝土混合料中粗细骨料比1.68、水灰比0.45保持不变。准备两组混凝土试 样，第一组样本准备6m直径的钢筋而

6、另一组准备12m直径的钢筋。试样中使用 符合ASTM A 615 G6（要求的螺纹钢筋。浇铸过后混凝土试样养护28天，外加2mA/cm的阳极电流以加速钢筋锈蚀。 这是一个整合系统，通过一个直流整流器和一个内置电流计来监控电流和一个分 压计控制电流强度来完成。混凝土试样部分浸在一个盛有5%氯化钠溶液的玻璃槽 内以确保便钢筋在液面以上。选择这种类型的装置是确保形成的锈蚀产物不被冲 走且混凝土试样出现开裂。调整电流方向以便钢筋成为一个正极而一个放在靠近 混凝土试件的不锈钢板作为负极。实验装置示意图如图1所示。为了感应不同程度的钢筋锈蚀，事先建立一个外加电流持续时间与相应的钢筋锈蚀程度之间关系 的校准

7、曲线以传导实际实验。对每一个混凝土试件的供电源定期进行检查，通过调整分压计来调整其漂移。预期的钢筋锈蚀程度从分析校准曲线中阳极电流对应 的持续时间得知。根据ASTM31中 Clark法清测定减少的质量之后，钢 250KN Instron万能试验机至试样开始断裂期间的负图1加速锈蚀实验装置示意图。达到预期锈蚀程度后混凝土试件沿钢筋方向开裂。 理钢筋后即可通过钢筋质量的减少来衡量锈蚀的程度。 筋进行拉伸试验以测试其力学性能。钢筋拉伸试验在 上进行。用一个特制的伸长仪来测定钢筋的伸长值。载和伸长数据使用计算机数据采集系统来记录每个试样生成的数据都绘制成应 力-应变关系图。利用应力-应变关系图来确定屈

8、钢筋服强度和抗拉强度。 拉伸试 验完成以后，测量由于外加荷载引起的伸长，并且按初始长度以百分数表示。选取未锈的和锈蚀的钢筋进行拉伸试验以便于评估钢筋锈蚀程度对抗拉性 能的影响3. 结果与分析3.1锈蚀对钢筋抗拉性能的影响图2和3是为不同锈蚀程度的6毫米直径钢筋的应力-应变曲线。这两组钢 筋的抗拉强度几乎一样。然而,锈蚀率为0.88%的钢筋总伸长值比锈蚀率为13.9%的钢筋的大。表1总结 了不同锈蚀程度的6mr直径钢筋的抗拉强度。这些数据表明，随着钢筋锈蚀程度 提高钢筋的有效承载能力会降低。由于钢筋截面变小对净抗拉强度有些许影响。 图4显示了 6mr直径钢筋不同锈蚀程度对应的极限强度。未锈钢筋和

9、那些锈蚀率为 75%勺钢筋极限强度分别为796和741 MPa还应注意的是即使由于钢筋锈蚀造成钢筋劣化但是依照 ASTMK 615他们的抗 拉强度依然超过600 MPa表1也显示了用公称直径即6m计算的钢筋的抗拉强度。 当钢筋的锈蚀率达到11.6%及以上时，使用这种标准钢筋的抗拉强度会降到 ASTM A 615的600MP标准以下。800 _ 一 二 _700-100_0 010.04Q.060.0B0 100.12 Q.MStriin (mm/mm)Strain图3锈蚀率为13.9%的6m直径钢筋的应力-应变曲线 表1试件#锈蚀率(%)平均直径(mm)极限何载(kN)实际拉应力(MPa)名义

10、拉应力(MPa)ST105.921.76796769.0ST205.921.76796769.0ST305.921.76796769.02SAC20.885.8521.01781.7742.82SCB21.105.8020.49775.9724.81SAA11.225.8520.86776.1737.52SAA11.455.8120.53774.5725.82SAA21.455.8921.09774.03745.61SCD11.635.8520.762772.45734.01SCB211.645.2516.521763.2584.02SCA212.3645.1016.75819.95592.2

11、1SAB213.134.814.62808.07517.02SAB213.894.9514.13734.00499.41SAG117.834.9513.05678.20461.42SAG219.404.9515.03780.80531.21SAD124.954.3010.79743.00381.52SCC127.274.159.043668.56319.71SCC128.324.009.281738.90328.12SAH232.023.909.266776.00327.61SCA240.704.1010.156769.00359.01SAI248.254.1010.134767.60358.

