锈蚀钢筋混凝土的黏结性能及声发射信号特征分析.pdf

2 0 1 6年第 4期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 1 39 文章 编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 1 3 9 0 5 锈蚀钢筋 混凝 土的黏 结性 能及声发射信 号特征分析 王 磊 ， 夏 海龙 ， 易 金 ， 范 蕾 ( 1 广西建筑新 能源 与节 能重 点实验室 ， 广西 桂林5 4 1 0 0 4 ； 2 桂林理工大学 土木与建筑工程学 院， 广西 桂林5 4 1 0 0 4 ) 摘 要 钢 筋锈 蚀 对钢 筋 与 混 凝 土 间的黏 结 性 能 影 响 显著 ， 通 过 对锈 蚀 率 分 别 为 0， 0 5 ， 2 ， 4 ， 6 的 5组试件的拉拔试验 ， 结合声发射检测 系统 ， 研究 了锈蚀钢筋混凝土的黏结破坏过程和声发射信 号特征 变化。试验结果表 明： 对于实验 室条件下的加速钢筋锈蚀试验， 采用声发射定位技 术可以准确地 反映钢 筋锈蚀造成混凝土损伤的位置和程度 ； 试件 声发射能量随着锈蚀率的增加而减小， 根据 声发射参 数的变化特征 ， 可将声发射信号划分为与黏结 滑移 曲线相对应的 4个阶段 ， 分析能量、 信号幅值、 上升 时间等声发射参数在破坏过程 中的变化规律 ， 能较清晰地反映试件黏结性能退化的过程 ， 一定程度上可 以较早 地预 测试 件 的破坏 。 关键词锈蚀钢筋 ； 声发射 ； 黏结性能； 试验 中图分类号T U 3 l 7 9 文献标识码A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 6 0 4 3 5 钢筋和混凝土两种材料能够共 同工作 、 共 同承受 荷载的前提条件是二者之间具有 良好 的黏结性能， 黏 结性能的退化和失效必然导致钢筋混凝土结构力学性 能 的 降低 。由各 种外 界 因 素 引发 的钢 筋 锈 蚀 问题 ， 对 钢筋和混凝土之间黏结性能影 响显著 ， 其影响通常可 以归结为钢筋表面形状及材性改变与混凝土约束条件 变化两个主要方面。多 因素叠加使得锈蚀钢筋与混凝 土之 间黏结特性分析 的困难大增 ， 而 目前 的研究大多 是从宏观力学性能来分析锈蚀钢筋混凝土界面问黏结 退化 问题 。 ， 缺少 对 钢筋 锈 蚀 发 生 ， 裂缝 的产 生 与 扩 展 ， 以及构件受力黏结破 坏的过程研究。对锈蚀钢筋 与混凝土界面间黏结退化过程依然缺乏完整而清晰的 了解 。声发射技术是近年来被人们广泛利用的一种无 损检测技术 ， 具有可实时动态监测、 迅速准确定位损伤 部位等优 点 ， 是一种颇具前景 的监测技术 。本 文 采用声发射无损检测技术监测拉拔破坏 的全过程 ， 对 不 同锈蚀率 的钢筋混凝土试件的黏结性能开展试验研 究 ， 研究结果对钢筋混凝 土间黏结理论和实际工程 的 分 析应 用具 有一 定意 义 。 1 试验 1 1 试 验材 料 试验采用直径为 2 0 mm的 H R B 3 3 5月牙纹钢筋 ， C 3 0混凝 土 。混凝 土采 用 4 2 5普 通 硅酸 盐水 泥 ， 粗 骨 料 为最 大粒 径 2 0 m m 的石灰 石 碎石 ， 并 在 浇 筑 混凝 土 前清洗干净 ， 细骨料用细度模数为 2 5的普通天然河 砂 。混 凝 土 2 8 d实 测 标 准 立 方 体 抗 压 强 度 为 3 1 4 3 M P a 。为了在加速锈蚀试验 中增加混凝土 的导 电能力 ， 本试验采用 5 的 N a C 1 溶液作 为拌 合用水 ， 混凝土制备配合 比见表 1 。 表 1混凝土配合 比设计 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 1 1 2 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 6 - 0 l - 1 5 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 1 2 6 8 0 0 9 ) ； 广西高校优秀 中青年 骨干教 师培 养 工 程 ； 广 西 矿 冶 与 环 境 科 学 实 验 室 中 心 项 目 ( KH 2 0 1 1 Z D 0 0 7 ) 作者简介 ： 王磊 ( 1 9 7 7 一) ， 男 ， 教授 ， 博士 。 