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代东旭等： 钢筋锈蚀与混凝土粘结性能试验研究 8 9 钢筋 锈蚀 与混凝土粘结性 能试验研究 代东旭 ， 司福巍 ， ( 天津津建工程造价咨询有限公司 关学艳 天津3 0 0 1 4 3) 【 摘要】 对反复荷载作用下锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移性能进行试验研究 ， 钢筋采用电化学快速锈蚀 方法， 验证钢筋锈蚀率、 侧向约束和荷载作用次数对粘结滑移的影响。 【 关键词】 粘结力； 反复荷载； 滞回曲线； 电化学腐蚀 【 中图分类号】 I I5 3 1 7 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 8 9- 0 3 根据大量实际地震荷载的特征， 实验室通常采用施加 反复荷载模拟实际地震荷载作用 ， 关于反复荷载作用下未 锈蚀钢筋和混凝土的粘结力研究 ， 国内外学者进行了大量 的试验研究， Mo i r t a和 K a k u首先对反复加载下的粘结滑移 性能进行了比较系统的研究， 试验结果表明在恒定位移幅 值的反复循环荷载作用下， 粘结力退化程度与位移幅值、 循 环次数和横向约束作用有关 ； Vi a w a n t h a n a t e p a进行了反 复荷载作用下钢筋在梁柱节点锚 固区的拉拔实验研究 ， 试 验结果表明锚固长度、 钢筋配筋率和荷载循环次数对粘结 力影响较大， 而钢筋类型对粘结力退化影响较小 E l i g e h a u s e n在进行反复荷载下变形钢筋的粘结试验研究中发现， 当控制滑移幅值所对应的粘结应力不超过极限粘结应力的 7 0 8 0 时， 由第一个循环加载引起的粘结力退化不显 著 ； F i l i p p o u 研究了反复荷载作用循环荷载作用次数对粘 结力退化的影响， 表明循环次数对粘结力退化影响显著 ； A l a v i F a r d对反复荷载作用下钢筋与高强混凝土的粘结力 进行了研究， 试验结果表明荷载位移幅值越大 ， 其粘结力损 失越大 ， 滞回曲线能够反映加载速率的影响， 侧向约束能够 显著提高构件的承载能力 J 。 1 试验 研究 ( 1 ) 材料 性能。设计 制作 了直 径为 1 0 0 ram、 高为 1 4 8 m m的混凝土圆柱体， 将直径为 1 6 m m 的变形肋钢筋放 置： f 圆柱体中心位置， 钢筋具体形状见图 1 ， 设计粘结长度 为4 8 m m， 在粘结中部设置直径为 6 ram的圆形箍筋一道， 两 端：采取塑料套管模拟无粘结段 ， 试件的具体形状见图 1 ， 混 凝 土配合比为水 ： 水泥： 砂： 石子 =1 ： 1 8 2： 2 9 3 ： 0 5 8 ， 掺加 5 水泥质量的氯化钠， 浇注混凝土试件时 ， 预留混凝土立 方体 试 件， 标 准 养 护 2 8 d后， 实测 其 平 均抗 压 强 度 为 3 1 5 MP a 。 ( 2 ) 钢筋加速锈蚀方法。采用 电化学加速锈蚀对混 凝土 中钢筋进行 锈蚀试验， 钢筋理论 锈蚀率 为 O ， 5 ， 1 0 ， 1 5 ， 电流密度为 0 0 0 1 A f c m2 ， 采用法拉第定律计算 钢筋的通电时间， 为了保证试验中钢筋的锈蚀率 ， 将钢筋无 粘结部分和箍筋均匀涂刷环氧树脂， 防止其发生锈蚀 ， 将试 件浸泡于 5 的氯化钠溶液中3 d ， 然后进行通电试验， 如图 2所示 ， 当钢筋通电时间达到预定时间后 ， 将试件取出并晾 干进行试验。 2 试验加载 4 造价分析 新疆地区一般钢结构节能住宅、 轻钢龙骨蒙皮式及节 能 6 5 的传统的砖混结构的主体工程造价都在每平方米人 民币 1 2 0 0元人民币以上 】 。根据钢结构住宅优化设计成 果 ， 表4对建造成本进行了概算。 从造价分析中可知 ， 在新疆地区优化设计后的钢结构 住宅主体工程造价在达到节能 7 0 的情况下( 含施工、 钢构 件、 内隔墙板、 外墙保温板 、 轻质楼板、 保温屋面板) 平均成 本为 9 0 5 左右。 5 结语 根据建筑设计的侧重点不同， 提出了改进式和创新 式两种设计思路 ； 传统钢结构用钢 6 0 k g m 以上。优化 设计后在满足新疆地区使用要求的前提下钢结构住宅用钢 量为 2 04 0 k g m ； 以新疆地区今后每年至少 2 0 0万 以 上的市场需求 ， 钢结构住宅优化设计将节约大量资金， 2 0 0 万 m 年 ( 1 2 0 09 0 5 ) m =5 9亿 年。 参考文献 ： 【 陈东刚 浅谈钢结构的优缺点 J 陕西综合经济， 2 0 0 8 ， ( 5 ) ： 4 6 ：z 杨志强， 贾树森， 韩诘茹 钢结构住宅设计中存在问题的分 析 J 河北冶金， 2 0 1 1 ， ( 1 ) ： 4 8 4 9 3 陈林夕 钢结构住宅平面设计与分析以都江堰钢结构住 宅为例 D 上海 ： 同济大学， 2 0 0 9 ： 5 1 5 6 4 谢淮宁 钢结构住宅结构体系优化设计研究 J 住宅科技， 2 0 1 0， ( 1 O ) ： 2 O一 2 3 5 】 钱余海 我国钢结构住宅发展状况及其经济性分析 J 】 安 徽建筑 ， 2 0 0 8， ( 6 ) ： 1 8 41 8 5 收稿 日期】 2 0 1 2 0 2 2 7 作者 简介】 罗海 明( 1 9 7 6一)， 男 ， 四川万 源人 ， 助 理工程 师 ， 主要从事建筑结构设计与工程施工管理工作 。 