混凝土保護區(qū)脹裂時刻的鋼筋銹脹力模型

混凝土保護區(qū)脹裂時刻的鋼筋銹脹力模型

現(xiàn)在，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題越來越受到重視。特別是在一般環(huán)境條件下的耐久性問題上，它進行了大量工作。雖然,如何界定耐久性極限狀態(tài)還存在不同的觀點,但可以肯定,鋼筋銹蝕后引起混凝土保護層的脹裂將成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的極限狀態(tài)標志之一1。因此,研究混凝土保護層脹裂時刻的鋼筋銹蝕狀況,建立相應的力學模型就顯得十分必要。混凝土保護層脹裂時刻的鋼筋銹蝕率與許多因素有關(guān),目前,國內(nèi)外主要通過自然條件下暴露試驗來研究它們之間的關(guān)系,然而這樣的試驗往往需要幾年、幾十年的時間才能導致混凝土結(jié)構(gòu)的開裂或破壞。文獻曾運用快速銹蝕試驗方法建立了鋼筋銹蝕率與鋼筋直徑、混凝土等級與保護層厚度之間的定量關(guān)系。然而,由于混凝土材料的離散性及試驗方法的誤差,這方面工作還有待進一步深入。本文擬采用快速銹蝕的方法來加速混凝土中鋼筋的銹蝕,并考慮了上述三個因素的變化,然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù),提出一個用最小二乘法優(yōu)化的經(jīng)驗公式。最后,通過有限元分析計算得到了銹脹裂縫擴展到保護層表面時刻的銹脹力,并由此建立了混凝土保護層脹裂時刻的鋼筋銹脹力的力學模型。無疑,這些工作對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析與設計是很有益處的。1試驗與研究1.1鋼筋直徑、混凝土等級的配比對試驗結(jié)果的影響一般認為,混凝土保護層脹裂時刻的鋼筋銹蝕率ρ的主要影響因素有保護層厚度c、鋼筋直徑d和混凝土等級fcu。為此,本次實驗須同時考慮這三個因素影響,并根據(jù)實際工程中的情況,對三個影響因素的取值如下:保護層厚度分別取15,20,25mm,鋼筋的直徑分別取8,16,20mm,混凝土等級分別取C15、C25、C35。如果按照三種因素的所有組合安排試驗,那么工作量將非常大,為此,本文采用正交設計的方法只需進行9種組合的試驗,并且同樣可以取得所需的試驗結(jié)果。每種情況做三個試件,然后取它的平均值作為這種情況的試驗結(jié)果。試件編號為AB22,其中第一個字母表示保護層厚度,A、B、C分別代表15,20,25mm;第二個字母表示混凝土等級,A、B、C分別代表C15、C25、C35;第三位數(shù)字表示鋼筋直徑,1、2、3分別代表8,16,20mm,第四位數(shù)字表示該試件在該組試件中的序號。試驗試件的尺寸為100mm×100mm×400mm。1.2混凝土配合比(1)水泥:采用浙江之江水泥廠普通硅酸鹽水泥425號與525號,各項指標均達到國家標準。(2)石子:采用當?shù)芈咽?最大粒徑為10mm。(3)砂:采用錢塘江河砂。(4)混凝土配合比如表1所示。(5)混凝土試件28天抗壓、抗拉強度(單位:MPa)如表2所示。(6)Φ8光圓鋼筋,Φ16、Φ20螺紋鋼筋,鋼筋的下料長度為(395±5)mm。1.3鋼筋定位板安裝(1)晶體管直流穩(wěn)壓電源。它的額定電壓為30V,額定電流為10A,共有三組輸入輸出,可同時進行三組試驗。(2)鋼筋定位板。由木質(zhì)五合板鋸尺寸為100mm×100mm,板上鉆有穿插鋼筋的圓孔。(3)天平。稱量1kg,感量0.1g。(4)不銹鋼板,充當陰極。(5)硬塑料盆,充當試驗槽。1.4防止試模上的分離混凝土試件(1)選取鋼筋,要求其表面不得有銹坑及其它嚴重缺陷,然后按要求長度在切割機上切割所需的鋼筋段。(2)鋼筋除繡。