锈蚀程度对钢筋性能的影响.docx
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锈蚀程度对钢筋性能的影响
中文翻译
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ASTMA615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
ASTMC150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ASTMA615G60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ASTMG1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250KNInstron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741MPa。
还应注意的是即使由于钢筋锈蚀造成钢筋劣化但是依照ASTMA615他们的抗拉强度依然超过600MPa。
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ASTMA615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
图3锈蚀率为13.9%的6mm直径钢筋的应力-应变曲线
表1
试件
#
锈蚀率
（%）
平均直径
（mm）
极限荷载（kN）
实际拉应力（MPa）
名义拉应力
（MPa）
ST1
0
5.9
21.76
796
769.0
ST2
0
5.9
21.76
796
769.0
ST3
0
5.9
21.76
796
769.0
2SAC2
0.88
5.85
21.01
781.7
742.8
2SCB2
1.10
5.80
20.49
775.9
724.8
1SAA1
1.22
5.85
20.86
776.1
737.5
2SAA1
1.45
5.81
20.53
774.5
725.8
2SAA2
1.45
5.89
21.09
774.03
745.6
1SCD1
1.63
5.85
20.762
772.45
734.0
1SCB2
11.64
5.25
16.521
763.2
584.0
2SCA2
12.364
5.10
16.75
819.95
592.2
1SAB2
13.13
4.8
14.62
808.07
517.0
2SAB2
13.89
4.95
14.13
734.00
499.4
1SAG1
17.83
4.95
13.05
678.20
461.4
2SAG2
19.40
4.95
15.03
780.80
531.2
1SAD1
24.95
4.30
10.79
743.00
381.5
2SCC1
27.27
4.15
9.043
668.56
319.7
1SCC1
28.32
4.00
9.281
738.90
328.1
2SAH2
32.02
3.90
9.266
776.00
327.6
1SCA2
40.70
4.10
10.156
769.00
359.0
1SAI2
48.25
4.10
10.134
767.60
358.3
2SAI2
75.00
3.00
4.877
740.80
172.2
图5和6是典型12mm直径钢筋的应力-应变曲线，锈蚀率分别为11.7%和32.70%。
同样，在这组标本中钢筋锈蚀程度未影响极限拉应力。
图7所示12mm直径钢筋不同锈蚀程度对应的抗拉强度。
这些数据表明，钢筋腐蚀的程度对其抗拉强度的影响是很微不足道的。
例如，未锈钢筋的实际拉应力是760MPa锈蚀率80%的钢筋的实际拉应力是844MPa。
表2显示了用公称直径即12mm计算的钢筋的抗拉强度。
使用实际截面面积计算的抗拉强度大于ASTMA615规定的600MPa。
然而使用12mm直径的公称面积计算的抗拉强度小于A615规定的锈蚀率为24%及其以上的钢筋抗拉强度值。
表1
试件
#
锈蚀率
（%）
平均直径
（mm）
极限荷载（kN）
实际拉应力（MPa）
名义拉应力
（MPa）
ST1
0
5.9
21.76
796
769.0
ST2
0
5.9
21.76
796
769.0
ST3
0
5.9
21.76
796
769.0
2SAC2
0.88
5.85
21.01
781.7
742.8
2SCB2
1.10
5.80
