鋼筋銹蝕再生混凝土梁剛度退化規(guī)律及計算方法研究*

鄒正浩， 楊國姣， 吳 瑾， 蘇 天

(1 宜春學(xué)院土木工程系， 宜春 336000； 2 南京航空航天大學(xué)土木與機(jī)場工程系， 南京 210016)

0 引言

混凝土中的鋼筋銹蝕研究是分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性能退化的關(guān)鍵工作之一[1]。混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的危害主要有以下三個方面[2-4]：1)降低了結(jié)構(gòu)的承載力；2)降低了結(jié)構(gòu)的剛度；3)降低了結(jié)構(gòu)的延性。從近些年已取得的研究成果來看，混凝土中鋼筋銹蝕的研究主要集中在鋼筋銹蝕的機(jī)理、鋼筋銹蝕的速度、鋼筋銹蝕的程度以及鋼筋銹蝕后的防護(hù)和力學(xué)性能等[5-6]。

再生混凝土結(jié)構(gòu)是再生混凝土應(yīng)用的一個重要方面，近年來國內(nèi)外關(guān)于再生混凝土結(jié)構(gòu)性能研究已取得了一定的成果，但是，關(guān)于這方面基礎(chǔ)理論還有待進(jìn)一步的研究[7]，再生混凝土結(jié)構(gòu)性能退化問題特別是鋼筋銹蝕后再生混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究還比較少，現(xiàn)有文獻(xiàn)，如雷斌[8]、曹芙波[9-10]、宋永吉[11]、YE TAOPING[12]、王晨霞[13]有過相關(guān)報道。但這些文獻(xiàn)中僅有雷斌[8]和王晨霞[13]通過粘結(jié)滑移理論提出了正截面抗彎承載力計算公式和彎曲剛度計算公式，試驗研究也并不夠系統(tǒng)，試件數(shù)量相對較少，有待更深入的研究。

本文通過試驗對鋼筋銹蝕再生混凝土梁抗彎性能進(jìn)行了研究，并基于縱筋截面面積減小的幾何條件，推導(dǎo)了鋼筋銹蝕再生混凝土梁彎曲剛度退化計算方法。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗中澆筑再生混凝土使用的原材料均相同。水泥為P.Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥，水為自來水，細(xì)骨料為天然河砂，再生粗骨料來自南京市某建筑垃圾處理廠，骨料性能和壓碎指標(biāo)見表1。

再生粗骨料的性能及壓碎指標(biāo) 表1

1.2 配合比

試驗設(shè)計再生混凝土強(qiáng)度等級為C30，為達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度，選擇了4組再生混凝土的配合比進(jìn)行試配，每組3個試塊，見表2。試配后將試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，最后決定采用水灰比為0.4進(jìn)行試驗。

試配配合比和28d抗壓強(qiáng)度 表2

1.3 試件尺寸

試驗梁截面尺寸設(shè)計均為120mm×200mm，長度均為1 500mm。抗彎梁底部配置2根直徑10mm的HRB400級熱軋螺紋鋼筋，在梁端部彎折并預(yù)留體外段，用于梁的銹蝕通電。架立筋采用2根直徑6mm的HPB300級鋼筋，箍筋采用直徑6mm的HPB300級鋼筋，間距60mm，跨中段不配置箍筋。試件尺寸和配筋如圖1所示。

圖1 試件尺寸和配筋

1.4 通電加速銹蝕

為了使縱筋在較短時間內(nèi)達(dá)到理想的銹蝕率，試驗采用電化學(xué)方法對縱筋加速銹蝕。具體方法如下：將梁養(yǎng)護(hù)28d后，浸入5%NaCl溶液中，待充分潤濕，將連接縱筋的導(dǎo)線與恒壓恒流源的陽極相接，陰極與沒入溶液的不銹鋼條連接，通過NaCl溶液形成回路，使陽極的縱筋銹蝕，如圖2所示。