1 2 试 件设 计 试件为 1 5 0 m m1 5 0 m m1 5 0 m m混凝土立方体 中心埋置钢筋的拉拔试件 ， 为保证试验时钢筋与实际 结构 中钢筋的应力状态相近， 在钢筋 与混凝土接触的 两端用长度为 3 0 m m 的塑科套 管将二者隔离作为无 黏结段。试件浇筑完毕后 1 d拆模 ， 标准条件下 养护 zzzPsgiolePfrp zzzPsgiolePfrpzzzPsgiolePfrp 2 0 1 6年第 4期 5 E 磊等 ： 锈蚀钢筋混凝土的黏结性能及声发射信号特征分析 1 4 1 0 02 0 0 O 3 0 O 6 0 47 O 5 0 5 2 0 57 1 76 2 1 98 2 04 4 21 4 41 0 4 32 5 0 4 6 5 6 7 6 4 7 注 ； -1 - 为极限黏结应力 ， 即试件平均黏结应力 的最大值 ； s 为与极 限黏 结应力相对 应 的加 载端滑 移量 ； 为第 i 组 3个试件 的 极 限黏结应 力平 均值 ( i =1 ， 2 ， ， 5 ) ； n 为 l 。 ， 即第 i 组 与锈蚀率 0 的试件组 的极 限黏结应力平均值之 比。 加界面处 的摩擦 系数并增 强混凝土对钢筋 的约束 作 用 ， 使得 黏结 性能 略有 提高 。 如图4 、 图 5所示 ， 钢筋拉拔试验过程 的黏结一 滑移 曲线可分 为微 滑移段 、 滑 移段 、 劈裂 段 、 下 降残余 段 4个 阶段 ， 且随着锈蚀率的增加 ， 加载端滑移量不断减 少 ， 钢筋拔 出所 需 的荷 载也显 著减 小 ， 由于试 件 的破 坏 均为劈裂破坏 ， 黏结应力达到极限后迅速下降 ， 试件破 坏较 为 突然 。 图 4 黏结一 滑移 曲线 图 5 滑移量与锈蚀率 的关 系曲线 为 更好 地分 析研究 锈 蚀钢 筋与 混凝 土间 的黏结 退 化过程 ， 以及拉拔试验的破坏过程， 采用声发射测试过 程中获取的累积参数 和变化率参数这两个声发射 信 号 ， 结合黏结一 滑移曲线特征以及试验现象进行综合分 析。如图 6所示 ， 声发射能量计数有 2个峰值 ， 且钢筋 与混凝土黏结破坏时产生的声发射信号较为连续 ， 根 据声发射信号 的变化特点 ， 将整个加载过程划分为与 黏 结一 滑移 曲线 相对 应 的 4个 阶段 。 1 ) 微滑移段 ： 刚开始加载， 加载力较小 ， 黏结滑移 尚未到达 自由端端部， 黏结力 主要为化学胶着力 。而 此时声发射信号较活跃 ， 可能是来源于试件受压面上 混凝土颗粒被挤碎 ， 以及试验设备在受力后 刚度调整 而产生的非黏结滑移特征的干扰信号。 2 ) 滑移段 ： 加 载端 附近界面开始产生局部脱 黏， 钢筋 自由端开始出现滑移 ， 化学胶着力逐渐丧失 ， 黏结 力主要为摩擦力和机械咬合力。此阶段声发射信号的 变化很小， 声发射释能率较低 ， 可 以推断出 昆 凝土内部 的微裂缝在缓慢发展 ， 信号主要来源于黏结界面处的 斜裂 缝 和钢筋 变形 肋处 被压 碎 的混凝 土 以及 混 凝土表 面 的微 裂缝或 原有 锈胀 裂缝 的缓慢 增 大 。 3 ) 劈裂段 ： 混凝土表面开始 出现微裂缝或原有的 锈胀裂缝从加载端 向自由端快速扩展 ， 黏结界面出现 较大的斜裂缝 ， 且变形钢筋横肋前的混凝土被压碎， 声 发射释能率迅速增大 ， 最终试件劈裂破坏 ， 声发射释能 率突然达到峰值 ， 也进一步地说 明钢筋和混凝土间的 坏 坏坏 坏 坏 坏 坏坏 坏 坏坏 坏 坏 坏坏 破 破 破 破 破 破 破 破 破 破 破 破 破 破 破 裂 裂裂 裂 裂 裂 裂裂 裂 裂裂 裂 裂 裂裂 劈 劈 劈劈 劈 劈 劈 劈 劈 劈 劈 劈 劈 劈 劈 L m 7 8 2 0 6 9 l 8 2 9 0 5 8 6 4 3 3 6 8 2 5 3 O 7 1 5 3 8 9 3 2 O 4 9 5 7 3 1 4 3 L& n & 3 4 2 5 4 5 1 4 1 8 7 O 0 8 3 0 1 2 9 4 1 4 l 1 8 1 1 5 5 O 铝 鼹 如 n 2 3 5 5 9 2 5 3 O 4 5 9 9 7 1 0 7 5 9 2 4 9 9 1 l 5 9 2 4 3 l 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 l 2 3 卜卜卜 zzzPsgiolePfrp 1 4 2 铁道建筑 5O 拿4 0 j 3 0 量2 o 1 0 O 8 6 耋 2 4 2 0 I I 【 I V I 一 一J L 一-L _ _ 2 O 4 O 6 O 8 O 1 O 0 1 2 O 1 4 0 1 6 O 1 8 0 2 0 0 时 间， s 能量计数 粤 量 n。 