长期自然环境下结构中混凝土与钢筋的力学特性

杜卫兵

（河南省水利科学研究院，河南省水利工程安全技术重点实验室，河南 郑州 450003）

1 引言

外界环境对混凝土的劣化过程有重要影响。港工、水工等建筑物多处于自然环境中，自然环境中的空气温度、湿度在不断变化，与民用建筑相比受人为因素影响较小，在这样的环境中混凝土更易碳化，钢筋更易锈蚀。研究表明，混凝土的碳化将影响其力学性能。而混凝土的碳化将使混凝土pH值降低，当pH值小于9.5时，在水和氧气的作用下，钢筋会发生电化学腐蚀，即生锈。锈蚀钢筋的体积通常会膨胀，至一定程度将导致混凝土保护层开裂，破坏钢筋与混凝土的粘结力。混凝土的碳化、钢筋的锈蚀及混凝土与钢筋粘结力的丧失将导致结构承载力的降低。

建国以后，我国修建了大量的港口、水利工程，由于长期的物理、化学及生物的作用，许多工程中的钢筋混凝土结构出现了严重的老化病害，面临着许多需要解决的问题[1-7]。目前针对长期自然环境中混凝土材料性能的研究较为缺乏，本文结合一水利工程的改造，获取了近50 a龄期的混凝土芯样及钢筋试样，通过试验研究了自然状况下长龄期混凝土强度由表至里的变化规律及不同锈蚀率钢筋的力学性能，为科学评定长期自然环境中混凝土结构的安全性提供技术支持。

2 混凝土强度特性研究

2.1 试验方法

混凝土芯样取自某大型水库泄洪闸地板，其设计强度14MPa，芯样直径100mm，长200～300mm。采用横劈法测定圆柱体混凝土抗拉强度，即将劈拉线荷载作用在圆柱体芯样的横截面上，使圆柱体的母线方向受拉，造成圆柱体横截面的劈拉破坏（试验装置见图1）。在此定义混凝土的名义劈拉强度为线荷载总量与试件横截面积的比值。

由于碳化层厚度较小，如用碳化混凝土制成立方体抗压强度试件，其尺寸非常小，属非标准小尺寸试件，试验结果的代表性非常差。加之闸底板内骨料尺寸较大，即使精心挑选，也很难避免骨料对试验结果的严重影响。因此获取碳化混凝土的抗压强度非常困难。文献[8]的研究结果表明：荷载作用圆心角θ为90°时，混凝土的名义劈拉强度与混凝土的抗压强度及混凝土常规劈拉试验得到的立方体、圆柱体纵劈强度有很好的相关性；混凝土抗压强度及纵劈强度均随名义劈拉强度的增大而增大。因此由横劈法试验结果可定性地评价混凝土碳化前后强度的变化。

图1 试验装置图

2.2 试验步骤

混凝土的碳化深度受多种因素影响，在同一混凝土体中碳化的深度是不一样的，碳化的锋面为不规则的曲面，因此在碳化混凝土与未碳化混凝土间存在一个既有碳化也有未碳化的交接层。首先采用酚汰试剂测定芯样的碳化层与未碳化层的范围，确定碳化与未碳化的交接层，然后采用横劈法分别对芯样的碳化层、交接层和未碳化层进行横劈试验。当试件劈开后，再用酚汰试剂对劈裂面进行检测，如果劈裂面上混凝土未出现红色，则表明劈裂处的混凝土已完全碳化；如劈裂面上混凝土全部变红，则表明劈裂处的混凝土未碳化；如劈裂面上混凝土部分变红，部分未变红，则可以认为劈裂面为交接层。试验共进行了8组。

2.3 试验结果

试验结果见表1。由表可见，当碳化深度≤40mm时，各层名义劈拉强度值相近；碳化深度＞40mm后，各层名义劈拉强度值相差明显。显示易碳化的混凝土，碳化前后混凝土的强度将出现较大的起伏，因此提高混凝土的抗碳化能力，可以防止混凝土强度出现较大波动。

表1 各组芯样劈拉试验结果

不同劈拉位置所得试件名义劈拉强度分布见图2。试验所得碳化层、交接层及未碳化层3部位的混凝土名义劈拉强度平均值分别为2.60MPa、3.09MPa和3.42MPa，故混凝土碳化层至交接层及未碳化层的劈拉强度逐渐增加。一般情况下，碳化后混凝土的密实度增加，强度相应增加，但是由于闸底板处于自然环境下，其表层的碳化混凝土会受到雨水、洪水的冲刷，碳化混凝土的某些物质会发生流失，造成碳化混凝土的物质含量及孔隙结构发生变化，导致其强度降低，这可能也是长期处于自然环境中碳化混凝土强度变化的一个特点。

