超高性能混凝土保护层厚度取值分析.pdf
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1、第40 卷第5期2023年9月引用本文:徐港,文长城,王,青,等.超高性能混凝土保护层厚度取值分析 J.建筑科学与工程学报,2 0 2 3,40(5):32-42.XU Gang,WEN Changcheng,WANG Qing,et al.Value analysis of UHPC cover thicknessJJ.Journal of Architecture and Civil Engineering,2023,40(5):32-42.D0I:10.19815/j.jace.2022.01015(1.三峡大学防灾减灾湖北省重点实验室,湖北宜昌4430 0 2;2.三峡大学土木工程系,
2、湖北宜昌4430 0 2)摘要:从结构的安全性、适用性、耐久性、耐火性出发,分析了影响超高性能混凝土(UHPC)保护层厚度取值的主要因素,包括黏结强度、裂缝、挠度、碳化、冻融、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、耐火性。在安全性方面,基于变形钢筋黏结强度的理论计算方法,得到了UHPC构件的最小保护层厚度,并试验检验了计算结果。在适用性方面,考虑了钢纤维对混凝土构件挠度和裂缝的影响,经过验算得到了保护层厚度最低要求。在耐久性方面,分别考虑了碳化、冻融、氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀,借用已有公式计算出各类环境下的最小保护层厚度。在抵抗氯离子侵蚀方面,对不同环境进行了具体分析。此外,还对比分析了普通混凝土与UHPC的
3、耐火性。最后,综合考虑安全性、适用性、耐久性、耐火性的要求,给出了UHPC保护层厚度取值的建议值。结果表明:当保护层不小于纵筋公称直径时,可保证UHPC构件的黏结强度,且最小保护层厚度可减小到普通混凝土的0.8 2 4倍以下;UHPC抵抗碳化和冻融作用的性能远优于普通混凝土,5mm厚的保护层能够满足UHPC构件100年内使用需求;UHPC的导热能力高于普通混凝土,应该增加UHPC构件的构造措施来满足其防火要求。关键词:超高性能混凝土;保护层;黏结力;碳化;氯离子;冻融中图分类号:TU528XU Gangl,WEN Changchengl2,WANG Qingl*2,BAO Haol*2,WAN
4、G Shengweil-?(1.Hubei Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation,China Three Gorges University,Yichang 443002,Hubei,China;2.Department of Civil Engineering,China Three GorgesAbstract:From the perspective of safety,applicability,durability and fire resistance,the mainfactors affecting the v
5、alue of thickness of ultra-high performance concrete(UHPC)cover wasanalyzed,including bond strength,crack,deflection,carbonization,freeze-thaw,chloride ionpenetration,sulfate penetration and fire resistance.In terms of safety,the minimum coverthickness of UHPC components was calculated based on the
6、theoretical calculation method ofbond strength of deformed reinforcement,and the calculation results were verified byexperiments.In terms of applicability,considering the influence of steel fiber on the deflectionsand cracks of concrete members,the minimum requirement of cover thickness can be obtai