一 咖I 镒 ( a ) 试件 2 - 3 一 I J J I |I- 一 |-一 l-I1 _ I 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 l 2 0 1 4 0 1 6 0 时间， s 能量计数 口 甚 _ 坷 唧 l 镒 f b b 试件 4 - 3 一I - 一 I L 一 一J 一- J J 一 2 0 4 0 6 O 8 O I O 0 1 2 O I 4 0 I 6 O l 8 O 2 0 0 时间 s 能量计数 ( c ) 试件 5 - 2 图 6 声发射能量计数及 累积计数 黏结破坏属于典型的脆性破坏。 4 ) 下降残余 段 ： 试件在平 均黏结 应力达 到峰值 后 ， 承载能力迅速下降 ， 试件突然出现较大贯穿裂缝。 加载端滑移值到一定程度后 ， 黏结应力不再持续下降 ， 逐渐平稳 。这个阶段声发射能量信号相对较微弱 ， 主 要来 源 于钢 筋和 混凝 土之 间 的摩擦 。 由以上 分析 可知 ， 根 据 声 发 射 累 积参 数 和变 化 率 参数 的变化特征 ， 能较准确直观地推断出试 件在拉拔 试验 中内部 变形 和微 裂缝 的产 生 、 发 展 、 扩展 直 至最终 丧失 承载 能力 破坏 的全过程 。 对比图 6中不 同锈蚀率试件 的声发射能量 累积计 数还可发现 ， 试件声发射 能量 随着锈蚀率的增加而减 小。这与锈胀裂缝发展及钢筋与混凝土的黏结作用削 弱有 关 。 本文试验中， 通过对声发射振铃计数累积变化 的 观察还可发现 ， 在试件加载过程中， 振铃计数累积变化 和能量累积在走势上十分相近。这可以解释为声发射 振 铃计数 本 质上 是 由声发 射 能量决 定 的 。 此外 ， 由试件 2 3加载过程中声发射信号幅值的变 化( 如图 7 ) 可发现 ， 随着加载力的增加 ， 声发射信号 幅 9O 8 O 乏 7 0 4O 8 5 O l O O 1 5 0 2 0 0 时间， s 能量累积计数 l O 0 l 1 0 l 2 O 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 l 9 0 2 0 0 2 l 0 2 2 0 2 3 0 2 4 0 时间， s 图 7试 件 2 3声 发射 信 号 幅值 的变 化 度有增大 的趋 势 ， 在极 限黏 结应 力 处 幅度 达 到最 大值 。 综上可知 ， 声发射各个特征参数之间有着密切 的联系， 通过对其研究， 可以较早地预测试件破坏的发生。 2 3声发 射上 升信 号和 持续信 号 的分布特 征 试 验 显示 ： 当加 载 到 极 限黏 结 应 力 的 2 0 ， 上 升 时 问分 布 在 03 5 0 Iz s之 间 ， 持 续 时 间 分 布 在 0 6 0 0 0 Ix s 之 间 ， 这 个 阶段 主要 是 由? 昆 凝 土受 力 塑 性 变 形以及产生微裂缝发出的信号 ； 当加载到极限黏结应 力的 9 0 ， 上升时间分布在 01 2 0 0 tx s 之 间， 持续 时 间则分布在 0 9 0 0 0 Ix s之间， 声发射信号 主要来源 于 混凝 土 的开 裂 ； 当加 载达 到极 限黏结 强度 后 ， 出现 了 上升时间 1 2 0 0 IX S ， 持续时间 9 0 0 0 I t S的信号 ， 信 号主要是由钢筋脱黏后整体滑移和外围混凝土产生摩 擦引起的 ， 即为临近破坏的预警信号 。因此可知， 混凝 8 6 4 2 O 一 鲁 g _【 ) 、 蚓 8 6 4 2 O 一 E 。 H) 删镒 zzzPsgiolePfrp 2 0 1 6年第 4期 王 磊 等 ： 锈蚀钢筋混凝土 的黏结性 能及声发 射信 号特征分析 l 4 3 土 和钢筋 界 面 问摩 擦产 生 的声发 射信 号 的上升 时 间和 持续时间相对较大； 而由混凝土开裂和塑性变形产生 的声发射信号 的上升时间和持续 时间相对较小 ， 且较 为集 中。 3 结 论 1 ) 对 于实 验 室条 件下 的加 速钢 筋 锈蚀 试 验 ， 采用 声发射定位技术可以准确地反映钢筋锈蚀造成混凝土 损 伤 的位置 和程 度 。但对 于锈 蚀过 程漫 长 的实 际工程 应 用仍 需进 一步 研究 。 