民国钢筋混凝土历史建筑的锈胀开裂寿命预测方法 [PDF全文]
(东南大学建筑学院,南京 210096)

为准确评估使用方形钢筋的民国钢筋混凝土历史建筑的耐久性,对其锈胀开裂寿命的预测方法进行研究.首先,对9个民国钢筋混凝土历史建筑的混凝土构件进行现场检测分析,获得混凝土的抗压强度、混凝土保护层厚度、混凝土的碳化深度等数据,并据此对原有的碳化系数计算公式进行修正.然后,对民国方形钢筋进行电化学加速锈蚀试验,测量其临界锈蚀深度.结果表明:计算民国时期钢筋混凝土的碳化系数时,需引入修正系数1.16; 针对圆形钢筋的临界锈蚀深度计算方法不适用于方形钢筋.民国钢筋混凝土历史建筑的锈胀开裂寿命基本为55~80 a.

Life prediction method for corrosion-induced crack of historical reinforced concrete buildings built in the Republic of China
Jin Hui,Chun Qing,Hua Yiwei
(School of Architecture, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To accurately evaluate the durability of historical reinforced concrete(RC)buildings using square steel rebars in the Republic of China, the life prediction method for corrosion-induced crack was studied. First, the components of nine historical RC buildings in the Republic of China were tested and analyzed. The concrete compressive strength, the concrete cover thickness of square steel rebars and the carbonation depth of concrete were obtained, and the existed calculation formula of the carbonization coefficient were modified according to these data. Then, the accelerated electrochemical corrosion experiments were carried out for the real square steel rebars in the Republic of China, and the critical corrosion depth of rebars were measured. The results show that the modified coefficient of 1.16 should be used during the calculation of the carbonization coefficient of the RC structures in the Republic of China. The calculation method for the critical corrosion depth of circular steel bars is not suitable for square steel bars. The corrosion-induced cracking life of the historical RC buildings in the Republic of China era is 55 to 80 a.

引言

20世纪初,钢筋混凝土技术传入中国,并在民国时期得到广泛使用.现存的民国建筑中,钢筋混凝土建筑占有很大比例.以南京为例,在《中国近代建筑总览·南京篇》[1]收录的190 处民国建筑中,122 处为钢筋混凝土结构,占总数的64.2%.这些民国时期的钢筋混凝土历史建筑已经使用超过70 a,均已超过现行混凝土结构相关规范规定的结构设计使用年限,其结构面临着不同程度的耐久性问题,亟待安全评估和加固修缮.但是,仅从材料特征而言,民国时期大量使用方形钢筋作为主要受力钢筋[2],其黏结性能、与混凝土接触面的相互作用均不同于现代通用的圆形螺纹钢筋; 混凝土配比、骨料级配的选择以及水泥性能也不同于我国现行的相关规范规定.因此,运用现有的钢筋混凝土耐久性研究成果和相应的评定标准对民国钢筋混凝土历史建筑进行耐久性评估是不准确、不安全的.

钢筋混凝土结构的锈胀开裂寿命主要由混凝土碳化和钢筋锈蚀2个过程决定.钢筋混凝土结构的耐久性状态可以分为以下4个时期:①混凝土碳化寿命; ②混凝土保护层锈胀开裂寿命; ③混凝土裂缝宽度限制寿命; ④锈蚀钢筋混凝土构件承载力极限寿命.其中,混凝土保护层锈胀开裂寿命通常被作为结构安全使用期限评估的标准[3-4],包括钢筋开始锈蚀之前的时间和钢筋开始锈蚀到保护层锈胀开裂的时间,前者主要由混凝土保护层完全碳化的时间决定.目前,国内外对混凝土的碳化研究已经比较成熟,实际应用中以混凝土抗压强度为主要参数的碳化模型[5]应用较为广泛.对于混凝土保护层锈胀开裂的研究,国内外学术界和工程界已有大量的研究成果[6],包括锈胀开裂过程的试验研究[4, 7-8]、理论模型研究[9-10]和用于工程实践的钢筋临界锈蚀深度的经验模型研究[11-12].我国钢筋混凝土结构的耐久性计算方法源于《既有混凝土结构耐久性评定标准》(GB/T 51355—2019)[13].然而,对于上述关于钢筋混凝土锈胀开裂的研究和评定标准,其理论推导和实验对象都是圆形钢筋.