7、ned by收稿日期:2 0 2 2-0 1-0 5基金项目:国家级地方高校能源和环境材料化学学科创新引智基地项目(D20015);土木工程防灾减灾湖北省引智创新示范基地项目(2 0 2 1EJD026)作者简介:徐港(197 4-)),男,工学博士,教授,博士生导师,E-mail:p o s t x g 16 3.c o m。建筑科学与工程学报Journal of Architecture and Civil Engineering超高性能混凝土保护层厚度取值分析徐港12,文长城1,王青12 ,鲍浩1-2,汪胜巍1.2文献标志码:A文章编号:16 7 3-2 0 49(2 0 2 3)0 5
8、-0 0 32-11Value analysis of UHPC cover thicknessUniversity,Yichang 443002,Hubei,China)Vol.40No.5Sept.2023第5期checking calculation.In terms of durability,factors such as carbonation,freeze-thaw,chlorideion penetration and sulfate penetration were considered respectively,and the minimum coverthickness
9、under various environments was calculated by using the existing formula.In terms ofresistance to chloride ion penetration,different environments were analyzed in detail.In addition,the fire resistance of ordinary concrete and UHPC was compared and analyzed.Finally,considering the requirements of saf
10、ety,applicability,durability and fire resistance,therecommended value of UHPC cover thickness was given.The results show that the bond strengthof UHPC members can be guaranteed when the cover thickness is not less than the nominaldiameter of longitudinal reinforcement,and the minimum cover thickness
11、 can be reduced to notmore than O.824 times of the ordinary concrete.The performance of UHPC in resistingcarbonation and freeze-thaw is far better than that of ordinary concrete,and the cover of 5 mmthickness can meet the needs of UHPC members within 1oo years.The thermal conductivity ofUHPC is high
12、er than that of ordinary concrete,and the structural measures of UHPCcomponents should be added to meet its fire protection requirements.Key words:UHPC;concrete cover;bond strength;carbonization;chloride ion;freeze-thaw0引言超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高强度、高韧性和优异耐久性的水泥基复合材料,在重载、大跨度、抗震、防爆和抗冲击结构中具有广阔的应用前景 1-2 。根据