2 ) 根据声发射 累积参数 和变化率参数 的变化特 征 ， 能 较准确 地 推断 出 试件 在 拉 拔 试 验 中内部 微 裂 缝 的产生 、 发展 、 扩展直至最终丧失承载能力破坏的全过 程 ， 且试 件声 发射 能量 随着 锈蚀 率 的增加 而减 小 。 3 ) 声发射 的累积参数 、 变化率参数 、 振铃变化率 、 信号幅值等各个特征参数之间有着密切 的联系 ， 通过 对 其研究 ， 可 以较 早地 预测 试件 破坏 的发 生 。 4 ) 混凝土和钢筋界面问摩擦产生 的声发 射信号 的上 升 时间 和持续 时 间 相对 较 大 ； 而 由混 凝 土 开 裂 和 塑性变形产生的声发射信号的上升时间和持续时间相 对 较 小 ， 且 较 为集 中 。 参 考 文 献 1 A 1 一 S U L A I MA N I G J ， K A L E E MU L L A H M。 B A S U N B U L I A I nflu e n c e o f Co r r o s i o n a n d Cr a c k i n g o n Bo n d Be ha v i o r a n d S t r e n g t h o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e Me mb e r s J S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 0 ， 8 7 ( 2 ) ： 2 2 0 2 3 1 2 赵羽习 ， 金伟 良 锈蚀 钢筋 与混 凝 土粘结 性 能的 试验研 究 J 浙江大学学报 ( 工学版 ) ， 2 0 0 2 ， 3 6 ( 4 ) ： 3 5 2 3 5 6 3 袁迎曙 ， 余 索 锈蚀钢筋混凝土梁 的结构性 能退化 J 建筑 结构学报 ， 1 9 9 7 ， 1 8 ( 4 ) ： 5 1 5 7 4 何世钦 ， 贡金 鑫 钢筋混凝土梁 中锈蚀钢筋粘结性能 的试 验 研究 【 J 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 1 2 ) ： 2 1 6 7 2 1 7 0 5 耿荣生 声发 射技 术 发展 现 状 学会 成 立 2 0周 年 回顾 J 无损 检测 ， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 6 ) ： 1 5 1 1 5 4 6 S U Z U K I T ， O G A T A H， T A K A D A R， e t a 1 U s e o f A c o u s t i c Emi s s i o n a nd X r a y Co mpu t e d T o mo g r a ph y f o r Da ma g e Ev a l u a t i o n o f F r e e z e t h a we d C o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 0， 2 4( 1 2)： 2 3 4 7 2 3 5 2 7 欧阳利军 基于声 发射技术 的锈蚀 钢筋混凝 土构 件粘结 性 能研究 D 南宁 ： 广西大学 ， 2 0 0 7 8 王林科 ， 陶峰 ， 王庆霖 ， 等 锈后钢筋混凝土粘结锚固的试验 研究 J 工业建筑 ， 1 9 9 6 ， 2 6 ( 4 ) ： 1 4 1 6 9 黄振 国， 李健 美 受腐蚀钢筋砼 材料基本性 能与受弯构件 的 试验研究 J 建筑结构 ， 1 9 9 8 ( 1 2 ) ： 1 8 - 2 0 An a l y s i s o n Bo n d Pe r f o r ma n c e o f Co r r o d e d Re i n f o r c e d Co n c r e t e a n d Fe a t ur e o f Ac o u s t i c Emi s s i o n S i g n a l s WANG Le i 一， XI A Ha i l o n g ， YI J i n ， FAN L e i ( 1 Gu a n g x i Ke y L a b o r a t o r y o f N e w E n e r g y a n d Bu i l d i n g E n e r g y S a v i n g， Gu i l i n Gu a n g x i 5 4 1 0 0 4， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e， Gu