疲劳荷载作用下腐蚀后钢纤维混凝土的黏结性能.pdf

2 0 1 5年第 1 0期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 1 0 Oc t o b e r 疲劳荷载作用下腐蚀后钢纤维混凝土的黏结性能 王海超 一，贾瑞杰 ，孙芳宁 ， 高淑玲 。 ( 1 山东科技大学土木工程与建筑学院， 青岛 2 6 6 5 9 0 ； 2 青岛工学院建筑工程系， 胶州 2 6 6 3 0 0 ； 3 河北工业大学土木工程学院， 天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要 ： 采用梁式黏 结试件 。 研究 了钢筋锈蚀率 、 钢纤维体积率、 混凝土 的强度等级 以及钢 纤维混凝 土腐蚀后疲 劳黏 结性 能。试验 结果表 明， 钢筋锈 蚀水平低 时， 抗黏 结疲劳能力有一定程度 的提 高 ， 钢 筋锈 蚀水平程度增 大时， 抗 黏 结疲劳能力有所 降低 ； 随着钢纤 维的掺入 和混凝土 强度 的提 高 ， 钢 筋与混凝土之 间的抗黏 结疲劳能力随之提 高。 通过 用 荷 栽 一滑 移 量 滞 回 曲 线 描 述 ， 得 到 了黏 结 疲 劳损 伤 过 程 大 致 可 分 为 三 个 阶 段 ， 即 初 始 滑 移 量 阶 段 、 稳 定发 展 阶段 和迅速发展至破坏 阶段 ； 疲 劳荷 载作用下构件 的黏 结刚度逐渐退化 ； 随着钢纤 维掺 量的增加 ， 滞回环曲线形状 更加 饱满 ， 表 明纤维可以有效提 高结构或构件 的塑性 变形 能力。 关 键 词 ： 钢 纤 维 混 凝 土 ； 粱式 试 件 ； 腐蚀 后 疲 劳 黏 结 滑 移 Ab s t r a c t ：Us i n g t h e b e a m a d h e s i v e s p e c i me n s ， t h e c o r r o s i o n r a t e o f s t e e l ， s t e e l fi b e r v o l u me r a t i o ，s t r e n g t h g r a d e o f c o n c r e t e a n d t h e b o n d p e r f o r ma n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r t h e e f f e c t s o f c o r r o s i o n a n d f a t i g u e a r e s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t 。t l l e a n t i a d h e s i o n f a t i g u e i s i mp r o v e d wi t h t h e l o w l e v e l o f s t e e l c o rr o s i o n wh i l e a n t i a d h e s i o n f a t i g u e i s d e c r e a s e d wh e n t h e d e g r e e o f r e i n f o r c e me n t c o rro s i o n l e v e l i s i n c r e a s e d By a d d i n g s t e e l fi b e r a n d i n c r e a s i n g t h e c o n c r e t e s t r e n g t h ， the p r o p e r t i e s of a n t i - a d h e s i o n f a t i g u e b e t w e e n r e i n f o r c e d a n d c o n c r e t e i s i n c r e a s e d Ac c o r d i n g t o t h e f a t i g u e l o a d - s l i p h y s t e r e s i s c u r v e ，the b o n d i n g p r o c e s s o f f a t i g u e d a ma g e o f s t e e l fi b e r s c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e s t a g e s ， t h e r a p i d d e v e l o p me n t s t a g e o f t h e i n i t i a l s l i p ， s t a b l e d e v e l o p me n t s t a g e o f s l i p a n d f a i l u r e s t a g e o f s l i p i n c r e a s e d t o d e s t r u c t i o n s t a g e I 1 l e c o mp o n e n t o f b o n d s t i f f n e s s i s d e g e n e r a t e d g r a d u a l l y u n d e r t h e f a t i g u e l o a d i n g t h e h y s t e r e s i s l o o p b e c o me s mo r e p l u mp w i t h t h e i n c r e a s i