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摘要：钢筋与混凝土之间可靠的黏结是钢筋混凝土构件中钢筋与混凝土这两种性质不同的材料协调变形、共同承载的前提。然而,RC结构在长期服役期间不可避免的受到氯盐侵蚀、混凝土碳化等影响,从而诱发结构内部钢筋产生锈蚀。在锈蚀过程中锈蚀产物的膨胀将会改变钢筋与混凝土黏结界面环境,甚至造成混凝土保护层的开裂及剥落,其直接影响到钢筋与混凝土间黏结性能的劣化。通常而言,锈蚀现象在现役老化的RC结构中较为普遍,而老化结构由于电力系统和设施处于恶化状态,其结构更易遭受到火灾的侵害。高温/火灾使钢筋及混凝土的材料性能发生变化,导致两者之间可靠的黏结性能退化,进而对结构的承载能力产生重大影响。因此,亟待深入研究锈蚀钢筋与混凝土高温/火灾后黏结性能的劣化规律,以准确评估锈蚀钢筋混凝土(Corroded Reinforced Concrete,CRC)结构经受高温后的损伤程度,为经济合理地确定维修加固方案提供重要的理论指导意义。
关键词：高温,锈蚀钢筋混凝土,黏结性能,锈胀裂纹,本构模型
一、研究背景和意义
钢筋混凝土(RC)作为一种理想的组合材料,其不仅集合了钢筋与混凝土这两种材料的优越性,且两者相互结合可以取长补短,展现出更好的综合性能,因而被广泛的应用于土木工程领域中。在RC结构中,钢筋与混凝土这两种性质不同的材料之所以能够协调变形、共同承受荷载,其主要缘于钢筋与混凝土之间存有可靠的黏结应力，其宏观效果是钢筋与混凝土黏结界面上产生的一种剪力。然而,由于外界环境复杂多变,尤其在沿海地区,在役RC结构中混凝土和钢筋本身材料性能发生老化、锈蚀等问题,引起结构性能劣化、承载力下降,亦即人们常说的耐久性问题。
混凝土结构耐久性是指结构及其构件在服役期间抵抗大气作用、化学侵蚀、疲劳损伤等劣化过程而长期维持其所需的最低性能要求的能力。随着耐久性问题在工程实践中的频繁暴露,使得人们逐渐认识到RC结构耐久性的重要性。
近年来,我国面临着较为严峻的混凝土结构耐久性问题:一方面是由于我国沿海线漫长,加之北方地区普遍使用除冰盐来清除积雪,致使我国大量建筑处于“盐害”环境中;另一方面是由于我国正处于急速发展中国家,工业生产活动密集,大量污染气体排放,如:SO3、S02等酸性气体。目前,虽已有不少专家学者对锈蚀钢筋与混凝土间黏结锚固性能进行了广泛而深入的研究,但基本上是在常温下开展的,而忽视了火灸、高温对CRC结构的影响。火灾/高温作用后,建筑物结构的材料性能严重劣化,且伴随有严重的内(应)力重分布,极大的削弱了结构的性能,将严重危及到结构的安全及耐久性能。加之沿海地区经常处于高温下的核电站、冶金厂等重要工程的建设,以及高层建筑防火安全需求,迫切需要对CRC结构的耐火性能以及本构关系进行相关研宄,以准确评估CRC结构经受高温后的损伤程度,为经济合理地确定维修加固方案具有重要的理论指导意义。
二、钢筋与混凝土黏结性能
图1：钢筋混凝土梁中的黏结作用
黏结力指的是钢筋与混凝土接触界面上抵抗相对滑移而产生的一种剪应力,通过黏结作用,钢筋将部分拉力传递给混凝土,使两者协同工作、共同承载。通常认为,钢筋与混凝土间黏结力主要由以下三部分组成：化学胶着力、摩阻力和机械咬合力。
黏结问题的复杂性,往往一种黏结试验方法不足以充分地反映实际构件中的黏结状态,因而目前存在有多种试验测试方法,每种试验方法各有其优缺点,主要包括以下几种试验方法:中心拔出试验、双向对拉试验、梁式试验。另外,为了测试试验过程中黏结应力沿钢筋长度方向的分布,相关学者采用将钢筋剖开、内贴应变片的方法,测试相邻测点的钢筋应力差来计算黏结应力。
在黏结机理上，光圆钢筋与变形钢筋因外形的差异,其与混凝土之间黏结强度相差悬殊,且黏结机理、钢筋滑移特征和试件破坏形态均有所不同。
在影响黏结强度的因素上，主要体现在混凝土强度(fcu或ft)及种类、保护层厚度(C)与钢筋净间距、钢筋直径(d）与外形特征、钢筋埋长(l/d)、横向配箍(psv）、浇筑位置、横向压力、钢筋锈蚀及高温影响。此外,钢筋等级及影响混凝土强度与质量的各种因素,如:混凝土水泥用量、骨料粒径、密实度、塌落度、养护条件等均会对黏结性能有一定的影响。
在钢筋加速锈蚀机理上，主要体现在锈蚀条件上。正常情况下,因混凝土内部的化学性能(高碱性)与物理性能(高电阻率),内部钢筋在短时间内并不易发生锈蚀,但在条件较为恶劣的沿海地区或盐碱地区,老化的RC结构内部钢筋不可避免的受外界环境的侵蚀,钢筋表面钝化膜破坏,因而诱发钢筋锈蚀。脱钝后混凝土内部钢筋锈蚀是一个电化学过程,根据金属腐蚀电化学原理及混凝土内部钢筋受钝化膜保护的特点,将混凝土内部钢筋发生锈蚀的必备条件划分为以下三个:1)钢筋表面存有电位差,构成腐蚀电池;2)钢筋表面的纯化膜被溶解破坏,处于活化状态;3)钢筋表面存在着电-化学反应和离子扩散所需的氧气和水分。
