锈蚀钢筋应力_应变关系研究

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同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)
第 34 卷
面 ,再对另一排钢筋进行通电锈蚀 . 电流密度大小控 制在 100 μA・ mm - 2 左右 ,试验过程中定期检查并调 整通过钢筋的电流以确保其稳定 , 根据 Farady 定 律 ,通过控制通电时间初步控制钢筋的截面锈蚀率 , 以便能够获取不同锈蚀程度的钢筋试件 . 板中钢筋锈蚀到预定的锈蚀程度后 ,将其破型后 从中取出锈蚀钢筋. 由于钢筋伸出部位与混凝土接触 面锈蚀较其他部位严重 ,将钢筋两端伸出部分切除.
图2 外加电流加速锈蚀装置示意
Fig. 2 Experimental setup of accelerated corrosion test by impressing direct current
1. 2 拉伸试验
收集各组锈蚀钢筋 , 将其加工成 350 mm 左右 长的标准试件 ,并尽可能使试件锈蚀最严重部位位 于中间 . 用钢尺 ( 精确至 0. 5 mm ) 量取每根试件的 实际长度 ,用尼龙绳在钢筋的端部系好塑料标签 . 然 后用 12 %的盐酸溶液对锈蚀钢筋试件进行酸洗 ,经 清水漂洗后 , 用石灰水中和 , 最后再用清水冲洗干 净 ,放入干燥器 中 存 放 4 h. 用 电 子 天 平 ( 型 号 为 J A12002 ,精确至 0. 01 g) 称量未锈蚀钢筋和锈蚀钢 筋的质量 ,计算质量锈蚀率或平均截面锈蚀率 . 无对 比试件的锈蚀钢筋取公称质量作为对比分析 , 计算 平均截面锈蚀率 . 在 CSS - 44500 型电子万能试验机上对钢筋进
2 试验结果
2. 1 破坏形态
对于 A 组和 C 组 , 钢筋锈蚀后 , 大多断裂面整 齐 ,无颈缩现象 , 钢筋表现为脆性破坏 ; 对于 B 组 , 在所给钢筋等级条件下 , 锈蚀钢筋断裂面仍然有颈 缩现象 [ 1 ] . 2. 2 荷载 - 变形曲线 图 3 给出了三种不同途径获取的 6 组不同锈蚀 程度钢筋的荷载 - 变形关系曲线 ( 曲线旁数字为钢 筋的截面锈蚀率) . 外加电流加速锈蚀钢筋的试验结 果表明 : 随着锈蚀率的增加 ,钢筋的极限变形显著减 小 ,钢筋的后期变形能力下降 , 表现为脆性破坏 ; 对 于直径较大的变形钢筋其屈服平台有所缩短 , 但是 在图中对应锈蚀率范围内表现的不是太明显 , 对于 直径较小的光圆钢筋 , 锈蚀率超过 10 %以后 , 屈服 平台基本消失 ,参见图 3a ～c. 对于大气环境中自然 裸露锈蚀钢筋 ,随着锈蚀率的增大 ,钢筋的极限变形 减小 ,但是在图中对应的钢筋等级 、 直径及锈蚀率条 件下其屈服平台变化规律尚不明显 , 见图 3d. 从图 3e～f 可以看出 ,对于实际工程构件中取下的锈蚀钢 筋 ,随着锈蚀率的增大 , 钢筋的极限变形显著减小 , 屈服平台缩短 ,对于直径较小的光圆钢筋 ,锈蚀率在 10 %以上时 ,屈服平台即消失 .