20.49
775.9
724.8
1SAA1
1.22
5.85
20.86
776.1
737.5
2SAA1
1.45
5.81
20.53
774.5
725.8
2SAA2
1.45
5.89
21.09
774.03
745.6
1SCD1
1.63
5.85
20.762
772.45
734.0
1SCB2
11.64
5.25
16.521
763.2
584.0
2SCA2
12.364
5.10
16.75
819.95
592.2
1SAB2
13.13
4.8
14.62
808.07
517.0
2SAB2
13.89
4.95
14.13
734.00
499.4
1SAG1
17.83
4.95
13.05
678.20
461.4
2SAG2
19.40
4.95
15.03
780.80
531.2
1SAD1
24.95
4.30
10.79
743.00
381.5
2SCC1
27.27
4.15
9.043
668.56
319.7
1SCC1
28.32
4.00
9.281
738.90
328.1
2SAH2
32.02
3.90
9.266
776.00
327.6
1SCA2
40.70
4.10
10.156
769.00
359.0
1SAI2
48.25
4.10
10.134
767.60
358.3
2SAI2
75.00
3.00
4.877
740.80
172.2
上述结果表明：
即使高度腐蚀，以实际截面计算的钢筋抗拉强度也无显著变化。
然而,当钢筋用公称直径来计算的抗拉强度，这些值低于ASTMA615对于钢筋锈蚀率为11.6%及其以上的6mm钢筋和锈蚀率为24%及其以上的12毫米钢筋所规定的600MPa。
另外，钢筋锈蚀程度对其脆性的影响我们将会在后文讨论。
Masle-huddin等人将六种不同规格的钢筋曝露在空气中16个月并得出结论：
曝露在空气中16个月所发生的钢筋锈蚀对其屈服强度和极限抗拉强度的影响是微不足道的。
他们的试验结果表明：
随着曝露时间的增长，钢筋的强度会有微弱的提高亦或是没有改变。
然而，在他们的试验中，钢筋的公称直径是用来计算屈服强度和抗拉强度。
Aldridge等人将符合ASTM350-56T的各种规格的钢筋曝露在三种不同腐蚀环境条件中，即普通室外，100%相对湿度的潮湿房间和模拟的海水喷淋，曝露时间各不相同，有的长达12个月。
他们的研究表明,室内和室外锈蚀钢筋的抗拉强度不受表面腐蚀程度影响,而经过3个月海水锈蚀的钢筋极限抗拉强度下降了大约3.7%。
图46mm直径钢筋不同锈蚀程度对应的抗拉强度
图5锈蚀率为11.7%的12mm钢筋的应力-应变曲线
图6锈蚀率为32.7%的12mm钢筋的应力-应变曲线
图712mm直径钢筋不同锈蚀程度对应的抗拉强度
Uomoto等人评估了从建筑中获取的锈蚀钢筋的抗拉强度。
他们的研究表明，锈蚀钢筋屈服强度和极限强度范围为未锈钢筋的90-95%。
另外，Uomoto和Misra对从梁、柱获取的锈蚀钢筋进行了强度试验，这些试件曝露在海洋环境中时间长短不一。
他们报告称钢筋的屈服强度和极限强度钢筋降低的范围为原始钢筋的5%-10%。
表212mm直径钢筋的抗拉强度
试件
#
锈蚀率
（%）
平均直径
（mm）
极限荷载（kN）
实际拉应力（MPa）
名义拉应力
（MPa）
1PCCT
0
11.75
82.38
759.72
728.1
2PCCT
0
11.75
82.25
758.5
727.0
3PCCT
0
11.70
81.58
758.8
721.0
1PCC
2.11
11.63
80.52
757.97
711.7
2PAG
2.69
11.75
82.12
757.3
725.8
2PCD
3.37
11.70
81.31
756.3
718.7
2PAH
3.93
11.71
81.34
757.5
719.2
1PAG
4.0
11.70
81.68
753.9
722.0
2PAE
4.78
11.71
81.11
753.3
716.9
1PAH
5.09
11.67
80.36
751.29
710.3
1PAE
5.68
11.70
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715.6
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11.00
74.32
782.00
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802.0
