锈蚀钢筋混凝土黏结破坏在线监测试验研究.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 1 0期 (总 第 2 8 8 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACT I CAL TECHN0L0GY d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 0 0 4 0 锈蚀钢筋混凝土黏结破坏在线监测试验研究 虞爱平 1 I 2 ,赵艳林 1 I2 ,冯依锋 ( 1 广西大学 土木建筑工程学院 ,广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ; 2 桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西
2、 桂林 5 4 1 0 0 4 ) 摘要 : 锈蚀钢筋混凝土 内部黏结损伤发展一直是众多研究者 中难以明确的问题 。 为 了探求锈蚀构件黏结破坏内部损伤变化 情况, 利用声发射源定位技术 , 对锈蚀钢筋混凝土中心拉拔试验进行实时监测 , 实时反映黏结破坏过程 中声发射缺陷源情况 , 并 对监测结果与中心拉拔试验结果进行对 比分析 。 结果表明: 锈蚀钢筋混凝土黏结破坏可分为微滑移阶段、 滑移阶段 、 增裂阶段 、 下 降阶段和残余 阶段五个 阶段 , 声发射定位的结果能够较好反映这五个阶段的缺陷源发展过程 。 关键词 : 钢筋混凝土 ;锈蚀;声发射源定位 ;监测 中图分类号 : T U 5 2
3、 8 5 7 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 1 5 1 0 6 On l i n e mon i t o r i n g t e s t a n a l y s i s o n bo n d f a i l u r e o f c or r o d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e YU Ai p i n g1 ,2 ZHAO Ya n l i n , FENG Yi f e n g ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e
4、r i n g a n d A r c h i t e c t u r e , G u a n g x i U n i v e r s i t y , N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 , C h i n a ; 2 Co l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n dAr c h i t e c t u r e , Gu i l i nUn i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y, G u i l i n 5 4 1 0 0 4 , Ch i n a ) Ab s t r a c t
5、 :T h e b o n d d a ma g e e v o l u t i o n o f c o o d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s a l wa y s a q u e s t i o n d i ffic u l t t o fi g u r e o u t F o r s e e k i n g t h e da ma ge e v o l u t i o n d u r i n g b o nd f a i l u r e, t h e o n l i n e mo ni t o r i n g wa s c a r
6、r i e d on the c e n t e r p ul l o u t t e s t of c o r r o d e d r e i nf o r c e d c o n c r e t e wi t h a c o u s t i c e mi s s i o n s o urc e l o c a t i o n t e c h no l og y, a nd t h e a c o us t i c e mi s s i o n de f e c t s o u r c e wa s r e fle c t e d i n r e a l t i me d uri ng t
7、h e bo n d f a i l ure p r o c e s s, a n d t h e n, t h e c omp a r i n g ana l ys i s wa s s t ud i e d be t we e n t h e r e a l t i me mon i t or i n g a n d c e nt e r p u l l o u t t e s t r e s u l t Th e r e s ul t s h o ws t h a t t h e b on d f a i l ure o f C O rrO d e d r e i n f o r e e