低温建筑技术 2 0 1 2 年第7期( 总第 1 6 9期) 筋 。 0 钢 筋 I I I J ： ： ， 一 - -_ 4 0 5 O48 一 图1试件的形状和尺寸 试验采用 M T S S 1 0试验机进行反复荷载作用下的加载， 加载全程采用位 移控制方法 ， 反复加载的位移幅值为 l _ 5 ra m， 加载速度为0 O l mm m i n ， 反复加载为 l O次循环加 载， 设计专门的加载装置， 上、 中、 下三块方形钢板通过 4根 螺杆进行连接， 将试件固定于两块钢板之间， 荷载和位移通 过试验机 自带的荷载感应器和位移传感器进行测量。 3 试验结果和讨论 ( 1 ) 粘结滑移曲线。图3给出了不同钢筋实际锈蚀 率的粘结滑移曲线图， 所有试件的滞 回曲线， 第一个循环的 正反向上升段呈外凸型， 和单调荷载作用下钢筋拔出试验 相同； 从第二个循环开始 ， 正反向上升段的形状由外凸型转 变为内凹型， 开始反映出粘结滑移的滞回特性； 钢筋与混凝 土之间的粘结性能， 随循环次数的增加而逐渐退化。反复 荷载作用前3个循环粘结退化严重 ， 特别是第一个循环 ， 主 要因为反复荷载作用下， 钢筋与混凝土间产生相对滑移 ， 表 滑移， m n l 滑移， m m 图2钢筋 电化学腐蚀图 现为钢筋周围的混凝土裂缝开展和延伸， 第一次循环荷载 作用下 ， 裂缝开展充分 ， 随后的反复荷载作用使得裂缝进一 步开展 ， 其粘结性能继续退化， 但退化的速度明显减小。 ( 2 ) 锈蚀率的影响。铁锈体积是铁体积的 36倍 ， 当锈蚀率为3 5 时， 铁锈填充了钢筋与混凝土的缝隙， 增 加了混凝土握裹力， 相同循环次数下 ， 其峰值粘结力和滞回 曲线面积大于无锈蚀试件 ， 表明耗能能力提高。 当锈蚀率大于3 5 时， 混凝土结构中钢筋生锈引起周 围混凝土开裂， 降低了混凝土的握裹力， 严重降低钢筋与混 凝土的粘结力， 相同循环次数下， 随着锈蚀率的增加， 峰值 粘结力均大幅降低 ， 其峰值粘结力和滞回曲线面积明显减 小 ， 表明耗能能力降低。十次反复荷载作用后， 当锈蚀率为 0 时， 其粘结力为 4 1 1 M P a ， 当锈蚀 为 9 2 时， 其粘结力 为 1 4 2 MP a 。 滑移， m m 图3粘结滑移滞回曲线 ( 3 ) 粘结力退化系数。从图3中可发现， 随着反复荷 载作用次数的增加， 所有试件峰值粘结力逐渐减小， 部分荷 载作用次数的粘结力数值表 1 ， 所有试件的粘结力退化在第 滑移， mm 一 次循环时最严重， 第一次荷载作用后 ， 峰值粘结力下降 3 0 左右 ， 1 0次荷载作用后 ， 对于高锈蚀率试件粘结力退化 更显著。 代东旭等 ： 钢筋锈蚀与混凝土粘 结性能试验研究 9 1 试件粘结力随着反复荷载作用次数增多， 粘结力退化 可以用粘结力退化系数表示 ， 如式( 1 ) 所示。 AN： 一 ( 1 ) N ， 式中， A 为第次荷载作用粘结力退化系数；r 一( 1 ) 为 第一次荷载作用的峰值粘结力； ( ) 为第 次荷载作用 峰值粘结力。 试件的粘结力退化系数如图 4所示， 对 比分析可得， 相 同条件下 ( 锈蚀率和荷载作用次数) ， 试件在前 3个荷载作 用粘结力退化系数较大严重， 以后趋于相对平缓； 对于中低 锈蚀率的试件其粘结力退化系数较为接近 ， 对于高腐蚀率 试件其粘结退化率更大。 表 1 不同循环次数下的粘结力 M P a 0 8 皤 翥0 6 o4 蜒 0 2 0 0 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 荷载作用次数 图4 粘结力退化系数 4结语 ( 1 ) 试件的粘结滑移曲线， 第一个循环的正反向上升 段呈外凸型， 从第二个循环开始正反向上升段的形状由外 凸型转变为内凹型， 开始反映出粘结滑移的滞回特性。 ( 2 ) 对于各次循环荷 载作用下 ， 钢筋锈蚀率 低于 3 5 时 ， 其峰值粘结力和滞回曲线的面积都稍微提高； 钢筋 锈蚀率大于3 5 时， 随着锈蚀率的增加， 其峰值粘结力急 剧下降， 滞回曲线捏缩效应更加明显， 表明锈蚀构件的耗能 能力降低。 ( 3 ) 相同钢筋锈蚀率试件， 反复荷载作用显著降低其 粘结力， 并随荷载作用次数增多， 粘结力逐渐降低， 尤其第 一 次循环荷载作用时， 粘结力损失最大。 参考 文献 1 冯乃谦， 邢峰混凝土和混凝土结构的耐久性 M 北京： 机 械工业出版社 ， 2 0 0 9 M e h t a ， P I L C o n c r e t e d u r a b i l i ty - f if t y y e a r s p r o g r e s s C P r o - c e e d i n g o f t h e 2 n d I n t e r n a t i o n a l Co n f e ren c e o n C o n c ret e Du r a bil i ty ，ACI SP 1 261 1 9 9 1： 131 Mo r i t a S， Ka k u T L o c a l b o n d s t res ss l i p r e l