钢筋锈蚀对混凝土抗压强度影响的试验研究

钢筋锈蚀对混凝土抗压强度影响的试验研究
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张喜德　韦树英　彭修宁
(广西大学土木建筑工程学院　南宁　530004)
摘　要:介绍进行钢筋锈蚀量对混凝土抗压强度影响的试验研究。

试验表明,钢筋锈蚀在锈胀开裂前对混凝土的抗
压强度有显著的影响,在锈胀开裂后混凝土的抗压强度有所回升。

关键词:混凝土　锈蚀量　强度
EXPERIMENTA L RESEARCH ON EFFECT OF STEE L BAR CORR OSION ON COMPRESSIVE STRENGTH OF CONCRETE
Zhang X ide W ei Shuying Peng X iuning
(C ollege of Civil and Architectural Engineering ,G uangxi University Nanning 530004)
Abstract :This paper introduces a experiment research on the effect of steel bar corrosion on concrete com pressive strength.The experiment
shows that the corrosion of steel bar gives a notable effect on the com pressive strength of concrete before it is cracked by the expansion of corrosion ,and the strength rises again a little bit after the cracks.
K eyw ords :concrete am ount of corrosion strength
3广西科学基金资助项目(桂科基0156021)。

第一作者:张喜德　男　1963年10月出生　博士　高级工程师收稿日期:2002-11-10
混凝土中钢筋锈蚀后,将导致钢筋混凝土构件
产生三种损伤,一是钢筋的锈蚀使其本身受力性能降低;二是锈蚀后混凝土与钢筋间的粘结力降低;三是锈胀应力使混凝土截面性能损伤,包括两方面,一方面锈胀应力使混凝土开裂或剥落,从而混凝土截面减损,构件承载力降低,另一方面,在钢筋锈蚀发生于混凝土受压区时,混凝土截面承受的轴向压应力与钢筋锈胀应力的组合,使混凝土处于双向异号应力状态。

这往往发生在钢筋锈蚀量很小,混凝土尚未开裂时,混凝土在这种应力状态下其抗压强度会降低。

在目前的混凝土耐久性研究中,对前两种损伤以及第三种损伤的第一方面已进行了较多的研究,而对第三种损伤的第二方面的研究进行得较少。

混凝土在双向异号应力状态下,其抗压强度会随拉应力的增加而显著降低,其刚度也会随之降低
[1]。

在钢筋混凝土结构中,混凝土受压区布置有受压钢筋,尤其是受压构件、按双筋截面设计的受弯构件以及承受双向内力作用的构件,这些构件的受压区均布置有大量的受压钢筋。

刚度的降低会增加混凝土的变形,降低抗震性能,因此,研究混凝土受压区钢筋锈胀对混凝土构件性能的影响是很有必要的。

本文介绍一项钢筋锈胀应力对混凝土抗压强度影响的试验成果。

1　试验设计
111　试件制作
试件为边长100mm 的立方体试块,在试块中央埋置一根长为80mm 、直径为20mm 的钢筋,钢筋端部焊有导线,如图1所示。

混凝土设计强度等级为C20,钢筋为Ⅱ级,混凝土配合比为:水泥∶砂∶石∶水=1∶2151∶4127∶0165,骨料采用粒径为5～20mm 的碎石,水泥为P.O 4215普通硅酸盐水泥,在混凝土中掺水泥用量5%的CaCl 2,试件用100mm ×100mm ×100mm 试模制作,试件浇注拆模后,置于温度为(20
±5)℃、相对湿度为95%以上的养护室内养护28d 。

共制作试件30个,其中20个进行加速锈蚀,10
个不
1-钢筋;2-混凝土;3-导线;4-压力方向
图1　试件设计
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Industrial C onstruction 2003,V ol 133,N o 13
工业建筑　2003年第33卷第3期
进行加速锈蚀,另外制作6个普通混凝土试块,用于测试混凝土强度。

