盐雾腐蚀混凝土后对其抗剪性能的影响分析.pdf

2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 1 ( To r n l No．25 7) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 0 7 盐雾腐蚀混凝土后对其抗剪性能的影响分析 阎西康 ，魏志敏 ，丁其元 ( 河北工业大学 土木工程学院，天津 3 0 0 1 3 2 ) 摘要： 滨海地区氯离子对混凝土结构 的侵蚀主要以海边 的水蒸气为媒介进行 。 根据模拟 海边环境下盐雾腐蚀试验 ， 主要研究 氯离子腐 蚀混凝土后对其抗剪性能的影响， 为正确评估钢筋混凝土结构在滨海环境中的耐久性和制定相关混凝土结构的耐久性设计规程提供依据。 关键词： 盐雾；混凝土结构；氯离子；侵蚀； 力学性能 中图分类号 ： T U5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 — 0 0 2 1 — 0 4 An al y s i s of t he i n f l ue nc e of s a l t f og c or r o sion c onc r e t e s h ea r pe r f or ma nc e Y ANX／ 一 k a n g ， WE I Z h i — mi n ， D I NGOi - y u a n ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， He b e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 1 3 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e me d i u m o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s e r o s i o n i s ma i n l y c oa s t a l r e g i o n s o f c h l o rin e i o n i n s e a wa t e r va p o r ． Ac c o r d i n g t o t h e s i mu l a t i o n e n — v i r o n me n t t o ma k i n g s a l t f o g c o r r o s i o n t e s t ， wh i c h t h e ma i n r e s e a r c h c h l o r i n e i o n i n c o n c r e t e c o r r o s io n a ft e r the s h e a r p r o pe r t i e s ．wh i c h wi l l p r o v i d e s u g g e s t i o n s f o r e v a l u a t ing t h e d u r a b i l i ty o f t h e s t r u c t u r e s i n c o a s t a l e n v i r o n me n t a n d wo r k i n g o u t r e l a t e d d u r a bi l i ty c o d e s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e ． Ke y wor ds ： s a l t f o g； c o n c r e t e s t r u c t u r e； c h l o r i d e i o n； c o rro s i o n； me c h a n i c a l p r o p e rti e s 0 引言 根据 GB 5 0 0 1 0 --2 0 0 2 ( 混凝土结构设计规范》 中混凝土结 构环境类别 的有关规定 ， 滨海地 区室外环境属于三类环境 ， 而海 水环境属于 四类环境。 