氯鹽侵蝕下鋼絞線與混凝土間的黏結(jié)性能

趙衍剛,武時宇,盧朝輝,張玄一

(1.北京工業(yè)大學建筑工程學院,北京 100124; 2.北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室,北京 100124)

預應力鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能是預應力混凝土(PC)結(jié)構(gòu)正常工作的重要基礎(chǔ)。當PC結(jié)構(gòu)長期處于侵蝕環(huán)境(如海洋環(huán)境及除冰鹽等化學物質(zhì))中服役時,預應力鋼筋可能由于設計缺陷、不良施工等原因而發(fā)生銹蝕[1]。銹蝕導致的混凝土保護層開裂和脫落、預應力鋼筋面積損失、界面銹蝕產(chǎn)物堆積等都會引起預應力鋼筋與混凝土間黏結(jié)性能的降低[2],削弱預應力鋼筋與混凝土間共同工作的能力,造成PC結(jié)構(gòu)承載力退化[3]。由于PC結(jié)構(gòu)通常處于高應力狀態(tài),預應力鋼筋銹蝕造成的承載能力退化很可能導致結(jié)構(gòu)發(fā)生毫無征兆的脆性破壞[4-5],帶來嚴重的安全隱患。因此,有必要深入開展PC結(jié)構(gòu)中銹蝕預應力鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能研究。

PC結(jié)構(gòu)中使用的預應力鋼筋主要包含預應力螺紋鋼筋、消除應力鋼絲(光面、螺紋)和鋼絞線等。針對銹蝕螺紋鋼筋的黏結(jié)性能,各國學者探討了不同因素(包括銹蝕程度、保護層厚度、箍筋等)對銹蝕鋼筋黏結(jié)強度的影響規(guī)律[6-7],提出了銹蝕鋼筋黏結(jié)強度的分析模型[8-9]。由于鋼絞線的規(guī)格和力學性能與其他預應力鋼筋大不相同[10],現(xiàn)有銹蝕預應力鋼筋的研究成果無法直接應用于銹蝕鋼絞線黏結(jié)性能的分析。MORCOUS等[11]通過中心拉拔試驗研究了鋼絞線表面輕微銹蝕對黏結(jié)性能的影響。但該試驗采用先銹蝕鋼絞線后澆筑混凝土的方法,研究結(jié)果與實際銹蝕構(gòu)件間存在一定的差異。為了更真實地模擬實際銹蝕情況,文獻[12-16]使用將鋼絞線埋置于混凝土后再銹蝕的試驗方法,研究了銹蝕程度(銹蝕率和銹脹裂縫寬度)對鋼絞線黏結(jié)性能的影響,獲得了更為準確的研究結(jié)果。綜上,在銹蝕程度對鋼絞線與混凝土黏結(jié)性能的影響方面,現(xiàn)有研究已經(jīng)取得了一定的成果,但仍存在一定的問題。首先,現(xiàn)有研究中試驗的銹蝕程度較低(銹蝕率未超過10%),高銹蝕程度下鋼絞線的黏結(jié)強度退化規(guī)律尚不明確,而實際條件下可能存在高銹蝕程度的鋼絞線[12]。其次,現(xiàn)有研究中銹蝕鋼絞線黏結(jié)性能均通過拉拔試驗開展,但不同研究中拉拔試驗采取的拉拔方式并不相同,因此無法將不同試驗結(jié)果進行對比分析。最后,現(xiàn)有研究中未充分考慮箍筋對銹蝕鋼絞線的影響,而箍筋作為PC結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其配置與否將對銹蝕鋼絞線黏結(jié)性能造成明顯的影響[17-18]。

為此,本工作在氯離子侵蝕條件下對銹蝕鋼絞線開展了拉拔試驗,分析了銹蝕程度、拉拔方式及箍筋的配置對銹蝕鋼絞線與混凝土的黏結(jié)性能的影響規(guī)律。

1 試驗

1.1 試件及材料

試驗制備了偏心拉拔和中心拉拔兩種試件,其構(gòu)造分別如圖1(a)和(b)所示。由于應力對預應力鋼筋的腐蝕速率影響很小[18],故未對試件施加預應力。試件詳細參數(shù)見表1。試樣編號中,Z表示中心拉拔,E表示偏心拉拔,i表示目標銹蝕率,N表示無箍筋,S表示有箍筋。鋼絞線兩端用PVC套管形成非黏結(jié)區(qū)以消除混凝土局部受壓影響。

