钢筋混凝土梁加速锈蚀试验研究

卓2，元成方3，王

450001）

飞2

（1.郑州大学综合设计研究院有限公司，郑州450002；2.宁波工程学院，浙江宁波315211；

3.郑州大学土木工程学院，郑州

摘

要：以钢筋混凝土梁为研究对象，采用电化学加速锈蚀试验，研究分析钢筋加速锈蚀后的混凝土锈胀开裂特

征、钢筋锈蚀特征和钢筋锈蚀率.研究表明，试验梁顶部锈胀裂缝较梁底多，梁两侧裂缝分布较为均匀，部分锈蚀率较大的试验梁出现箍筋锈蚀造成的垂直裂缝，锈蚀严重的试验梁局部还有混凝土脱落；纵筋和箍筋坑蚀严重，采用贴面外加直流电加速钢筋锈蚀的效果与自然环境下的锈蚀状态较为接近；随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋锈蚀产物增多，导致混凝土保护层开裂以及钢筋肋锈损，使得钢筋与混凝土黏结力下降.钢筋理论计算锈蚀率基本大于纵筋锈蚀率的实测值，箍筋锈蚀率大于纵筋锈蚀率.箍筋上边锈蚀率较下边高，左右两边锈蚀率基本相同.关键词：钢筋混凝土梁；电化学；加速锈蚀；锈胀开裂中图分类号：TU375

文献标识码：A

ExperimentalStudyofAcceleratedCorrosionofReinforcedConcreteBeam

（1.Multi-functionalDesignandResearchAcademyLimitedCompany，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450002，China；

2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，NingboUniversityofTechnology，Ningbo315211，ZhejiangChina；

3.SchoolofCivilEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450001，China）

YUQiubo1，ZHAOZhuo2，YUANChengfang3，WANGFei2

Abstract：Corrosioncrackingcharacteristics，concretesteelcorrosioncharacteristicsandcorrosionrateofsteelbar

areresearchedaftertheacceleratedcorrosionofreinforcedconcretebeams.Theresultsshowthattherearemorecorrosivecracksatthetopthanthebottomofthebeam，andthecracksonbothsidesofthebeamdistributionisuniform.Verticalfracturecausedbystirrupcorrosionappearsinpartofthetestbeamswhichareseverecorrosion，whiletheprotectivelayerofconcretefalloff.Thelongitudinalreinforcementandstirrupseriouspittingcorrosion，theeffectoffacingexternalDCacceleratedcorrosionofreinforcementareclosetothenaturalenvironmentcorrosion.Withtheincreaseofthesteelcorrosionrate，corrosionproductsincrease，whichleadtothecrackedprotectivelayerofconcrete，damagedreinforcedribrust，andthedroppedbondbetweenreinforcementandconcretestress.Theoreticalcalculationofbasicsteelcorrosionratemeasuredvalueisgreaterthantherateoflongitudinalreinforcementcorrosion，andcorrosionrateisgreaterthanthelongitudinalreinforcementstirrupscorrosionrate.Stirrupcorrosionrateisbelowtheupper，andtheleftandrightsidescorrosionrateisbasicallythesame.

Keywords：reinforcedconcretebeams；electrochemistry；acceleratedcorrosion；corrosioncracking

［1-8］［9-15］

目前钢筋混凝土梁锈蚀试验研究，多建立在仅纵筋锈蚀或仅箍筋锈蚀的基础上.而实际工程中，

钢筋混凝土梁中纵筋及箍筋的锈蚀往往是同时进行的，且箍筋锈蚀往往更为严重，由此可能导致构件由弯

［16-20］

结构设计不允许发生剪切破坏.因此，研究钢筋混.而剪切破坏具有脆性特征，曲破坏转变为剪切破坏

收稿日期：2016-12-12

基金项目：国家自然科学基金项目（51408553）；河南省科技厅重点科技攻关项目（142102310490）作者简介：于秋波（1969-），男，教授级高级工程师，博士，主要从事工程结构可靠性研究通信作者：赵

卓（1970-），男，教授，博士，主要从事工程结构与材料耐久性研究.

