銹蝕鋼筋混凝土的黏結(jié)性能及聲發(fā)射信號(hào)特征分析

王磊，夏海龍，易金，范蕾

（1.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004）

銹蝕鋼筋混凝土的黏結(jié)性能及聲發(fā)射信號(hào)特征分析

王磊1，2，夏海龍2，易金2，范蕾2

（1.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004）

鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能影響顯著，通過(guò)對(duì)銹蝕率分別為0，0.5%，2%，4%，6%的5組試件的拉拔試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，研究了銹蝕鋼筋混凝土的黏結(jié)破壞過(guò)程和聲發(fā)射信號(hào)特征變化。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件下的加速鋼筋銹蝕試驗(yàn)，采用聲發(fā)射定位技術(shù)可以準(zhǔn)確地反映鋼筋銹蝕造成混凝土損傷的位置和程度；試件聲發(fā)射能量隨著銹蝕率的增加而減小，根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)的變化特征，可將聲發(fā)射信號(hào)劃分為與黏結(jié)-滑移曲線相對(duì)應(yīng)的4個(gè)階段，分析能量、信號(hào)幅值、上升時(shí)間等聲發(fā)射參數(shù)在破壞過(guò)程中的變化規(guī)律，能較清晰地反映試件黏結(jié)性能退化的過(guò)程，一定程度上可以較早地預(yù)測(cè)試件的破壞。

銹蝕鋼筋；聲發(fā)射；黏結(jié)性能；試驗(yàn)

鋼筋和混凝土兩種材料能夠共同工作、共同承受荷載的前提條件是二者之間具有良好的黏結(jié)性能，黏結(jié)性能的退化和失效必然導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的降低。由各種外界因素引發(fā)的鋼筋銹蝕問(wèn)題，對(duì)鋼筋和混凝土之間黏結(jié)性能影響顯著，其影響通?？梢詺w結(jié)為鋼筋表面形狀及材性改變與混凝土約束條件變化兩個(gè)主要方面。多因素疊加使得銹蝕鋼筋與混凝土之間黏結(jié)特性分析的困難大增，而目前的研究大多是從宏觀力學(xué)性能來(lái)分析銹蝕鋼筋混凝土界面間黏結(jié)退化問(wèn)題［1-4］，缺少對(duì)鋼筋銹蝕發(fā)生，裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，以及構(gòu)件受力黏結(jié)破壞的過(guò)程研究。對(duì)銹蝕鋼筋與混凝土界面間黏結(jié)退化過(guò)程依然缺乏完整而清晰的了解。聲發(fā)射技術(shù)是近年來(lái)被人們廣泛利用的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、迅速準(zhǔn)確定位損傷部位等優(yōu)點(diǎn)，是一種頗具前景的監(jiān)測(cè)技術(shù)［5-6］。本文采用聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)拉拔破壞的全過(guò)程，對(duì)不同銹蝕率的鋼筋混凝土試件的黏結(jié)性能開(kāi)展試驗(yàn)研究，研究結(jié)果對(duì)鋼筋混凝土間黏結(jié)理論和實(shí)際工程的分析應(yīng)用具有一定意義。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用直徑為20mm的HRB335月牙紋鋼筋，C30混凝土?；炷敛捎?2.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為最大粒徑20mm的石灰石碎石，并在澆筑混凝土前清洗干凈，細(xì)骨料用細(xì)度模數(shù)為2.5的普通天然河砂。混凝土28d實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為31.43MPa。為了在加速銹蝕試驗(yàn)中增加混凝土的導(dǎo)電能力，本試驗(yàn)采用5%的NaCl溶液作為拌合用水，混凝土制備配合比見(jiàn)表1。

表1　混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2試件設(shè)計(jì)

試件為150mm×150mm×150mm混凝土立方體中心埋置鋼筋的拉拔試件，為保證試驗(yàn)時(shí)鋼筋與實(shí)際結(jié)構(gòu)中鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)相近，在鋼筋與混凝土接觸的兩端用長(zhǎng)度為30mm的塑枓套管將二者隔離作為無(wú)黏結(jié)段。試件澆筑完畢后1d拆模，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d。采用電化學(xué)加速銹蝕方法，通過(guò)控制電流和加速銹蝕時(shí)間獲得相應(yīng)銹蝕率的試件。試驗(yàn)設(shè)計(jì)銹蝕率分別為0，0.5%，2%，4%，6%的5組試件，每組3個(gè)。