在这两 种环境下 ， 由于海水 的蒸发 ， 潮湿 的大气中夹带着大量的电离态氯离子[ Ij 。 氯离子会随着海风、 海 雾等各种方式吸附到建筑物的混凝土表面， 并通过扩散作用进 入 到混凝 土内部 ， 导致结构过早失效 ， 这也是 氯盐腐蚀最主要 的方式。目前， 国内外学者对混凝土结构的氯盐腐蚀已经有了一 定的成果。 但是这些成果几乎都是基于混凝土处于盐水浸泡并 进行干湿交替状态下的研究得到的， 与很多处于含盐较高的大 气环境中的混凝土结构并不相符合。 在一些工程实例表明了此 类问题的研究具有重要性。 例如江苏省井神盐业有限公司某制 盐车间提前拆除， 经过调查发现引起此次事故的主要原因就是 由于环境 中所含氯盐渗透到混凝土 内部而造成腐蚀破坏f2 ] 。 本研究采用盐雾模拟手段， 在实验室中模拟出实际工程在 2 O年中由于盐雾中的氯离子在混凝土中的扩散而产生的影响。 为正确评估钢筋混凝 土结 构在滨海大气 环境 中的耐久性 和指 导生产实践提供依据。 1试 验 概 况 1 ． 1 试验 方案 本试验采用加速腐蚀的方法， 通过分析沿海岸空气中的氯 离子浓度确定盐水的浓度， 用盐雾腐蚀箱对试验梁进行腐蚀， 用 4个周期共 2 4 0 d的时间模拟现实当中 2 O年左右的氯离子对 混凝土结构的腐蚀。 之后， 对遭受腐蚀的试验梁进行静力荷载试 验， 通过对数据的分析来找到盐雾腐蚀对试验梁抗剪承载力的 收稿 日期 ：2 O 1 0 一 1 0 一 I 6 影响。 本次试验共设计 1 0根试验梁 ， 其截面尺寸为 1 0 0 i n r fl x 1 2 0 m l Y l 。 共分为 5组， 每组梁的强度分别为 C 2 0 、 C 2 5 两种。 其 类型如下 ： 梁型A： 纵筋 2 +1 4 ， 架立筋 6 ， 混凝土强度为 C 2 0 ， 混凝土 保护层厚度为 1 5 n l n l ， 箍筋间距为 1 5 0 I n to。 梁型B： 纵筋 2 +1 4 ， 架立筋 6 ， 混凝土强度为 C 2 5 ， 混凝土 保护层厚度为 1 5 l a i n ， 箍筋间距为 1 5 0 ml r l 。 在构件制作时， 用每根梁相同的混凝土制作 3 块 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx l O 0 mi l l 的立方体试块。 将这些试块与试验梁在相同条 件相同周期下养护和腐蚀， 腐蚀完成之后和此组梁类似在压力 机上进行试验 ， 用来测对应梁的抗压强度。 1 ． 2 试验材料 混凝土采用天津滨海汉拿混凝土有限公司的预拌混凝土， 浇筑试验梁的混凝土经过天津市塘沽区滨海建筑工程质量检 测中心的检测 ， 质量合格。 采用的钢筋取自于唐山钢铁股份有限公司 2 0 0 8年 5月 3 号售出的 3 Y 2 0 0 8 0 9 1 8 0 0 1 6 产品， 各项力学新能测试皆满足。 1 ． 3 腐蚀 方 案 盐雾腐蚀同样分为4个周期， 每个周期6 0 d 。 试验时把试块 4种试块放入盐雾腐蚀箱中， 采用问断喷雾的方式， 以3 0mi n时 为一个小周期， 喷雾 1 0 mi n间歇2 0 mi n用来以保持盐雾箱内的 盐雾浓度稳定在一个范围内。 参考沿海地区的年平均气温， 将试 验时试验箱的的温度设定为 2 O℃。 此次试验以距离海岸线 1 0 0 m的氯离子浓度为基准模拟在 现实海边盐雾环境下被腐蚀 2 0年的混凝土结构， 参考文献[ 2 】 距 21 离海岸 1 0 0 m的氯离子浓度的年月平均值为 1 0 ． 8 5 6 ( c m。 d ) ， 实际工程中 2 O 年中每立方厘米的氯离子含量为氯离子的总含量 为7 9 2 4 8 ． 