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不锈钢筋在混凝土中的研究进展

来源:至德钢业 日期:2021-08-31 07:04:53 人气:42

为了解决极端环境中混凝土结构钢筋的锈蚀问题,近年来,许多学者对不锈钢筋在混凝土领域的应用做了诸多研究。因此,为了进一步对不锈钢筋进行研究,本文通过对国内外文献调研,概述了不锈钢筋的由来,对不锈钢筋在混凝土中的性能、混凝土构件与黏结滑移性能进行了论述。最后就不锈钢筋在混凝土领域的发展前景提出了自己的看法,为以后相关研究提供借鉴。

1概述

钢筋混凝土结构具有坚固、耐久、防火性好、成本低等优点,在国内外的土木工程中得到了广泛的使用。但是排除优点后,钢筋的锈蚀问题却也严重影响钢筋混凝土结构耐久性,钢筋锈蚀会导致钢筋混凝土结构承载力出现不同程度的下降,也会使钢筋与混凝土间的黏结力降低,最终会导致结构更快地出现失稳破坏的情况,尤其是对于那些处于侵蚀较严重的环境的混凝土结构,它们往往在远未达到规定使用年限或者还未达到结构容许的承载力便出现了失稳破坏的情况。比如内陆建筑的正常使用年限应达到50~120年,但在沿海附近有些建筑仅修建5~8年就出现了失稳破坏的情况。许多国家因为钢筋锈蚀问题,每年都会花费大量的人力物力来对腐蚀的结构进行维修,比如加拿大每年花费在这方面的资金就达到了惊人的5000多亿。为此,为了国家的财产与人民的安全得到保障,对于钢筋锈蚀的问题研究迫在眉睫。而在这种背景下不锈钢筋应运而生,因其相较于普通钢筋具有较强的抗腐蚀性,能给工程建设带来巨大的经济效益,因此国内外学者都对其进行了许多研究。

2不锈钢筋

不锈钢筋无论在淡水、海水、酸与碱环境中亦或是其他恶劣的环境中,它都表现出很强的耐腐蚀性。但其实相较于普通钢筋它不单只有这一个优点,它的强度与变形性能也很优良,力学稳定性较高。不锈钢筋能拥有这么多的优点由其化学成分所决定的,其中Fe就是其本身含有的主要元素,除此以外它还含有许多合金元素,而Ge就是合金元素中含量最多的,其次是镍,这两种元素的配合使不锈钢筋具有较高的耐腐蚀性与优良的力学性能。

从上世纪三十年代到如今,不锈钢经历了三次重大发展。第一次是建造Progreso Pier大桥时,这也是它首次被运用到工程中。第二次大发展在21世纪初,世界的发达国家在很多处于严重腐蚀环境的构筑物中应用了不锈钢筋。第三次大展则是在2010年至今,不锈钢筋被许多亚洲国家应用于许多跨海工程的建设中,以上分析表明不锈钢筋越来越受到工程界的关注。

3不锈钢筋在混凝土中的研究现状

3.1不锈钢及其在混凝土中的性能表现研究现状

FRP筋虽有较好的抗腐蚀能力与强度,但延展性与变形性能有待提高。化学分子的稳定让不锈钢性能更加优越,相较于FRP筋具更优越的耐腐蚀性及耐久性,使混凝土中钢筋的腐蚀率得到极大程度的降低。而对于不锈钢筋的本构,目前常采用由Ramberg-Osgood提出的模型。

2002年,L.G等对不锈钢筋混凝土进行了研究,他们将试件放置于氯离子含量较正常的环境中。不锈钢钢筋试件没有锈蚀现象,混凝土也没有裂缝,同时发现在抗腐蚀方面,奥氏体不锈钢的抗腐蚀性最好。

2005年,ParkChoi指出了不锈钢的抗腐蚀性非常强,即使是在海水浸泡下,钢筋的表面不但未出现锈蚀状况,钢筋的强度也没有出现下降。

2013年,陈龙等以溶液模拟不锈钢所处的环境条件,研究了3162205不锈钢钢筋和Q235碳钢钢筋的各种特性。结果表明:在进行模拟实验后发现,由于3162205不锈钢在表面产生了P型钝化膜,使其耐腐蚀性远远超过Q235钢的耐腐蚀性。

2015年,徐春一等一行人在进行了无数次的实验中慢慢地总结经验,他们利用各种对比论证的方法去进行层层分析,在得到的不同的结果中总结,最后他们得出结论,工程建设中混凝土结构使用双相型不锈钢与奥氏体不锈钢更为合适。