a t i o ns h i p u n d e r c y c l i e al l o a d i n g r e s i s t a n c e a n d u l t i ma t e d e f o n n a b i ht y o f s t r u c t u r e s a c t e d o n b y w e l l d e fi n e d r e c y c l e l o a d s C P r o c e e d i n g s of t h e I ABS E S y mp o s i u m ，L i s bo n 1 9 7 3： 2 212 2 7 Vi a wa n t h a na t e p a S，P o p o v E P ， Be r t e r o V V S e i s mi c b e h a v i o r o f r e i n f o r c e c o n c r e t e i n t e r i o r bea m - c o l u m n s u b a s s e m b l a g e R R e p o r t UCB EERC- 7 9 1 4 Be r k e l e y： EERC，Un i v e r s i t y of Cali f o r - n i a 1 9 7 9 El i g e h a u s e n R ，e t a 1 L o c a l b o n d s t res s s l i p rel a t i o n s h i p s o f de f o r m ed b a r s u n d e r g e n e r a l i z e d e x c i t a t i o n s R R e p o r t N o U C B E ERC8 3 - 2 3，E a r th q u a k e E n g i n e e rin g Re s e a r c h Ce n t e r ，Un i v e rsi - ty of C ali f o rni a，Be r k e l e y，C ali f o r n i a ， Oc tt o b e r 1 9 8 3 Hl i p po u F C A s i mp l e mo d e l f o r rein f o r c i n g b a ranc h o r a g e s u n d e r c y c l i c E x c i ta t i o n s J J o u rn al of t h e S t r u c tu r a l E n g i n e e ri n g A S C E， 1 9 8 6， 1 1 2( 7 )： 1 6 0 51 6 2 2 Al a v i Fa r d M， Ma =o u k I- L Bo n d b e h a v i o r of hil g h s t r e n g t h c o n c x t e u n d e r rev c rsod p u l l o u t c y c l i c l o a d i n g J C a n a d i a n J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 ， 2 9 ( 2 )： 1 9 1 2 0 0 L o t fi Gu i z a n i ， Oma r Ch a a l l a 1 An e x p e r i me n ta l s tud y o n b o n d s l i p i n m o d e r a t e l y c o n f i n ed c o n c ret e s u b j e c t e d t o m o n o t o n i c and c y c l i c l o a d i n g u s i n g a n e x p e r i m e n t a l p l a n J C a n a d i a n J o u r n al of C i vi l E n g i n eeri n g ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 3 ) ： 2 7 2- 2 8 2 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 2 9 作者简介 代东旭( 1 9 8 0 一) ， 男， 河南鹿邑人 ， 硕士， 从事建 筑结构设计和建筑工程项目管理工作。 敬告读者 低温建筑技术 是指导我国三北地区( 东北， 西北 ， 华 北) 的建筑科学技术和冬期施工技术发展的唯一综合性科 技期刊。欢迎读者就以下方面的内容踊跃投稿。 寒区多层及高层建筑设计与结构设计 建筑工程冬期施工技术 负温混凝土冬期施工耐久性问题探讨 大体积混凝土冬期施工技术 冬期施工成套技术研究 新型建筑材料在寒冷地区应用技术 建筑节能与保温隔热材料的应用技术 寒冷地区屋面防水技术 混凝土外加剂的研究成果与应用技术 泵送混凝土在寒冷地区的应用 粘结剂在低温下的应用技术 负温下钢筋焊接技术的研究 高强与高性能混凝土在寒区的应用技术 冬期施工质量通病与防治措施 普及建筑技术与现代化科学管理 _ 竺I