凍融與銹蝕耦合作用下的預應力損失試驗研究

陳瑞明，向陽開*，顏鑫，梁路

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶　400074；2.四川省交通運輸廳公路規劃勘測設計研究院重慶分院，重慶　401331)

?

凍融與銹蝕耦合作用下的預應力損失試驗研究

陳瑞明1，向陽開1*，顏鑫2，梁路1

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶400074；2.四川省交通運輸廳公路規劃勘測設計研究院重慶分院，重慶401331)

摘要：對預應力混凝土梁進行25、50、75次快速凍融循環試驗和對預應力梁鋼絞線進行銹蝕時間為3、6、9 d的電化學快速銹蝕試驗以及二者的耦合試驗。研究預應力混凝土梁在凍融循環、鋼絞線銹蝕和二者耦合作用下預應力損失的規律，并建立預應力構件的有效預應力與凍融循環次數、銹蝕率的關系式。研究結果表明，對預應力構件預應力損失影響最大的是預應力構件鋼絞線的銹蝕，其次是預應力構件的凍融循環,且預應力構件的凍融循環和鋼絞線銹蝕的耦合對預應力構件造成的預應力損失遠大于預應力構件在凍融循環或鋼絞線銹蝕單一作用下造成的預應力損失之和。

關鍵詞：預應力混凝土；凍融循環；鋼絞線銹蝕；預應力損失；模型

在我國一些高濕度和高原地區，由于寒冷且空氣濕度較大，鋼筋混凝土結構經常會遭受凍融循環和鋼筋銹蝕的嚴重侵蝕，造成不少建筑物出現混凝土脫落、鋼筋裸露和銹蝕等現象，使得相當一部分建筑物的正常使用極限狀態和承載能力極限狀態大幅度降低、性能嚴重劣化,甚至不得不提前退役[1-3]，尤其是處在山區的預應力混凝土橋梁[4-7]。有關預應力混凝土構件在凍融循環和鋼絞線銹蝕作用的研究已經取得了一些科研成果[8-19]。但是，這些科研成果大多數是在凍融循環或鋼絞線銹蝕單一因素作用下進行的研究，且凍融循環試驗都是將混凝土構件浸泡在水中進行的，不能體現鋼筋混凝土結構的實際環境，而且，在實驗室進行浸泡式凍融循環試驗，不易操作尺寸較大的預應力混凝土構件。預應力結構在凍融循環和鋼絞線銹蝕耦合作用下的研究基本還是空白。本文進行凍融循環和鋼絞線銹蝕耦合作用下預應力混凝土構件試驗，并研究預應力的損失規律。

1試驗

1.1試件設計

每組制備3個無粘結預應力混凝土梁試件，試件配置分組見表1，試件采用的外形尺寸和配筋形式見圖1?；炷猎O計強度等級為C50，選用PO42.5R普通硅酸鹽水泥;洞庭湖黃砂，細度模數2.5；石子粒徑為5～16 mm，級配良好。所用混凝土為普通混凝土，不摻加任何外加劑，混凝土設計的質量配合比為：m(水泥)：m(水)：m(砂)：m(石)=1：0.401：1.040：1.932。普通受力鋼筋采用HRB400，預應力鋼筋采用Φ15.2 mm的1860級鋼絞線，箍筋采用HPB300級光圓鋼筋，直徑為6.5 mm。試驗梁的張拉控制應力σcon均為0.65 fptk( fptk為鋼絞線的標準極限強度， fptk=1 209 MPa)。表2為試驗用材料基本性能。

表1　試驗梁配置分組

a)截面尺寸　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)配筋圖圖1　梁截面尺寸及配筋圖

fcu/MPafy/MPaA6.5C8As15.259.53104111300

1.2試驗方法和試驗裝置

1.2.1快速銹蝕試驗

預應力構件鋼絞線銹蝕采用直流電加速銹蝕法，利用法拉第定律[20]，通過銹蝕率、電流和通電時間之間的關系控制預應力鋼絞線的銹蝕量。將預應力構件浸泡于質量濃度為5%的NaCl電解液槽中，電解液會從預應力構件兩端的錨固端縫隙進入預應力梁內與鋼絞線接觸，待浸泡24 h后開始通電銹蝕，確保電解液與鋼絞線充分接觸以保證銹蝕效果。銹蝕電源采用恒定直流電源，預應力鋼筋與電源正極相連，作為陽極；不銹鋼板與電源負極相連，與電解液形成回路，利用電解池原理使鋼絞線快速銹蝕，見圖2。

