钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型

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接处用环氧树脂包裹, 然后套上定位板放入试模, 以避免在浇捣混凝土时产生移动Λ 为防止试模上 的隔离剂沾污钢筋, 定位板应紧贴试模的两个端板Λ 钢筋在安放完毕后用丙酮擦净其表面Λ
(4) 混凝土试件制作Λ 在 100 mm ×100 mm ×400 mm 的棱柱体钢模中浇捣混凝土, 同期制作 三块标准试块以测定其抗压强度Λ
(3) 砂: 采用钱塘江河砂Λ
(4) 混凝土配合比如表 1 所示Λ
(5) 混凝土试件 28 天抗压、抗拉强度 (单位:M Pa) 如表 2 所示Λ
(6) 5 8 光圆钢筋, 5 16、5 20 螺纹钢筋, 钢筋的下料长度为 (395±5) mm Λ
表 1 混凝土的配合比
T ab. 1 M ix tu re ra tio of concrete
546. 2
5. 71
0. 20
913. 9
886. 9
2. 95
0. 19
913. 7
893. 8
2. 18
平均值 9. 04 4. 07 2. 30
418
浙 江 大 学 学 报 (工学版) 2000 年
接上表
试件号
裂缝宽度 mm 锈蚀前质量 g 锈蚀后质量 g 锈蚀率 %
时停止试验 (取规范 GBJ 10289 允许的普通裂缝
图 1 快速锈蚀试验示意图 F ig. 1 E lectrochem ica l co rro sion techn ique
宽度的最小值) , 并记录裂缝宽度Λ 然后敲碎试件, 取出其中的钢筋, 刮去钢筋上沾附的混凝土, 用
12% 的盐酸溶液进行酸洗, 经清水漂净后, 用石灰水中和, 最后再以清水冲洗钢筋Λ由于个别试件两
个端头的环氧树脂随着锈蚀的进行会产生破坏, 导致钢筋在两个端头锈蚀特别严重, 加上试验前在
钢筋的两个端头进行打磨处理使得截面面积不均匀, 所以若简单地以钢筋锈蚀前后的重量差计算
它的锈蚀率是不准确的Λ 因此本试验在钢筋除锈后, 把两个端头明显不均匀的地方切割掉, 然后在
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干燥器中至少存放 4h, 再用分析天平称重Λ
1 试验研究
1. 1 试验设计 一般认为, 混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀率 Θ的主要影响因素有保护层厚度 c、钢筋直径
d 和混凝土等级 f cuΛ 为此, 本次实验须同时考虑这三个因素影响, 并根据实际工程中的情况, 对三 个影响因素的取值如下: 保护层厚度分别取 15, 20, 25 mm , 钢筋的直径分别取 8, 16, 20 mm , 混凝 土等级分别取 C15、C25、C35Λ 如果按照三种因素的所有组合安排试验, 那么工作量将非常大, 为 此, 本文采用正交设计[8]的方法只需进行 9 种组合的试验, 并且同样可以取得所需的试验结果Λ 每 种情况做三个试件, 然后取它的平均值作为这种情况的试验结果Λ 试件编号为AB 22, 其中第一个 字母表示保护层厚度, A、B、C 分别代表 15, 20, 25 mm ; 第二个字母表示混凝土等级, A 、B、C 分别 代表 C 15、C 25、C 35; 第三位数字表示钢筋直径, 1、2、3 分别代表 8, 16, 20 mm , 第四位数字表示该试
证试件完全浸泡在溶液中Λ 为了实现较为均匀
的锈蚀, 试件要在电解质溶液中浸泡 3 天Λ 开始
试验时, 直流电源的阳极接试件的钢筋, 阴极接
不锈钢板Λ 试验过程中腐蚀电流设计为 0. 1 A ,
然而由于极化作用, 电流在开机时达到最大, 然
后会有所减小, 因此需要及时调整Λ 试验装置示
意图见图 1Λ (7) 当试件的沿筋裂缝宽度达到约 0. 2 mm
1. 4 试验步骤 (1) 选取钢筋, 要求其表面不得有锈坑及其它严重缺陷, 然后按要求长度在切割机上切割所需
的钢筋段Λ (2) 钢筋除绣Λ钢筋用 12% 盐酸溶液进行酸洗, 经清水漂净后, 用石灰水中和, 并再用清水冲洗
干净, 擦干后在干燥器中至少存放 4 h, 然后用天平称取每根钢筋的初重, 存放在干燥器中备用Λ (3) 钢筋处理及定位Λ 制备试件前在钢筋的两端各打磨 20 mm , 然后焊上电线, 线长 0. 5 m , 焊