-414-河南科学

第35卷第3期

多凝土梁的锈蚀问题，需要考虑纵筋与箍筋共同锈蚀的影响.对于加速锈蚀后钢筋的锈蚀特征的分析研究，

［21-24］

数学者以钢筋混凝土试块为对象开展试验研究，未能真实的模拟构件中不同位置、不同类型的钢筋锈蚀

本文以钢筋混凝土梁为研究对象，采用电化学加速锈蚀试验，研究分析钢筋加速锈蚀情况.针对上述问题，后的混凝土锈胀开裂特征、钢筋锈蚀特征和钢筋锈蚀率.

11.1

试验概况试件设计

试验采用钢筋混凝土简支梁模拟实际构件的钢筋锈蚀过程，考虑不同的钢筋锈蚀率，分别为0，10%，

共10根.试验梁的设计截面尺寸为：15%，20%，25%，锈蚀率以纵筋为准.每种锈蚀率制作两根试验梁，

b×h=150mm×200mm，梁长度为：l=1400mm，计算长度为l0=1200mm，保护层厚度为25mm.试验梁配筋为：纵筋：212，架立钢筋：28，箍筋：Φ6@150，截面纵筋配筋率为0.92%.试验梁构造简图如图1所示.

外接阳极导线

28200Φ6@1502121001200（锈蚀区）100150图1

Fig.1

试验梁构造图

Testbeamstructuralmap

钢筋加速锈蚀试验方法

试验采用贴面外加电流加速锈蚀法，具体做法为在试验梁内纵筋与梁端箍筋交汇处引出导线作为阳极

海绵外层再用不锈钢丝网包围，形成电化学反应的阴极，最后再用塑料薄（见图2）.试验梁外用海绵包裹，

更接近自膜包裹，起到保水作用（见图3）.为使加速锈蚀得锈蚀钢筋生成物充分氧化完全和锈蚀裂缝展开，

然锈蚀状态，通电过程中采用干湿循环法，一周期为通电5d，再干燥1d.

1.2

图2阳极外接导线

Fig.2

Externalanodewire

图3

Fig.3

贴面外加直流电加速锈蚀

VeneerwithDCacceleratedcorrosion

通电时间按法拉第定律计算，不同直径的钢筋通过换算表面积计算，并依据试验总体设计加以调整.理论通电时间及实际通电时间如表1所示.到达预定通电时间后，对试验梁进行破型并取出钢筋，观察混凝土《普通混与钢筋结合面处的黏结情况.依据

凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》

梁编号B10B15B20B25表1

Tab.1钢筋通电时间

理论通电天数/d

21273338实际通电天数/d

21283542Conductiontimeofthesteelbar锈蚀率/%

10152025［25］（GB/T50082—2009）分段取样，酸洗后观测纵筋与箍筋不同位置处的锈蚀程度，并计算钢筋的锈蚀率.

2017年3月于秋波，等：钢筋混凝土梁加速锈蚀试验研究-415-2

2.1

加速锈蚀过程及现象

外观损伤

试验梁的表观状态如图4依据钢筋加速锈蚀试验方案，对试验梁进行通电加速锈蚀.通电锈蚀各阶段，

电流较小，锈蚀现象不明显.随着电流逐渐加大，混凝土表面开始出现轻微棕色锈迹所示.通电锈蚀初期，

试验梁表面锈迹逐渐增多，颜色不断加深，梁顶梁底开始（见图4（a）），但未发现裂缝.随着通电周期增加，

试验梁表面裂缝数量逐渐增多，顺筋裂缝逐渐延伸并扩宽，部分锈蚀出现顺筋裂缝（见图4（c））.继续通电，

率较大的试验梁出现箍筋锈蚀造成的垂直裂缝，锈蚀严重的试验梁局部还有混凝土脱落（见图4（f））.