13、Sohail 等 3 的研究,与普通强度混凝土相比,UHPC中的氯离子扩散系数至少降低了3个数量级,从而延缓了钢筋开始锈蚀的时间。Moffatt等 L4研究了UHPC暴露在海洋环境长达21年的耐久性性能,监测结果表明,与典型高性能混凝土(HPC)和普通混凝土相比,UHPC的耐久性都有显著提高。另有研究表明,UHPC抗压强度不小于12 0 MPa,抗拉强度不小于5MPa5。因此,UHPC的强度和耐久性远远优于普通混凝土,基于这种新型材料设计出的构件和结构往往能够打破传统普通混凝土的某些限制,这使得国家标准委员会的通用设计标准受到了一定挑战?。根据混凝土结构设计规范(GB50010一20107,混
14、凝土保护层是指结构构件中钢筋外边缘至构件表面范围用于保护钢筋的混凝土,简称保护层。保护层厚度的存在能够保证混凝土结构的安全性、适用性和耐久性 8-10 1,它既能为钢筋提供一定的黏结力,更能保护钢筋免于外界环境的直接侵蚀1-13。混凝土保护层的最小厚度与混凝土强度等级有关,但各国规范却没有针对具有超高强度和超高耐久性的UHPC保护层进行说明和特别考虑 14。中国的现行规范 7 规定,一类环境中混凝土保护层厚度最小值为15mm;BSEN1992-1-1:2004徐港,等:超高性能混凝土保护层厚度取值分析力强度因子显著增加。El-joukhadar等 2 1 研究了超高性能纤维增强混凝土(UHPF
15、RC)材料在氯化物环境中缓解钢筋腐蚀的效率,发现1倍和2 倍纵筋直径的UHPC保护层厚度仍然能有效减缓钢筋的腐蚀速率。Lv等 12 133规定混凝土保护层最小厚度为10 mm;A C I 318 R-19规定不考虑侵蚀环境时,保护层厚度最小可取9.53mm;CEB-FIPModelCode2010规定混凝土最小保护层厚度为10 mm。但这些规定已经不再适合UHPCL15,其保护层厚度的取值需要进一步的分析。Michaud等 16 利用2 8 个缺口梁试件在屈曲试验中评估了保护层厚度为1倍钢筋直径的UHPC构件的安全性,试验发现UHPC保护层未被胀裂。Citek等 17 分别研究了厚度为2 倍、
16、1.5倍和1倍钢筋直径的UHPC保护层对预埋带肋钢筋的黏结性能的影响,结果表明这种薄的保护层足以保证构件的黏结力要求。Qiu等 18 对8 根UHPC梁的裂缝形态、裂缝间距和荷载裂缝宽度曲线进行了测试分析,发现减小UHPC保护层厚度有利于减小构件的平均裂缝间距和最大裂缝宽度。Luo等 19 研究了UHPC保护层厚度对UHPC轻型面板弯曲开裂行为(如裂缝宽度和裂缝间距)的影响,发现减小UH-PC保护层厚度可有效抑制UHPC层裂缝的发生和扩展。Pyo等 2 0 利用预开槽三点弯曲试件研究了UHPC的裂缝速度,结果表明在低加载速率下,钢纤维的存在显著减缓了裂纹扩展;此外,随着UH-PC中纤维体积掺量
17、从0.5%增加到1.0%,临界应34通过加速电化学腐蚀、直接拉伸试验和声发射分析,研究了UHPC被氯离子侵蚀的情况,结果表明UHPC能较好抵抗氯离子的侵蚀,并且少量氯离子侵蚀能够增加钢纤维与砂浆之间的黏结力,使得UHPC开裂时不会出现较大的裂缝。Ahmad等 2 2 1研究了UHPC的耐火性,发现UHPC比普通混凝土更易发生高温爆裂和剥落。Li等 2 3 研究了UH-PC的热工性能,通过试验测定了UHPC的热工参数,发现UHPC的导热系数低于普通混凝土。以上研究已经取得了一定的研究成果,但缺乏系统性的研究与总结。因此,本文将从安全性、适用性、耐久性、耐火性等方面,对UHPC混凝土保护层厚度进行
18、较为全面的总结和分析。1保护层厚度对黏结强度的影响1.1UHPC与普通混凝土的黏结强度对比根据文献 2 4 试验结果可知,在相同条件下,普通混凝土与钢筋的黏结应力为19.7 MPa,而UH-PC与钢筋的极限黏结应力为39.1MPa。根据文献25的试验结果可知,UHPC与钢筋的最大黏结强度可达到40.3 MPa,平均黏结强度也在3 5MPa以上。因此,在保护层厚度、锚固长度、钢筋直径等条件相同的情况下,UHPC与钢筋的黏结强度远大于普通混凝土。中心拉拔试验表明,当纵筋的保护层厚度小于其公称直径的4.5倍时,混凝土与钢筋的黏结强度随保护层厚度的增大而增大 2 6-2 8 。因此,混凝土保护层的厚度
19、是决定混凝土构件中黏结强度上限的条件之一,而混凝土构件所需要的最大黏结力取决于钢筋中的轴力。假定普通混凝土构件与UHPC构件中的配筋相同,则两者所需的最大黏结强度是相同的,但UHPC与钢筋的黏结强度更大,因此适当减小保护层的厚度仍然能满足UHPC构件对黏结力的需求。1.2UHPC保护层厚度取值分析根据文献 2 9 ,混凝土与钢筋间的相互挤压力示意图如图1所示。图1中N为钢筋与混凝土之间的相互挤压力,力与T。为挤压力的分力。最终黏结强度与最大径向压力的关系为t=a+ptan(0)式中:t为最终黏结强度;为化学胶结力;0 为钢筋的肋面与水平面的夹角,如图1所示;p为钢筋周围混凝土受到的径向挤压力。
