力與氯鹽侵蝕耦合作用下TRC疊合梁的力學(xué)性能退化研究

吳 慶,謝 賀,荀 勇

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003) (2.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院, 鹽城 224051)

混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境的長(zhǎng)期作用下,會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理及化學(xué)變化,造成結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能逐漸降低,特別是在海洋等氯鹽侵蝕環(huán)境,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能退化更為嚴(yán)重．早期人們把過(guò)多的精力放在提高混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度上,忽視了對(duì)其耐久性的重視,因而造成的工程災(zāi)害不勝枚舉．

織物增強(qiáng)混凝土(textile reinforced concrete,TRC)是土木工程學(xué)科與現(xiàn)代紡織工業(yè)交織的偉大創(chuàng)舉,是一種結(jié)合了短切纖維增強(qiáng)混凝土和普通鋼筋混凝土二者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料[1-2],所用的纖維材料(如耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維、玄武巖纖維)本身具有一定的耐腐蝕性,應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中可有效提高其耐久性．

隨著建筑工業(yè)化的不斷推進(jìn),織物增強(qiáng)混凝土永久性模板(TRC-Sip-F)應(yīng)運(yùn)而生．TRC-Sip-F與現(xiàn)澆混凝土結(jié)合制成疊合構(gòu)件,一方面,永久性模板對(duì)內(nèi)部現(xiàn)澆混凝土可以起到保護(hù)作用,增強(qiáng)其耐久性；另一方面,永久性模板作為結(jié)構(gòu)體的一部分參與結(jié)構(gòu)受力,從而提高了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能．TRC材料已有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗彎加固方面的實(shí)際運(yùn)用[3].因此,研究織物增強(qiáng)混凝土疊合構(gòu)件的耐久性顯得尤為必要．

然而,目前大部分的研究主要存在于織物網(wǎng)與現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式上的研究,氯鹽侵蝕鋼筋引起的結(jié)構(gòu)破壞危害極大[4]，涉及到這一塊耐久性方面的研究還比較少，故文中主要從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的機(jī)理出發(fā),研究因持荷方式、銹蝕率大小、溶液濃度的不同對(duì)TRC疊合梁力學(xué)性能的影響．

1 試驗(yàn)

1.1 纖維織物網(wǎng)

本試驗(yàn)所用的纖維織物網(wǎng)是用相互垂直的碳纖維束和耐堿玻璃纖維束編制而成的二緯縫編織物,如圖1．其網(wǎng)格間距為12.5 mm×12.5 mm,所用的兩種纖維束復(fù)絲無(wú)任何扭曲,碳纖維束直插入耐堿玻璃纖維束中,再在正交點(diǎn)處用細(xì)線(xiàn)反復(fù)縫合,保證了纖維織物網(wǎng)的穩(wěn)定性．

圖1 纖維織物網(wǎng)Fig.1 Fiber network

1.2 高性能混凝土

本試驗(yàn)所用的U型TRC永久性模板基體是一種具有高流動(dòng)性、不離析的自密實(shí)性高性能細(xì)骨料混凝土,可以與纖維織物網(wǎng)很好的粘合在一起,減小了制作難度．設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為50 MPa,28 d實(shí)測(cè)強(qiáng)度為55 MPa．其配合比如表1[5].

表1 高性能混凝土配合比Table 1 High-performance concrete mix

1.3 試件的設(shè)計(jì)與制作

1.3.1 U型TRC-Sip梁模制作

根據(jù)實(shí)際試件尺寸,制作厚度為25 mm的U型TRC-Sip梁模,由于纖維織物網(wǎng)質(zhì)地柔軟難以平整地置于梁模之中,故把兩層織物網(wǎng)用細(xì)線(xiàn)綁扎于U型的304不銹鋼菱形網(wǎng)兩側(cè)形成織物網(wǎng)——鋼板網(wǎng)聯(lián)合體系,隨后置入木模之中,菱形鋼板網(wǎng)定位于梁模厚度的中部位置,采用鋪網(wǎng)——注漿法一次澆筑成型,具體方法為先在木模板底部澆筑一層混凝土作為保護(hù)層厚度,壓實(shí)并抹平,隨后鋪設(shè)一層織物網(wǎng),再澆筑一層混凝土,壓實(shí)并抹平,以此類(lèi)推．總共鋪設(shè)四層織物網(wǎng),U型TRC-Sip梁模的厚度控制在25 mm．

