四艙對(duì)拼預(yù)制管廊接頭耐久性試驗(yàn)研究

1 引言

多座城市的管廊建造采用預(yù)制拼裝技術(shù)后， 大大提升了現(xiàn)場(chǎng)施工速度，使城市交通干擾得到有效的降低，同時(shí)也使混凝土澆筑造成的二次環(huán)境污染得到合理的管控。 四艙室大斷面預(yù)制拼裝管廊，只能采用上下對(duì)分才能符合預(yù)制運(yùn)輸要求，帶對(duì)分接頭的四艙管廊和整體式管廊在力學(xué)及防水性能方面差別較大。 為保證上下對(duì)分接頭管廊廊體的受力及防水性能，本文設(shè)計(jì)制作了足尺模型，并進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)、接頭加速腐蝕試驗(yàn)和高壓泌水性試驗(yàn)[1-2]，結(jié)果表明上下對(duì)分接頭滿足設(shè)計(jì)100 年使用要求。

2 四艙室上下對(duì)分接頭構(gòu)造

預(yù)制四艙室廊體時(shí)，使用上下對(duì)分預(yù)制的方法，在施工材料運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢靡院螅瓿善囱b施工任務(wù)。 環(huán)形螺紋筋是上下對(duì)分接頭的主要材質(zhì)，兩端與預(yù)埋鋼筋進(jìn)行焊接，并與腹板主筋焊接在一起。

3 試驗(yàn)方案

3.1 橫向接頭模型制造

為降低和減少試驗(yàn)過(guò)程中的材料的損耗， 可以將兩種不同的接頭安裝至同一節(jié)管廊的外腹管上， 設(shè)計(jì)兩種不同的橫向接頭，即工字鋼接頭和螺紋筋接頭。 工字鋼為2 號(hào)工字鋼，接頭為φ22 mm 螺紋筋，接頭的縱向長(zhǎng)1 m、高5 m，將管廊配筋、接頭鋼筋以及工字鋼進(jìn)行焊接。

橫向接頭力學(xué)性能試驗(yàn)完成之后， 在已經(jīng)清理完成后的水箱內(nèi)加入pH 為4 的鹽酸，鹽酸與水箱深度保持一致，腐蝕90 d，按照既有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行加載，首先測(cè)試橫向結(jié)構(gòu)，再測(cè)試經(jīng)過(guò)90 d 腐蝕的橫向接頭，通過(guò)對(duì)二者力學(xué)性能的測(cè)試，判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與試驗(yàn)荷載

四艙綜合管廊斷面設(shè)計(jì)100 cm×1 305 cm×470 cm， 足尺模型尺寸與上下對(duì)分連接如圖1 所示。 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肅40 防水混凝土、HRB400 鋼筋。

圖1 截面及上下對(duì)分連接示意圖（單位：cm）

加載裝置得到的關(guān)鍵截面的彎矩應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載組合下的彎矩相等。

加載時(shí)，利用穿心千斤頂（模型建造時(shí)預(yù)留孔道）張拉精軋螺紋筋，把力傳至分配裝置再傳給廊體。 上下對(duì)分接頭腐蝕試驗(yàn)與防水性能試驗(yàn)外置水箱，水箱內(nèi)既可以裝腐蝕液，又可安裝導(dǎo)管，采用壓縮機(jī)通過(guò)導(dǎo)管給水箱施壓，實(shí)現(xiàn)高壓狀態(tài)下對(duì)分接頭的防水試驗(yàn)。 在實(shí)施和開(kāi)展上下對(duì)分接頭防水性能的試驗(yàn)過(guò)程中，水箱應(yīng)為封閉式狀態(tài)，且以五面為主，覆蓋管廊外腹板，將廊體接頭和腹板預(yù)埋鋼板以及水箱分別焊接，形成外置水箱。

