基于锈蚀与冻融作用下钢筋混凝土梁的抗弯性能分析

付明春

(大连海洋大学 应用技术学院，辽宁 瓦房店 116300)



基于锈蚀与冻融作用下钢筋混凝土梁的抗弯性能分析

付明春

(大连海洋大学 应用技术学院，辽宁 瓦房店 116300)

摘要：通过实验室分析方法，针对钢筋锈蚀和冻融作用对钢筋混凝土梁抗弯性能的影响进行了重点分析。在深入阐述这两种作用的影响原理基础上，分析了在这两种作用下钢筋混凝土梁抗弯性能的计算模型。根据具体案例，探讨了提高土梁抗弯性能的有效措施，为钢筋混凝土梁的施工过程及日常维护工作提供了依据，进一步提高了钢筋混凝土梁建筑物的使用性能。

关键词：钢筋锈蚀；冻融作用；钢筋混凝土梁；抗弯性能

1钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁抗弯性能的影响

1.1　实验室试验法

1)实验原理

空气中的CO2或Cl-等酸性离子吸附在钢筋表面，使钢筋中的Fe2+离子形成Fe(OH)2，并进一步氧化成水合三氧化二铁，使钢筋表面产生铁锈[1]。铁锈的形成会导致体积增大，进而对混凝土产生应力作用。当应力大小超出混凝土层的承受范围时，则会使土层产生裂缝，进一步加重钢筋锈蚀。

2)实验步骤

①将钢筋笼按照一定比例缩小，在实验室内利用钢支架绑扎成型；

②遵循现场搅拌、浇筑的顺序进行混凝土浇筑，浇筑完毕后常规养护25 d；

③将土梁试件和不锈钢片浸泡在氯化钠溶液中，试件与电源阳极相连，不锈钢片与阴极相连，通电后即可形成回路，从而达到电化学腐蚀的目的；

④在土梁试件两端和几何中心处放置应力测试片，当试件表面出现明显裂缝时，进行抗弯性能试验。不同应力条件下，钢筋应变力随着锈蚀率的变化规律如图1所示。

图1　钢筋应变力随锈蚀率的变化

1.2　试验结论

由图1可知，钢筋应力随着锈蚀率的变大表现出先降低后上升的变化规律。分析其原因可知：锈蚀初期，轻度锈蚀使混凝土与钢筋间的粘连作用有一定增幅，使混凝土的承压力变大，进而提高钢筋混凝土的抗弯性能；随着锈蚀程度的加重，钢筋混凝土梁内部的粘连作用大幅降低，使钢筋混凝土梁的整体承重性能恶化，造成抗弯性能降低。

将实验室结果和文献查阅结果相结合，可将锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的计算公式[2]表示如下：

(1)

其中，Mc为钢筋混凝土梁的抗弯强度，αc为抗弯受力矫正因数，α1为土梁受压区实际应力与设计值的比值，fc为土梁横截面的单位承压强度，b为截面宽度,x为土梁锈蚀深度，h0为土梁截面的有效高度。例如，某钢筋混凝土梁的αc和α1分别为1.612及0.93，fc、h0、b及x均经测量得出，通过计算可得Mc=3.812 MPa。工程人员可根据计算结果清楚地了解土梁的抗弯性能，并在此基础上对土梁的使用年限进行预测。

2冻融作用对土梁抗弯性能的影响

2.1　实验室试验过程

按照上述方法制定相同的钢筋混凝土试件。在冻融前用10～15 ℃的水浸泡，浸泡24 h后擦干试件表面后称重，并将其放进注有氯化钙溶液的冻融箱内。冻融2～3 h后取出试件，擦干表面并称重，同时观察试件表面是否产生裂缝等变化。当试件重量的下降幅度大等于7%时停止冻融，控制冻结和融化间的时差小于15 min[3]。