1.3.2 疊合梁的設(shè)計(jì)與制作

在疊合構(gòu)件的制作中,新老混凝土界面之間的粘合力一直是需要重視的問(wèn)題,常用的處理方法有表面鑿毛以及植筋的方法,本試驗(yàn)采用在新老混凝土交界面涂拌環(huán)氧樹(shù)脂的方法加強(qiáng)界面粘合力．待上述的U型TRC-Sip梁模經(jīng)過(guò)28 d養(yǎng)護(hù)成型后,在其內(nèi)表面涂滿(mǎn)新拌環(huán)氧樹(shù)脂,隨后立即澆筑內(nèi)部鋼筋混凝土,形成疊合構(gòu)件(圖2)．

圖2 試件截面尺寸和配筋(單位：mm)Fig.2 Sectional dimensions of specimenand configuration of steel(unit：mm)

TRC疊合梁試件如圖2,試件設(shè)計(jì)尺寸為b×h=150 mm×250 mm,跨度l=1 500 mm,凈跨l0=1 200 mm．縱向受拉鋼筋為兩根直徑為10 mm的HRB335鋼筋,箍筋為φ6的HPB300鋼筋,箍筋間距s=60 mm,為便于觀察彎曲裂縫,試件中部設(shè)400 mm純彎段．U型TRC模板內(nèi)混凝土為C30,28 d實(shí)測(cè)強(qiáng)度為C35,保護(hù)層厚度為25 mm．普通RC梁的設(shè)計(jì)尺寸和配筋與TRC疊合梁試件相同．

1.4 試件參數(shù)

本文試驗(yàn)研究了不同NaCl溶液濃度、不同銹蝕率、是否持荷的影響,試件參數(shù)如表2．

表2 試驗(yàn)梁分組Table 2 Text beam group

1.5 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共制作了7根梁,其中5根TRC疊合梁,2根普通RC梁．持荷方式采用重力加載,梁內(nèi)鋼筋銹蝕采用電化學(xué)侵蝕法．首先將梁放入特制的水槽內(nèi),隨后將整體置于重力加載設(shè)備之上,重力大小為16 kN,約為T(mén)RC疊合梁開(kāi)裂荷載的0.3倍．如圖3．將梁內(nèi)鋼筋引出的通電導(dǎo)線(xiàn)與直流電源相連,梁頂跨中放置百分表用于測(cè)量電化學(xué)侵蝕跨中撓度的變化,加入所需溶液,定期測(cè)量撓度變化值．

圖3 重力加載裝置Fig.3 Gravity loading device

1.6 加載方式及測(cè)試內(nèi)容

采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[6-7],純彎段長(zhǎng)度為400 mm,加載設(shè)備采用30T機(jī)械千斤頂手動(dòng)加載,荷載由反力架與千斤頂之間的力傳感器控制．加載方式為分級(jí)加載,在梁出現(xiàn)彎曲裂縫前以5 kN為一級(jí),隨后以10 kN為一級(jí)進(jìn)行加載．鋼筋應(yīng)變及混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)由東華DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集．加載及測(cè)點(diǎn)布置如圖4．

圖4 加載示意圖(單位：mm)Fig.4 Sketch of load(unit：mm)

待所有試驗(yàn)梁彎曲破壞后,對(duì)其破型取出縱向受拉鋼筋進(jìn)行實(shí)際銹蝕率的測(cè)試,測(cè)試方法為每根銹蝕鋼筋截取5段10cm的小鋼筋,經(jīng)過(guò)仔細(xì)打磨除銹,通過(guò)計(jì)算鋼筋銹蝕前后的質(zhì)量差得出實(shí)際銹蝕率,并取平均值．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)及裂縫發(fā)展