8 t x g ， 腐蚀箱的尺寸为 1 3 0 c mx 8 5 c mx 1 0 0 c m， 每天工作 8 h ， 每个小时喷雾 2 0 rai n ， 每天喷出8 L盐水， 一个周期 2 O个T作 日相当于实际工程中5 年的时间， 4个周期相当于2 0 年， 计算得 到盐水的浓度为 5 ．5 ％。 梁在腐蚀箱内的摆放位置 ， 如图 l 所示。 表 1 不 同腐蚀时间梁的编号 图 1 试件在腐蚀箱内的摆放 1 ． 4 加 载方 法 本次试验在河北工业大学结构实验室进行。 试验 梁剪 支在 混凝土支座上 。 采用液压式千斤顶进行加载。 通过剪支在试验梁 上的分配梁作用形成对称两点 的集 中加载装置。 试验 的加载采 用三分点方式加载 ， 具体加载方式如图 2 所示实图如 3 所示。 1 分配梁 I “ U 试验梁 图 2 集中力加载试验装置示图 图 3现 场 加载 试 验 图 2 试验现 象 2 ． 1 斜裂缝的出现与斜向开裂 钢筋应变片的位置如网 4所示 。 根据上述加载方案作 出的 试 验梁荷载一 箍筋应变曲线 ， 如图 5所示。 加荷初期 ， 试验梁处于弹性T作阶段 ， 梁表 面对 比梁 L M— A 0 在 加载的过程中 ， 当荷载加到 1 0 k N之后 ， 首先在梁底 会出现 出现一些 列垂直的竖向裂缝 ， 裂缝的初始高度大约在 1 5 mm左 右， 宽度在 0 ．0 4 i l l r n 左右。 此时荷载为极限荷载的 1 9 ％。 继续下 一 级加载时支座附近处 出现三条斜裂缝并开始发展 ， 竖向裂缝 2 2 l I ／f、＼ ＼ } △ 4 4 。 5 35 3 0 1 0 5 图 4试验梁应变 片位置 0 1 00 0 2 000 3 00 0 4000 ￡／ 1 0一 图 5 试验梁 B 2的荷载一 钢筋应变片曲线 也开始发展 。 随着加载 的持续斜裂缝 向上呈 4 5 。 向加载点附近 发展。 斜裂缝出现之前其竖向裂缝的产生和发展与正截面受弯 产生裂缝的特点相似 ， 主要 区别是在斜裂缝出现之后。 梁的裂缝 分布如图 6所示。 一 } 一F ⋯ — F — 。 ， 撇 蒜 驾 1 1 0 0 J 图 6试验梁 B 2的裂缝分布图 2 ． 2 斜裂缝 出现后 梁的工作状况 实 际上斜 向裂缝 出现 的位置 以及 时 间具有不 确定性 ， 一 般有 两种 ： 一种是直接在 梁的腹剪部位 出现并 延伸 ； 一 种是在 梁底 出现 的竖 向裂缝的基础上开始出现。 两种 出现的斜裂缝大 多成 4 5 度并 向加载点附近延伸发展 。 本次试验中当加载至极限 荷 载的 3 0 ％～ 5 0 ％时 ， 各 梁都会 出现一 些斜裂 缝 ， 集 中荷载 下 梁裂缝 出现之 后便会 向支座处 延伸 ， 其宽度为 0 ． 0 3 m i n左右 ， 长度 在 3 5 ～ 9 0 i r lI n之间 。 继续加 载时 钢筋 的微应 变达 到 0 ． 0 2 钢筋屈服 。 当加载值接近极 限荷载 时斜裂缝进入不稳定状态 ， 向下向 支座附近处发展 ， 向上 向加载点延伸 ， 形成剪压 区， 以前 出现 的 裂缝其长度稳定但是其宽度增大 ， 剪压区的混凝土在剪应力和 压应力的共同作用下达到受力极限强度 ， 梁承载力丧失 ， 出现 破坏形态后发生破坏。 3 承载能力极 限状 态分析 3 ． 1 极 限荷 载 试验过程中记录了梁的斜截面极限荷载的实测值 尸 u ， 指 的是结构 已经达到或超过承载力极限状态时 的承载力 ， 与正截 面受弯极限荷载的测定相似， 通过文献[ 3 】 可以认为出现以下 4 种 情况之一 时即认定试验梁遭到破坏此时的荷载 即为极 限荷载。 当结构构件受力情况为受剪时， 其标志如下： ①斜裂缝端 毒 部受压区混凝土剪压破坏 ； ②沿斜截面混凝土斜向受压破坏 ； ③沿斜截面撕裂形成斜拉破坏； ④箍筋或弯起钢筋与斜裂缝交 会处的斜裂缝宽度达到 1 ． 5 m l ／ 1 。 本次试验的极限荷载实测值 如表 2 、 图 7 所示。 表 2 试验梁的极 限荷载 k N 期 腐蚀周期 图 7 试验梁的极限抗弯承载 力图 从表 2 ， 图 7可以看出梁的极限荷载值都是先缓慢上升在 腐蚀第一、 第二周期左右时达到其最大值， 之后开始下降。 