a)電化學銹蝕示意圖　　　　　　　　　　　　b)預應力梁銹蝕過程圖2　電解池原理圖

1.2.2凍融循環試驗

圖3　每次凍融循環時間示意圖

預應力混凝土構件的凍融循環試驗采用高低溫濕熱試驗箱。為了保證構件各表面都處于均勻的溫度場中，將提前焊接好的鋼筋盒子骨架放置于高低溫試驗箱內，試驗開始時，直接將構件放于鋼筋盒子骨架上進行試驗。凍融試驗開始前，將試件浸泡于溫度為15～20 ℃的水中4～5 d，液面高出試件表面2 cm左右。浸泡完成后，取出試件，為了避免構件孔隙內水分的快速蒸發，立即把試件放置于高低溫濕熱試驗箱內的鋼筋骨架上開始凍融循環試驗。試驗凍融循環時間采用文獻[21]中抗凍性能試驗的“快凍法”進行。每次凍融循環用時4 h，見圖3。

2試驗結果分析

2.1試驗結果

無粘結預應力構件通過凍融循環試驗和鋼絞線的銹蝕試驗以及二者的耦合試驗，混凝土和鋼絞線遭受到了不同程度的損傷，這必然會導致預應力構件不同程度的預應力損失。試驗后，構件預應力的損失會經歷一個相對緩慢的過程，為了監測到預應力真實的損失情況，將預應力構件在試驗后靜置60 d，待構件預應力達到一個穩定的狀態再進行數據的記錄和統計。試驗結果見表3。

表3　試驗結果

2.2凍融循環與鋼絞線銹蝕對預應力的影響

試驗采用凍融循環試驗與鋼絞線銹蝕試驗以及二者的耦合試驗。凍融循環次數分別為25、50和75次；銹蝕天數分別為3、6、9 d。對應的銹蝕率分別為4.36%、8.72%和13.08%。具體試件配置見表1。圖4為構件在各試驗條件下預應力的變化。

a)不同銹蝕時間下預應力損失　　　　　　　　　　　　　b)不同銹蝕時間下有效預應力

c)不同凍融循環次數下預應力損失　　　　　　　　　　　　d)不同凍融次數下有效預應力圖4　預應力變化情況

序號構件編號預應力損失/MPa1X3D00X0D2537132X6D00X0D5094373X9D00X0D7517271

從圖4可以看出，預應力構件隨著凍融循環次數的增加，預應力逐漸減小，預應力損失越來越大，幾種不同銹蝕率的預應力構件同樣具有這一規律，即相同銹蝕率的預應力構件的預應力損失隨凍融循環次數的增加而增加。同時，預應力構件的預應力也隨鋼絞線銹蝕率的增加而減少，說明鋼絞線銹蝕引起鋼絞線應力松弛，且銹蝕時間為3、6和9 d引起的預應力損失分別遠大于凍融循環次數為25次(4 d)、50次(8 d)和75次(12 d)，見表4，因此鋼絞線銹蝕對預應力構件造成的預應力損失遠大于凍融循環。此外，預應力構件在凍融循環和鋼絞線銹蝕耦合作用下產生的鋼絞線預應力損失遠大于預應力構件在與耦合條件相對應的僅凍融循環次數和僅鋼絞線銹蝕率單一作用下產生的鋼絞線預應力損失之和，見表5。

表5　耦合條件與單一因素之和的預應力損失對比

3鋼絞線預應力損失模型

一般而言，計算公式的建立應注重準確性和簡便實用兩個方面，通過試驗數據的回歸分析，采用Origin8.6數據處理軟件進行數據的多項式擬合，分別得到預應力構件的預應力與凍融循環次數的函數關系為

PN=1 209+0.38N-0.03N2，

(1)

式中：PN為預應力構件在凍融循環單獨作用下的有效預應力；N為凍融循環次數。

式(1)中相關系數R2=0.99。

預應力構件的預應力與銹蝕率的函數關系為

PS=1 209-6.1S-0.54S2，

(2)

式中：PS為預應力構件在鋼絞線銹蝕單獨作用下的有效預應力；S為銹蝕率。

式(2)中R2=1。

預應力變化與凍融循環次數和銹蝕率二者的函數關系為：

Py=1209+0.38N-6.1S-0.02N2-0.64S2+0.02N·S，

(3)

式中：Py為預應力構件在凍融循環與鋼絞線銹蝕耦合作用下的有效預應力。

式(3)中R2=0.98。

4結論

1)影響混凝土耐久性的因素很多，其中影響最大的2個因素是凍融循環和鋼絞線銹蝕。試驗研究表明，對預應力構件預應力損失影響最大的是預應力構件鋼絞線的銹蝕，其次是預應力構件的凍融循環。

