钢筋混凝土结构耐久寿命的试验

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近年来,由腐蚀造成的基础设施的恶化已经升级,应值得认真考虑.在众多由钢筋腐蚀产生的后果中,最常见的是混凝土保护层开裂.当钢筋在混凝土中腐蚀,表层的钢筋就被消耗,在钢筋的周围就形成了腐蚀的产物(锈).形成的锈比起消耗的钢筋就占据了一个很大的体积,增加的体积对周围的混凝土产生了内部高压力,致使混凝土开裂和剥落.

在混凝土中混凝土保护层通常用来保护钢筋.混凝土保护层提供了一个直接侵蚀性介质接近钢筋表面的屏障.此外,混凝土中的高碱度也防止钢筋锈蚀.在具体环境中,pH值一般在12.5和13.5之间变化.这时将在钢筋表面上产生氧化铁或氢氧化铁,可用作抗腐蚀的屏障,但要求钢筋处于耐腐蚀的环境中.在氯盐环境中,氯离子慢慢地通过混凝土保护层迁移到钢筋表面.当混凝土中的氯离子浓度超过临界值时,钢筋上面的保护层就被破坏,钢筋将开始腐蚀.锈蚀产物的体积膨胀最终导致混凝土保护层出现裂缝(或剥落),如果开裂(或剥落)未做修复,钢筋截面积的损失将增加,并且该构件的承载能力将降低,直至达到最低安全限度.

1以往关于剩余寿命的试验研究了

在以往的试验研究中,最常用的电流密度介于0.003和3mA/cm2的.也观察到一些例外情况(用恒定超电势代替恒定电流密度).只有一个实验从暴露在热带海洋环境中的试件中研究出了结果.暴露的时间也各不相同,从几个小时到数以百计的天数加速腐蚀和在真正的海洋环境中放置几个月,在测量截面损失的百分比和被腐蚀的面积中是有很大差异的.

Tachibana等(1990)在日本研究的实验中,一共有14根15×20×200cm的梁在四点加载下实验(荷载间距为15cm).5个较小的15×20×5cm的板也进行了冲压剪试验.梁没有配置抗剪钢筋,但是配有2根4号纵向钢筋.板也配有4根4号钢筋.混凝土抗压强度的假定为36MPa.所有的试件,除了比照的,采用了阳极电流密度为0.5mA/cm2进行3,6,10和15天的腐蚀.试件完全浸在氯化物溶液中(氯化钠质量浓度为3.5％).只有对结构承载能力的了调查,并没有评定腐蚀参数的实验.报告显示经过15天的电流腐蚀,梁损失了16％的承载能力,小板则损失50％的强度结合力,测试后金属损耗的没有记录.

HuangandYang(1997)的研究实验中,共有32根15×15×50cm的梁,和以前一样,无抗剪钢筋,但有两根4号弯起钢筋.在水灰比(W/C)为0.4和0.3时,混凝土强度值分别为50MPa和65MPa.当阳极电流密度为5A/mm2(疑似值)时,腐蚀减小.正如日本的实验中,在当前实验中试件完全浸入在人工海水中.暴露126h(少于1个星期).在加速腐蚀速阶段结束后,每根梁的结构承载能力,通过在梁上加载一个中心集中荷载来进行估计.结果表明:加速腐蚀后,抗弯承载力下降48％.在这次调查中裂缝宽度值没有记录.钢筋厚度损失的估计,通过瞬时腐蚀速率的实时数据(法拉第转换区域)求积分得到.没有重量的损失的比较.这些计算做了不到10mm厚度的腐蚀,与其他调查相比,这也太小了.

西班牙的Rodiguez(1996,1997)等在1995年至1997期间对共有30根梁(15×20×230cm)和24根柱(20×20×200cm)进行了测试(10根梁和20根柱对照试验).梁中的抗剪钢筋由间距17cm或8.5cm的2号钢筋组成.柱中的抗剪钢筋由间距15cm的2号钢筋组成.混凝土强度估计为35MPa(100天)和50MPa(200天).为了减少腐蚀嵌入钢筋,混凝土中掺入了质量密度3％的氯化钙.在0.1mA/cm2的电流密度下腐蚀大约100天和200天,腐蚀过程的加速达到了.经过腐蚀加速阶段,梁上四点加载,荷载间距为40cm,随后对梁进行了测试.在腐蚀加速后的阶段,通过加载轴向荷载,对柱进行了受压测试.梁内钢筋变化就能获得不同的失效机理(例如:两根10号钢筋和间距为17cm的2号箍筋一起作用时容易发生拉伸断裂,用四根8号钢筋代替而两根10号钢筋,以及间距为8.5cm箍筋在一起作用时,混凝土容易被压坏.在柱中,要从发生受拉破坏到发生受压破坏,纵向钢筋就应从4根2号钢筋变化到8根5号钢筋,箍筋间距为10cm变化到15cm.对照柱的弯矩承载能力大约为37kN·m.在100天的加速腐蚀后,承载能力减小为26kN·m,200天后,承载能力减小为20kN·m.在对照柱中轴压承载能力约为1570kN,在100,150,200天的加速腐蚀后,抗压承载能力分别减小到1090kN(31％),1060kN(33％),和980kN(38％).在所有试件类型中(梁和柱)发现结合力也下降了.Rodriguez等人(1997)还介绍说平均腐蚀参数,可以根据金属重量损失,和实测裂缝宽度值来估计.

Almusallam等在1990年至1997年期间对24根梁(15×15×100cm),54根棱柱(15×15×15cm),8块小板(31×6×71cm)进行了拉拔实验.28天的混凝土强度大约在30MPa和45MPa之间.在加速腐蚀阶段后,对梁,板进行四点加载测试.研究三个退化阶段:预裂,开裂,裂后.在任何情况下构件的承载能力在预裂阶段增加了20％(当质量损失约为2％时).该研究提到,这是在腐蚀阶段钢筋周围的孔隙率降低,因为在钢/混凝土内部压力应用于混凝土时,腐蚀产物产填补了钢筋周围的气孔.在开裂和裂后阶段,构件的承载的能力,减少到了未腐蚀的对照试件的承载能力的23％～80％.虽然没有裂缝宽度的记录,但腐蚀参数可以由记录的截面损失百分比间接的估计出来.

Cabrera的试验研究采用六个棱形的配有三种不同直径的钢筋的混凝土试件(10×30×20cm),6根(13×16×100cm)钢筋混凝土梁(2根4号受拉钢筋,2根3号受压钢筋,和间距为4cm的2号箍筋),17个(15×15×15cm)试验试件中有1根4号钢筋.混凝土采用0.55w/c的水灰比,不采用粉煤灰替代(这份报告没有提出具体的粉煤灰数据),28天的混凝土强度也没有记录.混凝土中加入了2％的氯离子量,加快了腐蚀过程.在腐蚀加速过程中,该试件部分浸泡在氯化物溶液中,这可以通过外部电极和钢筋之间提供的3V电压来实现.钢筋的亏损量可以通过质量亏损方法来估计.目前的作家是基于钢筋尺寸和测量假定Fe转换为Fe2+的质量损失来估计x的值的.Cabrera(1996)也报道了每个测试样本的平均裂缝宽度的测量值.结果表明,Cabrera的结果与Almusallam等人(1997)的结果趋于类似.当质量损失百分比小于2％时,粘结强度或抗弯承载能力增加近20％.另外,当质量损失增加时,在粘结强度或抗弯承载能力中大致呈线性减少的关系,当有12％的质量损失时,在粘结强度中的损失就达到80％的值.