腐蚀钢绞线与水泥浆粘结性能的退化规律

毛燕红,张建清,沈磊

(1.江苏建筑职业技术学院 建筑工程技术学院,江苏 徐州 221116;2.九州职业技术学院 土木工程系,江苏 徐州 221116;3.江苏九洲投资集团房产开发有限公司,江苏 常州 213000)

腐蚀钢绞线与水泥浆粘结性能的退化规律

毛燕红1,张建清2,沈磊3

(1.江苏建筑职业技术学院 建筑工程技术学院,江苏 徐州 221116;2.九州职业技术学院 土木工程系,江苏 徐州 221116;3.江苏九洲投资集团房产开发有限公司,江苏 常州 213000)

为了探讨腐蚀后钢绞线与水泥浆的粘结问题,以氯盐侵蚀环境为背景,研究了腐蚀钢绞线与水泥浆的粘结性能退化.通过试验观察到了腐蚀钢绞线与水泥净浆的腐蚀特征.通过分析试验数据得到了不同裂缝宽度的粘结滑移曲线和试件的粘结性能参数,显示试件的极限粘结强度与其腐蚀程度并没有明显的退化关系,腐蚀钢绞线与水泥浆试件的极限粘结滑移量和残余粘结滑移量随着腐蚀程度的增加均呈现下降趋势,但二者并不具有明显的线性关系.

钢绞线;水泥浆;腐蚀;粘结;退化

目前,对于钢筋混凝土的腐蚀粘结性能的研究 工作已经展开,且已经取得了一定的研究结果[1-2],混凝土中的钢筋腐蚀后,钢筋与混凝土之间的粘结性能发生了很大变化.对于预应力结构的耐久性,如钢绞线的腐蚀、坑蚀效应和力学性能等研究[3-4]已经取得了一些成果.然而,在后张预应力结构中,直接接触钢绞线的不是混凝土,而是水泥浆.水泥净浆与混凝土的特性有很大的区别,已有学者研究了钢绞线在水泥浆环境下的破坏形态[5].虽然,在后张预应力结构中,预应力的获得是靠钢绞线端部的锚固实现的,但钢绞线腐蚀后,其腐蚀产物对水泥浆的影响以及其与钢绞线的粘结是一个值得探讨的问题.

1 试验研究方案

本文借鉴了文献[6]的研究成果,设计了短粘结试件,进行了加速腐蚀和拉拔试验.

1.1 试件设计

本试验分两组,1组试件无腐蚀,另1组试件掺盐8%进行腐蚀.掺盐试件分别按不同时长和腐蚀程度进行试件编号与个数统计,见表1.试件设计如图1所示.

表1 钢绞线与水泥浆粘结试件Tab.1 Bond specimens of steel strands and cement slurry

图1 钢绞线与水泥浆粘结试件Fig.1 Bond specimens of steel strands and cement slurry

1.2 加速腐蚀方案

本试验采用通电腐蚀的方法进行钢绞线腐蚀,试件养护至规定龄期后,在拟锈蚀钢筋端部焊接导线与电源相连,将试件置于预先注入浓度为10%的NaCl溶液水槽中,将预应力筋与直流稳压稳流电源正极连接,把连接电源负极的铜片置于水槽中,对预应力钢绞线进行锈蚀.当腐蚀锈涨裂缝达到预定的宽度时停止通电,进行拉拔试验.

1.3 加载装置与测试内容

借助自制的拉拔夹持系统在电液伺服试验机上进行拉拔.试验装置如图2所示.为获得钢筋与混凝土之间的相对粘结滑移位移,分别在钢筋自由端、混凝土块体下端面以及钢筋拉拔端适当部位架设位移传感器,其中拉拔端的位移传感器架设在特制的位移传动夹条上.试验数据由自动数据采集系统采集记录.全部加载过程采用位移控制方式,以获得粘结滑移全曲线,加载制度为1 mm/min.