在试件制作前,将切割好的钢筋两端去毛刺,焊接导线,用12%盐酸清洗铁锈,再用清水清洗干净,然后用石灰水中和,最后用清水清洗干净,擦干置于干燥箱干燥6h ,然后用精度为1d 的电子秤称量每根钢筋的重量,把称量好的钢筋置于干燥室待用。

112　试验步骤
1)在试件达到龄期后,将试件从养护室取出,在自然环境下干燥1周,然后在试件上下面涂环氧封闭(防止钢筋端部过早锈蚀),同时对普通混凝土试块进行压力试验。

2)对试件内钢筋进行加速锈蚀,采用直流稳压稳流电源作为加速锈蚀电源,阴极采用铜板,阳极连接于与试件中钢筋相连的导线,电解液采用5%CaCl 2溶液。

第一个试件先加速锈蚀到混凝土开裂,
根据所需的时间将余下的试件分为5个时间段进行加速锈蚀。

3)将加速锈蚀后的试件在自然环境下干燥24h 。

试验前,为了减少试验机承压面的套箍力,在试件承压面涂上润滑油,然后在压力试验机上进行抗压强度试验。

4)从试验后的试件中取出钢筋(含导线),按与试件制作时相同的方法清除锈层,然后称量锈蚀后的重量。

2　试验结果
试验结果如表1、表2所示。

表1中混凝土的开裂宽度不完全是初裂宽度,锈蚀量的测量方法有失重法、钢筋直径减损法等,考虑到变形钢筋的直径与表面积不容易准确测量,本试验采用失重法,并换算为相对锈蚀量作为计算钢筋锈蚀量的指标。

表1　钢筋锈蚀后混凝土抗压强度试验结果
试件编号
相对锈蚀量Π%
混凝土强度ΠMPa
试件状态10.22480227.5未裂
20.33048222.2未裂30.35569323.4未裂40.35660719.9未裂
50.46282624.1开裂0102mm
60.46967524.5未裂70.49879624.3未裂80.51458725.6未裂90.53486726.0未裂100.58735124.0未裂110.59886321.5未裂120.72717519.1未裂
130.73635825.3开裂0102mm 140.81396324.8未裂
150.98616236.5开裂0106mm 16 2.40945630.0开裂0112mm 17 2.54754331.6开裂0112mm 18 2.59090931.9开裂0112mm 19 4.20652130.3开裂0120mm 20
5.808903
34.5
开裂0123
mm
表2　钢筋锈蚀前混凝土强度
试件编号12345678910平均值
混凝土强度ΠMPa
31.3
30.7
32.4
32.4
29.7
29.9
30.6
33.6
28.2
32.6
31.1
3　试验结果分析
表1与表2对比可知,锈蚀后但未开裂的试件,抗压强度比锈蚀前混凝土的抗压强度明显降低,平均下降了2517%,在开裂时的钢筋锈蚀量很小,一般小于1%,当锈蚀接近或超过1%,混凝土就有可能开裂。

图2为混凝土开裂前的钢筋锈蚀量与混凝土强度的散点图,混凝土抗压强度随锈蚀量增加呈下降趋势,但很缓慢,基本符合双向异号应力状态下的混凝土受力特点,但与K upfer 的结果有很大的不同,在K upfer 的一轴受压、一轴受拉的试验结果中,
混凝土强度随拉应力的增加而急剧下降[2]。

在本试验中,在混凝土开裂前抗压强度随锈蚀量的增加而下降是很缓慢的,且在接近开裂时,混凝土的强度并不接近零,原因之一可能是钢筋锈胀在混凝土中产生的拉应力是不均匀的,一般是靠近钢筋的混凝土的拉应力较大,外边缘的应力相对较小,这样外边缘
的混凝土对中心部分的混凝土有一定的约束作用,缓解了双向异号应力状态的作用;另外的原因是在混凝土开裂后,被裂缝分为小柱体的试件仍有很大的抗压强度,因此,试验结果的下限值接近于小柱体的抗压强度。

