腐蝕后的鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能研究綜述

袁 林

(長江大學(xué)，湖北 荊州 434023)

1 鋼管混凝土

鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中，較為常見的有鋼管混凝土柱構(gòu)件。鋼管混凝土構(gòu)件是內(nèi)空鋼管填充混凝土而制成的構(gòu)件，常見的有圓鋼管混凝土柱構(gòu)件和方鋼管混凝土柱構(gòu)件，近年來還有不少異形鋼管混凝土構(gòu)件的出現(xiàn)。鋼管與混凝土這兩種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，混凝土的抗壓強(qiáng)度高，但抗彎、抗折和抗拉能力很弱，而鋼材具有較高的抗拉強(qiáng)度，其中，型鋼的抗彎能力強(qiáng)，而且鋼材普遍具有良好的彈塑性，但是空鋼管構(gòu)件在軸向受壓時(shí)容易失穩(wěn)。而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，在軸向受壓時(shí)鋼管中的核心混凝土處于側(cè)向受壓狀態(tài)，由于外圍鋼管的束縛其抗壓強(qiáng)度提高明顯，從而大大地提高了承載能力。由于鋼管混凝土構(gòu)件優(yōu)異的受力性能和施工性能，各種形狀的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，其承載力高、延性好、塑性好，而且施工方便，可在預(yù)制工廠預(yù)制好后搬運(yùn)至工地現(xiàn)場，結(jié)合裝配式建筑施工，工期大大縮短。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，也可以現(xiàn)場澆筑混凝土，在鋼管安裝好后，鋼管可以承受施工荷載，此外，鋼管混凝土的耐火性能較好。鋼管混凝土整體的耐腐蝕性能優(yōu)于單獨(dú)的鋼結(jié)構(gòu)，鋼管中心的混凝土使鋼管與空氣接觸面積減少，受腐蝕面積因此也比鋼結(jié)構(gòu)少。

2 鋼管混凝土腐蝕研究

鋼管混凝土構(gòu)件在使用過程中，都會受到環(huán)境因素的影響，有些構(gòu)件甚至需要在惡劣環(huán)境中服役，比如寒冷地區(qū)的凍土中，或在溫度較高的鋼鐵廠中，在眾多環(huán)境因素影響中，其中較為常見的是在腐蝕性環(huán)境中使用，例如海洋平臺建筑，埋地管道等都極易被環(huán)境所腐蝕，國內(nèi)一些學(xué)者對鋼管混凝土的腐蝕也進(jìn)行了研究。

2.1 腐蝕后鋼管混凝土構(gòu)件的研究現(xiàn)狀

2011年，張斌[1]詳細(xì)分析了普通鋼管混凝土、均勻銹蝕鋼管混凝土、坑狀銹蝕混凝土三種類型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并且通過有限元建模與試驗(yàn)對比，著重分析了銹蝕后對鋼管混凝土的力學(xué)性能、鋼材本構(gòu)關(guān)系、混凝土本構(gòu)關(guān)系以及承載力的影響。

2012年，李威[2]采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)鋼管混凝土試件，以玻璃纖維增強(qiáng)塑料的包裹方式為試驗(yàn)的可變參數(shù)，進(jìn)行力學(xué)靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隨著銹蝕的加深，試件的剛度也逐漸降低，同時(shí)，承載力也不斷下降，但相對于普通的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)而言，玻璃纖維增強(qiáng)塑料增強(qiáng)了鋼管混凝土構(gòu)件整體的抗腐蝕能力，此外，通過有限元分析中局部腐蝕與整體腐蝕發(fā)現(xiàn)，試件的局部銹蝕損傷明顯高于整體損傷，因此，建議在腐蝕性條件下使用鋼管混凝土構(gòu)件的實(shí)際工程中需要進(jìn)行構(gòu)件的局部加固。

2013年，陳夢成等[3]以地下環(huán)境為背景模擬了試件在地下環(huán)境中的銹蝕環(huán)境，研究了氯離子銹蝕對鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)中鋼筋的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，氯離子與鋼材發(fā)生腐蝕反應(yīng)較為緩慢。當(dāng)試驗(yàn)溶液中的氯離子濃度越大時(shí)，試件的銹蝕速率也越大，浸泡時(shí)間越長，銹蝕的現(xiàn)象越為明顯。同年，何小平[4]制作了鋼管混凝土柱試件，并用NaCl溶液涂抹在鋼管與混凝土接觸面上來模擬腐蝕環(huán)境，通過設(shè)定不同時(shí)長的銹蝕，分析了腐蝕時(shí)長和徑厚比對于鋼管與混凝土粘結(jié)界面力學(xué)性能的影響。許開成等[5]制作了10根鋼管混凝土試件，在管內(nèi)壁涂抹一定濃度的NaCl 溶液，將試件置于腐蝕環(huán)境之中進(jìn)行試驗(yàn)，按一定時(shí)間獲得不同腐蝕程度的管件來研究腐蝕程度與時(shí)間長短的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著腐蝕時(shí)間的不斷增長，腐蝕現(xiàn)象越為明顯。