断 . 将板放入塑料盆中 , 并在盆中放入水和食盐 , 配 置约 5 %的 NaCl 溶液 ,控制溶液水平面以不接触钢 筋为准 . 用电线将直流稳压稳流电源的正负极分别 与钢筋上焊接的电线及用作阴极的铜片相连 , 图 2 为外加电流加速锈蚀装置示意图 . 对于截面形式 I 的板 ,待一排钢筋锈蚀到预定程度后 ,将板翻至另一
钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性失效的主要 原因之一 . 正确认识钢筋锈蚀后力学性能的变化规
律 ,建立相应的应力 - 应变关系模型即本构模型是 混凝土结构耐久性评估 、 寿命预测及相应的计算机
收稿日期 : 2004 - 11 - 15 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50508028) ; 上海市工程建设标准化办公室资助项目 (200202104) 作者简介 : 张伟平 (1973 - ) ,男 ,浙江金华人 ,副教授 ,工学博士 . E2mail :zhwp621 @online. sh. cn
( 同济大学 建筑工程系 ,上海 200092)
摘要 : 从三种途径获取共 267 根锈蚀钢筋试件 ,其中 ,156 根试验室外加电流锈蚀钢筋试件 ,35 根大气环境自然裸 露锈蚀钢筋试件 ,76 根实际工程老构件中锈蚀钢筋试件 . 通过拉伸试验 ,研究了锈蚀钢筋力学性能变化规律 ,指出 随着锈蚀的发展 ,钢筋屈服强度 、 极限强度 、 极限应变均发生退化 , 屈服平台缩短直至消失 . 同时 , 收集国内外已有 锈蚀钢筋力学性能试验数据 ,建立了相应的数据库 ,经过统计 、 分析 、 比较后 ,得出了锈蚀钢筋弹性模量 、 屈服强度 、 极限强度 、 极限应变等力学性能特征值的回归公式和屈服平台消失时的临界截面锈蚀率 . 最后建立了不同环境条 件下锈蚀钢筋的应力 - 应变关系数学模型 . 关键词 : 锈蚀钢筋 ; 应力 - 应变关系 ; 特征值 ; 耐久性 ; 环境 中图分类号 : TU 375 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 374X ( 2006) 05 - 0586 - 07
试验从三种途径获取锈蚀钢筋试件 ,B 组取自 某停建工程置于大气环境中裸露锈蚀近 2 年的钢 筋 ,C 组从已有 50 余年历史的旧厂房外墙悬挑雨篷 混凝土板中获取 . A 组则通过试验室外加电流加速 锈蚀的方法获取 , 试验通过对混凝土板和梁中的钢 筋外加直流电 ,模拟实际工程混凝土中钢筋的锈蚀 . 1. 1. 1 A 组试件的设计及制作 制作 11 块钢筋混凝土板 , 将钢筋埋入板中 ( 共 计 84 根 ) , 板 的 尺 寸 为 400 mm ×350 mm ×100 mm ,图 1 为板的尺寸示意 . 板截面分 I , II 两种形 式 ,板端钢筋分别伸出 50 mm 以便接通电线 , 板的 具体材料设计见表 1. 板浇注前 , 在制作钢筋试件 时 ,每种型号的钢筋预留 3 根零锈蚀率试件作为对 比试件 ( 共计 21 根) ,试件长度为 400 mm. 同时 , 还 制作了 8 根钢筋混凝土梁 , 采用同样的方法对其钢 筋进行加速锈蚀 , 主要用作锈后钢筋混凝土梁受弯 性能试验研究 . 试验结束后 , 从梁剪跨段截取了 51 根锈蚀钢筋试件 .
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仿真分析的基础 . 国内外学者提出了不少关于锈蚀 钢筋屈服强度 、 极限强度 、 极限延伸率等力学性能的 退化模型 ,但锈蚀钢筋应力 - 应变关系模型尚未见 报道 [ 1 ] . 本文在此基础上 ,从三种途径获取 267 根锈 蚀钢筋试件进行拉伸试验 . 其中针对目前耐久性研 究中常用的加速锈蚀方法获取 156 根外加电流锈蚀 钢筋试件 ( A 组 ) ; 针对停建工程中预留钢筋的锈蚀 和绑扎浇注前堆放引起钢筋锈蚀的情况 , 获取大气 环境自然裸露锈蚀钢筋试件 35 根 (B 组) ; 针对实际 工程混凝土中钢筋的锈蚀情形 , 从实际老化构件中 获取锈蚀钢筋试件 76 根 ( C 组) . 然后结合已有试验 数据 ,建立相应的锈蚀钢筋力学性能试验数据库 ,最 终经统计 、 分析建立不同环境条件下锈蚀钢筋的应 力 - 应变关系 .
