冻融损伤混凝土保护层锈胀开裂条件研究.pdf
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1、第55卷第4期2023年8 月DOI:10.15986/j.1006-7930.2023.04.014西安建筑科技大学学报(自然科学版)J.Xian Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.55 No,4Aug.2023冻融损伤混凝土保护层锈胀开裂条件研究王易安1,雷永洁,刘西光,孙一豪1,范力(1.陕西建工集团股份有限公司,陕西西安7 10 0 55;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安7 10 0 55)摘要:对经历不同冻融循环次数钢筋混凝土棱柱体进行了通电加速锈蚀试验,研究了混凝土强度等级、冻融循环次数和保护层厚度对钢筋临界锈
2、蚀率的影响,并通过DIC技术监测了钢筋锈蚀全过程:试验结果表明:混凝土抗压强度随冻融循环次数增加而降低钢筋临界锈蚀率随保护厚度与钢筋直径之比(c/d)的增大整体呈上升趋势,但随冻融循环次数增加而减小.关键词:冻融损伤;锈胀开裂;临界锈蚀率;DIC中图分类号:TU528.1Research on rust expansion and cracking conditions offreeze-thaw damaged concrete protective layerWANG Yian,LEI Yongjie,LIU Xiguang”,SUN Yihao,FAN Li?(1.Shaanxi Con
3、struction Engineering Group Co.Ltd.,Xian 710055,China;2.College of Civil Engineering,Xian Univ.of Arch.&Tech.,Xian 710055,China)Abstract:Accelerated corrosion tests were carried out on reinforced concrete prismatic specimens with differentfreeze-thaw cycles,and the influences of concrete strength gr
4、ade,freeze-thaw cycles and protective layer thicknesson critical corrosion rate of reinforcement were studied.The whole process of reinforcement corrosion wasmonitored by DIC technology.The test results showed that the compressive strength of concrete decreased with theincrease of freeze-thaw cycles
5、.The critical corrosion rate of reinforcement increased with the increase of the ratio ofprotection thickness to reinforcement diameter(c/d),but decreased with the increase of the number of freeze-thawcycles.Key words:freeze thaw damage;rust swelling cracking;critical corrosion rate of reinforcement
6、;DIC寒冷地区混凝土结构会遭受冻融循环作用,导致混凝土内部出现微裂缝,会加剧二氧化碳与氯离子向混凝土内部侵蚀,使钢筋加速锈蚀1-2 。钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂,导致混凝土抗冻能力降低,钢筋和混凝土间粘结强度降低,严重危害结构安全3-5关于混凝土保护层锈胀开裂过程已经开展了众多试验研究锈蚀产物会对周围混凝土产生膨胀压力,引起保护层开裂6-7 氯盐环境混凝土锈胀开裂试验表明,氯离子腐蚀作用下,锈胀开裂持续发展,导致混凝土开裂8-9.国内外学者对冻融环境混凝土钢筋锈蚀问题开展了少量研究,结果表明冻融循环会加速氯离子向混凝土中扩散,从而加速钢筋锈蚀10-12 目收稿日期:2 0 2 2-11-1
7、1基金项目:国家自然科学基金项目(52 17 8 16 3&518 0 8 437);陕西省重点研发项目(2 0 2 2 SF-403)第一作者:王易安(197 0 一),男,博士,高级工程师,主要研究工业与民用建筑E-mail:40 6 2 8 3154 q q.c o m通信作者:刘西光(198 4一),男,博士,副教授,主要从事混凝土耐久性的研究E-mail:x g li u x a u a t.e d u.c n文献标志码:A修回日期:2 0 2 3-0 7-18文章编号:10 0 6-7 930(2 0 2 3)0 4-0 58 5-0 6前,关于一般大气环境和氯盐侵蚀作用下保护层锈
8、胀开裂试验研究较多,在冻融环境下混凝土保护层锈胀开裂问题的研究较少。钢筋混凝土棱柱体试件在冻融循环作用下,对其进行加速锈蚀试验,研究了混凝土强度等级、冻融循环次数和混凝土保护层厚度对钢筋临界锈蚀率的影响,并通过DIC技术监测了钢筋锈蚀全过程.1试验概况1.1试件设计和材料试件设计尺寸为10 0 mmX100mm400mm,混凝土强度等级为C30和C40,试件混凝土保护层厚度c分别为2 0、2 5和30 mm;冻融循环次数NFig.2 Schematic diagram of reinforcement pretreatment1.3冻融循环试验根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方586分别为