(a) 中心拉拔試件

(b) 偏心拉拔試件圖1 拉拔試件構(gòu)造Fig.1 Structures of center pull-out specimen (a) and off-center pull-out specimen (b)

表1 試件設計參數(shù)Tab.1 Design parameters of specimens

試驗所用鋼絞線為φs15.2 mm(1 mm×7 mm)1860級鋼絞線,箍筋為φ8 mm的HPB300碳鋼,其力學性能參數(shù)見表2。混凝土的強度等級為C50,其配合比為:343 kg/m3水泥,686 kg/m3砂,1 072 kg/m3碎石,147 kg/m3水。試件加載時,混凝土實測立方體平均抗壓強度為52.6 MPa。

表2 試驗鋼材的力學性能Tab.2 Mechanical properties of test steels

1.2 鋼絞線銹蝕方法

為了縮短試驗周期,利用直流電源加速鋼絞線銹蝕,試驗裝置如圖2所示。通電前將試件置于5%(質(zhì)量分數(shù))NaCl溶液中浸泡48 h,在通電銹蝕過程中,電流密度控制在0.2 mA/cm2左右[19-20]。

圖2 加速銹蝕試驗裝置Fig.2 Device for accelerated corrosion test

通電時間用法拉第定律計算,為了減小混凝土保護層對鋼絞線銹蝕程度的影響,采用銹蝕時間比例因子進行修正,計算公式見式(1)～(2)。

(1)

Icorr=πdlbJcorr

(2)

式中:α為銹蝕時間比例因子,取2[21];n為金屬被氧化過程中失去的價電子數(shù);CFar為法拉第常數(shù),96 480 C/mol;mloss為鋼絞線的理論銹蝕質(zhì)量;M為金屬的摩爾質(zhì)量;Icorr為通電時的外加電流;d為銹蝕鋼絞線的名義直徑;lb為有效黏結(jié)長度;Jcorr為電流密度。

1.3 拉拔試驗裝置及加載制度

拉拔試驗中的加載裝置由MTS200萬能試驗機改裝而成,自制了一個夾持系統(tǒng),實現(xiàn)對試件的夾持并進行加載,如圖3所示。采用金剛磨砂鋁片夾持鋼絞線,以消除鋼絞線的端部滑移。加載過程采用位移控制模式,加載速率為0.5 mm/min。

圖3 拉拔試驗裝置Fig.3 Pull-out test device

1.4 鋼絞線銹蝕率測定

試驗設計了目標銹蝕率,并以銹蝕率衡量試件的銹蝕程度。為了考察試件的銹蝕率是否與目標銹蝕率一致,根據(jù)鋼絞銹蝕前后的質(zhì)量差計算銹蝕率,如式(3)所示。

(3)

式中:η為鋼絞線的實際銹蝕率;m為銹蝕前鋼絞線有效黏結(jié)段的質(zhì)量;mc為去除銹蝕物后鋼絞線有效黏結(jié)段的質(zhì)量。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)計算可知,m=88.08 g。為獲取mc,本次拉拔試驗結(jié)束后對試件進行如下處理。首先將試件破形,取出有效黏結(jié)段的鋼絞線;隨后,清理鋼絞線表面殘留的混凝土碎塊,用12%(質(zhì)量分數(shù))的鹽酸溶液對鋼絞線各鋼絲進行刷洗,并用堿溶液中和;最后,對鋼絞線進行干燥處理,測定干燥鋼絞線的質(zhì)量,即mc[22]。