2)預應力構件的凍融循環和鋼絞線銹蝕的耦合對預應力構件造成的預應力損失遠大于預應力構件在凍融循環或鋼絞線銹蝕單一作用下造成的預應力損失之和。也就是說，凍融循環與鋼絞線銹蝕的耦合對預應力構件的預應力損失有相互促進作用，而不是二者對預應力損失的簡單疊加。

3)本文建立的預應力構件的有效預應力衰減規律模型，考慮了凍融循環次數和鋼絞線的銹蝕率兩個因素，該模型擬合效果較好，可以為預應力混凝土耐久性的研究提供依據或參考。

參考文獻：

[1]MONTEIRO P J M , KURTIS K E.Time to failure for concreteexposed to severe sulfate attack[J].Cement and Concrete Research,2003,33(3):987-993.

[2]MEHTA P K. Concrete durability-fifty year′s progress[C]//Proceeding of 2nd International Conference on Concrete Durability, American Concrete Institution.Detroit:ACI Publication,1991:1-3.

[3]洪定海.論防止混凝土結構中鋼筋腐蝕破壞的規范問題[R]//全國鋼筋混凝土結構標準技術委員會混凝土耐久性成立大會報告.北京：中國建筑工業出版社，1991.

HONG Dinghai.On the standard of preventing corrosion and failure of reinforced concrete structures in concrete structures[R]//Report on the establishment of concrete durability of the National Standard Technical Committee of reinforced concrete structures.Beijing:China Building Industry Press,1991.

[4]ADAM Neville. Consideration of durability of concrete structures for Past present and future[J].Materials and Structure,2001,63(5):8-114.

[5]Concrete Society,Concrete Bridge Development Group. Durable post-tensioned concrete bridges[R].UK: Technical Report No.47 Crowthome, 2002.

[6]劉椿,朱爾玉,朱曉偉.預應力混凝土橋梁的發展狀況及其耐久性研究進展[J].鐵道建筑,2005(11):1-2.

LIU Chun,ZHU Eryu,ZHU Xiaowei.Research progress of development and durability of prestressed concrete bridges[J].Railway Engineering,2005(11): 1-2.

[7]呂志濤.現代預應力結構體系與設計方法[M].南京:江蘇科學技術出版社,2010.

[8]陳好,劉榮杜,蔡東升,等.凍融與氯鹽侵蝕作用下預應力混凝土結構耐久險試驗及數值模擬[J].建筑結構學報,2010,31(2)：104-110.

CHEN Hao,LIU Rongdu，CAI Dongsheng，et al. Freeze thawing and Chloride Erosion under the action of prestressed concrete structure durability test and numerical simulation of insurance[J].Journal of Building Structures,2010,31(2)：104-110.

[9]余芳，賈金青，宋玉普.鋼絞線腐蝕后的部分預應力混凝土梁抗彎疲勞性能試驗研究[J].建筑結構,2012，42(1):97-100.

YU Fang，JIA Jinqing，SONG Yupu.Experimental study on flexural fatigue performance of partially prestressed concrete beams after corrosion of steel strand[J].Building Structure,2012，42(1):97-100.

NAS G, NAGROCKIEN D, GIRSKAS G,et al.The cement type effect on freeze-thaw and deicing salt resistance of concrete[J]. Procedia Engineering,2013,57(7):1045-1051.

[11]李富民，袁迎曙，王波，等．腐蝕鋼絞線預應力混凝土梁受彎承載力評估[J]．建筑結構學報，2011，32(2)：10-16．

LI Fumin，YUAN Yingshu，WANG Bo,et al. Evaluating on flexual strength of prestressed concrete beams with corroded steel strands[J].Journal of Building Structures,2011,32(2):10-16.

[12]牛荻濤，肖前慧. 混凝土凍融損傷特性分析及壽命預測[J].西安建筑科技大學學報,2010,42(3):319-322.

NIU Ditao, XIAO Qianhui. The concrete freeze-thaw damage characteristics analysis and life prediction[J].Journal of Xi′an University of Architecture and Technology,2010,42(3):319-322.

[13]冀曉東.凍融后混凝土力學性能及鋼筋混凝土粘結性能的研究[D].大連：大連理工大學，2007.

JI Xiaodong.Study on the mechanical properties of concrete and the bonding property of reinforced concrete after freeze-thaw[D].Dalian:Dalian University of Technology,2007.

[14]李平先，趙國藩，張雷順.受凍融損傷混凝土與新混凝土的粘結剪切性能試驗研究[J].建筑結構學報,2004,25(5)：111-117.

