钢筋混凝土锈蚀损伤研究综述.pdf
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1、第 2 9卷第 1期 2 0 0 7年 2月 重 庆 建 筑 大 学 学 报 J o u r n a l o f C h o n g q i n g J i a n z h u U n i v e r s i t y V0 l _ 2 9 No 1 Fe b 2 0 07 钢筋混凝土锈蚀 损伤研究综述 余王 番 王 旦 , 曹大富 , 李琮琦 ( 扬州大学建筑科学与工程学院, 江苏扬州2 2 5 0 0 9 ) 捅 要 : 钢 筋锈蚀 是钢 筋 混凝 土结构 耐久 性 降低 的 主要 因素之 一 。 简要 说 明研 究钢 筋 混凝 土锈蚀 损 伤 的 重4 - 意 义 , 阐述 了钢 筋混 凝
2、土锈 蚀件 损 伤的研 究状 况 。主4 - 从混 凝 土 中锈蚀 钢 筋的 力 学性 能 、 钢 筋锈蚀 引起 的 混 凝 土损 伤 、 锈 蚀 钢 筋 与 混 凝 土 间 粘 结 性 能 和 锈 蚀 钢 筋 混 凝 土 受 弯 构 件 、 受 压 构 4 - - 的 受 力 性 能 、 锈 蚀 钢 筋 混 凝 土 构 4 - - + L 震 性 能 等 方 面 总 结 归 纳 了 国 内外 的研 究现 状 与 成 果 , 并 分 析 了今 后 的 研 究方 向 。 关键 词 : 钢 筋 混凝 土 ; 锈 蚀 ;损伤 ;力 学性能 ; 承 载 力 中图分类号: T U 3 7 5 文献标识码
3、 : A 文章编号: 1 0 0 6 7 3 2 9 ( 2 0 0 7) 0 1 0 1 2 20 4 Re v i e w o f Re s e a r c h o n Da m a g e o f Co r r o d e d Re i n f o r c e d Co nc r e t e Y U F a n j i n g ,C A O D a f u , L I Z o n gq i ( C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , Y a n g z
4、h o u U n i v e r s i t y , Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 9 , P , R C h i n a ) Abs t r a c t :Th e r e s e a r c h r e s u l t s h o ws t h a t t he c o r r o s i o n o f r e i n for c e me n t i S o n e o f t h e d o mi n a t i n g f a c t o r f o r de c r e a s i n g t he d u r a b i l i t y o f r e
5、i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s 。 I n t h i s p a p e r, t he s i g n i fic a n c e o f t h e r e s e a r c h o f c o rro d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s p r e s e n t e d, a n d a n a t t e mp t i s ma d e t o i n t e g r a t e t h e l a t e s t d e v e l o p me n
6、t wi t h r e g a r d t o t h e me c h a ni c a l b e ha v i o r s o f r e i n f o r c e me n t c o rro s i o n,t h e d a ma g e o f c o n c r e t e d u e t o c o rro d e d b ars, b o n d r e l a t i o n s h i p b e t we e n c o rro d e d b ars a n d c o n c r e t e, a s we l l a s t h e l o a d c a
7、p a c i t y o f c o r r o d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e f l e x ur a l me mb e r a n d c o mp r e s s i v e me mb e r a n d t h e s e i s mi c b e h a v i o r o f c o rro d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e e l e me n t 。 An d t h e t r e n d o f i t s de v e l o p me n t i n f u t