在试验过程中发现，试验梁顶部锈胀裂缝较梁底多，梁两侧裂缝分布较为均匀.通过钢筋保护层厚度测试结果发现，由于施工原因，梁底保护层厚度大于梁顶，梁两侧保护层厚度几乎一样，可见钢筋锈蚀程度与钢筋保护层厚度密切有关.

（a）通电1个周期后（b）通电2个周期后（c）通电3个周期后

（d）通电4个周期后（e）通电5个周期后（f）通电6个周期后

图4锈蚀混凝土梁表观状态

Fig.4

Theapparentstateofcorrodedbeam

试验梁的顶面、底面以及两侧面均表2为加速锈蚀完成后，试验梁各表面的锈胀裂缝宽度.由表2可见，试验梁的锈胀裂缝宽度显出现了锈胀裂缝，且锈蚀率越大，混凝土平均裂缝宽度越大.锈蚀率达到20%时，著增大.

表2

Tab.2混凝土锈胀裂缝宽度

锈胀裂缝宽度/mm

平均裂缝

宽度/mm0.250.380.600.401.481.052.031.08Theexpansionwidthofcracksinconcreterust梁编号B10-1B10-2B15-1B15-2B20-1B20-2B25-1B25-2梁顶0.40.60.50.21.21.13.12.1梁底0.20.10.90.61.70.10.91.2左侧0.20.50.50.32.81.41.50.8右侧0.20.30.50.50.21.62.60.2-416-河南科学

第35卷第3期

2.2

破形观测结果

通电锈蚀试验完成后，对混凝土梁进行破型，观察钢筋锈蚀情况以及锈蚀钢筋与混凝土黏结情况，如图5至图8所示.

1）钢筋锈蚀情况钢筋经酸洗后，除去了表面的水泥浆和锈渍，不均匀锈蚀现象十分明显（见图5~图7）.纵筋和箍筋坑蚀

（朝向保护层一侧）较内侧（背向保护严重，尤其是在纵筋与箍筋交汇处多存在锈坑.纵筋和箍筋的锈蚀外侧

采用贴面外加直流电加速锈蚀钢筋效果较好，钢筋锈蚀的不均匀性明显，与自然环层一侧）更为严重.可见，

境下的锈蚀较为接近.

内侧外侧

图5纵筋不均匀锈蚀图6

Fig.6

箍筋不均匀锈蚀图7

Fig.7

钢筋外侧锈蚀更为严重

Worsecorrosiononsteelbar’s

outerside

Fig.5Unevencorrosionoflongitudinal

reinforcement

Unevencorrosionofstirrups

2）锈蚀钢筋与混凝土黏结情况

B10的照片可以清晰地看到混凝土上的纵筋螺纹印钢筋与混凝土黏结处照片如图8所示.由图可见，

随记，B20纵筋印记已不清晰，且有不少粉末状锈蚀产物，B25已无明显印记，且有大量层叠锈蚀产物.可见，着钢筋锈蚀率的增加，钢筋锈蚀产物越来越多，导致混凝土保护层开裂以及钢筋肋锈损，从而使得钢筋与混凝土黏结力下降，影响构件的整体受力性能.

［16］根据“最弱单元”假设，服役结构系统可靠性失效时，系统内可靠度最低的单元首先失效.纵筋与箍筋

锈蚀的不均匀性较为明显，锈蚀严重的部位会导致构件产生锈胀裂缝，钢筋与混凝土局部的黏结滑移，从而形成构件相对薄弱的环节，即系统内可靠度最低的单元，构件的失效多发生在此处.