水灰比 大的A型梁其下降的趋势大于水灰比小的B型梁。 3 ． 2 遭受腐蚀的混凝土梁抗剪承载力公式推导 文献【 4 ] 根据对集中荷载作用下 6 2 8根钢筋混凝土无腹筋 梁和 2 4 7根仅配置箍筋的钢筋混凝土梁的受剪承载力试验数 据分析得到在未受腐蚀的钢筋混凝土梁中的混凝土和箍筋两 部分分别承担的剪力计算公式为： c = 堕 兰 6 ‰ ( 1 ) ‘ ‘ n [ 、 ( 0 ． 1 8 + 0 _ 3 5 A ) 监‰ ( 2 ) 式中： p 一钢筋混凝土梁的、 配箍率； s ——钢筋混凝土梁的箍筋间距； 、A ——分别为箍筋的抗拉强度和同一截面内截面面积。 假如腐蚀之后仅仅是混凝土的抗拉强度、 箍筋的抗拉强度 发生变化 ， 而上文中提到的因为箍筋的存在而使得混凝土剪压 区所承受的剪力值变大的部分没有变化的话， 那么腐蚀之后的 受剪承载率计算公式可以表达为： b h o + ( O ． 1 8 + 0 ． 3 5 A ) h 。 ( 3 ) 式中： ——受腐蚀混凝土的抗拉强度； ．， = 卜一 受腐蚀箍筋的抗拉强度。 文献[ 5 ] 表明， 虽然钢筋上会出现少许锈蚀状态但是当锈蚀 率在 1 ％以下时可以忽略。 当其截面面积损失在 1 ％～ 5 ％之间且 均匀锈蚀 时其抗 拉强度 、 屈服强度仍可考虑 与原来相 同， 对结 构计算影响也不是很大。 但是当锈蚀率到达 5 ％～ 1 0 ％其强度才 会有明显降低。 f y ~ f3 ( 值与箍筋的锈蚀率有关， 根据文献【 6 】 得到 的计算公式如下： = ( 1 -1 ． 0 7 7 r ／ s ( 4) 式中： _箍筋的锈蚀率。 将根据式( 3 ) 计算得到的L M— A的 同实际 的值代入表3 。 表 3中， 叩 。 为受腐蚀的表面积与钢筋表总面积的比值， ／ 计 实际上就是 y即梁受剪承载力的折减系数。 将 ， ， 与 腐蚀天数描点作图得到图8 。 将此曲线进行多项式拟合得到一 个与腐蚀天数有关的二次多项式即： y -= 一 2 x 1 0 n + O ． 0 0 3 6 n + 1 ．4 8 5 7 ( 5 ) 式中： ， 一本次试验腐蚀的时间， d 。 表 3 抗剪承载力的试验值与计算值 在 0 - 1 6 0 之间， 按照换算本公式中的 1 d等于实际工程中 的 4 5 d 。 将上述公式用于B， 见图 8 ， 通过对比试验结果发现具有较 好的精度 ， 所以此公式在一定程度上可运用于腐蚀情况下钢筋 混凝土梁的实际受剪承载力的评估和计算。 腐蚀 天数 ， d 图 8 折减系数与腐蚀天数的曲线图 腐 蚀天数 ／ d 图 9 B的折减 系数公式推倒值与实际值 的对 比 所以腐蚀混凝土梁遭受腐蚀之后其梁的抗剪承载力计算 模型是 ： 实际= yl ， ： ( 业 b h o+ ( O ．1 8 + 0 ．3 5 a ) ] ( 6 ) 4结论 ( 1 ) 遭受盐雾状态下中所含氯离子腐蚀之后的梁的受剪特 征与普通混凝土受剪梁相同。 此类梁的受剪承载力仍可以按照 GB 5 0 0 1 0 -- - - 2 0 0 2规定的公式进行计算。 ( 2 ) 水灰比大的混凝土梁在遭受氯离子腐蚀之后其抗剪性 能变化 幅度大于水灰 比小的。 ( 3 ) 遭受氯离子腐蚀之后的梁的抗剪承载力可用下述公式 表 达， 即 ： V 实际： 7 [ b h o+ ( O _l 8 + o ．3 5 A ) 。 】 2 3 1 ，：一 2x1 0 。n +O ． 0 03 6n +1 ． 4 85 7 参考文献 ： f 1 】ME I R A A G R， A N DR A D E B M C ．Me a s u r e m e n t s a n d mo d e l l i n g o f ma r i n e s a l t t r a n s p o r t a t i o n a n d d e p o s i t i o n i n a t r o p i c a l e g i o n i n B r a z i l 团．