鋼筋用12%鹽酸溶液進行酸洗,經(jīng)清水漂凈后,用石灰水中和,并再用清水沖洗干凈,擦干后在干燥器中至少存放4h,然后用天平稱取每根鋼筋的初重,存放在干燥器中備用。(3)鋼筋處理及定位。制備試件前在鋼筋的兩端各打磨20mm,然后焊上電線,線長0.5m,焊接處用環(huán)氧樹脂包裹,然后套上定位板放入試模,以避免在澆搗混凝土時產(chǎn)生移動。為防止試模上的隔離劑沾污鋼筋,定位板應緊貼試模的兩個端板。鋼筋在安放完畢后用丙酮擦凈其表面。(4)混凝土試件制作。在100mm×100mm×400mm的棱柱體鋼模中澆搗混凝土,同期制作三塊標準試塊以測定其抗壓強度。(5)試件處理。待試件標準養(yǎng)護28天后,進行試件編號、拆模及拆除兩端頭的定位板,然后用環(huán)氧樹脂密封外露鋼筋端頭。(6)銹蝕試驗。首先在試驗槽中配制2%濃度的Na2SO4溶液,然后將試件放入,這時要保證試件完全浸泡在溶液中。為了實現(xiàn)較為均勻的銹蝕,試件要在電解質(zhì)溶液中浸泡3天。開始試驗時,直流電源的陽極接試件的鋼筋,陰極接不銹鋼板。試驗過程中腐蝕電流設計為0.1A,然而由于極化作用,電流在開機時達到最大,然后會有所減小,因此需要及時調(diào)整。試驗裝置示意圖見圖1。(7)當試件的沿筋裂縫寬度達到約0.2mm時停止試驗(取規(guī)范GBJ10-89允許的普通裂縫寬度的最小值),并記錄裂縫寬度。然后敲碎試件,取出其中的鋼筋,刮去鋼筋上沾附的混凝土,用12%的鹽酸溶液進行酸洗,經(jīng)清水漂凈后,用石灰水中和,最后再以清水沖洗鋼筋。由于個別試件兩個端頭的環(huán)氧樹脂隨著銹蝕的進行會產(chǎn)生破壞,導致鋼筋在兩個端頭銹蝕特別嚴重,加上試驗前在鋼筋的兩個端頭進行打磨處理使得截面面積不均勻,所以若簡單地以鋼筋銹蝕前后的重量差計算它的銹蝕率是不準確的。因此本試驗在鋼筋除銹后,把兩個端頭明顯不均勻的地方切割掉,然后在干燥器中至少存放4h,再用分析天平稱重。1.5試驗結(jié)果1.5.1試驗的關(guān)閉和裂縫的形成原因當試驗開始,在鋼筋中通入直流電后,鋼筋開始銹蝕。當鋼筋銹蝕到一定程度時,試件都因鋼筋的銹脹作用而開裂(試件AC21與CB13由于端頭環(huán)氧樹脂過早破壞,使得銹蝕集中在兩個端頭而影響中間部位的銹蝕,為此停止試驗,重新封上環(huán)氧樹脂后再重新開始),不過出現(xiàn)裂縫的時間與混凝土等級、保護層厚度、鋼筋直徑有關(guān),從幾天到十幾天不等。裂縫均是平行鋼筋方向,有的貫通整個試件,有的不連續(xù),裂縫寬度基本一致。試件在開裂后,在裂縫處與試件端部不斷有棕紅色或黑綠色的銹蝕產(chǎn)物滲出。裂縫寬度隨著通電時間的增加而擴大,當裂縫寬度達到約0.2mm時,停止試驗,從開裂到停止試驗時間相對較短,這主要是由于開裂后銹蝕加劇。典型的裂縫擴展圖見圖2。1.5.2表3顯示了試驗數(shù)據(jù)集的開口寬度和鋼筋腐蝕率接上表2回歸方程的擬合與靈敏度根據(jù)實驗數(shù)據(jù),通過統(tǒng)計回歸的方法,可以得到由鋼筋銹蝕引起混凝土保護層開裂時刻的鋼筋銹蝕率與保護層厚度、混凝土等級和鋼筋直徑的經(jīng)驗公式?？紤]到上述三個因子對ρ的作用是相互獨立的,則回歸方程的表達式可以寫成式(1)或式(2)的形式ρ=3∑i=1cif(Ai),(1)ρ=c03∏i=1f(Ai),(2)式(2)中,c0為待定參數(shù)。但是,通過量綱分析表明,式(1)是不成立的,可以排除,只有式(2)是可能的。目前,對于單因子問題,常用的擬合函數(shù)為冪函數(shù)與指數(shù)函數(shù),即f(Ai)=aAii,(3)或f(Ai)=Aaii.(4)本文同時考慮了這兩種函數(shù),這樣回歸方程就有8種可能的形式,經(jīng)過回歸分析,結(jié)果見表4.