1.3拉拔試驗(yàn)加載裝置及測(cè)量

本試驗(yàn)采用自制的拉壓轉(zhuǎn)換裝置，如圖1（a）所示。機(jī)構(gòu)原理：?jiǎn)?dòng)壓力機(jī)，當(dāng)上壓頭向下移動(dòng)時(shí)，方鋼板4就會(huì)對(duì)試件上端施加壓力，隨著上壓頭繼續(xù)下移，試件中鋼筋就會(huì)被拔出。

部分試件的加速銹蝕過(guò)程和所有中心拉拔試驗(yàn)均采用聲發(fā)射儀進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。本試驗(yàn)采用二維平面定位對(duì)拉拔試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行全程定位監(jiān)測(cè)。結(jié)合本試驗(yàn)所用試件外形特點(diǎn)，采用4個(gè)傳感器方形布置。聲發(fā)射傳感器布置如圖1（b）所示。在試驗(yàn)前先對(duì)聲發(fā)射儀進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)文獻(xiàn)［7］研究，本試驗(yàn)聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置利用斷鉛試驗(yàn)來(lái)確定，得出門(mén)檻值40dB，定位波速3050m/s。

圖1　拉壓轉(zhuǎn)換裝置和傳感器布置

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1銹蝕過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)

為研究聲發(fā)射能否準(zhǔn)確捕捉鋼筋加速銹蝕損傷的產(chǎn)生位置，試驗(yàn)對(duì)一個(gè)銹蝕試件實(shí)際銹蝕過(guò)程中的損傷定位情況進(jìn)行了測(cè)試和分析。

觀察定位圖（圖2（a））發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號(hào)在Z= 110～200mm區(qū)段內(nèi)的分布較為集中，而此區(qū)段正是試件的黏結(jié)段；在試件的非黏結(jié)段也有少量的聲發(fā)射信號(hào)。這是因?yàn)樵嚰P脹開(kāi)裂以及銹蝕產(chǎn)物的滲入也會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。將試件剖開(kāi)觀察劈裂面（圖2（b）），在孔道內(nèi)有明顯銹跡，橫肋銹跡明顯，部分混凝土內(nèi)部有銹跡，銹蝕面積較大，銹跡在Z=160～200mm范圍內(nèi)集中，同樣，定位圖中聲發(fā)射事件在此范圍內(nèi)較多。由定位圖還可以看出采用聲發(fā)射定位技術(shù)可以準(zhǔn)確地反映鋼筋銹蝕造成混凝土損傷的位置和程度。但是考慮到實(shí)際工程條件下的混凝土損傷是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因而，是否能夠采用聲發(fā)射監(jiān)控由鋼筋銹蝕所引發(fā)的混凝土損傷依然需要探討。

2.2拉拔試驗(yàn)結(jié)果和聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)

由于本試驗(yàn)中采用的鋼筋直徑較大，所有試件均為圖3所示劈裂破壞形式，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。拉拔試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，伴隨混凝土“嘣”的一聲，試塊瞬間劈裂成若干塊。

圖2　試件4-3損傷定位

圖3　試件2-3劈裂破壞形式

從表2所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著鋼筋銹蝕率的增加，試件破壞所需的極限荷載也不斷降低，鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力逐漸減小，與目前的研究結(jié)果較為相符，其主要存在3個(gè)方面的原因：①試件中變形鋼筋表面橫肋會(huì)隨著銹蝕程度的增加而減小，削弱了混凝土和鋼筋之間的機(jī)械咬合力；②對(duì)于產(chǎn)生銹脹裂縫的試件，裂縫會(huì)使得周?chē)炷翆?duì)鋼筋的約束能力減小，從而影響了試件的黏結(jié)強(qiáng)度；③鋼筋的銹蝕產(chǎn)物使得鋼筋和混凝土界面間發(fā)生了變化，削弱了鋼筋與混凝土之間的化學(xué)膠著力和界面間的摩阻力。需要特別提出的是，當(dāng)鋼筋銹蝕率＜0.5%時(shí)，黏結(jié)應(yīng)力會(huì)有少量的提高，這是由于在輕度銹蝕下，鋼筋的銹蝕產(chǎn)物正好填充了界面間混凝土的孔隙，使得鋼筋周?chē)幕炷磷兊弥旅埽瑥亩岣吡损そY(jié)應(yīng)力；再者，輕度銹蝕情況下的銹蝕產(chǎn)物較少，其體積的輕微膨脹也能增加界面處的摩擦系數(shù)并增強(qiáng)混凝土對(duì)鋼筋的約束作用，使得黏結(jié)性能略有提高［8-9］。