圖2 鋼筋加速銹蝕

為保證通電過程中只銹蝕縱筋，在縱筋和箍筋搭接處、箍筋與架立筋搭接處須采取絕緣措施，如圖3所示。

圖3 縱筋與箍筋搭接部分絕緣

由法拉第電磁定律可知，鋼筋的銹蝕程度與通電時間和電流大小有關(guān)，為使加速銹蝕的結(jié)果與實際比較接近，試驗選取電流為1mA/cm2。本試驗預(yù)計得到8個不同的縱筋銹蝕率，分別為0%，1%，3%，5%，7%，9%，11%，13%。不同銹蝕率下梁的通電時間和最后實際測得的銹蝕率見表3。

鋼筋銹蝕時間和實測銹蝕率 表3

1.5 加載

本試驗為簡支梁靜載試驗，采用千斤頂手動加載，荷載大小由壓力傳感器控制，通過一個分配梁將荷載對稱地施加到混凝土梁上。在梁跨中、加載點分別布置位移計，測定構(gòu)件的撓度和整體變形。在梁跨中截面處平均粘貼5個應(yīng)變片，以測量混凝土應(yīng)變，鋼筋應(yīng)變由電阻應(yīng)變片測量。

由于本文采用通電法對縱筋進(jìn)行加速銹蝕，不可避免會破壞內(nèi)貼的縱筋應(yīng)變片。因此，本試驗采用后貼法粘貼縱筋應(yīng)變片。具體步驟為，在綁扎鋼筋籠的時候，在縱筋正中的位置預(yù)先綁扎一小塊硬泡沫塑料。當(dāng)加速銹蝕試驗結(jié)束后，首先鑿除一小孔混凝土找出跨中預(yù)留泡沫的位置。隨后，用微型打磨機(jī)將縱筋打磨光滑，用無水酒精清洗鋼筋表面。用膠將連著引線的應(yīng)變片與縱筋粘貼，用保鮮膜覆蓋，將多余的膠水?dāng)D出。待膠干后，用環(huán)氧樹脂將空洞密封，以保護(hù)應(yīng)變片和補(bǔ)強(qiáng)開孔處截面剛度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

加載過程中梁的破壞特征見表4。由表可知，加載過程中，再生混凝土梁破壞時的極限承載力隨銹蝕率的增加而減小，當(dāng)鋼筋屈服后，梁的撓度迅速增加，裂縫持續(xù)開展，當(dāng)裂縫寬度達(dá)到1.5mm時，即判定梁彎曲破壞，破壞時裂縫分布見圖4。

梁的破壞特征 表4

圖4 極限破壞時裂縫形態(tài)分布

當(dāng)銹蝕率較小時，如再生混凝土梁RC-F0和RC-F1，大約在5%極限承載力時，再生混凝土梁在純彎段內(nèi)開始出現(xiàn)裂縫；當(dāng)外荷載增加到極限承載力的50%左右時，數(shù)條裂縫已延伸至形心軸的位置；當(dāng)外荷載增加至極限承載力的55%～70%時，此時純彎段裂縫寬度約0.1mm 左右；外荷載進(jìn)一步增加到約80%極限承載力時，純彎段內(nèi)的裂縫均逐漸變寬，寬度約0.2～0.3mm左右；當(dāng)外荷載達(dá)到極限承載力時，純彎段裂縫寬度達(dá)到1.5mm 以上，梁宣告破壞，破壞形態(tài)為適筋梁彎曲破壞。

當(dāng)銹蝕率進(jìn)一步增大，如再生混凝土梁RC-F3，RC-F7，RC-F5和RC-F9，由于銹蝕導(dǎo)致的鋼筋和混凝上之間的粘結(jié)性能退化，減弱了鋼筋與混凝土的應(yīng)力傳遞，梁在加載過程中豎向裂縫變得稀少，間距增大，靠近支座處的斜裂縫逐漸與沿受拉主筋方向的縱向裂縫連接。當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力的80%時，純彎段內(nèi)某一條裂縫寬度急劇發(fā)展，其他裂縫發(fā)展緩慢。當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力時，純彎段內(nèi)最大裂縫寬度達(dá)到1.5mm，梁宣告破壞。