8、 d c o nc r e t e c a n be di v i de d i n t o fiv e p h a s e i n c l ud e t he mi c r o - s l i p, s l i p, i nc r e a s e d c r a c k, d e c l i n e an d r e s i d ua l p h a s e an dt h e r e s u l t o fAE s o ur c el oc a t i o n C an r e fle c t thede v e l o pme n t pr oc e s s o fd e f e c t
9、 s o urc ei nfiv ep ha s e s Ke y w o r d s : r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; c o r r o s i o n ; a c o u s t i c e mi s s i o n s o urc e l o c a t i o n; mo n i t o r i n g 0引言 1 试验方案设计 锈蚀 钢 筋混凝 土 黏结性 能 一直 是众 多 研究 者研 究 的焦 点 。 然 而 , 由于锈 蚀损伤 的随机性 和多样性 , 锈 蚀构 件 的破坏也呈 现多样性 。 目前 大多数研究 主要是 以试验 为基础
10、 1 _ , 对各类不 同钢筋的黏结锚 固性能进行宏 观 比 较 , 进而形 成相应 的计算模 型 4 _ 1 。 但 由于试验 条件 多样 性 以及 黏结破坏 内部损伤规 律 的不确 定性 , 所建立 的理 论成果往往过于单一 , 难 以应用 于工程 实际。 为 了寻求锈 蚀构 件在 黏结 破坏 过程 中损 伤 的 出现 及其 演变 发展 规 律 , 试验 制作 了一批 不 同锈蚀 率钢 筋混 凝 土试件 , 利 用 声发射 源定位技 术 , 对 中心拉拔试验 中损伤 位置进行 实 时监测 , 将监测 结果 与黏结破坏试验 结果进 行相应 的对 比分析 , 研究锈蚀构件黏结破坏变化发展规律
11、。 其结果 可 为形 成有效 的锈 蚀钢 筋混 凝 土黏结 破坏 理 论成果 提 供 必要 的基 础知识 , 为锈蚀钢 筋混凝土结 构 的黏结破坏 评 定及及其加 固提供依据 。 收稿 日期 :2 0 1 3 - 0 4 _ 2 3 基金项目:国家自然科学基金( 5 1 2 6 8 0 0 9 ) 1 1 试 件 设 计 试件采用 1 5 0 m mx 1 5 0 m mx l 5 0 mm的立方体 中心拔 出试件 , 其混凝 土强度 等级 为 C 2 5 , 配合 比为 G: s : c : wl_ 3 3 6 : 1 9 : 1 : 0 5 7 , 混凝土标准立方体抗 压强度 为 3 3
12、6 1 MP a 。 试件浇筑前 , 在模具 中心水平埋置 2 0 I n l T l 直径 的变形钢筋 ( 月牙纹 ) , 并钢筋 内部开槽 , 然后再在槽 内贴箔式 电阻应 变片以测量拉拔过程的钢筋 内部应力 。 为减少承压面对钢 筋 的影响, 两端各设置 4 0 n l n l 的无黏结段。 为获得黏结破坏 时钢筋 内部应变沿锚深 的分布 , 采用 了内贴应变 片方法 , 具体为 : 用线切 割方法将钢筋沿轴 向 对半劈 开 , 用铣床在劈 开的两半钢筋 内侧加工 凹槽 , 凹槽 尺 寸为 2 5 mmx 5 mm( 合拢后 为 5 mmx 5 m m) ; 用环氧树 脂灌满整个 凹槽
13、, 并将两半钢筋黏合起来 ( 为 了防止黏合 时钢筋表面沾满环氧树脂 , 事先在钢筋表面沾上一层胶布 ) , 再用环氧涂刷钢筋埋置部分的无黏结段 , 为了防止浇筑混 凝土时 , 水泥砂浆进入管 内, 用绝缘胶布包裹无黏结段至 1 51 合适厚度 , 然后再套紧 P V C塑料管 , 钢筋加工完成后插入 钢模 中等待浇筑混凝土。 试件示意图如图 1 所示 。 1 2试 验 试件 分组 试验采用通直流电对试件进行加速锈蚀 , 通过控制加 速锈蚀天数来获得试件的不同锈蚀程度; 分别制作理论失 重率为 0 5 、 1 5 、 3 、 4 的试件以观测不同锈蚀情况下 ( a ) 钢筋 内贴片 示 意 图
14、 表 1 试件类型 钢筋混凝土黏结破坏情况。 试件的类型如表 1 所示。 1 3 中心拉拔试验 方案 拔 出试验在在 R MT 一 2 0 1 力学试验系统上进 行 , 通过 图 2 拔 出装置进行。 沿试件周边布置 4 个 R 6 型声发射传感 器, 用于二维平面定位, 传感器用凡士林耦合在拔出试件上 如图 3 所示 , 采用位移控制加载方式施加拉力直至破坏。 P VC 管 r 一 1 l I 一 钢 筋 黏结区 ( b ) 拉拔试件结构图 圈 1 试件示意图( 单位: mm) 试验时R MT 一 2 0 1 压力机下压头向上移动, 使得方钢板2 和 圆钢板垫块 与螺杆 3 、 3 、 4
