腐蝕鋼絞線與水泥漿粘結(jié)性能的退化規(guī)律

毛燕紅,張建清,沈磊

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系,江蘇 徐州 221116;3.江蘇九洲投資集團(tuán)房產(chǎn)開發(fā)有限公司,江蘇 常州 213000)

腐蝕鋼絞線與水泥漿粘結(jié)性能的退化規(guī)律

毛燕紅1,張建清2,沈磊3

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系,江蘇 徐州 221116;3.江蘇九洲投資集團(tuán)房產(chǎn)開發(fā)有限公司,江蘇 常州 213000)

為了探討腐蝕后鋼絞線與水泥漿的粘結(jié)問題,以氯鹽侵蝕環(huán)境為背景,研究了腐蝕鋼絞線與水泥漿的粘結(jié)性能退化.通過試驗(yàn)觀察到了腐蝕鋼絞線與水泥凈漿的腐蝕特征.通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了不同裂縫寬度的粘結(jié)滑移曲線和試件的粘結(jié)性能參數(shù),顯示試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度與其腐蝕程度并沒有明顯的退化關(guān)系,腐蝕鋼絞線與水泥漿試件的極限粘結(jié)滑移量和殘余粘結(jié)滑移量隨著腐蝕程度的增加均呈現(xiàn)下降趨勢,但二者并不具有明顯的線性關(guān)系.

鋼絞線;水泥漿;腐蝕;粘結(jié);退化

目前,對于鋼筋混凝土的腐蝕粘結(jié)性能的研究 工作已經(jīng)展開,且已經(jīng)取得了一定的研究結(jié)果[1-2],混凝土中的鋼筋腐蝕后,鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能發(fā)生了很大變化.對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性,如鋼絞線的腐蝕、坑蝕效應(yīng)和力學(xué)性能等研究[3-4]已經(jīng)取得了一些成果.然而,在后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中,直接接觸鋼絞線的不是混凝土,而是水泥漿.水泥凈漿與混凝土的特性有很大的區(qū)別,已有學(xué)者研究了鋼絞線在水泥漿環(huán)境下的破壞形態(tài)[5].雖然,在后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中,預(yù)應(yīng)力的獲得是靠鋼絞線端部的錨固實(shí)現(xiàn)的,但鋼絞線腐蝕后,其腐蝕產(chǎn)物對水泥漿的影響以及其與鋼絞線的粘結(jié)是一個值得探討的問題.

1 試驗(yàn)研究方案

本文借鑒了文獻(xiàn)[6]的研究成果,設(shè)計(jì)了短粘結(jié)試件,進(jìn)行了加速腐蝕和拉拔試驗(yàn).

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)分兩組,1組試件無腐蝕,另1組試件摻鹽8%進(jìn)行腐蝕.摻鹽試件分別按不同時長和腐蝕程度進(jìn)行試件編號與個數(shù)統(tǒng)計(jì),見表1.試件設(shè)計(jì)如圖1所示.

表1 鋼絞線與水泥漿粘結(jié)試件Tab.1 Bond specimens of steel strands and cement slurry

圖1 鋼絞線與水泥漿粘結(jié)試件Fig.1 Bond specimens of steel strands and cement slurry

1.2 加速腐蝕方案

本試驗(yàn)采用通電腐蝕的方法進(jìn)行鋼絞線腐蝕,試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后,在擬銹蝕鋼筋端部焊接導(dǎo)線與電源相連,將試件置于預(yù)先注入濃度為10%的NaCl溶液水槽中,將預(yù)應(yīng)力筋與直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源正極連接,把連接電源負(fù)極的銅片置于水槽中,對預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行銹蝕.當(dāng)腐蝕銹漲裂縫達(dá)到預(yù)定的寬度時停止通電,進(jìn)行拉拔試驗(yàn).

1.3 加載裝置與測試內(nèi)容

借助自制的拉拔夾持系統(tǒng)在電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉拔.試驗(yàn)裝置如圖2所示.為獲得鋼筋與混凝土之間的相對粘結(jié)滑移位移,分別在鋼筋自由端、混凝土塊體下端面以及鋼筋拉拔端適當(dāng)部位架設(shè)位移傳感器,其中拉拔端的位移傳感器架設(shè)在特制的位移傳動夾條上.試驗(yàn)數(shù)據(jù)由自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄.全部加載過程采用位移控制方式,以獲得粘結(jié)滑移全曲線,加載制度為1 mm/min.