3.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

使用pH 為4 的鹽酸將水箱加滿，促使加速腐蝕得以快速實(shí)現(xiàn)。加速腐蝕的具體時(shí)間為118 d。在加速腐蝕結(jié)束以后，對(duì)橫向接頭位置受拉區(qū)的鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，將未進(jìn)行加速腐蝕的橫向接頭位置受拉區(qū)域的鋼筋與混凝土應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比， 實(shí)現(xiàn)對(duì)加速腐蝕橫向接頭力學(xué)性能造成影響的控制。

確定腐蝕損傷當(dāng)量加速關(guān)系的一般方法是： 模擬綜合管廊運(yùn)營(yíng)環(huán)境譜，調(diào)整腐蝕速度與時(shí)間關(guān)系的參數(shù)，以腐蝕效果相當(dāng)為原則，創(chuàng)建加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)間環(huán)境譜與運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)期效果之間的換算關(guān)系，設(shè)自然運(yùn)營(yíng)環(huán)境年限為T，短時(shí)間加速試驗(yàn)環(huán)境譜作用時(shí)間為t，則當(dāng)量換算系數(shù)β 與T 和t 的換算關(guān)系為：

經(jīng)過(guò)大量的研究與實(shí)踐表明， 當(dāng)金屬與電解質(zhì)完全融合后，電解質(zhì)腐蝕電池是導(dǎo)致金屬加速腐蝕的一個(gè)重要因素，這一現(xiàn)象也被稱為電化學(xué)腐蝕效應(yīng)。 土中鋼板的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)量折算以腐蝕電流當(dāng)量為主，借助腐蝕等效原理，在創(chuàng)建加速腐蝕實(shí)驗(yàn)當(dāng)量關(guān)系時(shí)，要以腐蝕當(dāng)量相等為依據(jù)。 腐蝕量Q 的計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn) 為法拉第數(shù)設(shè)置；Ic為鋼板腐蝕電流；d 為鋼板厚度。在計(jì)算鋼板的實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕量Q′的計(jì)算公式為：

式中，t′為實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)（腐蝕）時(shí)長(zhǎng)設(shè)置。

在自然運(yùn)營(yíng)環(huán)境年限T 內(nèi)， 實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的腐蝕量Q與實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕量Q′要等效，即：Q=Q′。

Ic（t）的變量為時(shí)間，經(jīng)過(guò)分析以后發(fā)現(xiàn)，Ic（t）在自然運(yùn)營(yíng)環(huán)境年限T 內(nèi)相差不大，即：

原電池設(shè)置為加速腐蝕與自然環(huán)境腐蝕機(jī)理，腐蝕電流I與腐蝕環(huán)境中H+濃度二者之間的關(guān)系如下：

原電池的正極：2H++2e-→H2↑，原電池的負(fù)極：Fe-2e-→Fe2+，則原電池電動(dòng)勢(shì)E：

式中，ΔEΘ為電動(dòng)勢(shì)差；R 為氣體常數(shù)，取值為8.314 41J/（mol·K）；n 為電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)；F 為法拉第常數(shù)，即（96 485.33 289±0.000 59）C/mol；分別為正極、負(fù)極初始電動(dòng)勢(shì)；標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為氫 離 子 的 質(zhì) 量 分 數(shù)；[Fe2+]為亞鐵離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 則電動(dòng)勢(shì)為：

電動(dòng)勢(shì)E=I2P，其中P 為電阻，則有：

將事先準(zhǔn)備好的鋼板埋入指定的土體中， 土體呈酸性狀態(tài)，假設(shè)土體的pH 為m，鋼板電阻為R，加速腐蝕過(guò)程中鹽酸溶液pH 為n，假設(shè)鹽酸溶液中的H+能夠完全發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可通過(guò)下列公式表示：

故當(dāng)量折減系數(shù)為：

試驗(yàn)過(guò)程中，將加速腐蝕的時(shí)間設(shè)定為118 d，當(dāng)土體中的pH 為6.78 時(shí)，加速腐蝕后鹽酸的pH 為4，再將數(shù)值代入以后，得出T=130 a。