裂缝宽度 mm 锈蚀前质量 g 锈蚀后质量 g 锈蚀率 %
0. 17
146. 2
129. 2
11. 63
0. 21
145. 1
133. 7
7. 86
0. 23
145. 7
134. 6
7. 62
0. 22
584. 6
563. 2
3. 66
0. 18
582. 1
565. 5
2. 85
0. 15
579. 3
钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型
李海波1, 鄢 飞1, 赵羽习1, 金伟良1, 王锡通2
(1. 浙江大学 土木工程学系, 浙江 杭州 310027; 2. 浙江省湖州市公路管理处, 浙江 湖州 313000)
摘 要: 用快速锈蚀实验的方法研究了混凝土试件在出现顺筋裂缝时刻的钢筋锈蚀率与钢筋直径、混凝 土等级与保护层厚度之间的定量关系, 并通过有限元分析计算得到了锈胀裂缝扩展到保护层表面时的 锈胀力, 提出了混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈胀力的力学模型, 这将对钢筋混凝土结构的耐久性分析 与设计是大有裨益的Λ 关键词: 钢筋锈胀力; 钢筋混凝土; 耐久性; 力学模型 中图分类号: TU 375. 5 文献标识码: A
558. 9
4. 58
CC 22
0. 15
586. 2
559. 2
4. 61
3. 94
CC 23
0. 23
581. 3
566. 0
2. 63
CA 31
0. 26
910. 4
883. 5
2. 95
CA 32
0. 22
913. 2
892. 7
2. 24
3. 02
CA 33
0. 17
914. 1
878. 6
147. 4
130. 7
11. 30
11. 92
BC 13
0. 23
146. 7
127. 4
13. 16
BA 21
0. 22
581. 5
564. 1
2. 99
BA 22
0. 24
579. 8
558. 2
3. 73
3. 36
BA 23
0. 18
584. 3
564. 7
3. 35
CC 21
0. 20
585. 7
416
浙 江 大 学 学 报 (工学版) 2000 年
件在该组试件中的序号Λ 试验试件的尺寸为 100 mm ×100 mm ×400 mm Λ
1. 2 试验材料及力学性能
(1) 水泥: 采用浙江之江水泥厂普通硅酸盐水泥 425 号与 525 号, 各项指标均达到国家标准Λ
(2) 石子: 采用当地卵石, 最大粒径为 10 mm Λ
3. 88
CB 11
0. 15
146. 8
131. 7
10. 29
CB 12
0. 19
149. 3
127. 6
14. 53
12. 47
CB 13
kg
材料
C 15
C 25
C 35
水泥
(425# ) 302
(425# ) 383
(525# ) 405

757
597
554
碎石
1 215
1 270
1 292

200
200
200
表 2 混凝土试件的力学性能 T ab. 2 M echan ics behavio r of concrete sp ecim en s
图 2 CB 21 裂缝扩展图 F ig. 2 C rack of sp ecim en CB 21
1. 5. 2 实验数据 试件的裂缝宽度及钢筋锈蚀率见表 3Λ
试件号 AA 11 AA 12 AA 13 AB 21 AB 22 AB 23 A C31 A C32
表 3 试件的裂缝宽度及钢筋锈蚀率 T ab. 3 C rack w idth of sp ecim en s and reinfo rcem en t co rro sion ra tio
混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀率与许多因素有关, 目前, 国内外主要通过自然条件下暴露 试验来研究它们之间的关系, 然而这样的试验往往需要几年、几十年的时间才能导致混凝土结构的 开裂或破坏Λ 文献[ 2 ]曾运用快速锈蚀试验方法建立了钢筋锈蚀率与钢筋直径、混凝土等级与保护 层厚度之间的定量关系Λ 然而, 由于混凝土材料的离散性及试验方法的误差, 这方面工作还有待进 一步深入Λ 本文拟采用快速锈蚀的方法来加速混凝土中钢筋的锈蚀, 并考虑了上述三个因素的变 化, 然后根据实验数据, 提出一个用最小二乘法优化的经验公式Λ最后, 通过有限元分析计算得到了 锈胀裂缝扩展到保护层表面时刻的锈胀力, 并由此建立了混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈胀力的 力学模型Λ 无疑, 这些工作对钢筋混凝土结构的耐久性分析与设计是很有益处的Λ