i l i n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Gu i l i n Gu a n g x i 5 4 1 0 0 4， C h i n a ) Ab s t r a c t S t e e l ba r c o r r o s i o n h a s s i g ni f i c a nt e f f e c t s o n t h e b o nd pe r f o r m a nc e be t we e n the r e i nf o r c i ng s t e e l ba r a n d c o n c r e t e P u l l 。 o u t t e s t s c o mb i n e d w i th a c o u s ti c e mi s s i o n( A E)d e t e c ti o n s y s t e m we r e c o n d u c t e d f o r 5 g r o u p s o f s pe c i me n s wi 出 0， 0 5 ， 2 ， 4 ， 6c o r r os i o n r a t e The a i m of t e s t s wa s t o s t ud y th e c o r r o d e d r e i nfor e e d c o nc r e t e da m a g e pr o c e s s a nd t he va r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f AE s i gn a l s The r e s u l t s s ho w tha t AE l o c a t i o n c a n a c c ur a t e l y r e f l e c t the po s i t i o n a n d l e ve l o f c o nc r e t e da m a g e c a us e d b y s t e e l ba r c o r r os i o n f r o m the a c c e l e r a t i ng s t e e l b a r c or r os i o n t e s t i n l a bo r a t o r y The AE e ne r g y o f s p e c i m e n d e c r e a s e s wi th the c or r os i o n r a t e in c r e a s in g Ac c o r d ing t o the c ha r a c t e r i s t i c s o f AE p a r a m e t e r s， th e AE s i gn a l s c a n be d i v i d e d i nt o f o u r s t a g e s whi c h a r e c o rre s po nd i n g t o i t s b on d。 s l i p c u r v e By a n a l yz ing the c ha ng l a w o f AE p a r a m e t e r s i n the p r oc e s s of d e s t r uc t i o n， s uc h a s e ne r gy ， s i gn a l a mp l i t ud e， r i s e t i m e a nd S O o n， th e r e s ul t s c a n c l e a r l y r e f l e c t the d e gr a d a tio n p r o c e s s of s pe c i m e n bo n d pe r f o r ma nc e， a n d e a r l y f o r e c a s t th e f a i l ur e o f s p e c i m e n t o a c e r t a in e xt e nt Ke y w o r d s Co r r o d e d s t e e l b a r ； Ac o u s ti c e mi s s i o n ( A E) ； B o n d p e r f o r ma n c e ； T e s t ( 责任审编 孟庆伶) zzzPsgiolePfrp