8、 u r e i s di s c u s s e d a s we l l 。 Ke y wo r d s:r e i n f o r c e d c o n c r e t e;c o rro s i o n;d a ma g e;me c h a n i c a l b e h a v i o r s;l o a d c a p a c i t y 钢筋锈蚀是影响混凝 土结构 耐久性 的最 主要 因 素。据报导美国 1 9 9 8年度总金属腐蚀造成的损 失为 2 7 5 7亿美元 , 现有桥梁因锈 蚀破坏 造成近 4 5 的 桥梁承载力不足 , 必须修复与加 固 ; 英 国混凝土结 构
9、中有 3 6 需重建或改建 , 每年用于维修 钢筋混凝 土 的费用高达 5 5亿英磅 ; 其它如 日本 、 澳大利亚等发 达国家 的混凝土结构 中钢筋锈蚀也非常严重, 每年 用 于结构维修的费用 以惊人 的速度增 长 。我 国工业 与民用建筑中, 因钢筋锈蚀而引起 的混凝土结构失效 问题也很严重。如青岛一座大楼仅使用 3年而因楼盖 钢筋严重锈蚀导致结 构失效 , 1 6层楼 的楼 盖全部拆 除 J 。山东改革开放 以来兴建 的一批高速公路桥 , 投 入使用约十年左右, 已发现钢筋严重锈蚀 , 虽经维修加 固, 2 3年后仍出现腐蚀破坏, 有些桥梁需重建 。 钢筋锈蚀导致 的后 果严 重, 造成
10、 的经济损 失 巨大 , 因 此 , 研究钢筋混凝土锈蚀构件的损伤 , 对在用结构 的抗 力评定 、 可靠性评价 、 准确预测结构的使用寿命都具有 十分重要的实际意义。 混凝土中钢筋锈蚀会造成钢筋力学性能退化、 混 凝土截面性能损伤 、 钢筋与混凝土之 间粘结力 降低等 后果 , 导致混凝土构件 的损伤 , 改变构件破坏形态、 降 低构件承载能力 , 从而直接影响结构的安全。 2 锈蚀钢筋的力学性能研究 钢筋锈蚀后其截面面积减小 、 力学性能产生相应 的劣化 , 钢筋的疲劳强度 、 极 限延伸率 、 抗拉能力等都 有明显降低, 预应力 钢筋容易产生应力腐蚀。近年来 国内外学者通过电化学锈蚀试验
11、 、 工程拆除构件 内锈 蚀钢筋试验 、 有限元分析等多种方法对锈蚀钢筋 的物 理力学性进行 了研究 J , 惠云玲等还对不 同直径钢 筋锈蚀前后的金相组织进行了分析 J 。 张平生等 人 的研 究认 为: 钢筋锈蚀后 , 其塑性 随锈蚀程度的加大而降低 , 而屈服强度 的降低程度则 与截面损失率成线性变化。A b d u l l a h 认为钢筋 的均 匀锈蚀不影响它的抗拉强度, 但在受力计算时应采用 钢筋 的实际面积 , 锈蚀率大于 1 2 时, 钢筋呈现脆性 收稿 13期 : 2 0 0 6 0 8 2 8 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 4 7 8 0 3 8 )
12、 作者简介: 余瑶臻 ( 1 9 6 6 一) , 女, 江苏人, 讲师, 硕士, 主要从事混凝土结构耐久性研究。 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 余盔王 景 , 等 : 钢 筋混凝土锈蚀损伤研究综述 1 2 3 破坏。袁迎曙 认为 平均锈蚀率小 于 5 时可视 为 “ 均匀” 锈蚀 , 而坑蚀会引起 钢筋提前屈服。惠云玲 和 C a p o z u c c a 的研究认为 : 锈蚀率小于 1 的钢筋其 力学性能指标基本和母材相 同; 锈蚀率小于 5 且均 匀锈蚀的热扎钢筋 , 其应力应变曲线仍具有 明显 的屈 服点 , 钢筋
13、的伸长率基本大于规范允许 的最小值 , 钢筋 的屈服强度 、 抗拉强度仍可以与母材相 同考虑 , 但在计 算承载力时则应考虑截面的折减。当锈蚀率大于 5 后 , 坑蚀的应力集中现象逐渐表现出来 , 相应的名义屈 服强度 、 极 限强度 、 伸长率都明显下降 J , 混凝土中钢 筋因锈蚀引起 的力学性能下 降以延伸率最 为敏感 , 文献 6 通过线性 回归方式给 出了锈蚀率大于 5 时 锈蚀钢筋的伸长率 、 名义屈服强度 、 抗拉强度 的计算公 式。沈德建等 人 的研究认 为海水 浪溅 环境 比大气 环境锈蚀对钢筋强度的影 响要大 , 而且海水浪溅 环境 下钢筋以坑锈为主 , 研究认为随着锈蚀率
14、的增大 , 锈蚀 钢筋的应力应变关系发生较大变化, 屈服平台渐 渐变 短直至消失 , 钢筋渐渐呈现脆性破坏形式 , 极限强度与 屈服强度的比值越来越小 。并建立 了屈服强度 、 极 限 强度与锈蚀率的多项式关系。 3 钢筋锈胀 力导致 的混凝 土的损伤 混凝土中的钢筋锈蚀以后 , 其锈蚀物 的体积是相 应钢筋体积的 2 4倍 , 因而会 向四周膨胀 , 而钢筋 四 周的混凝土则限制它的膨胀 , 从而产生了交界面上 的 作用力 , 这种作 用力 就称 为钢筋 锈胀 力 J 。金伟 良 等 利用弹性力学理论分析了 由钢筋 均匀锈 蚀导致 的外 围混凝 土保护层胀裂时刻和胀裂以前的钢筋锈胀 力计算公