行拉伸试验 ,引伸计 ( 标距为 50 mm ) 尽量夹在钢筋 锈蚀最严重的部位 . 试验过程中数据采集系统自动 绘制钢筋的荷载 - 变形曲线 . 荷载出现下降趋势时 , 为防止引伸计被拉断 , 应摘下引伸计 . 试件拉断后 , 用游标卡尺 ( 精确至 0. 02 mm ) 量取标距范围内钢 筋的伸长量 ,计算极限延伸率 .
图3 钢筋荷载 - 变形曲线
Fig. 3 Load2deformation curves for steel bars
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4. 2 屈服强度和极限强度
3 应力 - 应变关系物理模型
根据上述试验结果 , 可以看出锈蚀后钢筋力学 性能发生了变化 . 随着锈蚀率增大 ,钢筋的极限变形 能力下降 ,屈服平台缩短直至消失 . 基于这一特征 , 本文提出图 4 所示的锈蚀钢筋应力 - 应变 (σ sc ε sc) 关系物理模型 . 当钢筋的锈蚀率较小 , 屈服平台 尚未消失时 , 取模型图 4a ; 当锈蚀率超过某一临界 点 ηs ,cr 时 , 强化应变 ε shc 退化到与屈服应变 ε syc 重 合 ,屈服平台消失 ,取模型图 4b. 根据试验结果获取 弹性模量 Esc 、 屈服强度 f yc 、 极限强度 f uc 、 强化应变 ε 极限应变 ε shc 、 suc 随着钢筋锈蚀率 η s 增大的变化规 律 ,就可以建立锈蚀钢筋应力 - 应变关系的数学模 型.
第34 卷第 5 期 2006 年 5 月
同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) JOURNAL OF TON G J I UN IV ERSITY(NA TURAL SCIENCE)
Vol. 34 No . 5 May 2006
锈蚀钢筋应力 - 应变关系研究
张伟平 ,商登峰 ,顾祥林
Stre ss2Strain Relationship of Corroded Steel Bars
Z HA N G W ei pi ng , S HA N G Dengf eng , GU Xiangli n
(Department of Building Engineering , Tongji Universit y , Shanghai 200092 ,China)
1 试验方法
1. 1 试件制作
1. 1. 2 A 组板中钢筋的加速锈蚀
板浇注完毕并且养护 28 d 后 , 拆下模板 , 在板 中每根外伸钢筋端部焊接螺丝钉 , 在螺丝钉上连接 约 200 mm 的电线 ,用环氧树脂包裹电线 、 螺丝钉及 其与钢筋的连接部位 , 以免通电锈蚀过程中连接部 位锈蚀导致电线与钢筋脱开 , 引起通电锈蚀过程中
Abstract : 267 corroded steel bars were obtained in t hree ways : 156 f rom labs corroded by impressing direct current to t hem ; 35 f rom aut doors corroded nakedly in t he nat ural environment ; 76 f rom old concrete component s in existing buildings. Through tensile test s , t he mechanical behaviors of t hese corroded steel bars were st udied. It was concluded t hat t he yield st rengt h , t he ultimate st rengt h and t he ultimate st rain of t he steel bars deteriorated , and t he yield plateau of t he steel bar became shorter or even disappeared wit h t he development of t he corrosion. In t he meantime , correlated data of corrod2 ed steel bars were acquired and corresponding database was set up . Based on statistic analysis of t he da2 ta , regression equations of t he characteristic values reflecting mechanical properties of corroded steel bars were established ,and an attempt was also made to const ruct t he mat hematical models of st ress2 st rain relationship for corroded steel bars in different environment conditions. Key words : corroded steel bar ; st ress2st rain relationship ; characteristic value ; durability ; environment condition