從表中可以看出,第5個回歸方程的偏差是最小的,因此可以認為最優(yōu)的回歸方程為ρ=94.820×1.018cf0.248cud-1.588.(5)由式(5)不難發(fā)現(xiàn),在鋼筋銹蝕引起混凝土保護層開裂時刻的ρ與c和fcu成正相關(guān),而與d成負相關(guān)。在用靈敏度分析方法分析三個因子對ρ的影響程度時,本文分別針對幾種具體情況,計算了各自的靈敏度因子,見表5。從表5可以發(fā)現(xiàn),對ρ影響最大的因子是d,c次之,而fcu最小,這個結(jié)論可為混凝土構(gòu)件的耐久性設計提供了理論依據(jù)。3在斷裂時期，鋼筋的張力力學模型3.1鋼筋銹脹力的力學模型埋置在混凝土中的鋼筋銹蝕后,產(chǎn)生的鐵銹體積是相應未銹鋼筋體積的2～3倍,因此它將向四周膨脹,然而它周圍的混凝土限制了它的膨脹,從而在它們的交界面上會產(chǎn)生壓力,這種壓力稱之為銹脹力。通過理論和試驗分析不難發(fā)現(xiàn),鋼筋銹脹力會使保護層的混凝土受拉,甚至開裂,這對鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性是十分不利的。目前,國內(nèi)外對鋼筋銹脹力的研究已開始得到重視,但缺乏足夠的實驗驗證。為此,本文將根據(jù)實驗數(shù)據(jù)并結(jié)合有限元分析,試圖建立鋼筋銹蝕引起混凝土保護層開裂時刻的鋼筋銹脹力的力學模型。從試驗中可以發(fā)現(xiàn),鋼筋銹脹力主要與鋼筋名義銹層厚度δ直接相關(guān),而δ等于銹蝕鋼筋自由膨脹后的半徑R1與初始半徑R0的差值。如果已知鋼筋銹蝕率為ρ,并且假定鋼筋銹后體積是未銹時的n倍,那么就可以容易地寫出δ的具體表達式:δ=R1-R0=(√nρ+1-ρ-1)R0.(6)對于本文的試件,在停止實驗時刻,不同n值對應的名義銹層厚度δ值見表6(這里ρ取該組試件的平均值,表中相應的編號為該組的編號,意義見前)。3.2ab2組試件的裂縫總體特征通過自行編制的平面非線性有限元程序計算了試件的裂縫擴展到保護層表面時的銹脹力。試件的有限元網(wǎng)格劃分是通過SAP93自動生成的?？紤]到鋼筋的銹蝕沿整個截面是均勻的,本文把銹脹力簡化為均布的外荷載作用在試件的內(nèi)壁上。以AB2組試件為例,它的有限元網(wǎng)格圖如圖3,裂縫到達保護層表面時刻的最終裂縫圖見圖4,相應時刻的銹脹力P見表7。根據(jù)表3、表4的數(shù)據(jù),就可以回歸得到不同n值時的銹脹力P與名義銹層厚度的關(guān)系式。在選取回歸方程時,采用指數(shù)表達形式,并考慮了當δ=0時,P=0的條件,有P=A(Bδ-1).(7)經(jīng)過回歸分析,得到不同n值對應的參數(shù)A\,B見表8.將式(6)與式(8)代入式(7),得到鋼筋銹蝕引起混凝土保護層開裂時刻的鋼筋銹脹力P與n、R與δ的關(guān)系式Ρ=(9043.2-2636.4n55.62n-103)δ-1=(9043.2-2636.4n55.62n-103)(√nρ-ρ+1-1)R-1.(9)3.3鐵膨脹率、鋼筋嘴唇率對銹脹力的影響在式(9)的基礎上,通過算例來觀察鐵銹膨脹率n和鋼筋銹蝕率ρ對銹脹力P的影響。假設鋼筋直徑為16mm,按鋼筋銹蝕率為1%,2%,3%的情況分別繪出了不同鐵銹膨脹率對銹脹力的影響,如圖5所示;同時按鐵銹膨脹率分別為2.0,2.5,3.0,繪出了不同鋼筋銹蝕率對銹脹力的影響,如圖6所示。從圖5和圖6中可以看出,影響銹脹力最主要的因素是鋼筋銹蝕率,隨鋼筋銹蝕率增加,銹脹力有較大的提高;而鐵銹體積膨脹率對銹脹力的影響不是很大,尤其是鋼筋銹蝕率較小時,鐵銹膨脹率對銹脹力的影響是很小的。4鋼筋銹脹力p的影響本文通過實驗及統(tǒng)計回歸分析,得到了鋼筋混凝土構(gòu)件出現(xiàn)順筋裂縫時刻的鋼筋銹蝕率ρ與保護層厚度c、鋼筋直徑d及混凝土等級fcu之間的定量關(guān)系式,該式不僅表明