A t mo s p — h e r i c E n v i r o n me n t ， 2 0 0 6 ( 4 0 ) ： 5 5 9 6 — 5 6 0 7 ． f 2 1 游劲秋， 胥瑞芳， 孟祥森， 等． 临海盐雾区域侵入型混凝土保护剂的 性能研究f J 1 ．化学建材， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 4 5 — 4 9 ． 3 G B 5 0 l 5 2 —9 2 ， 混凝土结构试验方法标准【 s 】 ． 北京： 中国建筑工业出 版 社， 1 9 9 2 ． f 4 】 李风兰． 钢筋钢纤维混凝土梁斜截面承载力计算方法的研究【 D ] ．大 上接第 2 O页 在滑移 ， 并且 当钢纤维 与混凝土间的黏结强度不 高时 ， 钢纤维 会被拔出而不是拉断， 而在有限元模型中要想精确地模拟出钢 纤维与混凝土问的黏结滑移非常困难。 由于模型中没有考虑钢纤 维与混 凝土间的黏结与滑移 ， 因此有限元分 析所得 的转角要小 于试验所得 的转角 ， 而且 随着变形的增加误差越来越大 。 此外 ， 随着荷载的增加 、 变形 的增 大以及裂缝的开展 ， 程序收敛变得 越来越 困难 ， 因此有限元分析并不能完整的反映整个 受力过程 ， 尤其是荷载一 位移曲线的下降段 ， 但是有 限元分析基本上能够反 映结构 的承载力状 况。 由以上分析可以看出， 本文介绍的钢纤维混凝土有限元分 析方法 能够较好 的分析钢纤维混凝土结构混凝土的应力 、 钢筋 应力 、 裂缝分布 、 变形性能及 承载力等 ， 且具有较高的精度。 4结论 ( 1 ) 钢纤维的对结构 的影响可以通 过修正混凝土 的本构关 系、 单元等效力筋法及整体等效力筋法来实现， 其中单元等效 力筋法可模拟钢纤维与混凝土间的黏结与滑移， 但计算量大且 程序不易收敛。 ( 2 ) 对 自由扭转作用下梁在有 限元模型施加位移约束时可 只固定两端截面的中心点， 这样既保证梁不产生刚体位移， 又能 保证梁能够自由扭转变形 ， 符合实际的变形情况。 ( 3 ) 采用本文确定的有限元分析方法所得的混凝土及钢筋 的应力分 布、 裂缝分布状况及荷载位移 曲线与试 验结果较接近 ， 精度较高。 参考文献 ： [ 1 】 葛涛， 谭可可， 唐廷 ， 等 冈 纤维水泥基复合材料力学性能试验[ J 】 _ 混 凝土 ， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 6 2 — 6 4 ． f 2 】 张宏战， 黄承逵． 钢筋钢纤维高强混凝土箍筋梁的剪切变形与延性 研究f J 1 l 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 2 7 — 3 0 ． [ 3 ]邱继生， 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o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b e a ms wi t h f i b e r r e i n f o r c e —。 me n t [ J ] ． C e m e n t &C o n c r e t e C o mp o s i t e s 。 2 0 0 2 ( 2 4 ) ： 2 2 9 — 2 4 1 ． 【 8 1 徐礼华， 池寅， 李荣渝， 等． 钢纤维混凝土深梁非线性有限元分析在 A N S Y S 中的实现l J 1 ．岩土力学， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 2 9 ) ： 2 5 7 7 — 2 5 8 2 ． 【 9 ]蒋玉川 ， 徐双武， 黄陆海 网 纤维混凝土叠合梁非线性有限元分析及 破坏过程的计算机仿真『 J 1 ．