20、式(1)中a与均为常量,Pmax为混凝土开裂前建筑科学与工程学报图1钢筋与混凝土间相互挤压力示意图Fig.1 Schematic diagram of extrusion force betweenlongitudinal reinforcement and concrete承受的最大挤压力,当ppmax时,t随着p的增大而增大;当ppmax时,混凝土构件发生劈裂破坏。因此,pmax决定了黏结强度的上限。pmax的值取决于混凝土抗拉强度、保护层厚度和受拉纵筋直径。根据文献 30 ,钢筋周围的混凝土受到的最大径向挤压力为pmax=f.(0.59式中:c。为受拉纵筋保护层厚度;Ra为钢筋公称半径;
21、f为混凝土抗拉强度。UHPC的相对保护层厚度计算公式为Cs,UHPc/d=0.847pmax.UHPc/f.UHPc-0.076 3(3)式中:Cs.UHPc为UHPC构件中受拉纵筋保护层厚度;fi.uHPc为UHPC的抗拉强度;d为钢筋公称直径;Pmax.UHPc为UHPC开裂前承受的最大挤压力。假设钢筋在普通混凝土构件中受拉屈服时的黏结强度与在UHPC构件中黏结强度TuHPc相同,即t=tUHPC;由于化学胶结力较小,可认为钢筋与两种材料的化学胶结力相等,结合式(1)可知两者的法向压力相等,则 pmx=Pmax,UHC。根据规范 7,c、/d E1,4.5。同时,当混凝土强度等级小于C30
22、时,构件的保护层厚度必须强制增加5mm。因此当相对保护层厚度cs/d=1时,混凝土的强度等级不能小于C30,则抗拉强度最小可取f.=1.43MPa,此时pmax取得最小值。当相对保护层厚度cs/d=4.5时,混凝土的强度等级为C50,f.=1.89MPa,此时pmax取得最大值。因此,pmaxUHPcE1.816 MPa,10.206MPa,将其代人式(3)可得cs.UHPc/dE0.355,2.345。1.3试验验证(1)为了验证上述理论计算结果的可靠性,浇筑了一批10 0 0 mmX500mmX20mm的UHPC板,并将板与伴随试件置于标准养护室,一起进行了2 8 d标养,然后测得伴随试件
23、立方体抗压强度为12 6.6MPa,劈裂强度为12.30 MPa,抗折强度为15.362023年Rd+0.09)(2)第5期MPa,满足规范 5 对UHPC的相关规定。每块板都配置4根纵向钢筋,不配箍筋,纵筋为直径6 mm的HRB600级钢筋。HRB600级钢筋极限抗拉强度为1684MPa,屈服强度为148 6 MPa,弹性模量为2 0 0GPa。保护层厚度为6 mm和3mm,分别代表cs/d=1、c./d=0.5。U H PC的原材料包括P.O52.5水泥、硅灰(SF)、粉煤灰、石英砂、高效减水剂、镀铜微丝钢纤维。UHPC具体配料如表1所示。表1UHPC配合比Table1UHPC mix r
24、atio各材料用量/%水胶比胶砂比水泥粉煤灰硅灰减水剂钢纤维0.161注:钢纤维掺量2%指占混凝土总体积的2%。试验时,采用螺旋千斤顶进行分级加载,加载过程中,使用PTS智能裂缝测宽仪测量每级荷载下的裂缝宽度,加载后裂缝如图2、3所示。图2 6 mm厚保护层的板破坏形态Fig.2 Plate failure pattern of 6 mm concrete cover图33mm厚保护层的板破坏形态Fig.3 Plate failure pattern of 3 mm concrete cover图2 中板的混凝土保护层厚度为6 mm,c s/d=1,直至被压坏,板的保护层始终未被胀裂,混凝土和
25、钢筋间的黏结力是足够的。图3中板的混凝土保护层厚度为3mm,c./d=0.5,在加载过程中,钢筋出现纵向裂缝,如图中红圈所示,且保护层已经被胀裂,不满足实际需求。这与理论计算的结果不符,一方面,由于板中未配置箍筋,故而构件更易开裂;另一方面,试验中使用了HRB600级高强钢筋,它对黏结强度的要求更高。经过试验验证,纵筋保护层厚度取值为cs/d徐港,等:超高性能混凝土保护层厚度取值分析适用性分析2.1裂缝分析根据文献 31 对UHPC构件裂缝计算及修正方法,化简后得到UHPC保护层厚度c。的表达式为WmaxE,C.=1.51rVos.UHPC普通混凝土最大裂缝计算公式为5035351,实际的UH
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