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞特征

本次拉拔試驗中,試件表現(xiàn)出4種典型的破壞模式:劈裂破壞(SP)、拔出破壞(PO)、拔出-裂縫耦合破壞(PO-CR)和拔出-劈裂耦合破壞(PO-SP)。破壞模式主要取決于箍筋的配置和銹蝕程度。

劈裂破壞通常發(fā)生于無箍筋試件,如圖4(a)所示。當荷載達到峰值時,縱向劈裂裂縫完全貫穿混凝土保護層。由于沒有側(cè)向約束的存在,試件將迅速劈裂成兩到三個部分。劈裂破壞發(fā)生突然,是較為典型的脆性破壞。

(a) 劈裂破壞

(b) 拔出破壞

(c) 拔出-裂縫破壞

(d) 拔出-劈裂破壞圖4 試件典型破壞模式Fig.4 Failure modes of specimens: (a) fracture failure; (b) pull-out failure; (c) pull-out and crack failure; (c) pull-out and fracture failure

拉拔破壞常見于銹蝕程度較低(η<5%)且配置了箍筋的試件,如圖4(b)所示。荷載達到峰值后,箍筋提供的約束能夠有效抑制混凝土的開裂,使得鋼絞線沿其捻制的方向旋轉(zhuǎn)直至拔出,屬于延性破壞。

拔出-裂縫耦合破壞發(fā)生于中等銹蝕程度(5%<η<10%)且配置了箍筋的試件,如圖4(c)所示。在該種破壞的初期,沿鋼絞線方向可觀察到明顯的由銹蝕引起的保護層開裂;隨著滑移的增加,這些裂紋逐漸變寬并在整個試件中擴展,但由于箍筋對裂紋的約束作用,試件不會發(fā)生劈裂,這種破壞模式屬于部分延性破壞。

拔出-劈裂耦合破壞發(fā)生于高銹蝕程度(η>10%)且配置了箍筋的試件,如圖4(d)所示。高銹蝕程度試件在拉拔試驗前已出現(xiàn)較為明顯的銹脹裂縫;拔出過程中,箍筋雖然會起到一定的約束作用,但是裂縫擴展仍較為迅速,最終試件會發(fā)生劈裂破壞。有別于劈裂破壞,拔出-劈裂耦合破壞不會突然發(fā)生,試件發(fā)生破壞時尚具有一定的延性。

2.2 黏結(jié)性能

鋼絞線與混凝土的黏結(jié)性能通常用黏結(jié)應力表示[15],根據(jù)拉拔試驗得到荷載-滑移曲線,按式(4)計算不同荷載下鋼絞線與混凝土之間的黏結(jié)應力。

(4)

由于本試驗的試件為短黏結(jié)試件,假設黏結(jié)應力沿鋼絞線縱向均勻分布。發(fā)生黏結(jié)破壞時,達到極限荷載Fu,黏結(jié)應力達到極值,此時黏結(jié)應力定義為黏結(jié)強度τu,對應的滑移量為su。

當鋼絞線滑移過大時,即使荷載還未達到峰值,但增加的黏結(jié)應力已經(jīng)失去實際工程意義[23],故采用ASTM(美國試驗和材料研究學會)[24]定義的特征黏結(jié)應力τ2.5(拉拔試件自由端的滑移為2.5 mm 時所對應的黏結(jié)應力)來表征局部黏結(jié)性能。

中心拉拔試件和偏心拉拔試件的試驗結(jié)果(銹蝕率、極限荷載、黏結(jié)強度、滑移量、特征黏結(jié)應力和破壞模式)見表3和表4。各試件相應的黏結(jié)應力-滑移關(guān)系如圖5所示。

表3 中心拉拔試件試驗結(jié)果Tab.3 Experimental results of central pull-out specimens

表4 偏心拉拔試件試驗結(jié)果Tab.4 Experimental results of off-center pull-out specimens

表4(續(xù))

(a) 中心拉拔無箍筋試件

(b) 中心拉拔有箍筋試件

(c) 偏心拉拔無箍筋試件

(d) 偏心拉拔有箍筋試件圖5 各試件的典型黏結(jié)應力-滑移曲線Fig.5 Typical bonding stress—slip curves of specimens: (a) central pull-out specimens without stirrup; (b) off-center pull-out specimens without stirrup; (c) central pull-out specimens with stirrup; (d) off-center pull-out specimens with stirrup