15、、 4 向上移动 , 同时方钢板 1 、 3 与螺杆 1 、 1 、 2 、 2 也随之而上 , 最后方钢板 1 、 3 被上压头固 定 , 当压力机下压头向上加载时 , 方钢板 3 对 中心拔出试 件施加压力从而将钢筋拔出。 该装置将拔出试件与加载系 统压头分离 , 并减少 了与加载系统 的接触 , 起到 了很好的 减噪效果 。 2 试验 结果及分析 2 1 基本 力学性能 试验在加载试 验前注意观 察试件锈蚀 情况 , 对 于 已 经锈胀开裂 的试件用读 数显微镜读 出裂缝 宽度 , 将 记录 数据列于表 2中 。 加载过程 中发现各试件均为劈裂破坏 , 且在锈蚀量较小 , 没有因锈蚀而产
16、生胀裂裂缝 的试件破坏 过程 中, 加载端钢 筋周边 的混凝土最先 出现一些 细微的 裂缝 , 随后 沿钢筋纵 向出现 了一条 逐渐变大变宽 的主裂 缝 。 在拔 出荷载达到最大值 时 , 主裂缝突然变大 , 并持续 到试件破坏。 当锈蚀量较大时, 试件将出现锈胀裂缝 。 试 件 5 - 1 在锈蚀过程 中便出现一条贯穿裂缝 , 其破坏时主要 是在胀裂裂缝处劈裂, 然后随着荷载的增大 , 逐渐形成一 条较宽 的主裂缝 。 中心拔 出试验 过程 中各试件试 验数据 详见表 2 所示。 图 2 拔出装置和滑移测量夹具示意图( 单位 : mm) 表 3为不 同锈蚀率试件黏结强度数据 , 为 了方便分
17、析 并尽可能体现不 同锈蚀程度试件 黏结强度 , 表 中仅按照锈 1 5 2 蚀率 的不 同列 出了部分试件 。 由表中试验数据可知 : 随着 锈蚀程度增加 , 钢筋黏结力总体上呈 下降趋 势 , 而在钢筋 L 0 _【 图 3 声发射传感器布置示意图 微锈时( 试件 2 1 、 2 2 ) 黏结 强度较未锈试件有所提高 , 且在 0 3 左右时黏结强度达到最大( 如图 4 所示 ) 。 这说明 : 当腐 蚀程度较小而试件 表面又没有裂纹时 , 钢筋 由于轻微锈蚀 生成的产物填充黏结界面的混凝土的孔隙, 变相的增强了 该黏结界面的强度 ; 另外 , 生成的锈蚀物对钢筋有一个径向 挤压作用 ,
18、增强 了混凝土对钢筋的握裹力。 2 2 黏 结一 滑移 曲线 对 比未开试件 0 2 和 1 - 2 可知 , 两者黏结一 滑移曲线很 接近 , 说 明本试验 中开槽对钢筋 的黏结力 的影响很小 , 可 以真实反应实际情况 。 由实测的加载力大小和 自由端钢筋 对混凝土试块 的相对滑移 , 绘 出不 同腐蚀程度下平均黏结 力 一 自由端滑移 曲线 , 其 中平均黏结力通过式( 1 ) 计算 : 亍 : (1 )1 r d l 式 中: P 加载力大小 ; d 钢筋直径 ; f 钢筋黏结段长度 。 表 2中心拔出试验数据 注 : O - 1 、 0 - 2 为钢筋未开槽的对 比试件。 表 3 腐
19、蚀率和黏结强度数据 1 日 1 1 姆 U l 2 3 4 5 6 , 钢筋锈蚀率 图 4 极限粘结应力一 锈蚀率关联曲线 图 5 为不 同锈蚀率试 件平 均黏结应 力一自由端滑 移 图, 由图可知 , 整仑拉拔受力过程可分为 5 个 阶段 : ( 1 ) 微滑移段 , 荷 载较小时 , 加载端滑移很 小 , 自由端 未发生滑移。 在这一阶段, 黏结滑移缓慢向钢筋自由端传递 , 但尚未到达 自由端端部 , 认为钢筋与混凝土的界面层处于完 全黏结状态 , 自由端滑移与平均黏结应力接近 9 0 。 直线关系。 此时钢筋与周 围混凝土之间的黏结力主要为化学胶着力。 ( 2 ) 滑移 段 , 加载至一
20、定 大小时 , 自由端发生位移 , 说 明锚固区内胶着力 已经丧失殆尽 , 此后滑移增长开始加快 , 开始成非线性 。 在这一阶段 , 随着荷载 的增加 , 加载端附近 开始产生界面局部脱黏 , 且脱黏面由加载端沿界面逐渐向 纵深发展 , 同时化学胶着力 由加载端沿界面向 自由端逐渐 丧失 , 相对 滑移逐渐 向 自由端 发展 , 黏结 滑移曲线 越来越 表现 出非线形特征 。 当荷载继续增大 时 , 钢筋 自由端 开始 滑移 , 滑移量增长逐渐加快。 随着荷载的进一步增大 , 对 于 变形钢筋 , 黏结力则由钢筋表面突出肋与混凝土间的机械 咬合力 以及钢筋与周围混凝土之的摩擦力组成 , 且主
21、要为 机械咬合力。 ( 3 ) 增裂段 , 随着荷载 的进一步增大 , 混凝土表面的锈 胀裂缝 由加载端到 自由端逐渐扩大 , 荷 载稍有增加后 即达 到极限荷载, 黏结滑移 曲线 出现了明显 的转折。 在这一 阶段 , 对于带肋钢筋,钢筋与混凝土的咬合齿依次发生局部破 坏 , 此时 , 黏结力仍 由钢筋与周 围混凝土之 间的摩擦力 以 及机械咬合力组成。 ( 4 ) 下降断, 达到峰值后, 荷载缓慢下降, 加载端和自 1 53 自由端 滑移 mm ( a ) 腐蚀率0 0 2 ( 0 2 ) 自由端 滑移 mm ( c ) 腐蚀率0 2 8 ( 2 1 ) 自由端 滑移 mm ( e ) 腐
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