图2 不同位置劈拉强度的分布情况

3 钢筋强度特性研究

3.1 试验方法及步骤

钢筋取自该大型水库泄洪闸闸墩，共获取直径分别为φ12、φ19和φ25的Ⅰ级钢筋21根。观察发现，试验所用锈蚀钢筋上存在明显的锈坑，基于此本次采用截面损失率来表征钢筋的锈蚀程度，即

式中：ηs为钢筋截面锈蚀率，%；F为钢筋原始截面面积，mm2；Fmin为锈蚀最严重处钢筋截面面积，mm2。

试验前用游标卡尺在钢筋锈损最严重的部位量测5次，测定锈蚀钢筋最小截面面积，并由式（1）得出钢筋截面损失率。然后将试件置于小吨位万能材料试验机上，通过拉伸测取锈蚀钢筋的名义屈服强度（定义为锈蚀钢筋的屈服荷载与原始截面面积的比值）、名义极限强度（定义为锈蚀钢筋的极限荷载与原始截面面积的比值）及极限延伸率。钢筋变形量采用杆式引伸计测量。取φ12的钢筋试件的试验标距为10 D（D为钢筋直径），φ19及φ25的钢筋试件的试验标距定为5 D，试件中锈损最严重的部位位于标距范围内。

3.2 试验结果

21根试件的拉伸试验结果见表2。由表2中结果可知，本次试验采用的钢筋锈蚀率在0.67%～5.19%，由于锈蚀的影响，钢筋的名义屈服强度降幅为0.4%～12.5%，名义极限强度的降幅为1.4%～16.5%，极限延伸率降幅为0.3%～21.2%。

表2 钢筋力学性能试验结果

锈蚀钢筋强度随着锈蚀率的增大呈下降趋势，这与以往研究结论一致[9，10]。造成钢筋强度下降的主要原因，一是钢筋锈蚀后有效截面面积的减小；二是锈坑处的应力集中造成钢筋受力状况恶化。自然环境中的锈蚀钢筋，这两种因素是相辅相成的，钢筋锈蚀越严重，钢筋出现大的锈坑的概率就越大，则钢筋有效截面面积的减少就越多，锈坑处的应力集中将越严重，钢筋强度降幅将越大。

图3、图4分别给出本次试验所得钢筋名义屈服强度及名义极限强度与锈蚀率的关系，通过对试验结果拟合，得出名义屈服强度与锈蚀率的关系式为：

式中：fy′为锈蚀钢筋的名义屈服强度，MPa；其它符号意义及单位同前。

实测值与式（2）计算值相比，平均值为0.999 95，离散系数为0.026 3。

图3 名义屈服强度与锈蚀率的关系

拟合所得名义极限强度与锈蚀率的关系式为

式中：fu′为锈蚀钢筋的名义极限强度，MPa。

实测值与式（3）计算值相比，平均值为0.999 98，离散系数为0.024 2。

图4 名义极限强度与锈蚀率的关系

试验结果显示随着锈蚀率的增大，极限延伸率逐渐变小（见图5），表明锈蚀钢筋的塑性性能随着锈蚀量的增大而变差。锈蚀钢筋塑性下降的原因与其强度降低的原因相同。本次试验钢筋锈蚀率不超过5.2%，因此钢筋的极限延伸率下降趋势不明显，试验值均大于规范所规定最小允许值。当锈蚀率小于1.5%时，延伸率基本与未锈蚀钢筋相同。对试验结果拟合得极限延伸率与锈蚀率的关系式为：

式中：εu为钢筋的极限延伸率，%。

实测值与式（4）计算值相比，平均值为1.000 06，离散系数为0.073 2。

4 结语

通过对自然环境下工作近50 a的结构中混凝土及钢筋材料的试验研究，得出以下认识与结论：

（1）碳化混凝土、碳化层与未碳化层的交接面及未碳化混凝土的劈拉强度依次增大，特别是碳化混凝土的强度低于未碳化混凝土强度的试验结果与以往的研究结果有所不同，这可能是自然环境中经受水力作用的混凝土的一个特点。

（2）随着锈蚀率的增大，钢筋的名义屈服强度及名义极限强度均明显降低。钢筋的极限延伸率亦随锈蚀率的增大而降低，但降幅不明显。

（3）自然环境下长龄期混凝土结构中锈蚀钢筋力学性能的变化规律，与民用建筑中的变化规律基本一致。

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