统计不同承载压力下钢筋混凝土试件的截面应力随冻融次数变化的规律，其变化曲线如图2所示。

2.2　试验结论

分析图2可知，在相同承压条件下，随着冻融次数的增加，钢筋混凝土梁截面所受压力也表现出逐渐上升的趋势。出现这一变化现象的原因有：

1)冻融操作的反复进行造成了土梁中心轴的抗压能力及应变弹性降低，从而导致土梁截面单位面积所受压力增大；

2)反复冻融严重破坏了土梁内部的抗拉力结构和钢筋混凝土间的粘连效应[4]，引起土梁截面受压力的增大。

借鉴钢筋锈蚀实验中的模型计算方法，可得冻融状态下钢筋混凝土梁的抗弯应力计算公式：

(2)

其中，Mn为冻融作用下土梁的抗弯强度，γn为冻融土梁应力值的拟合系数，αN为冻融作用下土梁抗弯应力的特征系数值,xN为冻融作用下土梁的开裂深度，fc、b0及b的意义与(1)式相同。例如，实验室土梁试件在经过90次和180次冻融后，其抗弯强度计算值分别为3.801 MPa和3.294 MPa。在具体实践中可利用公式计算冻融后土梁的抗弯应力，并判定是否需进行土梁加固。

图2　钢筋混凝土试件截面应力随冻融次数变化

2.3　共同作用下的土梁抗弯性能分析

按照处理方式的不同对土梁进行编号，即A(30 min 锈蚀、60次冻融)，B(30 min锈蚀、120次冻融)、C(60 min锈蚀、60次冻融)和D(60 min锈蚀、120次冻融)。将这些土梁分别放置在抗弯性能试验装置中，如图3所示，通过加大压力，测量不同部位的压力值，并据此确定其抗弯应力。

图3　抗弯性能试验装置

分析结果可知，A梁和B梁的抗弯强度值分别为2.863 MPa和2.495 MPa，C梁和D梁的抗弯应力分别为2.547 MPa和2.036 MPa。综合分析可得，在钢筋锈蚀和冻融的共同作用下，钢筋混凝土梁的抗弯应力计算模型为：

(3)

式(3)中，Mc和Mn分别为钢筋锈蚀和冻融单一作用下的抗弯强度，c为两种作用的耦合系数。在实际中，钢筋锈蚀和冻融作用往往同时存在，工程技术人员可借此计算出双重作用条件下土梁的抗弯应力。

3提高土梁抗弯性能的方法策略

3.1　灌浆料加固

灌浆料加固是利用灌浆料对现有钢筋混凝土梁的结构、连接部位等进行浆料灌注，以提高土梁的抗弯性能。

3.1.1可行性分析

选取原有钢筋混凝土试件进行灌注加固，对经加固和未经加固的土梁试件给予相同应力压迫，比较两试件在不同荷载条件下挠度的变化，如图4所示。

3.1.2实现过程

1)根据实际情况选取合适的灌浆方法，常规使用的灌浆法包括“自重灌浆”和“压力灌浆”等[5]；

2)待加固土梁进行表面清理后，按照既定方案进行土梁加固；

3)灌浆结束20～30 min后，采取喷洒养护剂或清水的方式进行钢筋混凝土梁养护处理。

3.2　钢筋阻锈剂的应用

3.2.1可行性分析

通过上述试验内容可知，钢筋锈蚀过程的实质是电化学反应过程，钢筋阻锈剂可降低反应速率或阻止反应过程的发生。钢筋阻锈剂不仅可延长土梁中钢筋生锈的初始时间，还能显著降低钢筋的锈蚀速度，提高土梁的抗弯能力[6]。

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3.2.2实现过程

1)现场考察后，对土梁表面的杂质、油污、锈蚀及疏松物质等进行清理，确保土梁表面的充分外露和清洁；

图4　对照土梁与加固试件的应力变化

2)将事先备好的钢筋阻锈剂均匀涂刷于土梁表面，喷涂间隔为3～4 h，反复1～2次[7]；

3)喷涂完毕后检查覆盖效果，对喷涂不均部位进行二次喷涂。

4案例分析

4.1　案例工程概况

某建筑为5层“工”字形结构，其建成时间为1957年，至今已使用57年。该建筑物东西跨度为65.31 m，南北纵深为19.97 m，总建筑面积为3 108 ㎡。由于技术限制和使用年限较长，该建筑的部分地基发生轻微沉降，建筑中的钢筋混凝土梁间距较大，土梁下端未架设承重柱，且部分土梁构件出现位移或裂缝现象。