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,梁的破壞形態(tài)主要分為兩種：(1) 普通RC梁呈現(xiàn)出明顯的適筋梁破壞形態(tài),鋼筋屈服隨后上部混凝土被壓碎．(2) TRC疊合梁均為鋼筋屈服(在下面的承載力分析中具體說(shuō)明了通過(guò)比較鋼筋應(yīng)變數(shù)值判斷鋼筋已經(jīng)屈服),隨后底部織物網(wǎng)被拉斷．TRC疊合梁與普通RC梁相比,在破壞形態(tài)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)．后者裂縫數(shù)量較多,裂縫間距較短,主裂縫的寬度也較細(xì),總體呈現(xiàn)“細(xì)而密”的特點(diǎn)．如圖5破壞時(shí),由于鋼筋的銹脹作用,側(cè)面新老混凝土界面出現(xiàn)局部分離現(xiàn)象,但底部未發(fā)現(xiàn)分離、空鼓的現(xiàn)象,U型TRC梁模與內(nèi)部后澆混凝土結(jié)構(gòu)依然保持良好的整體性．普通RC梁裂縫數(shù)量較少,裂縫間距較大,主裂縫寬度較大,如圖6．

圖5 TRC疊合梁裂縫發(fā)展情況Fig.5 Crack development of TRC composite beam

圖6 普通梁裂縫發(fā)展情況Fig.6 Crack development of general beam

2.2 承載力分析

試件的承載力試驗(yàn)結(jié)果匯總于表3．鋼筋應(yīng)變的采集使用DH3816N數(shù)據(jù)采集儀,通過(guò)比較鋼筋應(yīng)變的數(shù)值漲幅情況可以確定試件梁的屈服荷載．從表中數(shù)據(jù)可以看出,使用了U型TRC梁模的疊合構(gòu)件相比于普通鋼筋混凝土構(gòu)件,其屈服荷載和極限荷載均有了大幅度的提升．U型TRC梁模與內(nèi)部現(xiàn)澆鋼筋混凝土共同受力,使其加載之初的開(kāi)裂荷載均明顯滯后于普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土．為了加速鋼筋銹蝕速率,試驗(yàn)中采用電化學(xué)侵蝕法使直流電源與梁內(nèi)鋼筋相連,在控制銹蝕率的過(guò)程中,雖然試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量得到的鋼筋銹蝕率與理論計(jì)算值存在一定偏差,但也足以反映一定的試驗(yàn)規(guī)律．比較L1、L2、L6與L7可以得出,普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁與U型TRC疊合梁在相同銹蝕條件下,其屈服荷載分別下降了25%和15.4%,其極限荷載下降了15.7%和9.4%,這主要是因?yàn)榱簝?nèi)鋼筋在受到銹蝕損傷后,鋼筋與混凝土協(xié)同工作能力下降,但

U型TRC疊合梁是由TRC梁模與內(nèi)部現(xiàn)澆鋼筋混凝土共同受力,鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度后主要表現(xiàn)為T(mén)RC梁模內(nèi)的織物網(wǎng)抵抗荷載作用．從表中亦可以看出,在相同銹蝕條件下,TRC疊合梁內(nèi)鋼筋實(shí)測(cè)銹蝕率略小于普通現(xiàn)澆梁,TRC梁模對(duì)氯離子的滲透起到了一定的阻滯作用,降低了氯離子對(duì)于鋼筋銹蝕的“催化”作用．

比較L2、L3、L4與L5可以看出不同因素對(duì)于TRC疊合梁的力學(xué)性能退化影響．L2、L3、L5的屈服荷載較未銹蝕TRC疊合梁分別下降了15.4%、19.2%、7.7%,極限荷載下降了9.4%、12.5%、9.4%,溶液濃度越高,穿透TRC梁模的氯離子數(shù)量越多,造成的鋼筋銹蝕率越大．L3試件由于試驗(yàn)外部環(huán)境問(wèn)題,通電時(shí)的電流偏大,造成未持荷狀態(tài)下的疊合梁內(nèi)鋼筋實(shí)測(cè)銹蝕率偏大．而對(duì)于L4試件,由于較小的銹蝕率使梁內(nèi)鋼筋銹脹作用更加明顯,增強(qiáng)了混凝土對(duì)鋼筋的握裹力,因此其屈服荷載和極限荷載均有小幅度提升．

