荷载对混凝土中钢筋腐蚀影响的研究进展.pdf
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1、2 0 1 4 年 第 4 期 (总 第 2 9 4 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0R ET I CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 4 0 0 3 荷载对混凝土中钢筋腐蚀影响的研究进展 刘浩 a ,蒋林华 a -一 ,游渌琴 a ,王永亮 a ,朱承龙 a ,李炜 a ,刘蓉 a ( 河海大学 a 力学与材料学院;b 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江
2、苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要 : 实际结构往往承受各种荷载的作用, 考虑荷载对混凝土结构耐久性的影 响是非常必要的。 钢筋锈蚀是影响混凝土耐久 性的重要因素之一 , 研究荷载对钢筋腐蚀的影响对探究服役下钢筋混凝土结构耐久性问题有重要意义。 综述了荷载及荷载与其他 因素耦合作用对混凝土中钢筋腐蚀的研究进展 , 总结 了现有的考虑荷载影响的钢筋锈蚀模型, 并结合当前研究存在的问题进行 了总结和展望。 关键词 : 钢筋混凝土;耐久性 ;钢筋腐蚀;荷载 ;耦合作用 中图分类号 : T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1
3、4 ) 0 4 0 0 0 9 0 4 Re s e a r c h p r o g r e s s o n e ffe c t o f l oa d i n g on s t e e l c o r r os i on i n c o n c r e t e LI UHa oa , J I ANG Li n hu a ,YOULu c h e n , WANG Yo n gl i a n ga , ZHU Che n g l o n ga , LI We i , LI URo n g ( a C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e r
4、i a l s , H o h a i U n i v e r s i t y ; b S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r o l o g y - Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y dra u l i c E n g i n e e r i n g , H o h a i U n i v e r s i t y , Na n j i n g 2 1 0 0 9 8 , C h i n a ) Ab s t r a ct: T a k i n g t h e e ff e c t s o f l
5、o a d i n t h e s t u d y o f t h e d ura b i l i ty o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n t o c o n s i d e r a t i o n i s v e r y e s s e n t i a l , b e c a u s e s t r u c t u r e s a l wa ys s uffe r f r om ma ny for c e s Th e c o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g s t e e l s i n
6、c o nc r e t e i s o ne o f t h e v i tal r e a s o n f o r the d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e d ura b i l i ty I t i s o f s i g n i f i c anc e t o s t u d y t h e i n fl u e n c e o f l o a d i n g o n s t e e l c o rr o s i o n for t h e d u r a b i l i ty o f e x i s t i n g RC s