图2 试验装置Fig.2 Test unit

2 试验现象及分析

2.1 腐蚀特征

试件经过拉拔试验后破形,观察试件内钢筋的腐蚀特征,发现有两个特征较为明显：

1)环向腐蚀特征.在本试验中,各钢筋均显示了明显的内外侧腐蚀的不均匀性,面向保护层一侧钢筋腐蚀较严重,而背向保护层一侧的钢筋腐蚀不明显.

2)箍筋腐蚀程度较纵筋严重.破形后发现箍筋的腐蚀程度较纵筋大,有的箍筋甚至出现断筋现象.

2.2 锈涨裂缝的发展规律

试件通电后,首先出现了沿箍筋方向的裂缝,当裂缝发展到箍筋与纵筋交接处时,会出现向纵筋方向的约45°裂缝.当裂缝发展到0.6 mm左右时,试块出现了掉角现象.腐蚀钢绞线与水泥浆粘结试样的典型裂缝如图3所示.

图3 腐蚀钢绞线与水泥浆粘结试样的典型裂缝Fig.3 Typical crack of bond specimens of corroded steel strands and cement slurry

产生这种现象的原因是：水泥在煅烧熟料时,由于受到生产条件的限制,熟料中或多或少地存在着一些残留氧化钙.这种游离氧化钙经过高温煅烧,结构比较致密,性质不够活泼,在常温下与水反应速度慢.已经硬化的水泥石中,如果游离氧化钙还在缓慢地与水作用生成氢氧化钙,同时伴随着体积膨胀,就会使硬化了的水泥石体积变化不均匀,发生扭曲或裂纹,严重时还会崩裂.

试件中如果有腐蚀锈胀的钢绞线,极易产生裂缝.箍筋位于纵向钢筋的外侧,其保护层厚度小于纵向钢筋,所以先腐蚀开裂.但是,由于纵筋有一定程度的腐蚀,再加上水泥石本身抗拉强度较低,因此,裂缝不会仅沿箍筋方向开裂,而是在箍筋与纵筋交接的地方产生裂缝,且裂缝沿45°方向.

2.3 拉拔试验中混凝土的劈裂

在拉拔试验中,当拔出力从0增加到最大值时,无锈胀裂缝的试样开始出现沿纵筋方向的劈裂裂缝并不断加宽.有锈胀裂缝的试样其原来的锈胀裂缝宽度也开始明显增大.出现劈裂现象的原因是,当钢筋外围钢筋与混凝土接触面上的胶着力破坏后,钢筋对与之齿合的混凝土产生了垂直于肋的斜向张力,该力的径向分力便可引起混凝土的劈裂.

3 粘结滑移曲线

选取锈蚀程度不同的试件,根据实测钢绞线与水泥浆的各个阶段的粘结应力和粘结延性进行汇总和分析.其中,平均粘结应力系按钢绞线的公称直径计算得到的名义值,按下式计算：

式中：σ为平均粘结应力,MPa;F为拉拔力,N.

试件的平均粘结应力-粘结滑移曲线如图4所示.

图4 钢绞线与水泥浆粘结试样的粘结滑移曲线Fig.4 Bond-slip curves of bond specimens of steel strands and cement slurry

4 基于裂缝宽度的粘结滑移特征参数退化规律

根据上述粘结滑移曲线,可以用极限粘结强度、极限粘结滑移、初残余粘结滑移等3个粘结特征参数来反映粘结滑移曲线特征.各试件的粘结特征参数见表2.

表2腐蚀钢绞线与水泥浆粘结试件的粘结特征参数Tab.2 Bond characteristic parameters of bond specimens of corroded steel strands and cement slurry

为了更好地分析各个试样的粘结特征参数,以无腐蚀试样的特征参数为基准,将各腐蚀试样的各特征参数随锈胀裂缝宽度增大而变化的规律,以散点图的形式予以表示,并通过数据拟合建立有关预计模型,各试样粘结特征参数退化规律如图5所示.