15、式 , 并分析 了影响钢筋锈胀力的因素 , 研究认 为钢筋锈蚀率是钢筋锈胀力最显著 的影 响因素。 钢筋锈胀力不仅会 降低 钢筋与混凝 土的粘结性 能 , 而且造成混凝土截面性能的损伤。C a p o z u c c a l o 研 究认为锈胀应力会使受压区混凝土处于双轴异号受力 状态 , 混凝土沿锈蚀钢筋纵 向胀裂 , 此时混凝土已完全 进入塑性状态, 混凝土出现受压软化现象 , 显著影响构 件 的延性性 能。钢筋混凝 土构件 一旦受锈胀纵 裂 以 后 , 钢筋锈蚀速度大大加快。王军强 研究 了钢筋锈 蚀产物的膨胀在混凝土中的产生 的应力 , 为进一步作 试验研究进行 了准备 。张喜德等 。
16、 进行 了钢筋锈胀 应力对混凝土抗压强度影响的试验研究 , 结论是 : 混凝 土开裂前钢筋的锈蚀量很小 , 但锈蚀使抗压强度明显 下降; 混凝土锈胀开裂后 , 其抗压强度略有所 回升。 4 锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研 究 钢筋锈蚀后 由于锈蚀产物改变 了钢筋与混凝土之 间的接触面 、 铁锈体积膨胀使混凝土抗裂强度降低 , 从 而使锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能不断劣化 , 导 致钢筋与混凝土不能充分协 同工作 , 致使结构承载力 下降。 早期的研究认为钢筋锈蚀增加了表面粗糙 , 因而 对钢筋与混凝 土的粘结性能是有利 的 。但 随后 的 研究表明 , 在钢筋锈蚀的初始阶段 , 锈蚀率小于 1
17、左 右时 , 钢筋与混凝土之间的粘结强度有所提高 ; 随着锈 蚀率的增加 , 粘结强度将有大幅度 的下 降 J 。研究 认为钢筋直径 、 钢筋锈蚀程度 、 混凝土保护层厚度等是 影响锈蚀后钢 筋与混凝 土粘结强度 的主要 因素 。 x F u _ I 通 过对光 圆钢筋 和变形钢筋 的对 比试验 发 现 , 当锈蚀裂缝刚出现时 , 光圆钢筋的粘结强度 比无锈 蚀情况下高 ; 而变形钢筋 的粘结强度则 比无锈蚀情况 下低 。A ml e h l j 钊 则 由试验结果给出了不同锈蚀率与粘 结强度的关系曲线以及不同裂缝宽度与粘结强度的关 系曲线。 范颖芳等 对长期受氯化物腐蚀 的结构 中替换 下来
18、的钢筋混凝土构件进行 了试验研究 , 试验表明锈 蚀后钢筋与混凝 土之问的粘结力降低 幅度达 2 0 一 5 0 。王林科等 也采用从工程 中截取 的锈蚀试件 , 对光面锈蚀钢筋进行 了试验研究 , 结论是 : 光面钢筋锈 蚀后混凝土未开裂时的粘结强度高于无锈钢筋的粘结 强度 , 混凝土保护层产生锈胀开裂后 , 粘结强度 随裂缝 宽度增加而减小 , 锈胀裂缝宽度在 0 1 mm左 右时 , 粘 结 强 度 相 当 于 无 锈 钢 筋 的 粘 结 强 度。还 有 些 学 者 驯采用快速锈蚀试件进行了试验研究 , 研究结论 和前述的研究结论基本一致。目前有些文献给出了锈 蚀钢筋粘结强度计算公式 ,
19、 一般是在试验基础上给定 一 个粘结力降低系数 , 该 系数体现 了钢筋锈蚀对粘结 力的影响。 为了进一步准确分析锈蚀钢筋混凝土构件承载力 的变化 , 必须找出准确的钢筋 、 混凝土之间粘结 一滑移 本构关系。一些学者在这一方面也做 了大量的研究工 作。赵羽习 从理论上分析了钢筋应力 , 钢筋与混 凝土之间的粘结应力 及相对滑移 s的解析表达式 , 并结合钢筋拔出试验数据 , 给出了 一s 关系随不同位 置的变化规律 ; 张伟平 等通过试验与理论分析给 出 的锈后不同胀裂宽度下的钢筋混凝土粘结滑移本构关 系, 考虑了 一 s 关系沿锚长的变化。 但 目前 的研究成果都是基于各 自的试验 , 成
20、果并 不统一。钢筋与混凝土之问的粘结性能受到多种因素 的综合影响, 且各影响因素与粘结力之间是复杂的非 线性关系 , 目前还缺乏既适于计算又便 于工程实际应 用的计算模型。 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 4 重 庆 建 筑 大 学 学 报 第2 9卷 5 锈蚀钢筋混凝 土构件 受力性能研 究 锈蚀钢筋混凝土构件承载力的研究 , 对在用钢筋 混凝土构件的抗力衰减模型及进行混凝土结构的寿命 评估和预测有重要 意义 。钢筋锈蚀造成混凝 土构 件的承载力退化 以致失效 的原因表现为以下三个方 面 : 一是 由于钢筋锈蚀使钢筋截面面积减小
21、 , 锈蚀钢筋 的力学性退化 ; 二是钢筋锈蚀产生锈胀力 , 造成混凝土 截面损伤; 三是钢筋锈蚀会使钢筋 与混凝土问的粘结 性能退化 。目前国内外的学者对锈蚀后的钢筋混凝土 构件承载力性能进行 了大量的试验研究 。 试验研究较多的是锈蚀钢筋混凝土受弯构件的承 载力问题。研究表明随着钢筋锈蚀率的增加 , 受弯构 件的延性 不断 降低 , 并 能影 响锈蚀 梁 的破 坏形 态。如浙江大学的不同锈蚀率下的混凝土梁试验发现 随着梁中钢筋锈蚀量的增加 , 其破坏形态 由适筋梁 的 形态转向少筋梁的形态, 破坏 时的裂缝 由分散 的几条 转为集中的一条_ 2 ; R o d r i g u e z 通过
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