复合溶液作用下钢-混凝土组合梁性能退化规律研究.pdf

2023年4月江西建材试验与研究复合溶液作用下钢一混凝土组合梁性能退化规律研究陈晓松12,郑绪珺12,黄钢12,陈丽呈12,曾清花1,21.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建福州350100;2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州350100摘要：文中分析了钢一混凝土组合梁材料性能退化的影响因素，综合应用了量化的方法，从锈蚀、受力等方面研究退化规律，使规律变化情况能够形成对照，以期为类似工程提供参考。关键词：复合溶液；组合梁；性能退化；退化规律中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 90（2 0 2 3）0 4-0 0 43-0 3Study on the Degradation Law of Steel Concrete Composite BeamMaterials under the Action of Composite SolutionsChen Xiaosong2,Zheng Xujun 2,Huang Gang 2,Chen Licheng,Zeng Qinghua1.Fujian Provincial Institute of Building Science and Technology Co.Ltd.,Fuzhou,Fujian 350100;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology,Fuzhou,Fujian 350100Abstract:On the basis of clarifying the degradation factors of steel concrete composite beam materials under the action of compositesolutions,the article analyzes the degradation laws of steel concrete composite beam materials,and comprehensively uses quantitative methodsto obtain degradation laws from aspects such as corrosion and stress,so that the changes in the laws can be compared,and conclusions withuniversal degradation laws can be drawn,in order to provide reference for similar projects.Key words:Composite solution;Composite beams;Performance degradation;Degradation law0引言钢一混凝土组合梁采用钢筋和混凝土材料，会受到锈蚀作用的影响，引起材料性能方面的转变，使材料性能出现不利因素。组合梁材料性能退化规律采用试验分析的方式，需要结合实际工程情况对材料进行制备，采用符合工程案例的试块进行试验，有助于对锈蚀环境进行模拟，对组合梁材料的锈蚀受力情况进行检验，使组合梁力学性能分析具有实际意义。1材料与方法1.1腐蚀制度复合溶液是指含有腐蚀物质的溶液，通过复合溶液的制备，模拟钢一混凝土组合梁在特殊环境下的性能状态，对钢-混凝土组合梁的使用效果进行科学评估。本文为检验钢一混凝土组合梁的应用性能，采用干湿循环腐蚀制度，在科学制备的环境箱中模拟沿海地区气候。温度设置为40，48 h一个循环，采用人工浇淋，湿度控制在7 0%左右，本次试验应用的复合溶液为5%NaCl+10%Na2SO4。1.2试件制作以某建筑工程为例，建筑采用钢一混凝土组合梁作为主体结构，所处环境属于潮湿环境，容易受到复合溶液的侵蚀作用，导致组合梁材料的性能下降。