n g o f s t e e l fi b e r ， the fi b e r c a n i mp r o v e t h e p l a s t i c d e f o r ma t i o n a b i l i t y o f t h e s t r u c t ur e o r c o mp o ne n t e ffe c t i v e l y ， Ke y wo r d s ：S t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ；B e a m s p e c i me n s ； C o r r o s i o n f a t i g u e b o n d s l i p 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 5) 1 0 5 7 0 3 0 1 前言 混凝土的耐久性不仅是使用问题 也涉及安全 性 ， 钢筋 的锈蚀会导致黏结力下降 ， 从而引起一系 列 的工程问题 。研究表明 ， 钢纤维可有效阻止混凝 土构件的腐蚀进程 ，受外界作用 时会起到阻裂 、 增 强增韧作用【 ， 基体抗拉强度较高 ， 从而可提高黏 结性能。本研究通过 电化学锈蚀的方法模拟海洋环 境下钢筋混凝土的锈蚀情况 ， 测试 了钢筋锈蚀后钢 纤维混凝土在疲劳荷载作用下的黏结滑移曲线 分 析并研究 了钢筋锈蚀率 、 钢纤维体积率和疲劳荷载 作用对钢筋混凝土构件黏结性能的影响规律 3 。 1 试验概 况 、 1 1 试验的设计和试件参数 试验采用 R L E M F I P C E B建议 的梁式黏结试 件4 _ q 如 图 1所 示 梁 式试 件 尺寸 为 1 0 0 mmx 基金项 目： 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 1 0 8 1 5 1 ) ； 青岛工 学院 项 目( 2 0 1 2 K Y 0 0 5 ) 。 1 0 0 m mx 4 0 0 mm， 混凝土保护层厚度 2 5 mm。为真实 模拟钢筋在构件 中的情况 试件分为左右两部分 ， 中间用受拉钢筋和受压 区的活动铰连接。为防止钢 筋在加载端的局部破坏和支座反力 的影响 ， 两端一 段无 黏 结 区 ， 中间有效 黏结 长度 为 5 d ， 即 6 0 m m。受 拉区试验钢筋采用 l 根 H R B 3 3 5 、直径为 1 2 mm的 月 牙纹 钢筋 。 图 1 梁式黏结试 件( 单位 ： mm) 采 用 正交 设 计试 验【 7 J ， 考虑 以下 四种 因素 ： 钢 纤 维体积率 、疲劳荷载与静力极 限黏结 强度之 比、 钢 一 5 7 王海超 ， 贾瑞杰 ， 孙芳宁 ， 等 疲劳荷载作用下腐蚀后钢纤维混凝土的黏结性能 2 4 2 0 1 6 Z 嘉12 棹8 4 0 2 4 2 0 1 6 Z 亲12 棹8 4 O 0 2 040 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 滑 移量， mm 图6 1 # ( C 4 0试件) 荷载一 滑移量曲线 2 _ 3 荷载一 滑移曲线 本试验对 9组试件的数据进行处理 ， 并绘制荷 载一 滑移量滞回曲线 。选择有代表性的曲线进行 比 较 。得 到的部 分荷 载一 滑 移量 曲线 见 图 6 图 8 。 2 4 钢纤维混凝土腐蚀后疲劳粘结滑移性能分析 2 4 1 荷载一 滑移 曲线分析 从滞 回曲线 可见 ， 试件中掺入钢纤维可使每一 个滞回环形成的包络线更加饱满 。 、 试件 中钢纤维掺 量为 0时 ， 滞 回环 曲线呈梭形 ： 钢纤维掺量为 1 和 1 5 时 ， 随着钢纤维掺量 的增加 ， 滞 回环 曲线呈梭 形 ， 但形 状表现为更加饱满 ， 这说 明钢纤维可有效 提高结构或构件的变形能力 。 2 4 2 荷载一 滑移曲线的斜率 由图 6 一 图 8可见 。 随着疲劳荷载循环次数的增 加 ， 荷载一 滑移 曲线每个循环 的加载段 ( 或卸载段 ) 与上一个循环的加载段( 或卸载段 ) 相 比， 曲线 的斜 率逐渐变大 。每个疲劳循环 的加载段 ， 曲线 的斜率 随疲 劳 荷载 的增 大而 减小 且减 小 的程 度 随循 环 次 数的增加而加快 。比较每次循环加载段可知 ， 后次 循环 的加 载段 曲线 比前次循环加载段 曲线斜 率减 小 ， 表 明在疲劳荷载作用下 ， 构件的黏结刚度逐渐 退化。曲线上卸载段 的斜率比同一个循环中加载段 的斜率小 ， 嚷 明卸载时发生了黏结刚度 的退化【 。 3结论 ( 1 ) 通过对腐蚀后钢纤 维混凝土在疲劳荷载作 用下的试验 得到荷载一 滑移曲线 ， 每一循环周期的 滞 回环曲线具有非常相似 的梭形 随着钢纤维掺量 的增加 ， 滞 回环 曲线形状更加饱满 ， 表明钢纤 维可 有效 提 高黏 结性 能 。 ( 2 ) 荷载一 滑移 曲线 的斜率随疲劳荷 载的增 大 而减小 且减小 的程度 随着循环次数 的增 加而增 大 。比较每次循环 的加载段可知 ， 后次循环 的加载 段 曲线 比前次循环加载段 曲线斜率减小 ， 表 明在疲 劳荷载作用下构件的黏结刚度逐渐退化 。 ( 3 ) 根据滑移量的变化大小 ， 可将黏结疲劳发 展 过 程 分 为 三 个 阶 段 ： 滑 移 量 迅 速 发 展 阶 段 、 滑移 量稳定发展阶段和滑移量迅速发展至破坏阶段。 