7、 t r u c t u r e s T h i s pa pe r r e v i e ws pr e v i o u s s t u d i e s c a r r i e d o ut t o i n ve s t i g a t e the e ffe c t s of l o a d an d s i mul t a n e o us l o a d an d ot h e r f a c t o r s o n the b a r c o r r o s i o n i n c o nc r e t e So me e xi s t i n g bar c o r r o s i
8、o n mo d e l s are a l s o c o n c l u de d Ac c o r d i ng t o i s s u e s i n the c u r r e n t r e s e arc h, t h e t r e n ds a n d p r o s p e c t s are p r e s e n t e d fi na l l y K e y wor d s : r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; d ura b i l i ty; s t e e l c o r r o s i o n; l o a d i n
9、 g ; c o u p l e a c t i o n 0 引言 包括混凝土碳化 、 氯盐侵蚀 、 碱集 料反应 、 冻融循环 、 钢筋锈蚀 等在 内的混 凝土结 构耐久性问题是 当今土木工 程领域 内的研究热点和重点 1 】 。 作为影响钢筋混凝 土结构 耐久性的重要 因素 的钢筋腐蚀 , 给人类 造成安全事故和经 济损失 , 并 由此引起 已经国内外广泛关注。 1 9 6 0 年 , 国际材 料与结构研究试验联合会成立了“ 混凝土 中钢筋腐蚀 ” 技术 委员会 ; 1 9 9 1 年 , Me t h a 2 在第 二届 国际混凝土耐久性会议 上 , 明确指 出钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土耐
10、久性的首要 因 素 ; 自 2 0世纪 6 0年代 , 以南京水科 院为代 表的 中国科研 单位便开始 了关于钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀 的研究。 钢筋锈蚀是指氯离子侵入等原因, 引起钢筋表面的钝 化膜破坏 , 导致钢筋发生锈蚀 , 进而造成结构破坏的现象四 。 影响混凝土 中的钢筋锈蚀 因素十分复杂 , 主要包括混凝土 自身结构特性 ( 密实度 、 保护层厚度 、 裂缝 ) 、 钢筋 一 混凝土 界面特性和外界环境 ( 温度 、 湿度 、 离子浓 度 、 外荷载 ) 等 。 针对不承受荷载作用的钢筋混凝土构件, 国内外学者做了 较多的研究 。 而考虑到工程构件是在荷载作用下工作的 实际情况 ,
11、 研究荷载作用及荷载与其他因素耦合作用对混 凝土 中钢筋锈蚀的影 响更具工程价值和现实意义。 1 荷载单独作用的影响 顾绳仁网 通过天津港码头破坏情况调查 , 从钢筋锈蚀 机理 出发 , 指 出荷 载对钢 筋锈蚀 速度的影 响 : 钢筋锈蚀 速 度与构件 承受菏载的大小 和持续时间有关 , 荷载会加速钢 筋锈 蚀破坏 过程 , 而且 荷载愈大 、 愈持久 , 锈蚀 破坏则 愈 快 ; 相反 , 限制荷载则可以降低钢筋锈蚀速度。 F r a n c o i s , A r l i g u i e t 研究了 1 5 0 mmx 2 8 0 m mx 3 0 0 0 n l n l 的钢筋混凝 土
12、梁在 3点弯曲荷载作用下 的钢筋腐蚀 , 定性 地指出: 荷载对钢筋腐蚀有重要影响。 Y o o n等 采用 1 0 0 mmx 1 5 0 m mx 1 1 7 0 n l n l 的钢筋混 凝土试件 , 研究了试件在早期负荷后卸载、 持续 4 点弯曲 荷载( 分别为极限荷载的O 、 2 0 、 4 5 、 6 0 、 7 5 ) 作用下, 钢筋在 5 氯化钠溶液加速腐蚀下的锈蚀行为。 试验结果 显示: 与其他情形相比, 早期负载至4 5 、 7 5 的钢筋混凝 收稿 日期 :2 0 1 3 1 0 1 9 基金项目:国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 1 6 7 、 5 1