基于上述条件，结合工程情况制作者简介：陈晓松（198 8-），男，福建泉州人，本科，工程师，主要研究方向为建筑材料。备试块，确保试块与组合梁环境因素相符，进而得出较为精准的试验数据。试块制备所用材料与该工程为同一批次，试块形状为立方体结构，规格为12 0 cm120cm120cm，便于对梁材料所处环境进行模拟，使结果与分析过程更具有真实性。以钢筋和混凝土作为原材料，采用标准条件下的2 8 d养护时间，确保梁材料凝结状态下具有良好的强度。养护结束后，在8 0 环境下烘2 4h，得到标准化的试块形式。钢-混凝土组合梁材料性能试验设置对照组和试验组，在标准环境及干湿腐蚀环境进行试验，对组合梁的强度情况进行分析，掌握性能退化的规律性。试验过程中，需要对钢筋的锈蚀、受力等情况进行综合分析，掌握钢筋锈蚀和梁受力变化情况，对组合梁材料的损伤程度进行记录，实现性能退化规律的全面掌控 。本次试验参照复合离子侵蚀试验的相关标准，以钢一混凝土组合梁为具体研究对象，开展相关研究。通过定量分析发现，试件表面氯离子浓度是重要的指标，随着时间的延长，其相对浓度逐渐变大。对于同一深度的氯离子浓度检验，可以反映试件在潮湿环境下的抵抗力。2结果分析2.1锈胀裂缝分布在复合溶液作用下，混凝土内部钢筋会出现锈蚀的情况，导致顺筋裂缝的产生，使钢筋对混凝土的承载力下降。钢-混凝土梁结构存在保护层，保护效果由保护层厚度决定，本次试验试样的保护层厚度为15 cm，保护层厚度存在明显不足的情44：2023年4月试验与研究江西建材况，将会造成钢筋的腐蚀现象，影响钢结构的使用寿命。锈胀裂缝是钢筋逐渐遭受侵蚀的结果，而且锈胀会对保护层造成破坏，锈蚀由钢筋向周围进行扩散，使得裂缝情况逐渐加剧。锈胀裂缝分布情况与腐蚀程度具有密切关系，在腐蚀程度较轻的情况下，锈胀裂缝较为显著的条数为1 2 条，其余以细小裂缝为主；在腐蚀程度较为严重时，锈胀裂缝以钢筋为中心呈现放射状分布，裂缝条数增加3 5 条，再加上细小裂缝的影响，容易造成钢筋脱离混凝土的情况，致使组合梁无法发挥作用。锈胀裂缝是锈蚀产物扩散的结果，在锈蚀介质的持续作用下，会造成锈蚀产物的外溢，在干湿交替的作用下，锈蚀产物将会掺和到混凝土内部，使顺筋裂缝的宽度持续增加，由细小裂缝向大裂缝进行转化，使锈蚀裂缝的分布更加显著 2 。2.2钢筋锈蚀率通过钢筋锈蚀率可对锈蚀情况进行量化分析，掌握不同位置钢筋的腐蚀规律。钢筋锈蚀率采用质量测量方式得到，通过质量损失确定钢筋的腐蚀程度，质量损失越大，说明钢筋的腐蚀情况越严重。钢筋腐蚀率计算公式如下。mo-m,n=100%(1)mo式中，n为钢筋腐蚀率（%），mo为钢筋腐蚀前质量（kg），ml为钢筋腐蚀后质量（kg）。钢筋腐蚀率分别在有荷载和无荷载的情况下展开测试，将钢筋分成8 段进行研究，对不同分段的锈蚀情况进行记录。有、无荷载状态下分别进行3组试验，每组试验钢筋长度均为100cm，每12.5 cm作为一个分段，在复合溶液作用下进行试验，得到钢筋腐蚀率试验结果，见表1。从表1数据可以看出，钢筋锈蚀率分布具有一定的规律性，主要规律特征如下。（1）有、无荷状态对钢筋腐蚀率影响不显著，荷载情况下，腐蚀影响基本可忽略，复合溶液是引起腐蚀的主要因素。（2）结合不同编号钢筋锈蚀影响情况，钢筋腐蚀情况具有先增加、后减小的趋势，腐蚀情况主要集中在3 6 段钢筋，说明中间段腐蚀程度高于两端。表1复合溶液下钢筋腐蚀率试验结果%荷载钢筋12345678情况编号nl2.452.372.673.513.823.042.15 2.52无荷#n21.681.982.26 3.453.39 2.982.19 2.06载n32.98 2.453.013.98 4.043.563.012.57y11.982.45 2.683.16 3.843.092.942.52有荷#y22.562.87 2.66 3.45 3.323.873.112.64载y33.072.943.564.864.62 4.033.563.122.3钢筋锈蚀形态在不同环境影响下，钢筋的锈蚀形态存在着一定的差异性，而组合梁内部钢筋存在着加速锈蚀的影响，加速锈蚀主要分为两种形式：（1）内掺加速锈蚀。