4 加速腐蝕前后的試驗(yàn)與結(jié)果

橫向接頭力學(xué)性能測(cè)點(diǎn)的具體布置情況見(jiàn)圖2。

圖2 混凝土應(yīng)變C、應(yīng)力S、位移H 測(cè)點(diǎn)布置圖示

橫向接頭被pH 為4 的鹽酸加速腐蝕118 d 以后，對(duì)接頭位置處的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試后，得到的測(cè)試結(jié)果為：（1）分析橫向接頭加速腐蝕前后的具體情況，荷載-接頭鋼筋、荷載-應(yīng)變的應(yīng)力變化基本相同；（2）在加速腐蝕以后，在正常使用的極限狀態(tài)中，在加速腐蝕前，受拉區(qū)混凝土應(yīng)變變化量的最大值為49 με；在加速腐蝕以后，在正常使用極限狀態(tài)中，螺紋鋼筋接頭位置受拉區(qū)域內(nèi)混凝土的應(yīng)變最大值達(dá)到了73 με；在加速腐蝕以后，接頭位置處的受拉區(qū)混凝土沒(méi)有出現(xiàn)裂縫的情況， 在極限狀態(tài)下如果荷載的作用能夠正常發(fā)揮時(shí)， 螺紋鋼筋接頭位置受拉區(qū)域內(nèi)混凝土的試驗(yàn)工況應(yīng)當(dāng)小于C40 混凝土開(kāi)裂狀態(tài)下的應(yīng)變值， 對(duì)在管廊模式力學(xué)性能試驗(yàn)的操作過(guò)程中， 逐級(jí)增加水箱中的水壓， 最大值為0.8 MPa，各級(jí)壓強(qiáng)的保持時(shí)間為2 h，狀態(tài)比較穩(wěn)定，觀察水箱壓強(qiáng)變化情況以及接頭位置滲漏水情況，最終獲得結(jié)論：接頭位置處無(wú)滲漏。

在拼裝試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸r不利的情況下進(jìn)行加載力學(xué)性能的測(cè)試中，上接頭和下接頭的位置保持不變，將水箱中的水壓增加至0.8 MPa 時(shí)， 每一次加壓情況下試驗(yàn)工況的水壓保持時(shí)間應(yīng)為2 h，對(duì)其變化情況進(jìn)行仔細(xì)地觀察，最終的結(jié)論為沒(méi)有滲漏的情況發(fā)生。

加速腐蝕90 d 之后，按照理論知識(shí)計(jì)算，兩種不同類型的接頭其在承載能力、極限狀態(tài)下，受拉區(qū)域內(nèi)的混凝土均出現(xiàn)不同程度的裂縫，由于裂縫的寬度小于設(shè)計(jì)方案中的限值，且在試驗(yàn)環(huán)節(jié)均未發(fā)生新的裂縫。 對(duì)接頭進(jìn)行加速后，承載能力狀態(tài)下的工字鋼、 環(huán)形螺紋筋接頭在受拉范圍內(nèi)的應(yīng)力分別為：17.82 MPa 和17.85 MPa， 該應(yīng)力小于設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)力；再對(duì)接頭進(jìn)行加速腐蝕， 工字鋼和環(huán)形螺紋筋接頭最大橫向位移為0.87 mm 和0.75 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中的限值。 經(jīng)過(guò)90 d 加速腐蝕后， 兩種不同類型接頭的剛度可以滿足設(shè)計(jì)要求，得出以上兩種接頭都具備良好的抗拉性能和耐久性能。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究，得出以下3 點(diǎn)結(jié)論：

1）上下對(duì)分螺紋筋接頭的承載能力能夠滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，加載裝置安裝方便， 能夠達(dá)到預(yù)制拼裝管廊關(guān)鍵位置受力相等效果。

2）通過(guò)對(duì)上下對(duì)分螺紋筋接頭腐蝕前后力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)當(dāng)量推算，接頭在自然腐蝕130 年后其力學(xué)性能與防水性能仍然能夠滿足設(shè)計(jì)要求。