3. 32 3. 55 3. 42 3. 43
1. 3 试验设备 (1) 晶体管直流稳压电源Λ 它的额定电压为 30 V , 额定电流为 10 A , 共有三组输入输出, 可同
时进行三组试验Λ (2) 钢筋定位板Λ 由木质五合板锯尺寸为 100 mm ×100 mm , 板上钻有穿插钢筋的圆孔Λ (3) 天平Λ 称量 1 kg, 感量 0. 1 gΛ (4) 不锈钢板, 充当阴极Λ (5) 硬塑料盆, 充当试验槽Λ
收稿日期: 1999205218 基金项目: 浙江大学曹光彪高科技发展基金重点资助项目 (223296151023) 作者简介: 李海波 (1963- ) , 男, 辽宁沈阳人, 浙江大学讲师, 从事结构工程和海洋工程研究Λ ① 邸小坛, 周燕, 混凝土结构的耐久性设计方法, 中国建科院混凝土结构设计规范第五批课题耐久性专题鉴定资料之三Λ
(5) 试件处理Λ待试件标准养护 28 天后, 进行试件编号、拆模及拆除两端头的定位板, 然后用环 氧树脂密封外露钢筋端头Λ
第 4 期 李海波, 等: 钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型
417
(6) 锈蚀试验Λ 首先在试验槽中配制 2% 浓
度的 N a2SO 4 溶液, 然后将试件放入, 这时要保
当前, 钢筋混凝土结构的耐久性问题越来越为国内外所关注, 尤其是关于一般大气环境条件下 的耐久性问题, 目前已开展了许多工作[1~ 7]Λ虽然, 如何界定耐久性极限状态还存在不同的观点, 但 可以肯定, 钢筋锈蚀后引起混凝土保护层的胀裂将成为钢筋混凝土结构耐久性的极限状态标志之 一①Λ 因此, 研究混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀状况, 建立相应的力学模型就显得十分必要Λ
过出现裂缝的时间与混凝土等级、保护层厚度、钢筋直径有关, 从几天到十几天不等Λ裂缝均是平行
钢筋方向, 有的贯通整个试件, 有的不连续, 裂缝宽
度基本一致Λ试件在开裂后, 在裂缝处与试件端部不
断有棕红色或黑绿色的锈蚀产物渗出Λ 裂缝宽度随
着通电时间的增加而扩大, 当裂缝宽度达到约 0. 2
mm 时, 停止试验, 从开裂到停止试验时间相对较 短, 这主要是由于开裂后锈蚀加剧Λ典型的裂缝扩展 图见图 2Λ
试块
C 15
抗压
抗拉
C 25
抗压
抗拉
C 35
抗压
抗拉
试块 1 试块 2 试块 3 平均
17. 4 17. 1 16. 3 16. 93
2. 11 1. 88 1. 97 1. 98
27. 2 27. 8 28. 7 27. 9
2. 50 2. 57 2. 39 2. 48
33. 1 31. 7 33. 2 32. 7
1. 5 试验结果
1. 5. 1 试件的破坏形态 当试验开始, 在钢筋中通入直流电后, 钢筋开始锈蚀Λ当钢筋锈蚀到一定
程度时, 试件都因钢筋的锈胀作用而开裂 (试件A C21 与 CB 13 由于端头环氧树脂过早破坏, 使得
锈蚀集中在两个端头而影响中间部位的锈蚀, 为此停止试验, 重新封上环氧树脂后再重新开始) , 不
平均值
A C33
0. 24
908. 2
892
1. 78
BB 31
0. 15
911. 5
892. 8
2. 05
BB 32
0. 17
910. 2
893. 6
1. 82
2. 24
BB 33
0. 21
910. 5
884. 5
2. 86
BC 11
0. 15
146. 0
129. 5
11. 30
BC 12
0. 19
第 34 卷第 4 期 2000 年 7 月
浙 江 大 学 学 报 (工学版) Jo u rna l o f Zhejiang U n iver sity (Engineering Science)
文章编号: 10082973X (2000) 0420415208
V o l. 34 №. 4 J u ly 2000
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