當(dāng)銹蝕率較大時，如再生混凝土梁RC-F13和RC-F11，破壞時較寬的豎向裂縫更為稀少。梁底裂縫往往僅某一處發(fā)展，梁破壞時僅此處的裂縫很明顯，鋼筋不能充分發(fā)揮其塑性性能，延性降低。斜裂縫數(shù)量較少，但寬度較大。裂縫分布有向跨中靠攏的趨勢。

2.2 荷載-跨中撓度

不同銹蝕率下，梁荷載-跨中撓度關(guān)系曲線如圖5所示。從圖中可以看出：荷載-跨中撓度曲線可分為兩個階段：1)梁正截面開裂前至縱筋屈服，此階段跨中撓度隨荷載增加而增加，成線性關(guān)系；2)縱筋屈服后至試件破壞，此階段荷載基本不變，撓度線性增加。

圖5 荷載-跨中撓度曲線

不同荷載下，梁跨中撓度與縱筋銹蝕率關(guān)系曲線如圖6所示。可以看出，當(dāng)荷載較小時，隨著縱筋銹蝕率的變化，再生混凝土梁跨中撓度變化不大。荷載繼續(xù)增大，接近極限承載力(75kN)時，跨中撓度隨縱筋銹蝕率的增大而增大的趨勢已變得比較明顯。由此可知，再生混凝土梁的剛度因縱筋銹蝕發(fā)生了一定的退化。導(dǎo)致剛度退化的主要原因是再生混凝土梁截面和縱筋橫截面積減小以及二者之間粘結(jié)性能的退化。由于粘結(jié)作用降低，受拉鋼筋的應(yīng)變趨于均勻，使裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)增大，跨中撓度隨之增大。

圖6 跨中撓度與縱筋銹蝕率關(guān)系

3 鋼筋銹蝕再生混凝土梁剛度Bs的計算方法

3.1 未銹蝕時再生混凝土梁剛度Bs的計算方法

肖建莊[14]、雷斌[15]和葉強(qiáng)[16]等對未銹蝕的再生混凝土梁剛度進(jìn)行了具體研究，結(jié)論是《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)中的短期剛度計算公式對再生混凝土不再適用，并給出了建議公式，分別擬合了公式中相關(guān)參數(shù)的值，見表5。

再生混凝土梁剛度計算模型 表5

3.2 基于文獻(xiàn)[16]的剛度修正計算方法

根據(jù)材料力學(xué)，在本試驗中，按疊加原理可以計算千斤頂荷載為P時彎曲剛度Bs實測值Bs實與跨中撓度f的關(guān)系為：

(1)

式中l(wèi)為支座間距。

根據(jù)表5擬合的未銹蝕再生混凝土梁剛度公式，將未銹蝕的鋼筋截面面積As替換為銹蝕后的鋼筋截面面積As′，未銹蝕的鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ替換為銹蝕后的鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ′；未銹蝕的梁截面內(nèi)力臂系數(shù)η替換為銹蝕后的梁截面內(nèi)力臂系數(shù)η′，可推導(dǎo)得到縱筋銹蝕后再生混凝土梁彎曲剛度的理論計算公式為：

(2)

式中：Es為鋼筋彈性模量；As′為鋼筋銹蝕后截面面積；h0為梁截面有效高度；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量比值；b為梁寬度；ψ′為鋼筋銹蝕后的應(yīng)變不均勻系數(shù)；η′為鋼筋銹蝕后梁截面的內(nèi)力臂系數(shù)；ζ為受壓區(qū)平均應(yīng)變綜合系數(shù)。

假設(shè)縱筋均勻銹蝕，采用平均銹蝕率，則縱筋銹蝕后的幾何關(guān)系為：

(3)

式中：ω為鐵密度；L為縱筋長度；mL為鋼筋銹蝕前重量；ρ為鋼筋銹蝕率。

根據(jù)式(3)可得鋼筋在均勻銹蝕理想狀態(tài)下有：

As′=As(1-ρ)

(4)

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)和文獻(xiàn)[16]擬合的各參數(shù)計算方法，可得：