表3 試驗(yàn)梁結(jié)果匯總Table 3 Summary of test beam results

注:Pcr、Pu和Pu′分別代表試件的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載

2.3 荷載—跨中撓度 荷載—鋼筋應(yīng)變分析

試驗(yàn)梁的荷載—撓度曲線(xiàn)以及荷載—鋼筋應(yīng)變曲線(xiàn)如圖7、8．

圖7 試驗(yàn)梁的荷載—撓度曲線(xiàn)Fig.7 Load-deflection curves of test beam

自開(kāi)始加載至達(dá)到開(kāi)裂荷載前,試驗(yàn)梁的跨中撓度以及鋼筋應(yīng)變趨勢(shì)基本相同．隨著荷載的不斷增大,特別是在鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度以后,由于有U型TRC梁模的存在,織物網(wǎng)分擔(dān)了大部分的荷載作用,TRC疊合梁體現(xiàn)出較好的控制變形能力．綜合比較各影響因素,在同一級(jí)別荷載作用下,鋼筋銹蝕率越大,跨中撓度發(fā)展越迅速,鋼筋應(yīng)變?cè)酱螅鳯4試件由于銹蝕率較小,梁內(nèi)鋼筋的銹脹作用間接增強(qiáng)了梁的整體剛度,體現(xiàn)出更優(yōu)的控制變形能力．

圖8 試驗(yàn)梁的荷載—鋼筋應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.8 Load-strain curves of test beam

2.4 試驗(yàn)梁截面應(yīng)變分析

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,普通鋼筋混凝土梁與TRC疊合梁均能滿(mǎn)足平截面假定,以L(fǎng)2和L7舉例說(shuō)明,如圖9,10．

從試件加載到破壞,在各級(jí)荷載作用下,試件的截面沿梁高近似呈線(xiàn)性分布,基本可認(rèn)定試件在加載過(guò)程中符合平截面假定．

圖9 L2梁的截面應(yīng)變分布Fig.9 Distribution of L2 beam section strain

圖10 L7梁的截面應(yīng)變分布Fig.10 Distribution of L7 beam section strain

3 銹蝕TRC疊合梁的正截面承載力分析

3.1 正截面承載力計(jì)算的相關(guān)假定

基于銹蝕鋼筋造成的結(jié)構(gòu)性能退化影響,立足于TRC疊合梁在未銹蝕狀態(tài)下的計(jì)算特點(diǎn),進(jìn)而得到銹蝕狀態(tài)下的TRC疊合梁的理論分析方法．在計(jì)算之前,需明確以下假定:

(1) 截面保持平面,即平截面假定．

(2) 不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度．

(3) 鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系滿(mǎn)足GB50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定:

σc=fc[1-(1-εc/ε0)n]εc<ε0

(1)

σc=fcε0<εc<εcu

(2)

3.2 銹蝕鋼筋混凝土梁的破壞特性分析

計(jì)算銹蝕狀態(tài)下TRC疊合梁的承載力是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程,主要應(yīng)該從兩個(gè)方面去考慮疊合梁的承載力退化:一是鋼筋截面的損失以及蝕坑的影響；二是由于鋼筋銹蝕造成的鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)能力的退化．銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度和彈性模量可用如下公式計(jì)算[8]:

屈服強(qiáng)度:

0<ρ≤5%時(shí),fyx=(1-0.029ρ)fy

(3)

ρ≥5%時(shí),fyx=(1.175-0.064ρ)fy

(4)

彈性模量:

0<ρ≤5%時(shí),Esx=(1-0.052ρ)Es

(5)

ρ≥5%時(shí),Esx=(0.895-0.031ρ)Es

(6)

在此通過(guò)縱向受拉鋼筋等效截面面積來(lái)考慮鋼筋截面損失和黏結(jié)性能兩種因素的影響[9]:

(7)

式中:Ay,se為縱向受拉鋼筋的等效截面面積；Asi為第i根受拉鋼筋未銹蝕時(shí)的截面面積;ksi為第i根受拉鋼筋協(xié)同工作系數(shù)．

考慮黏結(jié)性能的退化影響,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[10]可得:

ksi=-0.272 2ω+1.043 8

(8)

式中：εsi為第i根受拉鋼筋截面面積的減少系數(shù)．

將鋼筋的銹蝕情況化簡(jiǎn)為沿鋼筋圓周方向均勻銹蝕,按銹蝕率進(jìn)行換算可得:

εsi=1-ρi

(9)

3.3 TRC疊合梁經(jīng)銹蝕后的抗彎承載力計(jì)算

TRC疊合梁的承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖11[11-14]．

圖11 正截面承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.11 Calculation model of theflexural carrying capacity

雖然在制作U型TRC疊合梁時(shí)使用了不銹鋼板網(wǎng),但由于其對(duì)抗彎承載力增強(qiáng)較小,可忽略不計(jì)．在受壓狀態(tài)下,受壓區(qū)混凝土距中和軸y處的應(yīng)變?yōu)?

