鋼筋混凝土柱內(nèi)縱向鋼筋快速銹蝕試驗(yàn)研究

鋼筋混凝土柱內(nèi)縱向鋼筋快速銹蝕試驗(yàn)研究

現(xiàn)階段，主要集中在實(shí)驗(yàn)研究上，假設(shè)本次勘探中的垂直鋼筋混凝土構(gòu)件是完整的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，鋼筋混凝土構(gòu)件的鋼筋混凝土腐蝕沿構(gòu)件的長(zhǎng)度分布是不均勻的，有些僅發(fā)生在局部長(zhǎng)度內(nèi)。因此，柱內(nèi)鋼筋沿著縱向長(zhǎng)度的假設(shè)與實(shí)際情況存在一定差距。為了更好地評(píng)估和預(yù)測(cè)實(shí)際組件的長(zhǎng)度，有必要研究該部分地區(qū)的鋼筋混凝土構(gòu)件。較早對(duì)局部區(qū)段銹蝕構(gòu)件承載力的研究是從梁著手的.Torres-Acosta等研究了無箍筋、僅有一根縱向受拉鋼筋的鋼筋混凝土梁,發(fā)現(xiàn)受拉區(qū)局部銹蝕區(qū)段沿梁縱向的長(zhǎng)度為25、250和1000mm,并用wNaCl=3%混凝土澆筑局部銹蝕區(qū)段;隨后,EIMaaddawy、趙新和Du等也采用類似的方法制作了局部區(qū)段銹蝕梁.最近,雷國(guó)強(qiáng)對(duì)1200mm內(nèi)主筋裸露銹蝕、箍筋不銹蝕的偏壓柱進(jìn)行了承載力試驗(yàn)研究.本文考慮位于柱拉、壓區(qū)的2種局部銹蝕區(qū)段長(zhǎng)度,設(shè)計(jì)了12根偏心受壓柱,對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究.1試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)方法1.1無鹽混凝土配合比試驗(yàn)中大、小偏壓柱均采用圖1所示的帶牛腿柱.柱中縱筋采用HRB335級(jí)(П級(jí))的帶肋鋼筋,縱向?qū)ΨQ配4個(gè)?18mm鋼筋;箍筋采用HPB235級(jí)(Ⅰ級(jí))直徑為8mm的光圓鋼筋.大、小偏壓柱兩端均為鉸支.大偏壓柱的設(shè)計(jì)初始偏心為150mm;小偏壓柱的設(shè)計(jì)初始偏心為50mm.澆筑用的混凝土強(qiáng)度按C30設(shè)計(jì),水灰比取為0.55.水泥采用425普通硅酸鹽水泥,石子采用碎石,砂子采用中砂.分別配制未含鹽混凝土和wCaCl2=3.5%的混凝土,未含鹽混凝土配合比為水泥∶水∶砂子∶石子=1∶0.55∶1.66∶3.09;含鹽混凝土配合比為水泥∶水∶砂子∶石子∶CaCl2=1∶0.55∶1.66∶3.09∶0.035.所有構(gòu)件的凈保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)為30mm.為在短期內(nèi)模擬構(gòu)件在長(zhǎng)期使用后的銹蝕狀態(tài),在澆筑柱時(shí),柱的設(shè)計(jì)局部銹蝕區(qū)段用添加CaCl2的混凝土澆筑;其他區(qū)段用不添加CaCl2的混凝土澆筑.在設(shè)計(jì)試件時(shí),分別設(shè)計(jì)了2種局部銹蝕區(qū)段長(zhǎng)度(700、350mm)的大、小偏心受壓柱,且局部銹蝕區(qū)段長(zhǎng)度位于柱的不同拉、壓部位.已加載的該部分柱中,未銹蝕柱1根,編號(hào)為ZD0;銹蝕柱11根,小偏壓柱編號(hào)為ZXL700-1、ZXL350-3、ZXY700-1、ZXY350-2和ZXY350-3,大偏壓柱編號(hào)為ZDL700-1、ZDL700-2、ZDL350-3、ZDY700-1、ZDY350-2和ZDY350-3.