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test unit

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1 腐蝕特征

試件經(jīng)過拉拔試驗(yàn)后破形,觀察試件內(nèi)鋼筋的腐蝕特征,發(fā)現(xiàn)有兩個特征較為明顯：

1)環(huán)向腐蝕特征.在本試驗(yàn)中,各鋼筋均顯示了明顯的內(nèi)外側(cè)腐蝕的不均勻性,面向保護(hù)層一側(cè)鋼筋腐蝕較嚴(yán)重,而背向保護(hù)層一側(cè)的鋼筋腐蝕不明顯.

2)箍筋腐蝕程度較縱筋嚴(yán)重.破形后發(fā)現(xiàn)箍筋的腐蝕程度較縱筋大,有的箍筋甚至出現(xiàn)斷筋現(xiàn)象.

2.2 銹漲裂縫的發(fā)展規(guī)律

試件通電后,首先出現(xiàn)了沿箍筋方向的裂縫,當(dāng)裂縫發(fā)展到箍筋與縱筋交接處時,會出現(xiàn)向縱筋方向的約45°裂縫.當(dāng)裂縫發(fā)展到0.6 mm左右時,試塊出現(xiàn)了掉角現(xiàn)象.腐蝕鋼絞線與水泥漿粘結(jié)試樣的典型裂縫如圖3所示.

圖3 腐蝕鋼絞線與水泥漿粘結(jié)試樣的典型裂縫Fig.3 Typical crack of bond specimens of corroded steel strands and cement slurry

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：水泥在煅燒熟料時,由于受到生產(chǎn)條件的限制,熟料中或多或少地存在著一些殘留氧化鈣.這種游離氧化鈣經(jīng)過高溫煅燒,結(jié)構(gòu)比較致密,性質(zhì)不夠活潑,在常溫下與水反應(yīng)速度慢.已經(jīng)硬化的水泥石中,如果游離氧化鈣還在緩慢地與水作用生成氫氧化鈣,同時伴隨著體積膨脹,就會使硬化了的水泥石體積變化不均勻,發(fā)生扭曲或裂紋,嚴(yán)重時還會崩裂.

試件中如果有腐蝕銹脹的鋼絞線,極易產(chǎn)生裂縫.箍筋位于縱向鋼筋的外側(cè),其保護(hù)層厚度小于縱向鋼筋,所以先腐蝕開裂.但是,由于縱筋有一定程度的腐蝕,再加上水泥石本身抗拉強(qiáng)度較低,因此,裂縫不會僅沿箍筋方向開裂,而是在箍筋與縱筋交接的地方產(chǎn)生裂縫,且裂縫沿45°方向.

2.3 拉拔試驗(yàn)中混凝土的劈裂

在拉拔試驗(yàn)中,當(dāng)拔出力從0增加到最大值時,無銹脹裂縫的試樣開始出現(xiàn)沿縱筋方向的劈裂裂縫并不斷加寬.有銹脹裂縫的試樣其原來的銹脹裂縫寬度也開始明顯增大.出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象的原因是,當(dāng)鋼筋外圍鋼筋與混凝土接觸面上的膠著力破壞后,鋼筋對與之齒合的混凝土產(chǎn)生了垂直于肋的斜向張力,該力的徑向分力便可引起混凝土的劈裂.

3 粘結(jié)滑移曲線

選取銹蝕程度不同的試件,根據(jù)實(shí)測鋼絞線與水泥漿的各個階段的粘結(jié)應(yīng)力和粘結(jié)延性進(jìn)行匯總和分析.其中,平均粘結(jié)應(yīng)力系按鋼絞線的公稱直徑計(jì)算得到的名義值,按下式計(jì)算：

式中：σ為平均粘結(jié)應(yīng)力,MPa;F為拉拔力,N.

試件的平均粘結(jié)應(yīng)力-粘結(jié)滑移曲線如圖4所示.

圖4 鋼絞線與水泥漿粘結(jié)試樣的粘結(jié)滑移曲線Fig.4 Bond-slip curves of bond specimens of steel strands and cement slurry

4 基于裂縫寬度的粘結(jié)滑移特征參數(shù)退化規(guī)律

根據(jù)上述粘結(jié)滑移曲線,可以用極限粘結(jié)強(qiáng)度、極限粘結(jié)滑移、初殘余粘結(jié)滑移等3個粘結(jié)特征參數(shù)來反映粘結(jié)滑移曲線特征.各試件的粘結(jié)特征參數(shù)見表2.