如圖4、圖5所示，鋼筋拉拔試驗(yàn)過(guò)程的黏結(jié)-滑移曲線可分為微滑移段、滑移段、劈裂段、下降殘余段4個(gè)階段，且隨著銹蝕率的增加，加載端滑移量不斷減少，鋼筋拔出所需的荷載也顯著減小，由于試件的破壞均為劈裂破壞，黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到極限后迅速下降，試件破壞較為突然。

表2　拉拔試驗(yàn)結(jié)果

圖4　黏結(jié)-滑移曲線

圖5　滑移量與銹蝕率的關(guān)系曲線

為更好地分析研究銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結(jié)退化過(guò)程，以及拉拔試驗(yàn)的破壞過(guò)程，采用聲發(fā)射測(cè)試過(guò)程中獲取的累積參數(shù)和變化率參數(shù)這兩個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，結(jié)合黏結(jié)-滑移曲線特征以及試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析。如圖6所示，聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)有2個(gè)峰值，且鋼筋與混凝土黏結(jié)破壞時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較為連續(xù)，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的變化特點(diǎn)，將整個(gè)加載過(guò)程劃分為與黏結(jié)-滑移曲線相對(duì)應(yīng)的4個(gè)階段。

1）微滑移段：剛開(kāi)始加載，加載力較小，黏結(jié)滑移尚未到達(dá)自由端端部，黏結(jié)力主要為化學(xué)膠著力。而此時(shí)聲發(fā)射信號(hào)較活躍，可能是來(lái)源于試件受壓面上混凝土顆粒被擠碎，以及試驗(yàn)設(shè)備在受力后剛度調(diào)整而產(chǎn)生的非黏結(jié)滑移特征的干擾信號(hào)。

2）滑移段：加載端附近界面開(kāi)始產(chǎn)生局部脫黏，鋼筋自由端開(kāi)始出現(xiàn)滑移，化學(xué)膠著力逐漸喪失，黏結(jié)力主要為摩擦力和機(jī)械咬合力。此階段聲發(fā)射信號(hào)的變化很小，聲發(fā)射釋能率較低，可以推斷出混凝土內(nèi)部的微裂縫在緩慢發(fā)展，信號(hào)主要來(lái)源于黏結(jié)界面處的斜裂縫和鋼筋變形肋處被壓碎的混凝土以及混凝土表面的微裂縫或原有銹脹裂縫的緩慢增大。

3）劈裂段：混凝土表面開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫或原有的銹脹裂縫從加載端向自由端快速擴(kuò)展，黏結(jié)界面出現(xiàn)較大的斜裂縫，且變形鋼筋橫肋前的混凝土被壓碎，聲發(fā)射釋能率迅速增大，最終試件劈裂破壞，聲發(fā)射釋能率突然達(dá)到峰值，也進(jìn)一步地說(shuō)明鋼筋和混凝土間的黏結(jié)破壞屬于典型的脆性破壞。

4）下降殘余段：試件在平均黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值后，承載能力迅速下降，試件突然出現(xiàn)較大貫穿裂縫。加載端滑移值到一定程度后，黏結(jié)應(yīng)力不再持續(xù)下降，逐漸平穩(wěn)。這個(gè)階段聲發(fā)射能量信號(hào)相對(duì)較微弱，主要來(lái)源于鋼筋和混凝土之間的摩擦。

由以上分析可知，根據(jù)聲發(fā)射累積參數(shù)和變化率參數(shù)的變化特征，能較準(zhǔn)確直觀地推斷出試件在拉拔試驗(yàn)中內(nèi)部變形和微裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)展直至最終喪失承載能力破壞的全過(guò)程。

對(duì)比圖6中不同銹蝕率試件的聲發(fā)射能量累積計(jì)數(shù)還可發(fā)現(xiàn)，試件聲發(fā)射能量隨著銹蝕率的增加而減小。這與銹脹裂縫發(fā)展及鋼筋與混凝土的黏結(jié)作用削弱有關(guān)。

本文試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)累積變化的觀察還可發(fā)現(xiàn)，在試件加載過(guò)程中，振鈴計(jì)數(shù)累積變化和能量累積在走勢(shì)上十分相近。這可以解釋為聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)本質(zhì)上是由聲發(fā)射能量決定的。