目前,针对民国时期钢筋混凝土结构的耐久性研究较少.文献[14]提出了评判结构碳化寿命和锈胀开裂的预测公式,但其中锈胀开裂时间的计算方法仍是基于圆形钢筋的试验数据拟合得到的,并没有针对方形钢筋进行研究.文献[15]依据民国时期钢筋混凝土的真实材料性能,对比分析了民国时期、我国现行规范、美国现行规范和欧洲现行规范的钢筋混凝土梁抗弯性能计算方法,为民国钢筋混凝土结构的安全评估和耐久性评估提供参考.文献[16]对收集到的民国方形钢筋进行了电化学加速锈蚀试验,对钢筋的锈蚀产物进行了成分分析,给出了锈蚀产物的体积、密度变化,并得出了方形钢筋的临界锈蚀深度与钢筋宽度的比值,但没有提出具有普适性的计算方法.

本文针对民国钢筋混凝土历史建筑进行现场实测,对民国方形钢筋进行电化学加速锈蚀试验,研究适用于民国钢筋混凝土历史建筑耐久性评估的锈胀开裂寿命预测方法.

1 钢筋开始锈蚀的时间预测1.1 圆形钢筋开始锈蚀年限计算方法

通常,混凝土的碳化深度到达钢筋表面被认为是钢筋开始锈蚀的标志,但试验研究和工程检测表明,很多案例中碳化深度未达到钢筋表面时钢筋可能已经锈蚀[13].因此,文献[13]在碳化寿命预测公式的基础上引入碳化残量x0,提升计算钢筋开始锈蚀预测时间的准确性,其定义为钢筋开始锈蚀时用酚酞测量的碳化前沿与钢筋表面的距离.在碳化寿命预测方法的基础上,得到钢筋开始锈蚀的年限计算方法,具体计算公式如下:

t=((c-x0)/k)2(1)

x0=(1.2-0.35k0.5c-(6.0)/(m+1.6)(1.5+0.84k)(2)

k=3KklKco2KktKksT1/4(1-R)R1.5((58)/(fcu,e)-0.76)(3a)

k=(xc)/((t0)1/2)(3b)

式中,t为钢筋开始锈蚀的年限,a; c为混凝土保护层厚度,mm; k为碳化系数; λc为根据混凝土保护层厚度和碳化系数确定的计算系数; m为局部环境影响系数; Kkl为位置影响系数,角部取1.4,非角部取1.0; Kco2为CO2浓度影响系数; Kkt为浇筑面修正系数,浇筑面取1.2,非浇筑面取1.0; Kks为工作应力影响系数,受压时取1.0,受拉时取1.1; R为环境湿度,%; T为环境温度,℃; fcu,e为混凝土强度推定值,MPa; xc为实测碳化深度,mm; t0为结构建成至检测时的时间,a.

1.2 民国方形钢筋开始锈蚀年限计算方法

文献[13]中提供了2种碳化系数的计算方法:式(3a)是根据相关测试数据和工程经验得到的计算公式,式(3b)是通过现场实测碳化深度而直接计算出碳化系数的公式.相对于式(3a),式(3b)的计算结果更加准确.但由于许多钢筋混凝土历史建筑作为各级各类的文物保护单位,现场检测时会被要求只能使用无损检测技术,因此无法随意开凿混凝土或钻孔取芯后利用酚酞试剂得到准确的混凝土碳化深度.在这种情况下,只能参考式(3a)计算碳化系数.然而该公式是针对现代钢筋混凝土结构,不完全适用于民国方钢混凝土结构,因此需要对其进行修正.目前,尚无适用于民国方钢混凝土结构的修正方法,本文根据9个民国钢筋混凝土结构构件的实测碳化数据,以式(3b)计算的碳化系数为目标结果,引入系数α对式(3a)进行修正,从而得到适用于民国方钢混凝土结构耐久性评估的碳化系数修正计算公式为

k'=αk(4)

对这9个民国钢筋混凝土历史建筑进行现场检测时,混凝土抗压强度由现场混凝土回弹仪测试或试验室中对取芯芯样测试获得,混凝土保护层厚度由现场钢筋测试仪或取芯孔位置量测获得,混凝土的碳化深度由现场钻孔取芯后利用酚酞试剂测得,结果见表1.