其中:ZX表示小偏心受壓柱;ZD表示大偏心受壓柱;L表示受拉區(qū)段;Y表示受壓區(qū)段;編號(hào)中第1個(gè)數(shù)字表示局部銹蝕區(qū)段長(zhǎng)度;第2個(gè)數(shù)字為柱編號(hào).1.2試件的制作和罪犯試件制作方法如下:①鋼筋下料、彎鋼筋、在設(shè)計(jì)的待銹蝕縱向鋼筋上標(biāo)注銹蝕區(qū)段長(zhǎng)度,在該銹蝕區(qū)段一側(cè)焊接導(dǎo)線;②取與待銹蝕區(qū)段等長(zhǎng)的不銹鋼管并焊接導(dǎo)線.綁扎鋼筋時(shí),將不銹鋼放置在設(shè)計(jì)位置處,定位、綁扎.為測(cè)量柱中縱向受力鋼筋的應(yīng)變,澆筑混凝土前,在縱向鋼筋的中心和距中心100mm處放置泡沫.加載前,敲掉預(yù)留泡沫,將露出的鋼筋磨平、拋光,并粘貼電阻應(yīng)變片.對(duì)受拉區(qū)有局部銹蝕區(qū)的段柱,制作方法和銹蝕示意圖如圖2所示.對(duì)該類柱,含鹽待銹蝕區(qū)段內(nèi)的縱向受拉鋼筋和與之連接箍筋銹蝕;而該段內(nèi)受壓鋼筋不銹蝕.將不銹鋼放置在縱向軸線下方,在銹蝕區(qū)段內(nèi),箍筋與縱向受壓鋼筋相交處,用塑料管包裹箍筋,以防電流流入受壓鋼筋中;在銹蝕區(qū)段外,箍筋均不銹蝕.若柱中縱向受拉鋼筋與受壓鋼筋相交,則仍然采用塑料管包裹以絕緣.對(duì)受壓區(qū)有局部銹蝕區(qū)的段柱,制作方法和銹蝕示意圖與圖2類似.不同之處在于含鹽待銹蝕區(qū)段內(nèi)的縱向受壓鋼筋和與之連接箍筋銹蝕,該段內(nèi)受拉鋼筋不銹蝕.柱內(nèi)所采用的絕緣方法與受拉區(qū)有局部銹蝕區(qū)段柱相同.試件采用平臥澆筑.在澆筑混凝土前,用木板(條)和布條等分隔柱中的含鹽混凝土區(qū)段和未含鹽區(qū)段;待含鹽混凝土略凝固后,輕輕抽出隔離木板(條)和布條,但不得使臨近混凝土傾倒,再澆筑未含鹽混凝土.同時(shí),分別預(yù)留6個(gè)含鹽混凝土和未含鹽混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊.1.3鋼筋侵蝕的觀察試驗(yàn)用直流穩(wěn)壓電源來加速局部區(qū)段內(nèi)鋼筋的銹蝕,如圖2所示.對(duì)含鹽待銹蝕區(qū)段,在銹蝕通電過程中,采用麻袋包裹待銹蝕側(cè),每日定期澆水,以保證銹蝕所需的氧氣和水.根據(jù)電化學(xué)原理,由通電時(shí)間、電流強(qiáng)度來控制銹蝕量.加載試驗(yàn)結(jié)束后,敲開混凝土保護(hù)層,觀察和記錄柱內(nèi)鋼筋銹蝕情況;根據(jù)加載前標(biāo)定的長(zhǎng)度標(biāo)定柱內(nèi)鋼筋長(zhǎng)度并切割;敲去鋼筋表面的混凝土屑和浮銹;配制濃度約為10%的稀鹽酸清洗鋼筋;清水漂洗后放入石灰水中中和,再用清水漂洗.待干燥后用電子天平稱重,確定鋼筋的銹蝕率.1.4試驗(yàn)觀察和測(cè)量柱的受力分析加載試驗(yàn)中,采用YE-2000型液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)加載、DH3815靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采集數(shù)據(jù).試驗(yàn)中,先采用分級(jí)加載,觀察、記錄試件的裂縫發(fā)展情況和相應(yīng)荷載.當(dāng)鋼筋應(yīng)變接近屈服應(yīng)變時(shí),采用連續(xù)加載.柱側(cè)拉面布置5個(gè)位移計(jì),以測(cè)量柱的撓度;柱頂和柱腳各布置1個(gè)位移計(jì),以測(cè)柱沿縱向的位移變化情況;柱受拉、受壓鋼筋處均粘貼應(yīng)變片以測(cè)其應(yīng)變隨荷載變化的情況;柱的受拉面、受壓面、澆筑正面和澆筑背面各貼應(yīng)變片以測(cè)混凝土應(yīng)變.2混凝土與正截面的連接試驗(yàn)中所用直徑18mm帶肋未銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度為397.5MPa;直徑8mm光圓未銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度為402.5MPa.