4.2　具体加固措施

4.2.1灌浆料加固施工

清除原混凝土梁表面的疏松或腐蚀部分，在清除部位上方30～35 mm处架设灌浆模板。采取压力灌浆方式从模板一侧向模板内灌注浆料至另一侧有浆料溢出，灌浆厚度以45～60 mm为佳。灌浆结束后，结合现场条件采取有效的养护措施。

4.2.2钢筋阻锈剂的使用

待上述灌浆料加固施工完毕1～2个月后，在土梁

表面涂刷阻锈剂。首先清除土梁表面的杂质及混凝土疏松部分，确保表面的清洁与平整。其次，在土梁表面均匀涂刷钢筋阻锈剂并晾干，如此往复1～2次。最后，检验喷涂效果，对不均匀部分进行重新喷涂。

4.3效果综合评估

在蒙特卡罗概率方法的基础上构建耐久性计算模型[8]，对加固后建筑物和应用传统技术施工的建筑物进行耐久性评估，同时邀请专家对两种不同施工技术条件下的施工时长和资金量进行科学评估，评估结果如表1所示。

表1　不同施工技术对钢筋混凝土梁的影响比较分析

比较表1中的评估结果可知，应用加固技术进行施工的建筑使用周期更长，其施工时长及资金投入量均低于使用非加固施工技术的建筑。由此可知，应用灌浆料加固及钢筋阻锈剂涂刷等施工技术，可提高钢筋混凝土梁的抗弯性能，延长其使用寿命。

5结论

钢筋锈蚀和冻融作用均会对钢筋混凝土梁的抗弯性能造成不利影响，进而影响到钢筋混凝土梁的正常使用。在不同作用下，土梁抗弯性能的变化情况互不相同。灌浆料加固技术和钢筋阻锈剂粉刷技术可显著提高钢筋混凝土梁的抗弯性能，尽可能地延长土梁在具体建筑物中的使用年限，两种技术的应用效果已在具体实践中得到充分体现，应用价值较高，可在实践中广泛使用。

参考文献

[1]徐宗强.锈蚀钢筋混凝土构件疲劳性能的试验研究[D].青岛：山东科技大学，2009.

[2]徐港,谢晓娟,艾天成，等.盐冻环境下钢筋混凝土梁抗弯性能仿真分析[J].土木建筑与环境工程,2012,34(2)：63-68.

[3]崔钊玮.氯盐干湿交替下开裂RC梁的侵蚀及抗弯性能退化研究[D].镇江：江苏大学，2013.

[4]张治军,周禹,罗辉.冻融循环对混凝土梁抗弯性能的影响[J].建筑技术开发,2014,41(1)：8-10.

[5]赵荣伟.灌浆料加固钢筋锈蚀混凝土梁板的试验研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[6]王国业,王亮,杨永生，等.钢筋锈蚀对混凝土梁抗弯性能影响试验[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版,2013,29(3)：454-460.

[7]岑畅明,申翔.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能评估[J].国外建材科技,2007,28(3)：32-35.

[8]杭彧.局部锈蚀钢筋混凝土梁受弯性能的数值模拟研究[D].镇江：江苏大学，2010.

(责任编辑张凯校对佟金锴)

The Flexural Performance of Reinforced Concrete Beams under the

Action of Rebar Corrosion and Freeze-thaw

FU Ming-chun

(Applied Technology College,Dalian Ocean University,Wafangdian 116300,Liaoning Province)

Abstract：The influence of reinforcement corrosion and freeze-thaw action on the flexural performance of reinforced concrete was analyzed in this paper.The calculation models under the two types actions were analyzed based on the elaboration of the two influence principles in detailed.According to the specific case,the effective measures to improve the flexural properties of concrete beam were discussed in order to provide a basis for the construction process of reinforced concrete beams and daily maintenance work,and to further improve the performance of reinforced concrete buildings.

Key words：corrosion;freeze-thaw;reinforced concrete beam;flexural performance

作者简介：付明春(1971-)，男(满族)， 辽宁瓦房店人，讲师，硕士研究生。

收稿日期：2014-11-24

中图分类号：TU375

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)02-0189-04

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.02.022