1 2 1 0 8 Z 裹6 柱 4 2 0 0 0 2 04 0 6 0 8 1 0 1 2 l 4 1 6 1 8 2 0 2 2 24 2 6 2 8 3 0 滑移量， mm 图 8 3 # ( C 3 0试件 ) 荷载一 滑移量曲线 1 Ma n g a t ， E l g a r f M S B o n d c h a r a c t e ri s t i c s o f c o r r o d i n g r e i n f o r c e m e n t i n c o n c r e t e b e a m s J Ma t e fi a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 8 9 - 9 7 2 】 Y u B u n A u y u u n g P， B a l a g u r u a ， L a n C h u n g B o n d B e h a v i o r o f C o r r o d e d R e i n f o r c e me n t B a r s J 1 A C I M a t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 2 ) ： 2 1 4 2 2 0 3 】 宋玉普， 赵 国藩 钢筋 混凝土结构分析 中的有 限单元法【 M】 大连 ： 大连理工大学出版社 1 9 9 4 4 王海超钢筋混凝 土构件腐 蚀疲劳实 验研 究与理论 分析 D 大连： 大 连理 工大 学， 2 0 0 4 5 王海 超， 何世 钦， 贡金鑫 冻融循环后腐 蚀钢筋 与混 凝土粘 结性能试验研究l J 1 混凝土， 2 0 0 7 ( 8 ) ： I 一 3 6 何 世钦， 王海超， 贡金鑫 荷 载与锈蚀共 同作用下钢 筋混凝 土梁抗弯试验研究f J 水力发电学报， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 4 6 5 1 7 蔡正泳， 王足献 正交设 计在混凝土中的应用 M】 北京： 中 国 建 筑 工 业 出版 社 。 1 9 8 5 8 T h a n d a v a m o o a h y ， Ma d h a v a R a o F a t i g u e b e h a v i o r o f c o n c r e t e b e a ms r e i n f o r c e d w i t h c o rr o s i o n s t e e l b a r s f J 1 T h e I n d i a n C o n c r e t e J o u rna l Ma y ， 1 9 9 7 ： 2 4 2 2 4 6 【 9 】Ha w k i s F a t i g u e c o n s i d e r a t i o n s f o r o ff s h o r e c o n c r e t e s t ruc t u r e s J Ma t e r i a u x l s a n d C o n s t r u c t i o n s ， 1 9 8 4 ， 9 7 ：6 9 7 4 f 1 0 1 大即信明， 宫里心一， 柴 田常德 铁筋 3二 夕 I J 一 卜 曲c 割扎 部 l 二 生 匕否腐食 形 成横耩 6 二 及6 寸水七 、 卜 比 影磐【 C 1 9 9 8 ， 6 0 6 ： 6 3 7 3 【 1 1 谷内 田昌熙， 石桥忠 良， 左藤勉 铁筋 2 2二 夕 I J t - 橘 梁 己 孑 ) 彳 ， L 钢材腐食 =阴守 弓调查 C 】 1 9 8 7 ， 3 7 8 ： 1 9 5 2 0 2 1 2 宫川璺章， 松村卓 郎， 小林 和夫， 等 钢 材腐食 加 岛再 j 、夕 IJ 中 酸素透遇性 梭封 E 1 1 9 8 9 ， 4 0 8 ： 1 1 1 - 1 2 0 【 1 3 H a w k i s F a t i g u e c o n s i d e r a t i o n s fo r o f f s h o r e c o n c r e t e s t ruc - t u r e s J Ma t e r i a u x l s a n d C o n s t r u c t i o n s ， 1 9 8 4 ( 9 7 ) ： 6 9 - 7 4 【 1 4 H a n S e u n g ， L e e ， T a k a f u m i N o g u c h i ， F u m i n o r i T o m o s a w a E - v a l u a t i o n o f t h e b o n d p r o p e r t i e s b e t w e e n c o n c r e t e a n d r e i n f o r c e me nt a s a f u n c t i o n o f t h e d e g r e e o f r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n I J J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 1 3 1 3 - 1 3 1 8 收 稿 日期 ： 2 01 5 0 6 2 0 作者简介 ： 王海超 ( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ， 教授 、 博士。 通讯地址 ： 青 岛市 前湾港路 5 7 9号 联 系电话 ： 1 5 2 5 3 2 8 8 0 1 7 E- ma i l ：h c h wa n g 6 0 3 11 6 3 c o m 一 5 9一 人 一 一