主要受到腐蚀介质的影响，锈蚀产物为红褐色。（2）电化学加速锈蚀。在钢筋表面形成腐蚀产物，锈蚀产物颜色为黑褐色。不同锈蚀产物的膨胀率具有差别，锈蚀产物包括FeO、Fe203、Fe;0 4等，若锈蚀产物带有结晶水，锈蚀膨胀率将会显著增加。其中,Fe2OH,O的锈蚀膨胀率最大，腐蚀膨胀率将提升3倍以上，引起钢筋腐蚀形态发生急剧变化。钢筋锈蚀形态沿着圆周方向呈现不均匀状态，而且集中在临近保护层的一侧，钢筋内部的腐蚀作用将会减弱，对锈蚀形态变化具有一定的抑制作用 3。2.4梁底横向裂缝基于钢筋腐蚀率情况分析发现，横向裂缝处于腐蚀率最大值点，由中心向两侧进行扩散，梁底横向裂缝特征变得更加明显。梁底横向裂缝在有荷载状态下，以表1中钢筋腐蚀率参数为基础进行研究，钢筋编号y1、y 2、y 3均出现横向裂缝。梁底横向裂缝尺寸如下：y1长度2 4.5 cm，宽度3.5 mm；y 2 长度2 2.6 cm，宽度3.2 mm；y 3长度32.5 cm，宽度4.1mm。其中，y3的裂缝情况较为严重，裂缝的宽度及长度明显增加。由此可见，梁底横向腐蚀裂缝与钢筋锈蚀情况具有密切关系，钢筋锈蚀率越大，梁底横向裂缝产生的几率越大。2.5锈蚀梁加载破坏形态锈蚀梁需要对加载破坏形态进行分析，使梁结构处于弯曲破坏模式下，对裂缝的加载破坏过程进行观察，确定梁形态的变化情况。在锈蚀梁的作用下，钢筋将无法发挥延性效果，梁结构的承载力将受到一定程度的削弱，通过加载破坏试验可确定组合梁的抗弯能力，借助裂缝延展情况直观观察，将梁结构锈蚀影响进行具现化。在钢筋锈蚀程度较大的情况下，往往会引起剪切破坏的情况，组合梁在加载破坏下将会暴露出劣势，梁结构满足弯曲破坏条件的要求，进而造成裂缝的产生 4。2.6梁的扰度变化锈蚀梁需要对扰度情况进行分析，得到最大扰度时的位移和组合梁的扰度控制条件 5 。组合梁扰度分析需要具有对比条件，并且在无荷载、30%荷载、6 0%荷载情况下，得到对应梁的极限位移情况。复合溶液下钢一混凝土组合梁扰度情况见表2。当钢筋锈蚀率低于4%，极限位移在2 0 2 4mm之间；当钢筋锈蚀率为4%5%时，极限位移在2 4 2 6 mm之间；当钢筋锈蚀率超过5%时，极限位移在2 6 2 8 mm之间。通过这种方式，可以对扰度情况进行区间量化，借助极限位移情况进行精准分析，得到锈蚀情况的扰度影响范围。表2复合溶液下钢一混凝土组合梁扰度情况荷载情况梁编号平均锈蚀率/%极限位移/mmR1019.845对比梁R2019.642N12.2920.014无荷载N23.0121.241N34.9724.936B30-12.6822.64230%荷载B30-23.5123.827B30-35.1926.335B60-13.2423.99660%荷载B60-24.7525.868B60-35.1627.4712.7梁的极限承载力组合梁锈蚀情况将会影响到极限承载力，造成荷载情况发生转变，甚至会引起最大裂缝宽度的增加 6 。复合溶液下钢-混凝土组合梁承载力情况见表3。随着钢筋锈蚀程度的增加，组合梁的最大裂缝宽度将会增加，更容易受到极限荷载的作用，需要对极限荷载情况进行分析，实现钢筋混凝土承载情况的有效判断。极限荷载反映了组合梁的承载力情况，对极限承载力进行分析具有必要性，将承载力分析与锈蚀情况结合起来，判断对极限承载力影响的显著性，掌握钢筋锈蚀情况与荷载之间的关系，实现极限承载力情况的深度研究，得到更加精，45 行业资讯上接第42 页）2023年4月江西建材试验与研究准的承载力分析结果。表3复合溶液下钢混凝土组合梁承载力情况平均锈蚀最大裂缝梁编号极限荷载/kN荷载比值率1%宽度/mmR10059.3均值1.000R20061.160.2N12.290.4158.10.965N23.010.5758.20.967N34.970.8558.70.975B30-12.680.3959.90.995B30-23.510.6559.50.988B30-35.190.8957.80.960B60-13.243.2459.70.962B60-24.753.7558.40.970B60-35.165.1659.90.9953结语综上所述，复合溶液会引起组合梁材料出现锈蚀，导致材料的性能发生退化，使组合梁的使用寿命下降。