(5)

式中M為千斤頂荷載為P時跨中截面彎矩。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]擬合的計算方法，在本試驗中，縱筋銹蝕后再生混凝土梁截面內(nèi)力臂系數(shù)η′取計算平均值0.93。

因此，將式(4)，(5)代入式(2)解得縱筋銹蝕后再生混凝土梁彎曲剛度理論計算式為：

(6)

式中：h為梁實際高度；fcu為再生混凝土抗壓強(qiáng)度。

表6給出了不同荷載下剛度實測值與用式(6)計算的剛度結(jié)果的比值Bs實/Bs′，由表6可知，兩者有差異但差異不大，存在差異的原因是式(4)的銹蝕鋼筋幾何關(guān)系是均勻銹蝕理想狀態(tài)下得到的，實際中鋼筋銹蝕并非均勻，存在點蝕或未銹段。因此，引入彎曲剛度縱筋銹蝕影響系數(shù)γB，使實測值Bs實與式(6)理論計算值Bs′滿足式(7)的關(guān)系，計算得到γB與縱筋銹蝕率ρ擬合關(guān)系如圖7所示。

Bs實=γBBs′

(7)

剛度實測值與計算值的比值Bs實/Bs′ 表6

圖7 彎曲剛度縱筋銹蝕影響系數(shù)γB與縱筋銹蝕率ρ關(guān)系

由圖7擬合曲線可知，再生混凝土梁彎曲剛度縱筋銹蝕影響系數(shù)γB表達(dá)式為：

(8)

因此，將式(6)，(8)代入式(7)得到縱筋銹蝕再生混凝土梁實際彎曲剛度可按下式計算：

(9)

3.3 剛度修正計算方法的驗證

為了驗證所得計算公式適用性，整理了王晨霞[13]的銹蝕再生混凝土梁試驗的部分?jǐn)?shù)據(jù)，結(jié)果對比如表7所示。從表中可知，剛度計算值與試驗值接近，說明修正計算方法適用性良好。

彎曲剛度修正計算式驗證 表7

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了鋼筋銹蝕再生混凝土梁的靜載試驗，并探討了不同銹蝕程度的試驗梁的破壞過程和破壞模式、裂縫分布規(guī)律、荷載-跨中撓度曲線以及再生混凝土梁彎曲剛度退化規(guī)律。基于鋼筋銹蝕后截面面積減小的幾何條件進(jìn)行推導(dǎo)，引入彎曲剛度縱筋銹蝕影響系數(shù)，推導(dǎo)了鋼筋銹蝕再生混凝土梁彎曲剛度退化計算方法。通過試驗和分析得到如下結(jié)論:

(1)再生混凝土梁破壞時的極限承載力隨銹蝕率的增加而減小。

(2)當(dāng)銹蝕率較小時，再生混凝土梁破壞形態(tài)為適筋梁彎曲破壞；當(dāng)銹蝕率進(jìn)一步增大，由于銹蝕導(dǎo)致的鋼筋和混凝上之間的粘結(jié)性能退化，減弱了鋼筋與混凝上的應(yīng)力傳遞，梁在加載過程中豎向裂縫變得稀少，間距增大，靠近支座處的斜裂縫逐漸與沿受拉主筋方向的縱向裂縫連接；當(dāng)銹蝕率較大時，再生混凝土梁破壞時較寬的豎向裂縫更為稀少，鋼筋不能充分發(fā)揮其塑性性能，延性降低，裂縫分布有向跨中靠攏的趨勢。

(3)當(dāng)荷載較小時，隨著縱筋銹蝕率的變化，再生混凝土梁跨中撓度變化不大，荷載繼續(xù)增大，接近極限承載力時，跨中撓度隨縱筋銹蝕率的增大而增大的趨勢已比較明顯。由此可知，再生混凝土梁的剛度因縱筋銹蝕發(fā)生了一定的退化。

(4)基于縱筋銹蝕后截面面積減小的幾何條件，推導(dǎo)了鋼筋銹蝕再生混凝土梁彎曲剛度退化計算方法。