图5 粘结特征参数与裂缝宽度的关系Fig.5 Relationship between bond characteristic parameters and crack width

由以上散点图可以看出,水泥浆试件的极限粘结强度与其腐蚀程度并没有明显的退化关系.由理论分析可知,随着钢筋腐蚀程度的增加,与水泥石之间的粘结必然呈现退化趋势.由于水泥浆液稳定性差、易沉淀析水、凝结时间长.因此,水泥浆受施工影响较混凝土大.且在人工腐蚀、拉拔试验过程中,由于受搬运、磕碰等影响,导致其强度值较为分散.腐蚀钢绞线与水泥浆试件的极限粘结滑移量和残余粘结滑移量,随着腐蚀程度的增加均呈现下降趋势,但二者并不具有明显的线性关系.

5 结论

通电腐蚀方式获取腐蚀钢绞线与水泥浆的粘结试件,通过观察实验现象,拉拔试验得到了如下结论：

1)腐蚀钢绞线与水泥浆粘结的腐蚀特征是环向腐蚀的钢绞线,内外侧腐蚀不均匀.箍筋腐蚀程度较纵筋严重.

2)在加速腐蚀过程中,试件首先出现了沿箍筋方向的裂缝,当裂缝发展到箍筋与纵筋交接处时,出现向纵筋方向约45°的裂缝,当裂缝宽度发展到0.6 mm左右时,试块出现了掉角现象.

3)根据钢绞线与水泥浆的粘结滑移曲线,得到了基于裂缝宽度的粘结滑移特征参数退化规律.

试件的极限粘结强度与其腐蚀程度并没有明显的退化关系,是因为水泥浆液稳定性差、易沉淀析水、凝结时间长,受施工等影响较混凝土大,其强度值较为分散.腐蚀钢绞线与水泥浆试件的极限粘结滑移量和残余粘结滑移量随着腐蚀程度的增加呈现下降趋势,但二者并不具有明显的线性关系.

[1] 张誉,蒋利学,张伟平,等.混凝土结构耐久性概论[M].上海：上海科学技术出版社,2003.

[2] 梁岩,罗小勇,肖小琼,等.锈蚀钢筋混凝土粘结滑移性能试验研究[J].工业建筑,2012,42(10)：95-100.

[3] 李富民,袁迎曙.氯盐腐蚀钢绞线蚀坑几何尺寸的分布特征[J].煤炭学报,2011,36(11)：1826-1831.

[4] 杜毛毛,苏小卒,赵勇.配500 MPa钢筋后张有粘结预应力混凝土梁受弯性能研究[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版,2009,25(2)：211-216.

[5] 劳红锋,苏小卒.钢筋及钢绞线粘结滑移性能研究[J].江西科学,2011,29(6)：771-775.

[6] 李富民,袁迎曙.氯盐环境下混凝土内钢绞线的锈蚀特性试验研究[J].铁道科学与工程学报,2006,3(4)：23-28.

Degradation rule of bond behavior between corroded steel strands and cement slurry

MAO Yan-hong1,ZHANG Jian-qing2,SHEN Lei3
(1.School of Architectural Technology,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.Department of Civil Engineering,Jiuzhou College of Vocation and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;3.Jiangsu Jiuzhou Investment Group Real Estate Development Co.,Ltd,Changzhou,Jiangsu 213000,China)

In order to discuss the bond problems after corrosion,this paper studies degradation of bond behavior between corroded steel strands and cement slurry based on the background of chlorine salt environment.Through experiments,we get bond characteristics of corroded steel strands and cement slurry.Through analyzing the test data,we get bond-slip curves of specimens of different crack width and their bond behavior parameters.Results show that there is no obvious degradation relationship between the ultimate bond strength of specimens and their corrosion degree,ultimate bond-slip volume and residual bond-slip volume of corroded steel strands and cement slurry specimens both present a downward trend with the increase of corrosion degree,but they have not obvious linear relation.

steel strands;cement slurry;corrosion;bond;degradation

TU 58

A

2095-3550(2014)01-0026-04

2013-10-22

住房和城乡建设部软科学研究项目 (2012-k2-35)

毛燕红,女,江苏徐州人,讲师.

E-mail：12673857@qq.com

(责任编辑：陶红林)