杂散电流与氯盐耦合作用下钢筋混凝土梁疲劳刚度衰减规律研究.pdf
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1、2 0 1 2年 4月 第 3卷 第 2期 高速铁路 S P EE D RAI L W AY 技术 TECHNOLOGY No 2, Vo 1 3 Apr 2 01 2 文章编号 :1 6 7 4 8 2 4 7 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 o 2 5 0 4 杂散 电流 与氯盐耦 合作用下钢筋混凝土梁疲劳 刚度衰减规律 研究 陈梦成秦臻王 凯谢力 ( 华东交通大学土木建筑学院, 南昌3 3 0 0 1 3 ) 摘要: 通过钢筋混凝土梁在空气环境、 杂散电流环境、 氯盐环境和两者耦合环境下的疲劳试验 , 研究了这 4 种环境下梁的变形发展过程、 刚度损伤过程和电化学腐蚀参数。结果表明,
2、 在不同腐蚀疲劳环境作用下, 梁 挠度 一循环比和刚度损伤变量曲线呈三阶段特征 , 但其变化程度有所不同, 空气环境最慢, 氯盐环境到疲劳 后期较快, 杂散电流环境较快, 耦合作用下最快。说明空气和氯盐环境下刚度损伤较慢, 杂散电流环境下较 快, 耦合作用下最快。试验同时还表明, 耦合作用下腐蚀电位增长最大, 杂散电流次之, 氯盐中最慢。 关键词: 钢筋混凝土梁 ; 疲劳损伤; 杂散电流;氯离子; 疲劳刚度 ; 腐蚀电位 中图分类号 : T U 5 2 8 0 1 文献标识码 : A S t u d y o n Fa t i g u e S t i ffn e s s Da ma g e o
3、f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Be a ms Und e r Co up l i n g Effe c t o f S t r a y Cu r r e n t a nd Ch l o r i n e C HE N Me n g - c h e n g QI N Z h e n WAN G Ka i XI E L i ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e , E a s t C h i n a J i a o t o n g U n
4、i v e r s i t y ,N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3 ,C h i n a ) Abs t r a c t : The f a t i g u e e x p e r i me n t s o f r e i n f o r c e me n t c o n c r e t e b e a ms u n d e r a t mo s p h e r i c e n v i r o n me n t ,s t r a y c u r r e n t e nv i r o n me n t ,s a l t s o l u t i o n e n v i r o
5、 nme n t a n d e n v i r o n me n t o f c o up l i n g e f f e c t we r e c a r r i e d o ut De v e l o p me n t a l p r o c e s s o f d e f o r ma t i o n,d a ma g e pr o c e s s o f s t i f f n e s s a n d e l e c t r o c he mi c a l c o rro s i o n p a r a me t e r s we r e s t u d i e d Th e t e
6、 s t r e s ul t s s h o w t h a t u n de r di f f e r e n t e n v i r o nme n t o f c o r r o s i o n f a t i gu e,t h e b e a ms p r e s e n t t h r e e s t a g e c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e c u r v e o f d e fl e c t i o n c y c l e r a t i o a n d d a ma g e v a r i a b l e o f s t
7、i f f n e s s , b u t t h e c h a n g e d e g r e e s o f d e fl e c t i o n we r e d i f f e r e n t , t h e s l o we s t u n d e r a t mo s p h e rie e n v i r o n me n t ,f a s t e r i n t h e l a t e r pe rio d o f s a l t s o l u t i o n e n v i r o n me n t ,f a s t e r u n d e r s t r a y c u