表1 典型民国钢筋混凝土历史建筑的现场检测结果

表1 典型民国钢筋混凝土历史建筑的现场检测结果

根据表1中的检测结果,通过回归得到修正系数α=1.16.由此建议针对民国钢筋混凝土结构的碳化系数计算公式为

k'=1.16k=

1.16×3KklKco2KktKksT1/4(1-R)·

R1.5((58)/(fcu,e)-0.76)=(xc)/((t0)1/2)(5)

2 锈胀开裂寿命预测方法2.1 保护层锈胀开裂寿命预测计算方法

综合考虑民国钢筋混凝土建筑的历史价值、材料特性以及当时的建造技术水平等因素,建议将构件保护层锈胀开裂的极限状态作为民国钢筋混凝土结构安全使用的评定标准.文献[13]中钢筋混凝土结构锈胀开裂寿命预测的计算公式为

tcr=t+(δcr)/λ(6)

λ=5.92Kcl(0.75+0.012 5T)(R-0.50)2/3·

c-0.675fcu,e-1.8(7)

δcr=0.012c/d+0.000 84fcu,e+0.018(8)

式中,tcr为锈胀开裂寿命,a; δcr为临界钢筋锈蚀深度,mm; λ为钢筋锈蚀速率,mm/a; Kcl为钢筋位置修正系数,角部钢筋取1.6,非角部钢筋取1.0; d为钢筋直径,mm.

2.2 保护层锈胀开裂试验

本文通过对收集到的民国时期方形钢筋进行锈胀开裂试验,提出了针对于方形钢筋混凝土保护层锈胀开裂时的钢筋临界锈蚀深度计算方法.钢筋的锈蚀通过实验室中的电化学加速锈蚀方法实现,共计10个试验试件,包含截面边长为16和22 mm两种尺寸的方形钢筋.为防止化学除锈试剂对方形钢筋的性能产生影响,试验前对钢筋进行物理除锈.图1为物理除锈后的试验用方形钢筋照片.民国时期的混凝土组成配合质量比较为固定,w(水泥):w(沙子):w(石子)=1:2:4,水的质量分数为10%~13%[18].浇筑试件时额外制作了3个150 mm×150 mm×150 mm的混凝土抗压强度标准试件,28 d标准养护后的平均抗压强度为15.6 MPa,与民国钢筋混凝土结构的混凝土强度检测平均值相符[12].试验试件尺寸为200 mm×150 mm×150 mm,每个试件均配有单根方形钢筋(见图2).根据文献[19],民国时期钢筋混凝土结构的保护层厚度通常为38 mm,考虑当时的施工误差,本试

图1 除锈后的民国方形钢筋照片

图1 除锈后的民国方形钢筋照片

图2 试件尺寸示意图(单位:mm)

图2 试件尺寸示意图(单位:mm)

验中试件保护层厚度设计为36、38、40、42、44 mm.

电化学加速钢筋锈蚀通过外加直流电实现,电流大小为100 μA/cm2 [4, 20],提供离子的浸泡溶液为质量分数5%的NaCl溶液[4, 21].试验中控制液面高度,试件的1/2浸泡于溶液中,试件底部采用木块和水箱底部隔开.在电线和钢筋焊接之后,钢筋表面、试件的正面和背面都涂抹了一层约2 mm厚的环氧树脂,以减小锈渗产生的试验误差.图3为试验装置示意图.环氧树脂凝固后,试件在通电前先半浸泡72 h,以保证试件上表面达到湿润状态.试验结束条件为混凝土试件表面出现 0.1 mm的裂缝[15-16],裂缝的准确宽度采用北京大地华龙公司DJCK-2型裂缝宽度测试仪测量获得.图4为混凝土保护层锈胀开裂时的部分试件照片.

图3 电化学加速锈蚀试验示意图

图3 电化学加速锈蚀试验示意图

图4 混凝土保护层锈胀开裂的试件照片

图4 混凝土保护层锈胀开裂的试件照片

2.3 试验结果与分析

为分析圆形钢筋保护层锈胀开裂时钢筋临界锈蚀深度的计算方法是否适用于民国时期的方形钢筋,将4个适用于圆形钢筋的计算公式结果与试验结果进行对比.适用于圆形钢筋的临界锈蚀深度计算公式如下:

文献[11]中

δcr=0.007 4c/d-0.022 6ftk+0.083 8(9)

文献[22]中

δcr=0.001 25c(10)

文献[12]中

δcr=0.008c/d-0.000 55fck-0.007 5(11)

式中,ftk为混凝土轴心抗拉强度,可通过ftk=0.85(fcu,e)1/2[23]求得; fck为混凝土轴心抗压强度.