12、32SAI275.003.004.877740.80172.2图5和6是典型12mr直径钢筋的应力-应变曲线，锈蚀率分别为11.7%和32.70%。同样，在这组标本中钢筋锈蚀程度未影响极限拉应力。图7所示12m直径钢筋不同锈蚀程度对应的抗拉强度。 这些数据表明，钢筋腐蚀的程度对其抗拉 强度的影响是很微不足道的。例如，未锈钢筋的实际拉应力是760 MP锈蚀率80%的钢筋的实际拉应力是844 MPa表2显示了用公称直径即12m计算的钢筋的抗拉 强度。使用实际截面面积计算的抗拉强度大于 ASTM A 615规定的600MPa然而 使用12mr直径的公称面积计算的抗拉强度小于 A 615规定的锈蚀率为

13、24%及其以 上的钢筋抗拉强度值。表1试件#锈蚀率(%)平均直径(mm)极限何载(kN)实际拉应力(MPa)名义拉应力(MPa)ST105.921.76796769.0ST205.921.76796769.0ST305.921.76796769.02SAC20.885.8521.01781.7742.82SCB21.105.8020.49775.9724.81SAA11.225.8520.86776.1737.52SAA11.455.8120.53774.5725.82SAA21.455.8921.09774.03745.61SCD11.635.8520.762772.45734.01SCB2

14、11.645.2516.521763.2584.02SCA212.3645.1016.75819.95592.21SAB213.134.814.62808.07517.02SAB213.894.9514.13734.00499.41SAG117.834.9513.05678.20461.42SAG219.404.9515.03780.80531.21SAD124.954.3010.79743.00381.52SCC127.274.159.043668.56319.71SCC128.324.009.281738.90328.12SAH232.023.909.266776.00327.61SCA2

15、40.704.1010.156769.00359.01SAI248.254.1010.134767.60358.32SAI275.003.004.877740.80172.2上述结果表明：即使高度腐蚀，以实际截面计算的钢筋抗拉强度也无显著变 化。然而,当钢筋用公称直径来计算的抗拉强度，这些值低于ASTM A 615寸于钢筋锈蚀率为11.6%及其以上的6mr钢筋和锈蚀率为24%及其以上的12毫米钢筋所规 定的600 MPa。另外，钢筋锈蚀程度对其脆性的影响我们将会在后文讨论。 Masle-huddin等人将六种不同规格的钢筋曝露在空气中16个月并得出结论：曝露 在空气中16个月所发生的钢筋锈蚀对

16、其屈服强度和极限抗拉强度的影响是微不 足道的。他们的试验结果表明：随着曝露时间的增长，钢筋的强度会有微弱的提 高亦或是没有改变。然而，在他们的试验中，钢筋的公称直径是用来计算屈服强 度和抗拉强度。Aldridge等人将符合ASTM350 - 56T的各种规格的钢筋曝露在三 种不同腐蚀环境条件中，即普通室外，100%相对湿度的潮湿房间和模拟的海水喷 淋，曝露时间各不相同，有的长达12个月。他们的研究表明，室内和室外锈蚀钢 筋的抗拉强度不受表面腐蚀程度影响，而经过3个月海水锈蚀的钢筋极限抗拉强-££J EE*ell 各制上 sJJwnwn图4 6mn直径钢筋不同锈蚀程度对应的抗