13、 2 7 8 1 6 8 ) ; 江苏省普通高校研究生科研创新计划项 目( C X Z Z 1 2 0 2 3 8 ) 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土梁钢筋腐蚀开始时间较短 , 分别为 4 , 2 d ; 在梁承受 0 , 4 5 、 7 5 持续荷载 3 0 d 后 , 腐蚀开始时间分别 为 0 、 1 0 、 3 d 。 结 果表明 : 承受高荷载 ( 不管是早期负载后卸载 , 还是持续荷 载 ) 的钢筋混凝土构件有较高的腐蚀 率 ; 由于试件裂缝较 宽 , 承受持续荷 载的构件比早期负载后卸载的构件的腐蚀 更严重。 B a l l i m, R e
14、 i d E o J x ,t 1 0 0 m mx l 6 0 mmx 1 5 5 0 mm钢筋混凝 土试件施加 4 点弯曲荷载( 大小为极限荷载的 2 3 、 3 4 ) , 研 究 了荷载作用下 钢筋混 凝土梁在 3 N a C 1 溶液加速腐蚀 下 的腐蚀和变形行为。 结果表 明: 承受较大荷载的试件 的钢 筋锈蚀率 比同条件下低荷载的试件更高。 何世钦等 对 1 2 0 mmx 2 0 0 mmx 1 7 0 0 mm的一 系列 钢筋混凝 土梁施加 4点弯曲持续荷载( 分别为极限荷载的 2 5 、 4 5 、 6 5 ) , 并采用 3 5 盐水加速腐蚀 , 分别用理论 计算和实测方
15、法确定梁中纵 向受拉钢筋最终锈蚀率 。 通过 对持续荷载作用下锈蚀 梁 、 加 载后卸载锈蚀梁 、 持续加载 不锈蚀梁和未施加荷载参考梁的对 比试 验 , 研究不 同荷载 作用对钢筋混凝土梁中钢筋锈蚀及梁变形性能和剩余 承 载力的影响。 结果表明 : 荷载对钢筋锈蚀有 明显影 响, 荷载 作用使梁锈蚀加速; 施加持续荷载梁的钢筋锈蚀不均匀 , 存 在坑蚀现象 , 特别是对有预制裂缝梁 , 锈蚀不均匀现象严 重 , 出现 了钢筋被拉断的情况 , 而预加载后卸载梁的钢筋 锈蚀相对均匀 。 E 1 Ma a d d a w y等口 3 0 0 作 8 组 1 5 2 m mx 2 5 4 m mx
16、3 2 0 0 m i l l 的钢筋混凝土梁, 4组不 承受荷载 、 4 组承受 6 0 的极限荷 载( 4点弯曲) , 研究荷载对钢筋混凝土构件长期性 能的影 响 。 得出 : 当钢筋质量损失 2 0 时 , 两种 梁的锈蚀量基本相当。 试验结果表明 : 承受荷载的水平对钢 筋混凝土构件中钢筋的总体锈蚀率没有影响 。 张俊芝等 4 _ 采用 1 2 0 m mx 2 4 0 mm x 2 4 0 0 mm钢筋混 凝 土梁 , 控制荷载量为混凝土梁理论极限承载力的 1 5 进 行 2 点加载。 在人工模拟气候环境( 5 的盐雾加速腐蚀 ) 试 验室 , 模拟计算 了受压区的混凝土中氯离子的扩
17、散系数 , 预 测 了钢筋混凝土梁 中钢筋 的初始锈蚀时间 , 并对 比分析 了 在相 同环境 因素 、 相 同配合 比、 相同腐蚀 时间下 的无荷载 作用时和荷载作用下的混凝土氯离子的扩散系数 , 研究 了 荷载因素对钢筋初始锈蚀时间的影 响。 指 出: 混凝土构件受 压产生的压应力使混凝土中的毛细孔受到压缩 , 限制了微 裂缝的出现 , 从而使氯化物通过毛细孑 L 进行渗透变得更困 难, 在一定程度上抑制了氯离子在混凝土中的渗透和扩散, 渗入到混凝土 中的氯 离子浓度也随之减少 。 结果表明 : 相 同保护层厚度的构件, 混凝土中的钢筋初始锈蚀时间随着 压应力 的增加而延长 ; 相同腐蚀
18、时间的试验梁 , 纯弯 曲段 受压区钢筋初始锈蚀时间都比无荷载( 及近支座处上侧) 的 长 , 而受拉区钢筋初锈时间均 比无荷载( 及近支座处上侧 ) 的初锈时间短 。 Ma l u mb e l a 等 一 对持续荷载作用下 的钢筋混凝土构 件 的钢筋腐蚀行为的研究进行归纳及展望的同时 , 也做 了 1 0 比较 系统 的研究 。 对 1 5 3 mmx 2 5 4 m mx 3 0 0 0 mm钢筋混凝 土梁施加零 荷载 ( 0 ) 、 低荷 载( 1 ) 、 高荷载 ( 8 及 1 2 ) 3 种弯 曲荷 载, 按照混凝土开裂前 、 混凝土开裂后两个 阶段 , 比较 了受载与非受载钢筋混
19、凝土梁性能的影响 , 试件采用 3 N a C 1 溶液加速钢筋腐蚀。 试验结果表明: 虽然持续荷载 对钢筋混凝土梁挠度等性能有显著影响, 但是对钢筋腐蚀 速率的影响很小 。 滕海文等 8 1 对 3根 2 0 0 m mx 1 5 0 m mx l 5 0 0 mm钢 筋 混凝 土梁 进行应 力 比为 0 、 0 2 、 0 4的持续静载试验后 , 称 重法测量梁 内每根主筋的平均质量锈蚀率 , 对比不 同应力 比下钢筋混凝土梁锈蚀量 , 研究荷载对钢筋混凝土结构中 钢筋锈蚀及钢筋 混凝土梁承载力 的影 响, 试验采用 5 的 N a C 1 溶液加速锈蚀 。 试验结果表明 : 钢筋在负荷情