9、0、50、10 0、150 和2 0 0 次试件尺寸见图1,试件分组见表1.表1钢筋混凝土试件分组表Tab.1Group table of reinforced concrete specimens混凝土保护层强度等级厚度/mm200C30253020C40253011混凝士保护层HRB400E钢筋20图1钢筋混凝土试件尺寸Fig.1 Size of reinforced concrete specimen钢筋选用公称直径为14mm的HRB400E钢筋,屈服强度为47 7.5MPa,弹性模量为2 0 5.6 GPa,伸长率为13.6%.每种工况下设计了3个试件,试件总个数为90个混凝土设计强度
10、等级为C30和C40,混凝土立方体试件2 8 d抗压强度实测值分别为31.2 3MPa和45.67 MPa.粗骨料粒径为52 0 mm玄武岩碎石;细骨料为天然河砂;采用2 5%30%减水率的高效减水剂;拌制水为试验室用水.1.2试件制作用盐酸浓度为12%的溶液对钢筋酸洗,除去钢筋表面杂质,然后用清水冲洗,放入石灰水中,中和10 min后再用清水冲洗干净,将钢筋表面擦干,放入干燥器中5个小时,温度为6 0 为避免不均匀锈蚀出现在钢筋两端,将钢筋两侧各7 0 mm处涂抹环氧树脂,使锈蚀情况只发生在中部,并使用精度为0.0 1g的电子秤对锈蚀后的钢筋称重处理,用来计算钢筋的锈蚀率钢筋的处理示意图如图
11、2 所示.(a)钢筋酸洗西安建筑科技大学学报(自然科学版)冻融循环次数(c)处理后钢筋图2 钢筋预处理示意图5010005005005005005011400第55卷(d)钢筋干燥保存15020010015010015010015010015010015010020(b)石灰水中和20020020020020050/501-1法(GB/T50082200913中快冻法 进行冻融循环试验,每次冻融循环在2 4 h内完成,其中用于融化的时间不得小于整个冻融循环时间的四分之一;在冷冻和融化的过程中,试件中心温度的最低温度和最高温度应分别控制在一18 士2 和5士2,在任意时刻,试件中心温度不得高于7
12、,且不得低于一2 0 13.本次试验采用的冻融循环的温度变化规则如图3所示.25155-5-15-25Fig.3Temperature change of freeze-thaw test1.4外加电流加速锈蚀试验试验采用半浸泡外加电流加速锈蚀的方法对冻融后的钢筋混凝土棱柱体试件进行锈蚀,试验的过程中保证浸泡的盐水高度不超过钢筋在钢筋外露一侧焊接1根塑料护套铜线将端部接头和导线处涂抹环氧树脂,防止其锈蚀对试件进行通电锈蚀将已经制作好散斑的钢筋混凝土部分置于浓度为3.5%的NaCl溶液中,浸泡深度为40 mm.试验中在底部采用不锈钢螺栓作为支撑,其直径为50 mm,厚度为2 0 mm,不锈钢作为
13、辅助电极(阴极),棱柱体内待锈钢筋作为阳极,电流密度大小设置为2 A/mm.为了更为准确地判断试件保护层锈胀开裂时试件中心温度对角线1温度对角线2 温度一防冻液温度4h时间图3冻融试验温度变化第4期刻,采用了数字图像技术DIC(Digital Image Cor-relation)监测混凝土表面的位移分布.2试验结果分析与讨论2.1冻融后混凝土力学性能分析冻融损伤混凝土受压破坏形态见图4经过50次冻融循环后,试件表面没有特别明显的变化,王易安,等:冻融损伤混凝土保护层锈胀开裂条件研究587出现了微小的麻点和坑蚀经历10 0 次冻融循环后,两种强度的混凝土表面胶凝材料开始部分流失,细骨料逐渐露出
14、并脱落经历150 次冻融循环后,表面胶凝材料基本完全脱落,细骨料开始外露,部分试件棱角缺失,且C30混凝土的整体脱落程度比C40严重经历2 0 0 次冻融循环后,粗骨料开始外露,混凝土表面凹凸不平.C30C40(a)0次45-C303627189(b)50次图4冻融损伤混凝土受压破坏形态Fig.4 Compression failure pattern of freeze-thaw damaged concrete强度的损失率越高在经历2 0 0 次冻融循环后,两种强度等级混凝土抗压强度分别下降了58.6%和 2 8.8%.2.2保护层开裂全过程及裂缝扩展规律本文采用VIC-2D软件对图形进行
15、后处理,如图6.(c)100次(d)150次(e)200次0045362718900图5不同冻融循环次数下的混凝土抗压强度Fig.5Compressive strength of concrete under differentfreeze-thaw cycles混凝土试块的抗压强度随冻融循环次数的变化如图5混凝土抗压强度随冻融循环次数增加而降低,且随着混凝土强度等级越低,混凝土抗压开始50100冻融循环次数(a)C30C4050选择计算函数150200100150冻融循环次数(b)C40导入散斑图像选取参考图像选择感兴趣区域(AOI)设置计算子区域和计算步长200图6 图像处理过程Fig.6
16、Image processing process每组试件大约30 d左右开裂,处理后部分钢筋混凝土试件在不同保护层厚度下,从加速锈蚀到保护层锈胀开裂应变云图如图7 锈胀开裂保护时刻处理后部分钢筋混凝土试件在不同保护层厚度下从通电锈蚀到混凝土保护层锈胀开裂应变云进行位移应变计算数据后处理输出位移应变结束588图如图7 所示锈胀开裂发生时混凝土表面形貌如图8 所示从图中可以看出,当混凝土应变云图显示即将开裂时,混凝土表面出现铁锈,呈点状或沿着纵筋方向分布,当混凝土表面出现锈胀开裂情况时,可明显看到混凝土表面出现细小的黑线,且表面开裂位置呈现随机出现的现象混凝土表面开裂的位置由于保护层厚度不同而出现
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