表2腐蝕鋼絞線與水泥漿粘結(jié)試件的粘結(jié)特征參數(shù)Tab.2 Bond characteristic parameters of bond specimens of corroded steel strands and cement slurry

為了更好地分析各個試樣的粘結(jié)特征參數(shù),以無腐蝕試樣的特征參數(shù)為基準(zhǔn),將各腐蝕試樣的各特征參數(shù)隨銹脹裂縫寬度增大而變化的規(guī)律,以散點(diǎn)圖的形式予以表示,并通過數(shù)據(jù)擬合建立有關(guān)預(yù)計(jì)模型,各試樣粘結(jié)特征參數(shù)退化規(guī)律如圖5所示.

圖5 粘結(jié)特征參數(shù)與裂縫寬度的關(guān)系Fig.5 Relationship between bond characteristic parameters and crack width

由以上散點(diǎn)圖可以看出,水泥漿試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度與其腐蝕程度并沒有明顯的退化關(guān)系.由理論分析可知,隨著鋼筋腐蝕程度的增加,與水泥石之間的粘結(jié)必然呈現(xiàn)退化趨勢.由于水泥漿液穩(wěn)定性差、易沉淀析水、凝結(jié)時間長.因此,水泥漿受施工影響較混凝土大.且在人工腐蝕、拉拔試驗(yàn)過程中,由于受搬運(yùn)、磕碰等影響,導(dǎo)致其強(qiáng)度值較為分散.腐蝕鋼絞線與水泥漿試件的極限粘結(jié)滑移量和殘余粘結(jié)滑移量,隨著腐蝕程度的增加均呈現(xiàn)下降趨勢,但二者并不具有明顯的線性關(guān)系.

5 結(jié)論

通電腐蝕方式獲取腐蝕鋼絞線與水泥漿的粘結(jié)試件,通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,拉拔試驗(yàn)得到了如下結(jié)論：

1)腐蝕鋼絞線與水泥漿粘結(jié)的腐蝕特征是環(huán)向腐蝕的鋼絞線,內(nèi)外側(cè)腐蝕不均勻.箍筋腐蝕程度較縱筋嚴(yán)重.

2)在加速腐蝕過程中,試件首先出現(xiàn)了沿箍筋方向的裂縫,當(dāng)裂縫發(fā)展到箍筋與縱筋交接處時,出現(xiàn)向縱筋方向約45°的裂縫,當(dāng)裂縫寬度發(fā)展到0.6 mm左右時,試塊出現(xiàn)了掉角現(xiàn)象.

3)根據(jù)鋼絞線與水泥漿的粘結(jié)滑移曲線,得到了基于裂縫寬度的粘結(jié)滑移特征參數(shù)退化規(guī)律.

試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度與其腐蝕程度并沒有明顯的退化關(guān)系,是因?yàn)樗酀{液穩(wěn)定性差、易沉淀析水、凝結(jié)時間長,受施工等影響較混凝土大,其強(qiáng)度值較為分散.腐蝕鋼絞線與水泥漿試件的極限粘結(jié)滑移量和殘余粘結(jié)滑移量隨著腐蝕程度的增加呈現(xiàn)下降趨勢,但二者并不具有明顯的線性關(guān)系.

[1] 張譽(yù),蔣利學(xué),張偉平,等.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

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Degradation rule of bond behavior between corroded steel strands and cement slurry

MAO Yan-hong1,ZHANG Jian-qing2,SHEN Lei3
(1.School of Architectural Technology,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.Department of Civil Engineering,Jiuzhou College of Vocation and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;3.Jiangsu Jiuzhou Investment Group Real Estate Development Co.,Ltd,Changzhou,Jiangsu 213000,China)

In order to discuss the bond problems after corrosion,this paper studies degradation of bond behavior between corroded steel strands and cement slurry based on the background of chlorine salt environment.Through experiments,we get bond characteristics of corroded steel strands and cement slurry.Through analyzing the test data,we get bond-slip curves of specimens of different crack width and their bond behavior parameters.Results show that there is no obvious degradation relationship between the ultimate bond strength of specimens and their corrosion degree,ultimate bond-slip volume and residual bond-slip volume of corroded steel strands and cement slurry specimens both present a downward trend with the increase of corrosion degree,but they have not obvious linear relation.

steel strands;cement slurry;corrosion;bond;degradation

TU 58

A

2095-3550(2014)01-0026-04

2013-10-22

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部軟科學(xué)研究項(xiàng)目 (2012-k2-35)

毛燕紅,女,江蘇徐州人,講師.

E-mail：12673857@qq.com

(責(zé)任編輯：陶紅林)