表2列出了试件信息、试验结果以及不同计算公式的计算结果.由表可知,式(8)~(11)所得的计算值与试验值的平均误差分别为29.3%、69.9%、37.3%、81.2%,说明圆形钢筋的临界锈蚀深度计算方法均不适合于方形钢筋.

2.4 方形钢筋临界锈蚀深度计算方法

钢筋的临界锈蚀深度主要由保护层厚度和钢筋直径的比值以及混凝土强度所决定[16],本文也采用相同的影响因素对方形钢筋的临界锈蚀深度计算公式进行拟合.不同研究者对于混凝土强度(抗压强度或抗拉强度)的选择存在不同观点.本文根据文献[9-10]中的圆形钢筋锈胀开裂理论模型分析,使用混凝土的抗拉强度值作为预测钢筋临界锈蚀深度的影响因素.根据表2中的试验数据,利用最小二乘法,对试验结果进行数据拟合,得到适用于方形钢筋的临界锈蚀深度计算公式为

δcr=0.040 9c/(d')+0.008 8ftk-0.034 8(12)

式中,d'为方形钢筋的截面边长,mm.

最小二乘法中的可决系数是反映拟合过程中

表2 试验结果和计算公式结果的对比分析

表2 试验结果和计算公式结果的对比分析

因变量变化可靠程度的一个统计指标.文献[24]给出式(9)~(11)的可决系数分别为0.645 0、0.605 1、0.645 0.本实验得到的拟合公式的可决系数为0.737 4,明显高于其他类似公式的可决系数.因此,可以认为所提方形钢筋临界锈蚀深度的经验公式满足工程使用的准确性要求.2.5 民国钢筋混凝土结构的锈胀开裂寿命预测

结合文献[13]中的相关参考系数和计算准则,提出了以式(1)、(2)、(5)、(6)、(7)、(12)为计算公式,适合于方形钢筋民国钢筋混凝土建筑的锈胀开裂寿命预测方法.对9个典型民国钢筋混凝土历史建筑进行锈胀开裂寿命预测计算,结果见表3.

表3 民国钢筋混凝土建筑的锈胀开裂寿命预测

表3 民国钢筋混凝土建筑的锈胀开裂寿命预测

表3可知,民国钢筋混凝土历史建筑的锈胀开裂寿命基本为55~80 a.许多钢筋混凝土历史建筑未能在锈胀开裂寿命内进行耐久性检测和维护,结构使用存在不同程度的安全隐患.在对已经超过锈胀开裂寿命预测年限的建筑结构(如南京中山东路1号、南京大华电影院、常州大成一厂老厂房、江苏省会议中心黄埔厅、南京华侨招待所旧址、国立美术陈列馆旧址)进行耐久性检测时发现,许多构件已经出现了不同程度的锈胀开裂现象.在对一些未超过或刚刚超过锈胀开裂寿命预测年限的建筑结构(如绍兴大禹陵禹庙大殿、南京博物院老大殿、陵园新村邮局旧址)进行耐久性检测时,未发现构件有明显的锈胀开裂现象.对比这9个实际案例的理论计算结果和现场勘察结果可知,本文提出的适用于民国钢筋混凝土结构的锈胀开裂寿命预测方法较为符合真实状况.

3 结论

1)民国钢筋混凝土历史建筑的混凝土梁、板、柱构件的碳化深度大都已经明显超过对应的混凝土保护层厚度,可以推断多数构件中的钢筋已经开始发生锈蚀.

2)通过对民国时期方形钢筋进行电化学加速锈蚀试验,测得方形钢筋的临界锈蚀深度.采用数据拟合的方法,得到针对民国方形钢筋的临界锈蚀深度的计算公式.

3)根据修正后的碳化系数,计算出民国方形钢筋开始锈蚀的时间.然后,根据民国方形钢筋的临界锈蚀深度,推导出钢筋开始锈蚀到保护层锈胀开裂的时间,从而提出了针对使用方形钢筋的民国钢筋混凝土历史建筑的锈胀开裂寿命预测计算方法.

参考文献