2014年，Lin-Hai Han等[6]對長期荷載-氯離子腐蝕下的方鋼管混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中17根柱構(gòu)件和11根梁構(gòu)件，一共28根試件。試驗(yàn)主要以荷載比和腐蝕條件為變量，分析了長期荷載和腐蝕對鋼管混凝土柱的影響，此外與空鋼管柱的受力性能作了對比，最后對比了用現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算的極限承載力與試驗(yàn)得到的極限承載力。

2015年，花幼星等[7]對氯離子腐蝕環(huán)境下鋼管混凝土軸拉構(gòu)件受力性能進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，模型考慮了長期荷載下混凝土的收縮徐變和惡劣環(huán)境腐蝕兩方面的影響，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。同年，陳夢成等[8]參考自然界的酸雨成分配制了相同的溶液，運(yùn)用通電加速腐蝕的方法，設(shè)計(jì)了不同長徑比的鋼管混凝土構(gòu)件，研究了不同pH值的酸性環(huán)境對鋼管混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)研究表明：鋼管混凝土的套箍系數(shù)會因?yàn)楦g而降低，鋼管混凝土構(gòu)件的剛度和承載力也因此而下降。

2016年，張風(fēng)杰[9]對地下巷道支護(hù)工程環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室人工模擬，設(shè)計(jì)了與實(shí)際工程環(huán)境較接近的人工加速銹蝕試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果顯示鋼材一旦出現(xiàn)銹蝕，時(shí)間越長，銹蝕速率也會增大。此外，發(fā)現(xiàn)當(dāng)銹蝕度增大時(shí)，試件承載力退化趨勢減緩，銹蝕形成的蝕坑是試件受壓時(shí)的薄弱點(diǎn)，蝕坑部位也是應(yīng)力集中點(diǎn)，因此，該位置容易發(fā)生破壞。而且，隨銹蝕度增大均勻銹蝕逐漸變?yōu)閲?yán)重局部的坑蝕，這也是承載力降幅增大的主因。同年，張凡孟[10]詳細(xì)介紹了對于方形鋼管混凝土柱的酸雨腐蝕率的測量方法，同時(shí)探討了腐蝕度與鋼材本構(gòu)關(guān)系的影響。

2.2 影響腐蝕的因素

從已有研究可以看出，鋼管混凝土構(gòu)件的腐蝕與作用環(huán)境、腐蝕時(shí)間、離子濃度等有關(guān)。當(dāng)鋼管混凝土構(gòu)件服役于氯鹽和酸性環(huán)境中，構(gòu)件容易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，且局部銹蝕損傷高于整體。從時(shí)間上來說，氯鹽銹蝕是較為緩慢而長久的過程。銹蝕的速率與氯離子的濃度以及銹蝕的時(shí)間有很大關(guān)系，濃度越大，作用時(shí)間越長，銹蝕的現(xiàn)象越為明顯。隨著銹蝕的加深，腐蝕會降低鋼管混凝土的套箍系數(shù)，試件的承載力不斷下降，剛度也逐漸降低。當(dāng)鋼材存在GFRP材料包裹時(shí)，相對于無包裹的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，GFRP能有效地改善鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力。長期荷載和腐蝕對鋼管混凝土柱和空鋼管柱的受力性能影響對比，發(fā)現(xiàn)按照規(guī)范計(jì)算的極限承載力相對于試驗(yàn)值偏低，更趨于保守。研究表明鋼質(zhì)試件一旦銹蝕，其銹蝕速率將隨時(shí)間延長將不斷增大。此外，發(fā)現(xiàn)隨銹蝕度、徑厚比的增大試件承載力退化趨勢減緩，銹蝕形成的蝕坑會造成鋼管對核心混凝土緊箍約束作用的薄弱點(diǎn)，蝕坑部位會形成試件的應(yīng)力集中點(diǎn)，試件更容易在此薄弱位置發(fā)生破壞。隨銹蝕度增大，試件的銹蝕從均勻銹蝕逐漸演變?yōu)閲?yán)重局部的坑蝕，這也是隨銹蝕度增大試件承載力降幅增大的主因。