8、r r e n t e n v i r o nme nt a n d t he f a s t e s t u n de r e n v i r o n me n t o f c o up l i ng e f f e c t I t i nd i c a t e s t h a t t he s t i f f n e s s da ma g e o f b e a ms a r e s l o w u n de r a t mo s p h e r i c e n v i r o n me n t a n d s a l t s o l u t i o n e n v i r o n me
9、 n t ,f a s t e r u nd e r s t r a y c u r r e n t e n v i r o n me nt a n d t h e f a s t e s t u n d e r e n v i r o n me n t o f c o u pl i ng e f f e c t Th e t e s t a l s o i n d i c a t e s t h a t t h e i n c r e a s e o f c o rro s i v e p o t e n t i a l a r e t h e ma x i mum un d e r e n
10、 v i r o n me n t o f C O U p l i n g e f f e c t ,mi n o r u n d e r s t r a y c u rre n t e n v i r o n me n t ,t h e mi n i mu m u nd e r s a l t s o l u t i o n e n v i r o n me n t Ke y wo r d s: r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m ;f a t i g u e d a ma g e;s t r a y c u r r e n t ;c h
11、l o r i d e i o n;f a t i g u e s t i f f n e s s ;c o r r o s i v e p o t e n t i a l 刖 舌 钢筋 昆凝土在一般使用环境下通常具有较好的服 役性能。但在实际工程中 昆 凝土结构在承受外荷载的 同时往往还承受环境腐蚀作用, 例如近采油平台、 铁路 轨枕等结构在承受循环荷载作用 的同时还受到环境 中 收稿 日期 : 2 0 1 2 -0 1 作者简介 : 陈梦成 ( 1 9 6 2 一 ) , 男 , 教授 。 氯离子、 二氧化碳等引发的钢筋腐蚀协同作用 , 从而导 致混 凝 土结 构 服 役 性 能 严 重退
12、 化 , 过 早 退 出 服役 期 J 。国内外许多学者 对 昆 凝土中钢筋 因氯离子 和二氧化碳等引发 的电化学腐蚀及其对混凝 土结构疲 劳性能的影响, 已开展了大量的研究工作 , 并取得了很 多有价值的成果。然而杂散电流引发的钢筋腐蚀对混 凝土结构疲劳性能的影响的资料却所见不多。 杂散电流( 又称地铁迷流 , me t r o s t r a y c u rr e n t ) , 主 要是指采用直流供电牵引方式的地铁列车在运行 时, 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 陈梦成, 等 : 杂散电流与氯盐耦合作用下钢筋混凝土梁疲劳刚度衰减规律研究 2 0
13、1 2年4月 由走行轨泄漏到道床及其周围土壤 中的散乱 电流 , 其 强度普遍为 1 01 0 0 mA ; 在地铁迷流流经的区域 , 地铁周 围的埋地金属管道和混凝土结构中的钢筋易遭 到腐蚀 , 例如 , 北京地铁第一期工程主体结构的钢筋在 使用几年之后 , 就发生 了杂散 电流引起 的腐蚀 。地铁 昆 凝土主体结构往往位于距地表较深又富含氯离子透 水性较强的土壤中_ 6 J , 显然引发其钢筋产生锈蚀并不 单仅有杂散电流单独作用 , 还包括地铁基础中氯离子 的协 同作用 , 以及列车长期循环荷载对其锈蚀 的促进 作用 。杂散电流腐蚀协 同氯盐与列车反复荷载又易构 成损伤劣化耦合作用 , 极
14、大威胁地铁混凝土主体结构 的安全性和耐久性。因此 , 有必要对地铁混凝 土结构 的疲劳损伤特性尤其是疲劳损伤演变规律进行研究 。 本文用定义刚度损伤变量的方法分析 了钢筋混凝土试 件损伤劣化过程 中的刚度变化规律 , 跟踪研究杂散电 流 , 氯离子及其耦合作用下钢筋混凝 土梁构件弯曲疲 劳损伤全过程的影响, 并运用 电化学方法检测钢筋的 腐蚀电位( c o r r o s i v e p o t e n t i a 1 ) 分析其影响作用机理, 为 腐蚀环境中承受反复荷载作用的钢筋混凝土结构的耐 久性设计评估提供参考。 口 22 实验所用的钢筋混凝 土梁按适筋梁设计 , 试件尺 寸为 1 0