▲锈蚀后混凝土强度;●锈蚀前混凝土平均强度图2　未开裂试件锈蚀量与混凝土强度关系散点图
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工业建筑　2003年第33卷第3期
▲开裂前;■开裂后
图3　锈蚀开裂前与开裂后混凝土抗压强度散点图
钢筋相对锈蚀量在1%左右时混凝土开始胀
裂,初裂的裂缝宽度一般为0102mm 。

图3将锈蚀开裂后混凝土抗压强度与开裂前的散点绘在一起,可以看出,开裂后的混凝土抗压强度有所回升,原因是开裂后拉应力得到了部分释放,裂缝虽然把试件分为较小的柱体,但各柱体仍然完整,其单向抗压强度仍然很高,与表2中的数据对比,开裂后的混凝土抗压强度平均值为28161MPa ,与未锈蚀的混凝土平均抗压强度3111MPa 相近,仅下降8%。

4　结论与讨论
该试验可得出如下结论:
1)混凝土开裂前钢筋的锈蚀量很小,一般低于1%,与以往的试验结果是一致的。

2)在混凝土开裂前,锈蚀使抗压强度明显下降。

本试验中,混凝土的抗压强度平均下降了2517%。

3)混凝土锈胀开裂后,其抗压强度有所回升。

本试验结果中,开裂后的混凝土抗压强度仅下降8%。

4)试验结果表明,混凝土抗压强度下降峰值不是发生在混凝土胀裂后,而是发生在锈蚀开始至混凝土胀裂前的时间内。

根据试验结果,钢筋在开始锈蚀至混凝土开裂的一段时间内对混凝土的抗压强度的影响是不可忽视的,在混凝土开裂后,由于截面减损,也会导致构件承载力下降,但混凝土抗压强度有所回升,因此,可能出现混凝土开裂后的抗压承载力比开裂前的还要高,这是在确定混凝土耐久性极限状态时需要考虑的问题。

由于在实际混凝土结构中,受压钢筋位于截面边缘,锈胀应力只产生于钢筋周围的混凝土局部范围内,因此,确定锈胀产生的拉应力分布及其影响范围是今后需进一步研究的课题。

参考文献
1　R oberto Capozucca ,Cerrfi M Nilde.Identification of Damage in Rein 2
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2　沈聚敏,王传志,江见鲸.钢筋混凝土有限元与板壳极限分析.北
京:清华大学出版社,19933　吴荫顺,等.腐蚀试验方法与防腐蚀检测技术.北京:化学工业出
版社,1996
(上接第28页)517　二期公建发展区
随着二期园区主轴建设的延展,主轴终端顺应地形等高线环形布置公建和绿化,形成主轴端景,成为园区生态建筑景观。

不仅与东南角园区次入口联系方便,也最终完成了园区公共中心沿主轴发展的整体格局。

图3　科技园规划鸟瞰
6　结束语
交大科技园规划的主题为:倡导科技、以人为
本、尊重自然、持续发展。

创新环境和人文精神是我们关于大学科技园规划设计的出发点和终结。

如何在物质与精神上体现、满足和促进创新环境的形成,是课题研究的核心。

本着技术与人文相结合,人与自然相结合,理性与浪漫相结合的思想,将城市规划、城市设计与建筑设计、景园设计相融合,进行综合规划设计,力求创造个性鲜明、独具特色的大学科技园形象特征。

参考文献
1　曹亮功,谷　建.“浮岛”之构思与规划的实施———《中关村软件园
修建性详细规范》实施方案.北京规划建设,2000(5)
2　尹　稚.21世纪社区建设的典范———《中关村西区修建性详细规
划》实施方案.北京规划建设,2000(6)
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2000(10)
5　俞孔坚.高科技园区景观设计.北京:中国建筑工业出版社,20006　俞孔坚.生命细胞、景观格局与创新网络———中关村生命科学园
规划.城市规划,2001(5)
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钢筋锈蚀对混凝土抗压强度影响的试验研究———张喜德,等。