2.3 銹蝕度測定的討論

在當(dāng)前研究中，為了測定腐蝕程度有著許多方法，其中常用的鋼鐵銹蝕速率方法有磁場法、聲發(fā)射法、電化學(xué)法、截面損失法、失重法，下面重點(diǎn)介紹一下電化學(xué)法、截面損失法和失重法。電化學(xué)法是依據(jù)電化學(xué)相關(guān)理論，根據(jù)鋼銹蝕的電化學(xué)特性，通過檢測電流、電位等來測定電參數(shù)，總結(jié)不同銹蝕情況下相應(yīng)的規(guī)律，從而確定鋼的銹蝕程度或速度。鋼材的電化學(xué)銹蝕過程，從微觀角度看是電子的不斷轉(zhuǎn)移造成的。當(dāng)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)量越多，則形成的電位差越大，輸出的電量越大，同時(shí)鋼筋的失重也越多。在目前的腐蝕研究中，多用電化學(xué)腐蝕來模擬普通環(huán)境腐蝕的情形，通過物理電學(xué)相關(guān)定律，以電流計(jì)算鋼材的銹蝕量，與真實(shí)環(huán)境的腐蝕相比，電化學(xué)腐蝕加速了腐蝕的速率，縮短了試驗(yàn)的時(shí)間。截面損失法是通過鋼質(zhì)材料銹蝕前后截面面積的損失，計(jì)算材料的損失量，例如對于圓形截面構(gòu)件所采用千分尺來測量直徑，計(jì)算腐蝕前后的直徑差值，再除以腐蝕時(shí)長，此外結(jié)合構(gòu)件的形狀計(jì)算面積差值。失重法與截面損傷法較為類似，這兩種方法的原理是對鋼質(zhì)材料截面面積、銹蝕前后的質(zhì)量損失、銹蝕時(shí)間進(jìn)行測定，并根據(jù)既定的公式計(jì)算得出相應(yīng)的銹蝕速率。

2.4 銹蝕層與非銹蝕層界定探討

1989，國家頒布《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》(GB/T8923-2011)標(biāo)準(zhǔn)，將鋼材表面原始銹蝕程度等級分為A、B、C、D四個銹蝕等級，銹蝕等級中，A級為全面地覆蓋著氧化皮而幾乎沒有鐵銹的鋼材表面；B為級已發(fā)生銹蝕,且部分氧化皮已經(jīng)剝落的鋼材表面；C級為氧化皮已因銹蝕而剝落或者可以刮除,且有少量點(diǎn)蝕的鋼材表面；D級為氧化皮已因銹蝕而全面剝離,且已普遍發(fā)生點(diǎn)蝕的鋼材。

國家頒布的銹蝕等級基本為觀察的現(xiàn)象來定義銹蝕程度，然而這種定義不適合用于定量計(jì)算，定義銹蝕層厚度需要定量計(jì)算，這是一個矛盾，當(dāng)下不少研究認(rèn)為去除銹層讓試件露出材質(zhì)本身色澤后的厚度即為銹蝕層厚度。很多研究中對銹蝕試件先用打磨機(jī)將銹蝕層清除，裸露出光滑的鋼材表面即為銹層清除干凈，然而這種操作確不好把握，在打磨環(huán)節(jié)，無論是使用機(jī)械或者手工擦拭，清除銹蝕層也只是觀察到的，當(dāng)使用機(jī)械時(shí)，很可能打磨了未銹蝕的表面層，這就造成了后續(xù)的測量不準(zhǔn)，當(dāng)打磨過量，很可能造成較大的偏差，在銹蝕層的界定方面還需要更多的研究和探討。