2020年,冯兴国等发现珊瑚混凝土中不锈钢钢筋腐蚀速率始终低于0.1μA.cm-2,即使是在七百多天后,它的钝化并没有解除,在这其中的2205钢的锈蚀速度更低,它的腐蚀速率仅为普通混凝土中的普通钢腐蚀速度的十分之一。余红发等通过试验发现:在所有条件都相同的状态下,珊瑚混凝土中钢筋的耐腐蚀性依然不同,它们的强弱顺序为:2205双相不锈钢筋(2205S>316L不锈钢筋(316L>有机新涂层钢筋(OCS>普通钢筋(OS)。

3.2探究不锈钢钢筋混凝土的结构构件及其现状

学者们对不锈钢钢筋混凝土构件也做了许多研究。Theresa M.Ahlborn191根不锈钢钢筋混凝土梁展开了实验,在实验中他们发现不同的粘结长度决定了钢筋的粘结强度,不同范围的长度都有着相对应的各种强度。2008年,张国学等研究了不锈钢筋的抗弯性能,在各种比对试验中发现,普通的钢筋的缺点渐渐显露,不锈钢的裂缝宽度实测值与要求是一致的,并不存在差异,并且他所能承载的负荷确实更大更强,无论是在负荷下承受的压力及其裂缝宽度都是普通钢筋所不能及的。

2013-2014年,张颖和黄嘉伟通过数次的疲劳实验对含有不锈钢筋的混凝土梁进行研究,结果发现了具有不锈钢的梁板的表现更加出色,其抗疲劳性也是优秀的。耿会涛对国产不锈钢钢筋混凝土进行多种试验,对实验中产生的各种数据进行查验收集,并以此得出了结论,提出了不锈钢钢筋混凝土截面的承载力表达式。

2016年,李承昌等在实验中以九个配着国产不锈钢钢筋的试验梁品进行了研究,在此次的实验中发现无论是哪一种结构的钢筋它们的平均粘结力大小与粘结力分布情况差异不大。

2017年,李承昌等对配置国产不锈钢钢筋的混凝土梁进行了受弯性能试验,结果发现两种钢筋的破坏过程基本一致,唯一较大区别是普通钢筋混凝土峰值荷载所对应的挠度小于不锈钢筋混凝土峰值荷载所对应的挠度值。周易针对混合钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了研究,结果发现普通钢筋混凝土梁与不锈钢钢筋混凝土梁有很多方面都接近,但两种梁都出现了跨中挠度的理论计算值小于试验实测值的情况。2019年,张龙等人对不锈钢钢筋混凝土梁进行了研究,探究了它们的抗弯性能,结果发现不锈钢钢筋试件相较于普通钢筋混凝土试件,试件的挠度与裂缝的发展一致,但不锈钢筋试件的变形能力更强。

3.3不锈钢筋与混凝土粘结滑移性能的研究现状

混凝土与钢筋间的粘结力主要是由化学胶着力、摩擦力与机械咬合力组成,良好的粘结性能是混凝土与钢筋两种不同材料能够共同工作的基本前提。但当钢筋混凝土结构处在一些环境比较差的地方时,钢筋往往很容易出现锈蚀的现象,这也会使钢筋与混凝土间的粘结滑移性能变差,从而影响钢筋混凝土的工作性能。因此为了解决这一问题,学者们针对不锈钢筋与混凝土间的粘结滑移性能做了研究。

王进伟研究了不锈钢钢筋与混凝土间的粘结滑移性能,结果发现混凝土强度等级的提升会使不锈钢与混凝土间的粘结应力提高。当混凝土相对保护层厚度不超出4.5时,混凝土相对保护层的提高会使粘结应力的提高;然而当混凝土相对保护层厚度超过4.5后,混凝土相对保护层厚度对粘结应力的影响较小。不锈钢筋与混凝土间的粘结应力会随着相对锚固长度的增加而增加。

吴远建通过研究发现了锈蚀后的不锈钢与混凝土间粘结性能退化的规律,并以表面锈胀裂缝宽度与质量锈蚀率为基础,提出了粘结强度退出模型,结果表明:当锈蚀率超过一定范围后,应力-应变曲线的陡降段消失。锈蚀后不锈钢钢筋与普通钢筋的粘结滑移性能退化规律基本一致。

4结论与展望

目前国内外针对不锈钢与混凝土的研究较多,并且取得了较为全面的研究成果,但注意到对于不锈钢珊瑚混凝土的研究还不够全面,对珊瑚混凝土的了解依旧没有那么透彻,珊瑚混凝土一般应用于岛礁建设中,而岛礁建设所处的环境为海洋环境,海洋环境会严重腐蚀钢筋混凝土结构,导致严重的经济损失。所以对于目前的国情来说,我们依旧需要更深入地去了解不锈钢筋,只有不断地去探索研究,才能够找到更精准的数据去证实,为今后的应用打下基础,进一步促进不锈钢珊瑚混凝土在南海各珊瑚岛礁的应用,这也可以成为日后学者们研究的一个焦点。

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