15、0 m m X 1 6 0 mil l 1 2 0 0 mm。主筋采用 2根 4 , 1 2的 H R B 3 3 5级螺纹钢筋。架立筋采用 2根 的 H P B 2 3 5级光 圆钢筋。箍筋 采用 与架立 筋 同一 类 钢 筋 , 箍筋间距为 8 0 m m。 1 2和 6钢筋的屈服强度实 测值分别为 4 9 7 3 MP a和 4 2 1 1 MP a , 抗拉 强度 实测 值则分别为 6 2 1 2 MP a和 5 8 3 5 MP a 。混凝土保护层 厚度为 2 0 m m。试 件 尺 寸 和 截 面 配 筋 布置 如 图 1 图 1 试件尺寸及截面配筋图( 单位 : m m) 试件混
16、凝土强 度等级按 C 4 0级设计 。混凝土设 计配合比为: 水泥: 砂: 石子 : 水 = 1 : 1 3 5 : 2 5 : 0 3 5 。 水泥采用P O 4 2 5 级普通硅酸盐水泥 , 砂采用赣江中 砂 , 石子最大粒径为 2 5 m m。为了模拟杂散 电流腐蚀 , 在梁试件浇注成型前 , 2根纵 向受拉钢筋 ( 主筋 ) 的一 端各焊 1 根长约 2 m导线 , 并在主筋与箍筋相交处套 上塑料绝缘管。 2 2试验装置 实验在华东交通大学结构工程 重点实验室 MT S 电液伺服疲劳试验机上实施 。实验装置如图 2所示。 载荷 的施加方式采用四点弯曲疲劳加载。四点弯曲试 件的 2个支撑
17、点距离为1 0 0 0 m m。 图 2 实验加载与测试装置图 2 3试验方法 试验试件 自然养护 9 0 d后 , 置于上述实验装 置 上 , 在进行疲劳加载的同时施加模拟杂散 电流。疲劳 实验参数统一取 : 疲劳荷载上 限 0 5 0 P ( P 为试件静 载极限承载力 , 下 同。本文为 7 5 k N) , 疲 劳荷载下 限 0 0 5 P 加载频率 3 5 H z , 正弦波加载。按 照刚度退 化准则 , 以疲劳试验机记录的位置下降 3 0 时 , 或 者 当循环次数达到 21 0 。 次时, 结束疲劳试验 。杂散 电流的施加 , 采用 自制可控硅直流电源所提供的直流 电进行模拟 ,
18、 施加步骤如下 : 首先将试件置在预先盛有 浓度为 3 5 N a C 1 溶 液的特制 防腐蚀 钢箱中, 静置 2 3 d, 以提供混凝土保护层有足够 的湿度 , 保证 电流 在主筋与 以下所述 的钢板问在 刚通 电时就可形成 通 路 , 钢箱中 N a C 1 溶液液面处在梁主筋 中心位置 , 如 图 3所示 ; 然后将试件主筋用作 阳极 , 用导线与电源的正 极相联 , 不锈钢板则用作 阴极 , 与电源的负极相联 , 并 且为了保证试验过程中所施加 的电流稳定性 , 试件主 筋各串联一个大小为 1 0 0 Q的电阻块。这样通过调节 杂散电流模拟仪的交流 自藕变压器 , 即可在试 件主筋
19、和钢板之间施加不 同强度的模拟杂散电流。本实验所 施加的模拟杂散 电流 电压强度为 3 0 V。为了与一般 大气环境下的疲劳损伤过程进行对 比, 本文同时也进 行了 1组一般大气环境下的弯曲疲劳性能试验。 本文采用 Y H D一5 0动态挠度仪和 3 0 6 D F智能信 号采集处理分析仪 , 同步测量试件在循环荷载上 限作 用下 的跨中挠度。同时在试验过程 中, 每隔一定 的疲 劳加载循环次数, 采用北京中腐公司开发 P S一 2 6 8 A 型电化学测量系统测试钢筋混凝 土内部钢筋 腐蚀 电 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 陈梦成, 等: 杂散电流
20、与氯盐耦合作用下钢筋混凝土梁疲劳刚度衰减规律研究 2 0 1 2年 4月 图 3 加载系统示意图 位 , 其 中腐蚀 电位测试使用经典 的三电极体系进行 : 钢 筋 电极为工作电极 , 饱和甘汞电极作为参 比电极 , 不锈 钢板为辅助 电极 , 扫描速率为 0 1 6 6 mV s 。以上数据 的最终量测结果均取 3根平行试件的平均值 。 3 试验 结果与分析 3 1变形 特征 图 4给出了空气环境 、 3 5 氯盐溶液 、 杂散 电流 环境 、 氯盐和杂散电流耦合环境下 , 跨中挠度随疲劳荷 载循环次数 曲线。由图 4可 以看出 , 各构件挠度 随循 环比增加而增加 , 且大致成三阶段变化
21、J 。初始 阶段 挠度变化较快 , 到疲 劳中期变化不大并趋 于稳定。到 第三阶段 , 各构件挠度有不同程度的上升情况 , 最终试 件临近或瞬间破坏。由上述变化趋势可分别对应试件 内部裂缝的萌生 、 稳定扩展 和不 稳定扩展 3个阶段。 由图4可以看出循环 比在 0 6之前空气环境和氯盐环 境下挠度 曲线几乎重合 , 到了循环 比后期后者开始有 了较显著的提高 , 而杂散电流下构件挠度始终 比空气 环境下增长快 , 耦合作用下增速最快。另一方面 , 可知 受环境腐蚀作用的梁挠度在循环作用后期挠度较空气 状态下增幅更明显 , 并且疲劳荷载较快下降 。 言 吕 4 0 0 2 0 4 0 6 0
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