锈蚀程度对钢筋性能的影响

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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12mm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的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γ-Fe2O3薄膜而钝化。Hime和Erlin提出钢筋表面钝化层可能有除了γ-Fe2O3以外的合成物。

根据记录,钢筋混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(5-15µm)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PH值。

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 / EDS进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6mm直径的钢筋而另一组准备12mm直径的钢筋。试样中使用符合ASTM A 615 G60要求的螺纹钢筋。

浇铸过后混凝土试样养护28天，外加2mA/cm2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。

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。根据ASTM G1中Clark法清理钢筋后即可通过钢筋质量的减少来衡量锈蚀的程度。测定减少的质量之后，钢筋进行拉伸试验以测试其力学性能。钢筋拉伸试验在250KN Instron万能试验机上进行。用一个特制的伸长仪来测定钢筋的伸长值。至试样开始断裂期间的负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6mm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6mm直径钢筋不同锈蚀程度对应的极限强度。未锈钢筋和那些锈蚀率为75%的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ASTM A 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6mm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600MPa标准以下。

图2 锈蚀率为0.88%的6mm直径钢筋的应力-应变曲线