图2：钢筋锈蚀机理
三、高温作用后钢筋与混凝土力学性能损伤试验
本节对高温作用后钢筋与混凝土的力学性能开展了相关试验研宄,为今后研究RC结构高温/火灾作用后的损伤评估及维修加固提供一定的理论依据。
试验所用钢筋为公称直径20mm的HRB500钢筋,钢筋肋高1.61mm,肋间距9.20mm。试验所用钢筋的设计长度为550mm。根据《金属材料室温拉伸实验方法》(GB/T228.1-2010),高温/火灾后钢筋的材性试验在结构试验室的WA-1000B电液式万能试验机上进行,加载速率约控制在2~3kN/s范围内,该试验机能自动采集到钢筋的极限强度和屈服强度,满足本试验目的要求。钢筋高温煆烧试验在装配式复合加热炉中进行,试验目标温度设:20°C(常温),200°C,F400°C,F600°C,F800°C五个等级,每个温度等级3个试件,试件数量有多余,以弥补离散性较大的数据。待试件达到目标温度后恒温3h,关闭电源,24h后取出试件进行拉拔试验。
钢筋表面颜色随受火温度的不同而有所变化。当受火温度在200-400°C范围内时,钢筋表面呈淡红色;400-600°C温度作用后钢筋表面颜色有所加深,呈铁锈红色;800°C作用后颜色进一步加深,且可察看到钢筋表面略有碳化及剥落现象。此外,钢筋的破坏状态随受火温度不同也有所差异。整体而言,钢筋的破坏状态在温度不超过600°C时差异不明显,破坏截面凹凸不平呈锯齿状,无明显颈缩现象、且钢筋断裂位置较为随机;800°C高温作用后,破坏截面细小且较为平整,断裂位置靠近端部。
在试验结果与分析上：高温后测得HRB500钢筋的平均试验结果如表所示:
高温后钢筋李雪性能试验结果
在高温对混凝土力学性能损伤研究上，混凝土因其良好的抗压强度以及材料来源广泛、价格低廉,一直以来被认为是世界上应用最为广泛的建筑材料之一。立方体抗压强度作为混凝土中最基本、最重要的一项力学性能,其能直接反映混凝土经受高温扣用后的残余力学性能,其研宄一直以来备受国内外相关学者的青睐。目前,对于高温下及高温后混凝土抗压强度的研宄主要还是侧重于混凝土等级、冷却方式、恒温时间以及尺寸大小等影响因子的比较上,而关于混凝土抗压强度与其质量损失关系的研究还非常少。为此,笔者对高温后混凝土抗压强度及其质量损失的变化规律进了相关试验研宄,分析了混凝士抗压强度、质量损失与受火温度之间的关系,并通过试验结果回归拟合分析出相应的计算模型。
基于计算模型，得出的结论为：(1)在20-600°C范围内,HRB500钢筋的屈服强度、极限强度衰退不明显;当温度超过600°C时,钢筋的强度下降速率显著加快,800°C后降幅分别达到28.8%、18.9%。(2)给出了FHRB500钢筋的屈服强度、极限强度与温度之间的损伤模型,可初步预估不同温度作用后钢筋强度的损伤程度。(3)高温后混凝土立方体抗压强度随着温度的升高而逐渐下降,200℃前抗压强度相对而言下降趋势较为缓慢;200°C后立方体抗压强度下降趋势有所增加,800°C高温后,立方体抗压强度基本丧失,相比于常温时其损失高达85.4%。(4)高温后混凝土质量损失随温度的升高呈不同程度上升趋势,200°C前其增加趋势较缓慢;200°C后试件质量损失速度明显加快;800°C高温作用后,试件质量损失超过混凝土内部理论水分质量,高达9.42%。(5)通过试验数据分析建立了残余抗压强度、质量损失率与温度及两者之间计算公式,可为混凝土火灾后损伤评估与鉴定加固提供一定的参考。
参考文献：
[1]WangL,BondFpropertiesbetweenRPFbarsFandFcoralFconcreteFunderFseawaterconditionsFatF30,F60,FandF80[J].ConstructionFandFBuildingMaterials,2018,162:442-449.
[2]王晨霞.王宇.李敬红,等.再生混凝土与锈蚀钢筋间的粘结性能试验研究[J].土木建筑与环境工程,2016,(01):46-53.
[3]吴凡,徐亦冬.镑蚀钢筋与混凝土的粘结性能研究综述[J]材料导报,2016,(03):101-104.
[4]陈朝晖.锈蚀钢筋混凝土粘结强度试验[J]重庆大学学报,2018,(01):79-87.
[5]赵灿晖,李浩稻,邓开来.钢筋与粗骨料超高性能混凝土黏结性能试验研宄[J].西南交通大学学报:2018，（3）1-7
作者简介：魏慧敏（1983.08—），女，长期从事建筑学方面的实践与研究
论文作者:魏慧敏
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/17
标签：钢筋论文; 混凝土论文; 锈蚀论文; 高温论文; 抗压强度论文; 性能论文; 结构论文; 《防护工程》2019年第3期论文;