17、拉强度1000020 040.06 Q.0B 0 |00.120 14Strain mm/mm)图5锈蚀率为11.7%的12m钢筋的应力-应变曲线tddx)200_I I1|r00.Q20 040 06 O.OB 0.100J20 14Stnin (mmtmm)图6锈蚀率为32.7%的12m钢筋的应力-应变曲线900图7 12mn直径钢筋不同锈蚀程度对应的抗拉强度Uomoto等人评估了从建筑中获取的锈蚀钢筋的抗拉强度。他们的研究表明， 锈蚀钢筋屈服强度和极限强度范围为未锈钢筋的90 - 95%另外，Uomoto和Misra对从梁、柱获取的锈蚀钢筋进行了强度试验， 这些试件曝露在海洋环境中时间长

18、 短不一。他们报告称钢筋的屈服强度和极限强度钢筋降低的范围为原始钢筋的 5%-10%表2 12mn直径钢筋的抗拉强度ndz一 EEEL 占上缶怎上5 曇 EE45试件#锈蚀率(%)平均直径(mm)极限何载(kN)实际拉应力(MPa)名义拉应力(MPa)1PCCT011.7582.38759.72728.12PCCT011.7582.25758.5727.03PCCT011.7081.58758.8721.01PCC2.1111.6380.52757.97711.72PAG2.6911.7582.12757.3725.82PCD3.3711.7081.31756.3718.72PAH3.9311

19、.7181.34757.5719.21PAG4.011.7081.68753.9722.02PAE4.7811.7181.11753.3716.91PAH5.0911.6780.36751.29710.31PAE5.6811.7080.96753.0715.62PFD6.6011.5878.66746.7695.21PFE7.8011.4476.61745.32677.11PCA11.7211.1071.94743.42635.82PFF12.2911.0074.32782.00656.92PCA15.6510.5069.88807.0617.61PAC20.5510.5069.45802.0

20、613.81PAD24.010.2064.27786.0568.01PCB24.010.0559.33748.0524.42PAD25.6510.0560.5762.0534.71PAJ32.659.3554.70796.8483.51PAB39.508.6047.34815.0418.41PAA48.257.3033.68816.0297.71PCD51.007.9040.00816.0353.51PAF60.707.4529.36673.0259.52PAA80.004.513.43844.0118.732受锈蚀影响的钢筋的破坏形式图8显示了不同锈蚀率的6m直径钢筋载荷-伸长曲线。这种比较

21、表明，随着 锈蚀程度的增加，相应的钢筋破坏之前的伸长减少。 在这个系统模式下，随着锈 蚀，相比未锈钢筋而言锈蚀钢筋少量屈服应变便会破坏， 这表明在它们最终破坏 之前有大量的屈服。这表明钢筋锈蚀增加脆性。图8不同腐蚀率的6mr直径钢筋荷载-伸长曲线锈蚀率为12.6%及其以上的钢筋显示其脆性特征。另外，锈蚀率为12%及其以 上的钢筋的伸长率通常小于ASTM 615勺规定，即9%图9所示随着钢筋的锈蚀对 其外形的影响。可见随着锈蚀度超过40%相对的一小段长度的钢筋会变细，从 而证明了随着钢筋锈蚀有形成缺口的趋势。 图10和 11所示为几个缺口比较严重的 钢筋，锈蚀率分别为75唏口80%这种优先锈蚀的特点是：高浓度氯化物或混凝土 破裂的情况或氯离子和氧气可接触钢筋表面的特殊环境的蜂窝楼板。优先锈蚀导致一小段长度的钢筋变细造成的影响是局部钢筋截面面积明显减少，因此降低了钢筋承载力。优先锈蚀和缺口的形成也不同，由图8可见钢筋载荷变形的特点。当钢筋有缺口或者局部有杂质的截面受拉时， 缺口会发生应力集中，在破坏时整 体拉力会低于未锈钢筋。因此，随着缺口变得更深，缺口位置的应力集中会逐渐 增强，钢筋也会更加体现出脆性。图9锈蚀对钢筋外形的影响图10钢筋锈蚀率达到75%寸其外形的影响图11钢筋锈蚀率达到80%寸其外形的影响上