由圖5可見:無箍筋試件的黏結(jié)應力-滑移曲線由上升段和下降段組成,達到極限載荷后立即下降,呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征;有箍筋試件的黏結(jié)應力-滑移曲線由上升段、水平段和下降段組成,達到極限載荷后有一段延性破壞過程。有箍筋試件的黏結(jié)應力-滑移曲線下降段較無箍筋試件的更緩慢,這說明箍筋的存在約束了混凝土的開裂變形。隨著銹蝕程度的增大,黏結(jié)應力-滑移曲線的峰值點逐步下移。此外,峰值點對應的滑移也在不斷減小。

由圖5中還可見,當銹蝕率低于10%時,反應特征黏結(jié)應力的黏結(jié)應力-滑移曲線(自由端滑移為0～2.5 mm的曲線)大致由兩折線組成。第一段直線的斜率很大,表現(xiàn)出很大的拔出剛度,此部分對應了鋼絞線拉拔過程中化學膠著力工作的階段;經(jīng)過轉(zhuǎn)折點后,進入第二段直線,此時斜率減小,呈緩慢上升趨勢。當銹蝕率超過10%后,兩折線逐漸退化為近似直線形式的曲線,說明銹蝕產(chǎn)物破壞了鋼絞線與混凝土之間的化學膠著力。

2.3 討論

2.3.1 銹蝕程度對黏結(jié)性能的影響

根據(jù)表3中的試驗數(shù)據(jù)以黏結(jié)強度為縱軸、銹蝕率為橫軸繪圖,結(jié)果如圖6所示。從圖6中可知,隨著銹蝕率的增大,鋼絞線與混凝土之間的黏結(jié)強度呈現(xiàn)線性降低。為更清楚表述黏結(jié)強度退化關(guān)系,針對不同拉拔方式和箍筋配置組合情況,通過最小二乘法進行線性回歸擬合試驗數(shù)據(jù),得到了不同類型試件的銹蝕率與黏結(jié)強度線性退化關(guān)系,如式(5)～(8)所示。

圖6 銹蝕程度對黏結(jié)強度的影響Fig.6 Effect of corrosion degree on bonding strength

(5)

(τu)Z-S=12.59-0.57η

(6)

(τu)E-N=12.70-0.80η

(7)

(τu)E-S=13.89-0.76η

(8)

式中:(τu)Z-N,(τu)Z-S,(τu)E-N,(τu)E-S分別表示不同銹蝕率的中心無箍筋試件、中心有箍筋試件、偏心無箍筋試件、偏心有箍筋試件的黏結(jié)強度;η為鋼絞線的銹蝕率。

觀察式(5)～(8),發(fā)現(xiàn)不同類型試件的黏結(jié)強度退化關(guān)系的斜率相近,所以將4種類型試件的黏結(jié)強度退化關(guān)系并置擬合,可得到銹蝕鋼絞線與混凝土間的黏結(jié)強度退化關(guān)系,如式(9)所示。

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τu(η)=12.61-0.66η

(9)

式中,τu(η)為銹蝕鋼絞線與混凝土之間的黏結(jié)強度。

黏結(jié)強度對銹蝕程度較為敏感,其原因可能如下:銹蝕產(chǎn)物削弱鋼絞線與混凝土之間的膠著力;銹蝕產(chǎn)物體積增大至原體積1.7～6.15倍[25],產(chǎn)生徑向擠壓而使外圍約束混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應力，當銹蝕產(chǎn)物積累到一定程度后混凝土產(chǎn)生銹脹裂縫,此時混凝土保護層對鋼絞線的約束作用減小,導致黏結(jié)強度減小。

2.3.2 箍筋對黏結(jié)性能的影響

為了衡量箍筋對銹蝕鋼絞線黏結(jié)性能的影響,選擇相同銹蝕程度(銹蝕率偏差在3%內(nèi))、相同拉拔方式的無箍筋試件和有箍筋試件進行對比分析,結(jié)果如圖7所示。銹蝕試驗前對箍筋進行了防腐蝕處理,因此不考慮箍筋銹蝕帶來的影響。