在試件加載時(shí)進(jìn)行混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).試驗(yàn)試件的原始數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,由于試驗(yàn)中模板誤差、施工誤差,造成保護(hù)層厚度的離散性較大.表1中,縱向鋼筋的命名規(guī)則為:對(duì)柱中的2根受拉鋼筋,平臥澆筑時(shí),靠近澆筑面的受拉鋼筋稱為“拉上”鋼筋,另1根則稱為“拉下”鋼筋;同理,對(duì)2根受壓鋼筋,靠近澆筑面的受壓鋼筋稱為“壓上”鋼筋,另1根則稱為“壓下”鋼筋.由表1可見,同等銹蝕條件下,箍筋的銹蝕率均大于縱筋的銹蝕率.由于本次試驗(yàn)的特殊性,在澆筑混凝土?xí)r要非常嚴(yán)格地分隔和區(qū)分不同的混凝土區(qū)域.不但要保證含鹽混凝土不流向柱端未含鹽段;而且在設(shè)計(jì)的拉區(qū)或壓區(qū)有銹蝕區(qū)段時(shí),必須保證含鹽混凝土不得流向相應(yīng)的另一側(cè).但由表1還可見,部分試件澆筑底面的鋼筋也有銹蝕.其主要原因是澆筑混凝土?xí)r,澆筑底面受拉側(cè)和受壓側(cè)隔離措施不到位,受拉側(cè)的含鹽混凝土流到了受壓側(cè),從而造成該側(cè)鋼筋也銹蝕.表1中柱承擔(dān)的極限荷載是結(jié)合荷載應(yīng)變片讀數(shù)和壓力機(jī)讀數(shù)給出的.3結(jié)果與分析3.1破壞方式對(duì)承載力的影響試驗(yàn)中大偏壓銹蝕柱的荷載-中點(diǎn)撓度曲線如圖3所示.由圖3可見,極限荷載時(shí),各銹蝕柱的撓度差別并不顯著,但承載力存在差異.從破壞特征上看,隨著柱中鋼筋銹蝕率的增加,柱的破壞特征也發(fā)生了一定的變化.對(duì)銹蝕率較小的ZDL700-1和ZDY700-1而言,其破壞特征與未銹蝕柱類似,呈明顯的延性特征;而銹蝕率較大的ZDL700-2、ZDL350-3和ZDY350-3的破壞則發(fā)生于設(shè)計(jì)的局部銹蝕區(qū)段內(nèi),并沿原有的銹脹裂縫或集中于原有銹脹裂縫附近.但柱ZDY350-2的破壞完全不同于以上各柱,在受拉鋼筋剛屈服后,即沿澆筑正面和背面受壓區(qū)內(nèi),縱向銹脹裂縫將壓區(qū)350mm內(nèi)的混凝土保護(hù)層劈裂至柱下端未銹蝕區(qū)段處,從而使構(gòu)件遭受破壞,承載力達(dá)最大值.受壓鋼筋均未屈服,混凝土應(yīng)變僅達(dá)2.506×10-3,構(gòu)件的破壞脆性性質(zhì)明顯.在同等混凝土強(qiáng)度等級(jí)下,相同混凝土強(qiáng)度柱的各階段荷載值如表2所示.可見其開裂荷載相差不大.但對(duì)拉區(qū)銹蝕較重的ZDL700-1而言,屈服荷載和極限荷載非常接近,其比值也較壓區(qū)銹蝕較重的ZDY700-1的相應(yīng)比值大,說明拉區(qū)銹蝕較重的大偏壓柱延性變差.同樣,不考慮破壞模式不同的柱ZDY350-2,拉區(qū)銹蝕較重的ZDL350-3的屈服與極限荷載之比最大,說明其延性較ZDL700-2和ZDY350-3差.為便于分析影響承載力的因素,取與各銹蝕柱相應(yīng)的未銹蝕柱,其中未銹蝕柱的截面尺寸和偏心距與銹蝕柱相同,鋼筋強(qiáng)度取未銹蝕鋼筋強(qiáng)度,混凝土強(qiáng)度取未含鹽混凝土強(qiáng)度.大偏壓柱承載力與其相應(yīng)未銹蝕柱承載力的比較如表3所示.由表3可見,對(duì)受拉鋼筋銹蝕較嚴(yán)重的柱ZDL700-1、ZDL700-2和ZDL350-3,當(dāng)銹蝕區(qū)段長(zhǎng)度相同時(shí),如ZDL700-1和ZDL700-2的承載力比未銹蝕柱分別下降了11.5%和18.6%;對(duì)銹蝕區(qū)段不同的ZDL700-2和ZDL350-3,雖然兩柱的鋼筋銹蝕情況相近,但ZDL350-3的承載力下降多達(dá)23.4%,這主要是因受拉區(qū)局部銹蝕區(qū)段內(nèi)縱向銹脹裂縫嚴(yán)重破壞了柱縱向受力的完整性.