此外，由試件2-3加載過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)幅值的變化（如圖7）可發(fā)現(xiàn)，隨著加載力的增加，聲發(fā)射信號(hào)幅度有增大的趨勢(shì)，在極限黏結(jié)應(yīng)力處幅度達(dá)到最大值。綜上可知，聲發(fā)射各個(gè)特征參數(shù)之間有著密切的聯(lián)系，通過(guò)對(duì)其研究，可以較早地預(yù)測(cè)試件破壞的發(fā)生。

圖6　聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)及累積計(jì)數(shù)

圖7　試件2-3聲發(fā)射信號(hào)幅值的變化

2.3聲發(fā)射上升信號(hào)和持續(xù)信號(hào)的分布特征

試驗(yàn)顯示：當(dāng)加載到極限黏結(jié)應(yīng)力的20%，上升時(shí)間分布在0～350μs之間，持續(xù)時(shí)間分布在0～6000μs之間，這個(gè)階段主要是由混凝土受力塑性變形以及產(chǎn)生微裂縫發(fā)出的信號(hào)；當(dāng)加載到極限黏結(jié)應(yīng)力的90%，上升時(shí)間分布在0～1200μs之間，持續(xù)時(shí)間則分布在0～9000μs之間，聲發(fā)射信號(hào)主要來(lái)源于混凝土的開(kāi)裂；當(dāng)加載達(dá)到極限黏結(jié)強(qiáng)度后，出現(xiàn)了上升時(shí)間＞1200μs，持續(xù)時(shí)間＞9000μs的信號(hào)，信號(hào)主要是由鋼筋脫黏后整體滑移和外圍混凝土產(chǎn)生摩擦引起的，即為臨近破壞的預(yù)警信號(hào)。因此可知，混凝土和鋼筋界面間摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間相對(duì)較大；而由混凝土開(kāi)裂和塑性變形產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間相對(duì)較小，且較為集中。

3　結(jié)論

1）對(duì)于實(shí)驗(yàn)室條件下的加速鋼筋銹蝕試驗(yàn)，采用聲發(fā)射定位技術(shù)可以準(zhǔn)確地反映鋼筋銹蝕造成混凝土損傷的位置和程度。但對(duì)于銹蝕過(guò)程漫長(zhǎng)的實(shí)際工程應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。

2）根據(jù)聲發(fā)射累積參數(shù)和變化率參數(shù)的變化特征，能較準(zhǔn)確地推斷出試件在拉拔試驗(yàn)中內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展、擴(kuò)展直至最終喪失承載能力破壞的全過(guò)程，且試件聲發(fā)射能量隨著銹蝕率的增加而減小。

3）聲發(fā)射的累積參數(shù)、變化率參數(shù)、振鈴變化率、信號(hào)幅值等各個(gè)特征參數(shù)之間有著密切的聯(lián)系，通過(guò)對(duì)其研究，可以較早地預(yù)測(cè)試件破壞的發(fā)生。

4）混凝土和鋼筋界面間摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間相對(duì)較大；而由混凝土開(kāi)裂和塑性變形產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間相對(duì)較小，且較為集中。

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AbstractSteel bar corrosion has significant effects on the bond performance between the reinforcing steel bar and concrete.Pull-out tests combined with acoustic emission（AE）detection system were conducted for 5 groups of specimens with 0，0.5%，2%，4%，6%corrosion rate.T he aim of tests was to study the corroded reinforced concrete damage process and the variation characteristics of AE signals.T he results show that AE location can accurately reflect the position and level of concrete damage caused by steel bar corrosion from the accelerating steel bar corrosion test in laboratory.T he AE energy of specimen decreases with the corrosion rate increasing.According to the characteristics of AE parameters，the AE signals can be divided into four stages which are corresponding to its bond-slip curve.By analyzing the chang law of AE parameters in the process of destruction，such as energy，signal amplitude，rise time and so on，the results can clearly reflect the degradation process of specimen bond performance，and early forecast the failure of specimen to a certain extent.

Analysis on Bond Performance of Corroded Reinforced Concrete and Feature of Acoustic Emission Signals

WANG Lei1，2，XIA Hailong2，YI Jin2，F(xiàn)AN Lei2
（1.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving，Guilin Guangxi 541004，China；2.College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Corroded steel bar；Acoustic emission（AE）；Bond performance；Test

TU317+.9

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.35

1003-1995（2016）04-0139-05

（責(zé)任審編孟慶伶）

2015-11-26；

2016-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51268009）；廣西高校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程；廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中心項(xiàng)目（KH2011ZD007）

王磊（1977—），男，教授，博士。