（a）B10（b）B20（c）B25

图8

Fig.8

钢筋与混凝土黏结处照片

Bondingsitesbetweensteelbarandconcrete

3钢筋锈蚀率计算结果

破型后取出钢筋，刮去钢筋上黏附的混凝土，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》

［25］

箍筋及架立钢筋共同锈蚀，故分别测量纵（GB/T50082—2009）计算钢筋锈蚀率，即失重率.本试验纵筋、

筋、箍筋以及架立钢筋的锈蚀率，计算结果如表3所示.

由表3可知，钢筋理论计算锈蚀率基本大于纵筋锈蚀率的实测值，且三种钢筋，纵筋锈蚀率最小，箍筋锈可以通过换算表面积来估算的钢筋锈蚀率.钢筋锈蚀率与构件保蚀率最大.不同直径的钢筋共同锈蚀时，

2017年3月于秋波，等：钢筋混凝土梁加速锈蚀试验研究

-417-

一般锈蚀的钢筋混凝土梁，其箍筋锈蚀会较纵筋更护层厚度有关，保护层厚度越大，钢筋锈蚀率越低.所以，为严重，对于锈蚀钢筋混凝土梁受力性能研究应重视箍筋的锈蚀损伤.

表3

Tab.3钢筋锈蚀率

架立筋12.8115.6617.6521.6225.3930.0924.969.78箍筋14.6921.0916.3918.5323.9225.3628.0825.00%Thecorrosionrateofreinforcement梁编号B10-1B10-2B15-1B15-2B20-1B20-2B25-1B25-2纵筋13.1110.6711.3815.2816.0721.8016.607.90为深入分析箍筋锈蚀损伤情况，在构件破型阶段，取出箍筋前，标记好箍筋所在梁的位置，取出后，每根箍筋截取上、下、左、右四小段，分别测量其锈蚀率，结果如表4所示.

表4

Tab.4箍筋锈蚀率

%右15.3712.3113.1011.5019.0217.9818.269.81平均锈蚀率14.6921.0916.3918.5323.9225.3628.0825.00Stirrupcorrosionrate梁编号B10-1B10-2B15-1B15-2B20-1B20-2B25-1B25-2各边平均值

上19.28.0718.2626.1037.1037.2939.7431.01下14.6921.0916.3918.5323.9225.3628.0825.00左11.2815.7414.4313.7218.0217.6019.6516.20由表4可知，箍筋上边锈蚀率较下边高，左右两边锈蚀率基本相同.结合锈蚀阶段对梁各侧面钢筋保护这说明箍筋锈蚀率层厚度的测试结果，说明钢筋的锈蚀率与保护层厚度成正相关.上下两边较左右两边高，与海绵的保水性有关，因为试验梁外侧包裹的保水海绵对梁顶梁底的保水效果较好，对梁侧的保水较差.钢筋锈蚀率受构件保护层厚度及外包材料电导性的影响，而构件外包海绵的保水性，间接反映了外包材料的钢筋锈蚀率越高.电导性.其电导性越好，

4结论

1）通电锈蚀过程中，试验梁顶部锈胀裂缝较梁底多，梁两侧裂缝分布较为均匀，部分锈蚀率较大的试验2）纵筋和箍筋坑蚀严重，尤其是在纵筋与箍筋交汇处多存在锈坑.纵筋和箍筋的锈蚀外侧较内侧更为3）随着钢筋锈蚀率的增加，钢筋锈蚀产物越来越多，导致混凝土保护层开裂以及钢筋肋锈损，使得钢筋4）钢筋理论计算锈蚀率基本大于纵筋锈蚀率的实测值，纵筋锈蚀率最小，箍筋锈蚀率最大.箍筋上边锈

梁出现箍筋锈蚀造成的垂直裂缝，锈蚀严重的试验梁局部还有混凝土脱落.

严重.采用贴面外加直流电加速钢筋锈蚀的效果与自然环境下的锈蚀较为接近.与混凝土黏结力下降.

蚀率较下边高，左右两边锈蚀率基本相同.

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（编辑张松林）