圖7 箍筋對黏結(jié)強度的影響Fig.7 Effect of stirrup on bonding strength

從圖7中可以發(fā)現(xiàn),無箍筋試件的黏結(jié)強度均比有箍筋試件的黏結(jié)強度低,如:無銹蝕(銹蝕率為0)有箍筋中心拉拔試件(Z0-S)的黏結(jié)強度比無銹蝕無箍筋中心拉拔試件(Z0-N)的黏結(jié)強度大15.6%,無銹蝕有箍筋偏心拉拔試件(E0-S1)的黏結(jié)強度比無銹蝕無箍筋偏心拉拔試件(E0-N1)大22.7%。隨著銹蝕程度的增大,箍筋對中心拉拔試件黏結(jié)強度的提高不明顯,而對偏心拉拔試件黏結(jié)強度的提高非常明顯,如:對于中心拉拔試件,銹蝕率為10%左右時,箍筋使其黏結(jié)強度提高了16.8%,無銹蝕時提高15.6%，兩者差別不大；而對于偏心拉拔試件,銹蝕率為10%左右時,箍筋使其黏結(jié)強度提高了35.3%,無銹蝕時提高22.7%，提高明顯。當銹蝕程度相同時,有箍筋試件的黏結(jié)強度相比無箍筋試件最少可提高15.6%左右。箍筋的存在延緩了裂縫開展,有效約束了混凝土的環(huán)向變形,從而提高了鋼絞線與混凝土之間的黏結(jié)強度[17]。

2.3.3 拉拔方式對黏結(jié)性能的影響

為了衡量拉拔試驗中拉拔方式對黏結(jié)性能的影響,選擇相同銹蝕程度、相同配箍條件,不同拉拔方式的試件進行對比分析,結(jié)果如圖8所示。

圖8 拉拔方式對黏結(jié)強度的影響Fig.8 Effect of pull-out method on bonding strength

從圖8中可以發(fā)現(xiàn),無銹蝕條件下(η=0%),偏心拉拔試件(E0-N1和E0-S1)的黏結(jié)強度比中心拉拔試件(Z0-N和Z0-S)的黏結(jié)強度大。隨著鋼絞線銹蝕程度的增大,偏心拉拔無箍筋試件與中心拉拔無箍筋試件的黏結(jié)強度呈交替下降規(guī)律,差距不明顯。

偏心拉拔試件黏結(jié)強度較大的原因可能是偏心拉拔試件相當于在一側(cè)增加了保護層厚度,增大了試件的橫向約束,從而提高了黏結(jié)強度。但總體來看,拉拔方式對黏結(jié)強度的影響不明顯。

3 結(jié)論

(1) 銹蝕鋼絞線與混凝土的黏結(jié)破壞有4種典型破壞模式:劈裂破壞、拔出破壞、拔出-裂縫破壞和拔出-劈裂破壞。破壞模式主要取決于箍筋的配置和銹蝕程度。

(2) 黏結(jié)強度對銹蝕程度較為敏感。隨著銹蝕程度的增大,鋼絞線與混凝土間的黏結(jié)強度大致呈線性下降關(guān)系?；瘜W膠著力隨著銹蝕程度增大而逐漸退化,當銹蝕率大于10%時,化學膠著力消失。

(3) 箍筋的配置與否會影響?zhàn)そY(jié)應力-滑移曲線的形式。無箍筋銹蝕鋼絞線的黏結(jié)應力-滑移曲線由上升段和下降段組成,有箍筋銹蝕鋼絞線的黏結(jié)應力-滑移曲線由上升段、水平段和下降段組成。同時,箍筋的配置可以有效提高黏結(jié)強度(大約可提高20%)。

(4) 不同的拉拔方式對黏結(jié)強度有影響,但影響有限,試驗時應根據(jù)實際情況選取合適的拉拔方式。