對(duì)壓區(qū)銹蝕較嚴(yán)重的柱ZDY700-1、ZDY350-2和ZDY350-3,當(dāng)銹蝕區(qū)段相同時(shí),在局部銹蝕區(qū)段內(nèi)發(fā)生劈裂破壞的ZDY350-2的承載力下降最大;考慮混凝土強(qiáng)度的降低,ZDY700-1和ZDY350-3的承載力降幅均不顯著.在偏心距相近、承載力下降均較大的銹蝕柱ZDL350-3和ZDY350-2中,拉區(qū)銹蝕較大的ZDL350-3柱的承載力降幅最大.相比ZDY350-2受拉鋼筋的微銹,ZDL350-3銹蝕區(qū)段內(nèi)受拉鋼筋的較大銹蝕,造成了受拉鋼筋與混凝土間黏結(jié)強(qiáng)度的降低,使得其承載力下降較大.3.2小偏壓柱破壞模式的比較小偏壓銹蝕柱的荷載-中點(diǎn)撓度曲線如圖4所示.由圖4可見,壓區(qū)銹蝕較嚴(yán)重的柱的中點(diǎn)撓度較大,即ZXY700-1、ZXY350-2和ZXY350-3在最大荷載時(shí)的中點(diǎn)撓度較ZXL700-1、ZXL350-3的大.小偏壓柱中受壓鋼筋的銹蝕而造成受壓區(qū)混凝土破損、截面有效剛度降低,從而使得壓區(qū)銹蝕較嚴(yán)重的柱在最大荷載時(shí)中點(diǎn)撓度增大.總體上看,小偏壓銹蝕柱隨柱內(nèi)鋼筋銹蝕率的增加和銹蝕區(qū)段的不同,其破壞模式的差別不明顯.極限荷載時(shí),所有銹蝕柱內(nèi)受拉側(cè)鋼筋均未屈服.相比于大偏壓銹蝕柱在較小荷載時(shí)受拉混凝土的開裂,小偏壓柱在較大的荷載(200~400kN)時(shí)才出現(xiàn)細(xì)小的裂縫.銹蝕率較小的ZXY700-1和ZXL700-1柱,其破壞特征與未銹蝕小偏壓柱類似.而銹蝕率較大的柱ZXY350-2、ZXY350-3和ZXL350-3,其破壞也均發(fā)生于設(shè)計(jì)的局部銹蝕區(qū)段內(nèi),破壞面或匯交于原有的縱向銹脹裂縫,或沿原有銹脹裂縫破壞或發(fā)展,其中壓區(qū)銹蝕最大的柱ZXY350-3的脆性最為明顯.同等混凝土強(qiáng)度等級(jí)下,小偏壓柱ZXY700-1、ZXY350-2、ZXY350-3和ZXL350-3在極限荷載時(shí)的混凝土應(yīng)變分別為3.697×10-3、3.451×10-3、2.965×10-3和3.323×10-3.可見,隨著壓區(qū)銹蝕量增加,極限荷載時(shí)混凝土應(yīng)變降低,壓區(qū)銹蝕最大的ZXY350-3柱在極限荷載時(shí)混凝土應(yīng)變最小.小偏壓銹蝕柱及其相應(yīng)未銹蝕柱的承載力的比較如表4所示.由表4可見,與未銹蝕柱相比,小偏壓銹蝕柱的承載力降幅較大,特別是對(duì)壓區(qū)銹蝕較大的ZXY350-2和ZXY350-3柱,文獻(xiàn)中也得到類似的結(jié)論;而壓區(qū)局部銹蝕區(qū)段內(nèi)存在較多縱向銹脹裂縫的ZXY350-3的承載力降低最大;相比之下,拉區(qū)銹蝕較重的ZXL350-3的承載力降低則相對(duì)較少.3.3未特殊段承載力亞甲基極限彎矩變化采用設(shè)計(jì)的柱截面尺寸和保護(hù)層厚度、實(shí)測(cè)鋼筋屈服強(qiáng)度(397.5MPa)和2種未含鹽混凝土強(qiáng)度fcu(43.1、45.3MPa)計(jì)算得到未銹蝕柱的極限彎矩-極限軸力(Mu-Nu)相關(guān)曲線(見圖5),同時(shí)示出了試驗(yàn)中銹蝕大、小偏壓柱的Mu-Nu相關(guān)點(diǎn).可見,銹蝕后柱的Mu-Nu相關(guān)點(diǎn)相對(duì)未銹蝕柱的Mu-Nu相關(guān)曲線內(nèi)移,其中銹蝕率、縱向受力因局部區(qū)段承載力削弱較多的銹蝕柱的內(nèi)移程度較大.4局部腐蝕區(qū)段和局部罪犯(1)隨著銹蝕柱中鋼筋銹蝕率的增加,大、小偏壓銹蝕柱的承載力下降,延性變差;銹蝕柱的破壞均在所設(shè)計(jì)的局部區(qū)段內(nèi)發(fā)生,并在原有的銹脹裂縫或集中于原有銹脹裂縫附近.(2)對(duì)于大偏