20、况下的 加速锈蚀比在同等条件下不负荷锈蚀更严重; 应力比对钢 筋锈蚀及钢筋土梁承载力有影 响 , 应 力 比越 大 , 钢筋锈蚀 就越严重 , 梁 出现裂缝时的承载力及极限承载力越小。 2 荷载与其他因素耦合作用的影响 考虑到钢筋混凝土结构一般会受到多种 因素耦合作 用 , 单一 因素下 的耐久性研究很难真实地反 映钢筋混凝土 在服役条 件下的劣化行为 。 因多种 因素耦 合作用 的复杂 性 , 荷载与其他 因素耦合作用对混凝土中钢筋 的腐蚀研究 还 比较少。 贡金鑫等 9 1对 1 2 0 m mx 2 0 0 mmx l 7 0 0 的钢筋混凝 土梁试件 通过 4 点弯 曲方式加载 , 根
21、据“ 钢筋表面的 电位 差越大 , 腐蚀速度越快 ; 测定的电位越负 , 腐蚀 的可能性及 腐蚀程度越大 ” 的原理 , 测定 了空气 、 淡水环境和盐水 ( 模 拟海水 ) 环境 中无荷 载 、 静力荷载 、 高周疲劳荷载所 引起 的 钢筋混凝土梁腐蚀电位 的变化 , 据此分析不 同荷载条件和 环境条件共 同作用下钢筋腐蚀的规律。 结果表明 : 钢筋混凝 土试件 中钢筋 的腐蚀与其所处 的腐蚀环境及施加荷载密 切相关 , 且不 同的腐蚀环境和荷载作用组合 , 耦合作用的 效果不 同。 施加荷载较不施加荷载的腐蚀过程快 , 施加疲劳 荷载较施加 同幅度静力荷载的试件腐蚀过程快 , 且荷载水 平
22、越高 , 影响越明显 ; 当存 在静力荷载时 , 盐水 环境 中的构 件较淡水环境 中的构件腐蚀快 ; 当存 在疲 劳荷 载时 , 构件 腐蚀速度由慢到快依次是 : 空气环境 、 淡水环境 、 盐水环境 。 王 海超等 采用 4点弯 曲方式对 1 2 0 m mx 2 0 0 mm 1 5 0 0 m m钢筋混凝土梁加载 , 研究 了循环荷载与腐蚀环境 的耦合作用对混凝土梁腐蚀疲劳的影响。 结果表明: 腐蚀 和疲劳的耦合作用加速了钢筋应变的发展, 使承载能力大 幅度降低 。 在腐蚀环境且有循 环荷载作用 的情形 中 , 劣化 发展过程不是单一因素造成 的试验梁构件 劣化 的简单叠 加 , 而是
23、腐蚀疲劳和腐蚀与疲劳的耦合作用造成的。 在相 同应力水平条件下, 预腐蚀后试验构件的锈蚀率高于腐蚀 疲劳试验构件的锈蚀率 , 而腐蚀疲劳试验构件 的钢筋锈蚀 率则很低 。 滕海文等口 模 拟地铁工程结构服役环境( 杂散电流和氯 盐溶液共同作用) , 采用不同加载水平( 0 、 0 2 、 0 4 ) 对 1 5 0 mm x 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 mm x l 5 0 0 mm钢筋混凝土梁加载, 评价了荷载杂散电 流氯盐溶液耦合作用对钢筋混凝土构件内钢筋锈蚀 的影 响。 试验结果表明 : 随着构件加载水平的增加 , 钢筋锈蚀 电流 密度相应
24、增加 , 建立了锈蚀时间与钢筋锈蚀量的定量关系。 施锦杰 , 孙伟 寸 处于氯盐侵蚀环境下、 尺寸为 1 0 0 m i 1 x 1 0 0 m m 4 0 0 mm 的混凝土试件施加 3 点弯曲加载 , 运用了 电化学方法研究了氯盐侵蚀环境 ( 3 5 Na C 1 溶液 ) 和外荷 载耦合作用对加速钢筋腐蚀规律和机理。 试验所用试件包 括普通 混凝 土试件和矿渣取代 2 0 水泥 的高性能混凝 土 试件各 4个( 分别为 2 个加载 、 2 个非加载 ) 。 结果表 明 : 弯 曲荷载作用引发和扩展混凝土内部微裂纹 , 加速氯盐 、 氧气 和水分向钢筋表面的传输 , 从而缩短了钢筋脱钝时间
25、、 增大 了钢筋腐蚀 速度 ; 由于高性能混凝土具有优化 的孔结构 、 部分结合 自由氯离子的能力和对微裂缝 的 自修复作用 , 弯 曲荷载对高性能混凝土内钢筋锈蚀 的作用不甚明显 ; 弯 曲 荷载和氯盐耦合进一步加速 了钢筋 的锈蚀进程 , 明显缩短 了普通混凝土结构 的服役寿命 。 王阵地等 采用 1 0 0 mm 1 0 0 m m 4 0 0 mm 的路用钢 渣矿渣钢筋混凝土试件 , 利用电化学手段测定钢筋的自腐 蚀 电位 、 腐蚀 电流密度和腐 蚀速率 , 研究路用混凝土 中的 钢筋在冻融循环一 氯盐侵蚀一 荷载( F T C L ) 多因素耦合作用 下的锈蚀行为 , 试验采用 3
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