钢筋及预应力筋锈蚀速率试验研究*

向阳开 曾建民 马艳兵

1 研究现状

钢筋和预应力筋的锈蚀是导致桥梁结构耐久性降低的主要原因之一。国内外学者对钢筋锈蚀问题的研究成果比较丰富[1,2]。但是,其理论分析中诸多参数很难确定,缺乏一致性,使得实用性较差。

与普通混凝土结构相比,国内外对预应力混凝土结构耐久性的研究相对较少。传统认为预应力结构因裂缝的自我闭合而不易产生预应力筋的锈蚀,但随着预应力混凝土结构服役年限的增加,因预应力钢筋锈蚀引起的破坏为数并不少。据我国1994年铁路部门的统计,正在运营的有病害桥梁共6 137座,占所有桥梁总数的18%,其中预应力混凝土桥梁2 675座[3]。另外,斜拉桥和悬索桥,其拉索防护体系还不完善,使得拉索钢丝在斜拉桥经过多年运营后产生严重的腐蚀[4]。

要正确地对钢筋和预应力筋结构的耐久性进行合理评估,有必要进一步开展钢筋及预应力筋的锈蚀规律的研究。

2 快速锈蚀试验

2.1 普通钢筋锈蚀试验

钢筋选用HBR335 B12,混凝土等级采用 C50,用425号普通硅酸盐水泥配制,粗骨料最大粒径为10 mm,混凝土配合比为水泥∶砂∶石∶水=1∶1.5∶2.13∶0.36,并按水泥质量的2%,3%分别掺加早强剂和NaCl。具体尺寸及装置设置如图1所示。

试件在通电前预先在浓度5%的NaCl溶液中浸泡3 d后通电加速锈蚀。电流由一个可调式电源进行控制。电流强度稳定为50 mA,在通电过程中观察电流强度变化,调节电流强度,使其保持恒定。根据每根钢筋通电的具体情况得出每根钢筋的电流强度,换算成电流密度,电流密度不宜大于3 mA/cm2。根据通电时间长短,试验分四组,通电时间分别为0 h,85 h,170 h,155 h;每组4个试件,保护层厚度分别为0 mm,15 mm,25 mm,35 mm,如表1所示。4组试验同时开始进行,根据时间逐次停止4组试验。

2.2 预应力钢绞线锈蚀试验

钢绞线选用1×7φ 15.2 mm钢绞线,其抗拉强度标准值 fpk=1 860 MPa。张拉台座为特制钢箱(弯矩、剪力承载力分别为552 kN·m,997 kN,有效张拉长度为7.5 m)。张拉锚固端设穿心式传感器。装置设置如图2所示。

试验共分6组,通电锈蚀前有效应力分别为1 324 MPa,1 264 MPa,1 194 MPa,1 144 MPa,1 057 MPa,978 MPa。对应约为0.71fpk,0.68fpk,0.64fpk,0.62fpk,0.57fpk,0.53fpk,如表2所示。在钢绞线中段30 cm长度位置安装试液槽。张拉完成后,定时观测传感器读数,到达试验设计时间后,结束通电。进行钢绞线放张,截取各组钢绞线锈蚀段称重记录。

3 试验结果及分析

3.1 普通钢筋快速锈蚀试验

各试件钢筋锈蚀后数据如表1所示。

表1 快速锈蚀试验试件钢筋锈蚀特征值

通过表1可以看出,普通钢筋锈蚀速率与保护层厚度有密切联系,锈蚀速率随保护层厚度增加而减小。另外,当锈胀达到一定程度后,保护层开裂脱落,钢筋失去保护裸露于空气或水中,锈蚀速率将会加快。

表1中,C为钢筋保护层厚度;t为钢筋快速锈蚀时间;钢筋实际锈蚀长度la=100 mm,试验通电电流强度为i=50 mA。

3.2 预应力筋快速锈蚀试验

在预应力筋快速锈蚀试验过程中记录端部压力传感器数据,其随时间的变化情况如图3所示。

试验通电结束后,截取各束预应力筋锈蚀段长度30 cm,除去铁锈后,称取各钢绞线质量(见表2)。

表2 钢绞线锈蚀情况

其初始预应力大小与锈蚀率关系如图4所示。

从图3和图4可以看出,随着锈蚀的进行,钢绞线预应力逐渐降低,说明锈蚀导致预应力松弛;但对于不同的初始预应力的钢绞线,其锈蚀率都是随着初始预应力的增加而增加的。

通过对试验数据的分析,可以看出试验锈蚀率变化曲线与二次函数较为吻合,且随应力增大,变化趋势呈放大发展。可得钢绞线面积锈蚀率ηs(t)与初始应力 fp之间的回归关系式:

ηs(t)=(0.153 7-0.000 2fp+9.0×10-8f2p)t。

其中,t为试验锈蚀时间,h。

以往对预应力筋锈蚀研究不足,基本不考虑预应力钢绞线发生锈蚀,但事实并非如此。上式考虑钢绞线初始应力因素影响锈蚀速率,可对既有桥梁预应力筋锈蚀情况进行直接的分析预测。

4 结语

通过理论研究及实验数据分析可以得出以下结论:1)普通钢筋锈蚀速率与保护层厚度有密切联系,锈蚀速率随钢筋保护层厚度增加而减小;2)随着锈蚀的进行,钢绞线预应力逐渐降低,说明锈蚀导致预应力松弛;但对于不同的初始预应力的钢绞线,其锈蚀率都是随着初始预应力的增加而增加的;3)通过对试验数据的分析,可以看出预应力筋的锈蚀率变化曲线与时间和初始应力呈二次函数曲线。

[1] 吴 瑾.钢筋混凝土结构锈蚀损伤[M].北京:科学出版社,2005.

[2] 牛荻涛.钢筋混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京:科学出版社,2003.

[3] 张德峰,母志涛.现代预应力混凝土结构耐久性的研究现状及其特点[J].工业建筑,2000,30(11):11-12.

[4] 冯俊杰,汪 浩.斜拉桥拉索病害检测及退化程度评估[J].中外建筑,2007(2):37.

[5] 蒋德稳,李 果,袁迎曙.混凝土内钢筋腐蚀速度多因素影响的试验研究[J].混凝土,2008(7):21-23.