613.8
1PAD
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10.20
64.27
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10.05
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32.65
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54.70
796.8
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8.60
47.34
815.0
418.4
1PAA
48.25
7.30
33.68
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297.7
1PCD
51.00
7.90
40.00
816.0
353.5
1PAF
60.70
7.45
29.36
673.0
259.5
2PAA
80.00
4.5
13.43
844.0
118.7
3.2.受锈蚀影响的钢筋的破坏形式
图8显示了不同锈蚀率的6mm直径钢筋载荷-伸长曲线。
这种比较表明，随着锈蚀程度的增加，相应的钢筋破坏之前的伸长减少。
在这个系统模式下，随着锈蚀，相比未锈钢筋而言锈蚀钢筋少量屈服应变便会破坏，这表明在它们最终破坏之前有大量的屈服。
这表明钢筋锈蚀增加脆性。
图8不同腐蚀率的6mm直径钢筋荷载-伸长曲线
锈蚀率为12.6%及其以上的钢筋显示其脆性特征。
另外，锈蚀率为12%及其以上的钢筋的伸长率通常小于ASTM615的规定，即9%。
图9所示随着钢筋的锈蚀对其外形的影响。
可见随着锈蚀度超过40%，相对的一小段长度的钢筋会变细，从而证明了随着钢筋锈蚀有形成缺口的趋势。
图10和11所示为几个缺口比较严重的钢筋，锈蚀率分别为75%和80%。
这种优先锈蚀的特点是：
高浓度氯化物或混凝土破裂的情况或氯离子和氧气可接触钢筋表面的特殊环境的蜂窝楼板。
优先锈蚀导致一小段长度的钢筋变细造成的影响是局部钢筋截面面积明显减少，因此降低了钢筋承载力。
优先锈蚀和缺口的形成也不同，由图8可见钢筋载荷变形的特点。
当钢筋有缺口或者局部有杂质的截面受拉时，缺口会发生应力集中，在破坏时整体拉力会低于未锈钢筋。
因此，随着缺口变得更深，缺口位置的应力集中会逐渐增强，钢筋也会更加体现出脆性。
图9锈蚀对钢筋外形的影响
图10钢筋锈蚀率达到75%对其外形的影响
图11钢筋锈蚀率达到80%对其外形的影响
上述发现由Almusallam等人的一项研究所支持。
他们的研究表明加锈蚀钢筋的混凝土板承载能力降低是由于锈蚀集中造成钢筋截面面积的减少，从而降低了这些位置钢筋的承载能力并且钢筋会表现出不发生屈服的突然失效。
他们得出结论,钢筋锈蚀不仅降低了板的强度还会引起脆性破坏。
他们也指出钢筋破坏与有修饰钢筋的混凝土板破坏之间的密切关系。
这种情况的实际影响是：
破坏之前钢筋严重锈蚀的少筋受弯构件不会发生大变形，从而在结构破坏之前缺少最重要的预兆。
Uomoto、Misra等人也报告了由锈蚀率不同的钢筋构成的梁承载能力的降低和延性的缺失的预测结果。
Ting和Nowak建立了一个数学模型来评估钢筋截面积对钢筋混凝土梁的弯曲性能的影响。
他们得出结论，强度降低是由于钢筋的锈蚀，并且与锈蚀引起的质量损失成线性函数。
4.结论
当利用实际截面面积计算时，随着锈蚀程度的增加钢筋抗拉强度会有略微的降低。
另外，锈蚀率高达75%-80%的钢筋使用实际截面面积计算的抗拉强度超过600MPa。
然而，当使用公称直径计算时，锈蚀率为12%及其以上的6毫米直径钢筋和锈蚀率为24%及其以上的12mm直径钢筋的抗拉强度低于ASTM615要求的600MPa。
不同锈蚀程度的钢筋应力-应变数据的特征显示随着锈蚀程度的增加钢筋的延性降低。
此外，随着锈蚀率的增加，锈蚀钢筋相对于破坏前会出现较大屈服的未锈钢筋来说屈服应变较小。
锈蚀率为12.6%及其以上的钢筋表现出脆性特征。
另外，锈蚀率超过12%的钢筋伸长率低于ASTM615规定的9%。
这项研究的结果表明当锈蚀率超过13%时，由于混凝土板弯曲部分有显著的突然破坏，所以锈蚀钢筋和钢筋锈蚀的混凝土板破坏特征之间有密切关系。
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