(10)

式中:εu為梁頂混凝土應(yīng)變．

受壓區(qū)混凝土所受總合力F為:

(11)

混凝土受壓區(qū)合力F到中和軸的距離yc為:

(12)

由計(jì)算簡(jiǎn)圖之間的幾何關(guān)系可得:

(13)

將x=β1xc代入(13)可得碳纖維應(yīng)變?chǔ)與f:

(14)

碳纖維應(yīng)力fcf為:

(15)

式中:fcf為碳纖維織物的受拉應(yīng)力;fcfu為碳纖維織物極限抗拉強(qiáng)度;β1為混凝土受壓區(qū)高度與中和軸的比值;h1為U型永久性模板板底厚度．

由平衡條件可得:

(16)

M=∑σsiAy,se(h0i-yc)+∑fcfiAcfi(hcfi-yc)

(17)

式中:σsi為第i層鋼筋的應(yīng)力;Ay,se為經(jīng)過(guò)換算過(guò)的銹蝕鋼筋截面積;h0i為第i層鋼筋的有效高度;Acfi為第i層纖維的截面積;hcfi為第i層纖維的有效高度；fcfi為第i層纖維的應(yīng)力.

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可得:

α1fcbx=fyxAy,se+fcfAcf

(18)

(19)

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

運(yùn)用文中所給出的銹蝕后TRC疊合梁抗彎承載力計(jì)算公式對(duì)本試驗(yàn)中的TRC疊合梁的承載力進(jìn)行計(jì)算,并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)值與計(jì)算值結(jié)果較為吻合，見(jiàn)表1．

表4 TRC銹蝕梁試驗(yàn)值與理論值對(duì)比Table 4 TRC corroded beams Comparison ofexperimental value and theoretical value

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)銹蝕后的TRC疊合梁相比于普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁,裂縫發(fā)展有明顯的滯后性,其屈服荷載、極限荷載退化較小．

(2) 同一銹蝕條件下的TRC疊合梁和普通梁相比,鋼筋銹蝕率明顯降低．說(shuō)明U型TRC梁模對(duì)氯離子的滲入起到了阻滯作用,延緩了內(nèi)部鋼筋的銹蝕．

(3) 鋼筋銹蝕率對(duì)TRC疊合梁的承載力退化影響較大．鋼筋銹蝕率越大,溶液濃度越高,TRC疊合梁承載力下降幅度越大．

(4) 較小的鋼筋銹蝕率使TRC疊合梁的銹脹作用更加明顯,增加了混凝土對(duì)鋼筋的握裹力,其屈服荷載和極限荷載略有提升．

(5) 本文給出的銹蝕狀態(tài)下的TRC疊合梁受彎承載力計(jì)算公式較為準(zhǔn)確,計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合程度較好．

產(chǎn)后抑郁癥（postpartum depression，PPD）是指產(chǎn)褥期女性出現(xiàn)明顯的抑郁癥狀，與產(chǎn)后精神病、心緒不寧均屬于產(chǎn)褥期精神綜合征，其發(fā)病率在15%搭配30%之間[1]。通常表現(xiàn)為自責(zé)、焦慮、悲傷、沮喪等，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致不同程度處事能力喪失、無(wú)法履行母親義務(wù)等等，嚴(yán)重的還會(huì)有自殺傾向?，F(xiàn)階段對(duì)PPD誘發(fā)因素還沒(méi)有形成系統(tǒng)的解釋?zhuān)毡檎J(rèn)為是由心理、社會(huì)及遺傳等多種因素造成的。本次研究采用藏醫(yī)霍爾麥療法對(duì)PPD進(jìn)行治療，獲得了較好的效果?，F(xiàn)報(bào)告如下。

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