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    锈蚀钢筋混凝土的黏结性能及声发射信号特征分析.pdf

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    锈蚀钢筋混凝土的黏结性能及声发射信号特征分析.pdf

    2016年第4期 铁道建筑 Railway Engineering 139 文章编号10031995201604.0139.05 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541004;2.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004 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TU3l7 9 文献标识码A DOI10.3969/j.issn.10031995.2016.04.35 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20 mm的HRB335月牙纹钢筋, C30混凝土。混凝土采用42.5普通硅酸盐水泥,粗骨 料为最大粒径20 mm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28 d实测标准立方体抗压强度为 31.43 MPa。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NaC1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2015-1126;修回日期2016-0l-15 基金项目国家自然科学基金51268009;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 KH2011ZD007 作者简介王磊1977一,男,教授,博士。 1.2试件设计 试件为150 mm150 mm150 mm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30 mm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 zzzPsgiolePfrp 2016年第4期 5E 磊等锈蚀钢筋混凝土的黏结性能及声发射信号特征分析 141 0.02 0 0.O3 0.O6 0.47 O.5 0.52 0.57 1.76 2 1.98 2.04 4.21 4 4.10 4.32 5.04 6 5.67 6.47 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i1,2,,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 142 铁道建筑 5O 拿40 j 30 量2o 10 O 8 }6 耋 2 4 2 0 I Ⅱ I【 IV I .一 .一J L 一-L__ 2O 4O 6O 8O 1O0 12O 140 16O 180 200 时间,s 能量计数 粤 量 n。 一 咖I 镒 a试件2-3 一 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ ’JJ I|I-一|-一l-I1. _ ■I 20 40 60 80 100 l20 140 160 时间,s 能量计数 口 } 甚 __ 坷唧l 镒 fb]b试件4-3 一I Ⅱ Ⅲ Ⅳ - 一 I L一一J一~-JJ 一. 20 40 6O 8O IO0 12O I40 I6O l8O 200 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23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 ∞8O 乏70 4O 8 5O lOO 1 50 200 时间,s 能量累积计数 lO0 l10 l2O 1 30 140 150 160 170 180 l90 200 2l0 220 230 240 时间,s 图7试件23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20%,上升 时问分布在0~350 I.zs之间,持续时间分布在0~ 6 000 Ixs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90%,上升时间分布在0~1 200 txs之间,持续时 间则分布在0~9 000 Ixs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1 200 IXS,持续时间9 000 ItS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 2016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 l43 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]A1一SULAIMANI G J,KALEEMULLAH M。BASUNBUL I A. Influence of Corrosion and Cracking on Bond Behavior and Strength of Reinforced Concrete Members『J].Structural Jour. nal,1990,872220231. [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,2002,364352.356. [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,1997,18451 57. [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,2006,381221672170. [5]耿荣生.声发射技术发展现状学会成立20周年回顾 [J].无损检测,1998,206151 154. [6]SUZUKI T,OGATA H,TAKADA R,et a1.Use of Acoustic Emission and Xray Computed Tomography for Damage ua tion of Freezethawed Concrete『J].Construction and Building Materials,2010,24122347.2352. [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,2007. [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,1996,2641416. [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,19981218-20. Analysis on Bond Perance of Corroded Reinforced Concrete and Feature of Acoustic Emission Signals WANG Lei 一,XIA Hailong ,YI Jin ,FAN Lei 1.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving,Guilin Guangxi 541004,China; 2.College of Civil Engineering and Architecture,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004,China Abstract Steel bar corrosion has significant effects on the bond perance between the reinforcing steel bar and concrete.Pull。out tests combined with acoustic emissionAEdetection system were conducted for 5 groups of specimens wi出0,0.5%,2%,4%,6%corrosion rate.The aim of tests was to study the corroded reinforeed concrete damage process and the variation characteristics of AE signals.The results show that AE location can accurately reflect the position and level of concrete damage caused by steel bar corrosion from the accelerating steel bar corrosion test in laboratory.The AE energy of specimen decreases with the corrosion rate increasing.According to the characteristics of AE parameters,the AE signals can be divided into four stages which are corresponding to its bond。slip curve.By analyzing the chang law of AE parameters in the process of destruction,such as energy,signal amplitude,rise time and SO on,the results can clearly reflect the degradation process of specimen bond perance, and early forecast the failure of specimen to a certain extent. Keywords Corroded steel bar;Acoustic emissionAE;Bond perance;Test 责任审编 孟庆伶 zzzPsgiolePfrp

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