2.5 腐蝕構(gòu)件的有限元模擬討論

目前各類腐蝕后的鋼管混凝土柱有限元模擬試驗(yàn)，基本采用計(jì)算折減后的鋼管混凝土構(gòu)件來進(jìn)行有限元模擬，這種折減算法實(shí)質(zhì)上并不是腐蝕環(huán)境的有限元模擬，這種折減算法把去除腐蝕層后的鋼管混凝土構(gòu)件簡化為理想化的試件，然而腐蝕層的去除難以精確把握，清除的腐蝕層厚度關(guān)系到折減系數(shù)，這種模擬誤差較大，而且，由于腐蝕的環(huán)境各不相同，腐蝕具有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕等復(fù)合作用，存在點(diǎn)腐蝕、局部腐蝕和整體腐蝕等情況，那么以理想化、均勻化的狀態(tài)來計(jì)算腐蝕平均厚度則不準(zhǔn)確，尤其在構(gòu)件自身形成了電化學(xué)腐蝕回路情況下，構(gòu)成微電池的兩端是腐蝕的兩個特殊點(diǎn)，陽極不斷放電被腐蝕，陰極受到保護(hù)。這種不均勻的腐蝕在電化學(xué)腐蝕中較為常見，顯然此種腐蝕情況不能以平均腐蝕厚度來進(jìn)行有限元模擬，其中腐蝕較嚴(yán)重的位置在軸壓加載下較為脆弱，容易先發(fā)生破壞。當(dāng)前有限元模擬中缺少腐蝕場的環(huán)境，往后的計(jì)算機(jī)研究可以開發(fā)相關(guān)程序，基于流體力學(xué)，將腐蝕性的鹽離子、氫離子以及酸根離子作為標(biāo)記，以統(tǒng)計(jì)學(xué)的隨機(jī)概率模型進(jìn)行腐蝕場模擬，對于腐蝕類研究，可以將構(gòu)件放入腐蝕場中，經(jīng)腐蝕場腐蝕后的構(gòu)件再進(jìn)行加載模擬，此種有限元模擬會較為準(zhǔn)確。

2.6 當(dāng)前研究的不足

1)當(dāng)前研究多為單方面酸或者鹽環(huán)境下的腐蝕試驗(yàn)研究，在實(shí)際環(huán)境中，例如地下環(huán)境的腐蝕，不僅有酸性物質(zhì)的作用，還有鹽類離子的作用，還有溫度等因素的影響，當(dāng)前的試驗(yàn)研究基本只考慮單個因素，因而與實(shí)際的腐蝕情況相差較大，今后可在多種環(huán)境因素影響下進(jìn)行研究。

2)銹蝕程度測定方法太傳統(tǒng)。目前的銹蝕程度測定多依靠千分尺等測量儀器來測量腐蝕前后的厚度差，這種方法較為傳統(tǒng)，新的測量手段較少應(yīng)用。當(dāng)下出現(xiàn)了不少新技術(shù)，可以采用更多的新技術(shù)來測量銹蝕程度。

3)此外，當(dāng)前的腐蝕性研究為了追求速度，多為人工實(shí)驗(yàn)室模擬加速銹蝕試驗(yàn)研究，加速情況下的腐蝕與自然狀態(tài)下的腐蝕也有差異，也需要進(jìn)一步研究，而且加速狀態(tài)下腐蝕，基本為增加電極，這樣形成的電化學(xué)腐蝕也就改變了原本的化學(xué)腐蝕狀態(tài)，而且形成了加劇，這種通過電流持續(xù)時(shí)長來模擬長時(shí)間的自然狀態(tài)腐蝕也不準(zhǔn)確。

4)當(dāng)前腐蝕環(huán)境下的有限元模擬分析不準(zhǔn)確，缺乏相關(guān)程序支持，需要進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)程序模塊，建立腐蝕場的理論。尤其需要建立隨機(jī)腐蝕模型和點(diǎn)腐蝕模型，只有接近實(shí)際的腐蝕情況的有限元模擬才能得出較為準(zhǔn)確的理論公式，而不是當(dāng)前的測量后折減計(jì)算的理論。

5)對于鋼管試件的腐蝕需要考慮焊縫的影響。當(dāng)前的腐蝕研究中，把鋼管混凝土看成一個整體，在腐蝕時(shí)按照均勻腐蝕來計(jì)算極限承載力，這是不準(zhǔn)確的，有縫鋼管需要考慮焊縫部位腐蝕程度的不同，從以往研究來看往往焊縫附近腐蝕較為嚴(yán)重，這點(diǎn)在將來的研究中需要重視。

3 結(jié) 語

當(dāng)前關(guān)于鋼管混凝土構(gòu)件的腐蝕性研究取得了不少成就，但是相關(guān)腐蝕理論還不夠完善，測量腐蝕層厚度等手段也較為傳統(tǒng)，模擬腐蝕場的計(jì)算機(jī)分析也較為缺乏，對于腐蝕因素考慮的較為單一，腐蝕時(shí)間也較短，這些都需要將來進(jìn)一步研究。

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