随着锈蚀率的增加，将会导致组合梁裂缝的出现，不利于组合梁在强度方面环后，试件强度随赤泥替代量的增大呈现先升高后降低的现象。2 0%水泥质量被赤泥替代时，流动化回填材料的水稳定性最佳。（2）赤泥替代2 0%水泥质量时，碱激发作用和微粒填充作用有助于水泥更好地水化，从而致密孔隙，微观结构更加密实稳定，有利于回填地材料抗水侵蚀。参考文献【1朱瑜星，下怡，闵凡路，等，地铁盾构渣土改良为流动化土进行应用试验研究J】，土木工程学报，2 0 2 0，5 3（S1）：2 45-2 5 1.2平洋，李强，王强勋，等.渣土类建筑垃圾的资源化利用技术研究与应用J.建筑技术，2 0 2 3，5 4（2）：2 39-2 41.3魏建军，张金喜，韩丁丁，等。可控低强度回填材料的制备及其白鹤滩水电站取出长度36.7 4m混凝土岩芯近日，白鹤滩水电站大坝成功取出一根长度为36.7 4m的混凝土岩芯，再创大坝岩芯的世界新纪录。白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县交界的金沙江下游干流河段上，是三峡集团在金沙江下游投资建设的四座梯级电站中的第二个梯级。它是实施“西电东送”的国家重大工程，也是当今世界在建规模最大、综合技术难度最高的水电工程。白鹤滩水电站大坝坝高2 8 9m，浇筑混凝土达8 0 3万m，是的控制，并且引起钢筋快速锈蚀的情况。在锈蚀环境影响下，组合梁材料性能无法维持稳定状态，需要结合锈蚀及荷载情况进行分析，确定组合梁裂缝及承载条件，保障组合梁能够满足极限承载力要求。参考文献1际陈奕铭.钢混凝土组合梁桥负弯矩区高性能材料试验研究J：工程技术，2 0 2 3（2）：16 1-16 5.2马青.基于材料性能退化的钢筋混凝土梁桥承载能力评估D.绵阳：西南科技大学，2 0 2 2.3刘浪，张西东。材料劣化对钢混凝土组合梁桥焊缝疲劳性能的影响J.钢结构（中英文），2 0 2 2，37（6）：9-17.【4金大帅.考虑结构性能退化的钢混组合梁桥疲劳性能研究 J】.合肥工业大学学报（自然科学版），2 0 2 2，45（12）：16 7 0-16 7 6.5百薛文，陈驹，吴麟，等.栓钉锈蚀钢混凝土组合梁试验研究。建筑结构学报，2 0 13，34（1）：2 2 2-2 2 6.【6 金伟良，赵羽习，鄢飞.钢筋混凝土构件的均匀钢筋锈胀力的机理研究J.水利学报，2 0 0 1（7）：5 7-6 2.性能与工程适用性研究【J.混凝土与水泥制品，2 0 2 2（11）：93-97.4朱伟，赵笛，范惜辉，等.渣土改良为流动化回填土的应用【J。河海大学学报（自然科学版），2 0 2 1，49（2）：134-139.5陈思，时毅，张雅淇，等.赤泥部分替代水泥固化软土的可行性及机理研究【J.科技视界，2 0 2 3（1）：46-5 0.6 万成浩，杨腾宇，丁思尹.拜耳法赤泥基泡沫轻质土的力学性能及应用研究J.新型建筑材料，2 0 2 2，49（12）：5 1-5 6.【7】林嘉昇.拜耳法赤泥基泡沫轻质土配合比设计及在路基工程的应用研究D广州：广州大学，2 0 2 1.【8 董红军，陈忠平，刘琼，等.堆积型铝土矿赤泥混凝技术路用研究与应用J.轻金属，2 0 2 3（2）：15-2 1.整个水电工程的挡水建筑物。大坝混凝土浇筑质量是关乎“无缝大坝”建设的重中之重。混凝土取芯是检查大坝浇筑质量的重要方式，芯样长度是全面体现坝体混凝土精益管理成果的关键指标。本次混凝土芯样取自11号坝段，从坝顶高程8 33.5 m取至高程7 96.7 5 m，长36.7 4m，直径2 45 mm，穿越13个浇筑单元，12层水平施工缝面，7 3个浇筑坏层，2 5 层冷却水管，芯样整体表面光滑，结构密实，骨料分布均匀，胶结清晰完整。据介绍，这是继白鹤滩大坝2 0 19年取出2 5.7 m长芯，2 0 2 2年取出34.8 6 m长芯之后，连续三次实现自我超越，不断刷新世界纪录，代表了白鹤滩水电站大坝混凝土精品工程施工质量，实现了白鹤滩大坝为“无缝大坝”目标。来源：中国建材信息总网