四川大学学报： 工程科学版， 2 0 1 0 ： 4 2 ( 1 ) ： 8 0 — 8 6 ． [ 1 0 1 万文乾， 龙源， 纪冲， 等．钢纤维混凝土抗冲击性能的数值模拟研究Ⅲ． 南京理工大学学报， 2 0 0 7 ， 3 I ( 1 ) ： 4 7 — 5 0 ． [ 1 l 1 严少华， 钱七虎 ， 孙伟， 等 冈 纤维高强混凝土单轴压缩下应力应变 关系『 J I ．东南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 2 ) ： 7 7 — 8 0 ． f 1 2 ] F A E L L A D A， N A AMA N A E ．S t r e s s - s t r a i n p r o p e r t i e s o f fi b e r r e i n - f o r c e d mo r t a r o n c o m p r e s s i o n [ J ] ．AC I J o u r n a l ， 1 9 8 5 ， 8 2 ( 4 ) ： 4 7 5 — 4 8 3 ． f 1 3 ] MA N S U R 矾 A， C HI N M S ， WE E T H．S t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f h i g h - s t r e n gth fi b e r c o n c r e t e i n c o m p r e s s i o n [ J ] J o u rnal o f ma t e r i a l i n c i v i l e n g i n e e ri n g， 1 99 9： 21 —2 9． 【 1 4 ] H S U L S ， HS U T ． S t r e s s s t r a i n b e h a v i o r o f s t e e l - fi b e r h i g h - s t mn gt h c o n — c r e t e u n d e r c o mp r e s s i o n [ J] ．A C I S t r u c t u r e J o u r n a l ， 1 9 9 4 ， 9 1 ( 4 ) ： 4 4 8 - 4 5 7 ． I 1 5 ] NA R A YA N A N R， A r a m S a n a Ka r e e m- P a l a n j i a n ．T o r s i o n i n b e a ms r e - i n f o r e e d w i t h b a r s a n d f i b e r s [J ] d o u rua l o f S t r u c t u r e E n g i n e e ri n g ， A S C E， 1 9 8 6 ． 1 1 2 ( 1 ) ： 5 3 — 6 7 ． 作者简介 联 系地址 联系电话 邱继生( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 讲师， 博士研究生， 主要从事钢纤维混 凝土结构方面的研究。 陕西省西安市雁塔中路 5 8号 西安科技大学建工学院 ( 7 1 0 0 5 4 ) l 3 31 9 2 5 9 8 6 2 叠 重 匿 翻 2 0 1 1 年中 央3 5 0 亿 元投向 廉租 房建 设 按照今年保障性住房建设目标任务 ， 为加快廉租住房建设 ， 近 日， 国家发展改革委会同住房城乡建设部下达 2 0 1 1 年中央预算 内投资计划 3 5 0 亿元， 用于支持地方新建廉租住房 ， 解决城镇低收人家庭的住房困难问题。 国家发展改革委、 住房城乡建设部要求， 各地方要积极落实廉租住房建设资金， 确保地方政府资金及时足额到位， 切实加强项 目建设和资金管理， 严格落实项目法人责任制、 招标投标制、 合同管理制、 工程监理制 ， 加强对工程质量 、 建设进度和资金使用的监 督检查， 确保项目尽快建成。 24