LI Pingxian,ZHAO Guofan,ZHANG Leishun.Experimental study on shear performance of freeze-thaw damage of concrete and new concrete[J].Journal of Architectural Structure,2004,25(5)：111-117.

[15]李平先，趙國藩，張雷順.新老混凝土粘結面的抗凍融劈拉性能試驗研究[J].土木工程學報,2006,39(4)：20-25.

LI Pingxian,ZHAO Guofan,ZHANG Leishun.Experimental study on frost resistance of new and old concrete bonding surface[J].China Civil Engineering Journal,2006,39(4)：20-25.

[16]鄭亞明，歐陽平.銹蝕鋼絞線力學性能的試驗研究[J].現代交通技術,2005 (6):33-36.

ZHENG Yaming,OUYANG Ping.Experimental study on mechanical properties of corroded steel wire[J].Modern Transpor-tation Technology,2005(6):33-36.

[17]朱爾玉,劉椿,何立,等.預應力混凝土橋梁腐蝕后的受力性能分析[J].中國安全科學學報,2006，16(2): 136-140.

ZHU Eryu,LIU Chun,HE Li,et al.Mechanical behavior analysis of prestressed concrete bridges after corrosion[J].Chinese Journal of Safety Science,2006，16(2): 136-140.

[18]劉浩，蔣林華，游淥棽，等．荷載對混凝土中鋼筋腐蝕影響的研究進展[J].混凝土，2014(4)：9-12．

LIU Hao,JIANG Linhua,YOU Luchen,et al.Research progress on the effect of load on the corrosion of steel in concrete[J].Concrete，2014(4)：9-12．

[19]李富民，袁迎曙．腐蝕鋼絞線與混凝土的長期粘結蠕變性能試驗研究[J]．工業建筑,2012，42(2)：70-73,18．

LI Fumin，YUAN Yingshu.Experimental study on long term bond creep behavior of corroded steel strands and concrete[J].Industrial buildings,2012，42(2)：70-73,18．

[20]干偉忠,金偉良,高明贊.混凝土中鋼筋加速銹蝕試驗適用性研究[J].建筑結構學報,2011,32(1): 41-47.

GAN Weizhong,JIN Weiliang,GAO Mingzan. Reinforced concrete applicability study on accelerated corrosion methods[J]. Journal of Architectural Structure,2011,32(1):41-47.

[21]中國建筑科學研究院.GB/T20082—2009普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2009.

(責任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-04-13

基金項目：山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地(重慶交通大學)開放基金資助(CQSLBF-Y14-13)

作者簡介：陳瑞明(1989—)，男，內蒙古烏蘭察布人，碩士研究生，主要研究方向為結構工程及混凝土結構耐久性,E-mail：nmgcrm1121@163.com. *通訊作者：向陽開(1964—)，男，重慶人，教授，博士，主要研究方向為橋梁結構工程、預應力混凝土及鋼筋混凝土結構力學行為分析,E-mail：xiangyangkai@163.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.009

中圖分類號：TU378.2

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0049-06

Experimental Study on Prestress Loss Under the Coupling Action of Freeze-Thaw and Corrosion

CHENRuiming1，XIANGYangkai1*,YANXin2,LIANGLu1

(1.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.ChongqingBranch，SichuanProvincialTransportDepartmentHighwayPlanning,Survey,DesignandResearchInstitute,Chongqing401331,China)

Abstract:By adopting the method of the fast freezing and thawing and the fast corrosion method, the 25, 50 and 75 times of freeze-thaw cycles tested on the pre-stressed concrete beam and the corrosion time of the steel strand of the pre-stressed beam are 3, 6 and 9 days for the quick electrochemical corrosion experiment and the coupling experiment of the two factors. Then, the loss pattern of the pre-stress loss of prestressed concrete beams under the action of the freeze-thaw cycle, the steel strand corrosion and the coupling of the two factors are discussed and also the relation formula among the effective pre-stress, the times of freeze-thaw circle and the corrosion rate of the pre-stressed components is constructed. The research result shows that the pre-stress loss of the pre-stressed components is greatly affected by the corrosion of pre-stressed steel strand, and followed by the freezing and thawing cycle of the pre-stressed components, and in addition, that the pre-stressing loss caused by the coupling of the freeze-thaw cycle and steel strand corrosion of the pre-stressed components is much larger than the total of the pre-stressing loss caused by the pre-stressed components under the single action of the freeze-thaw cycle or steel strand corrosion.

Key words:prestressed concrete; freeze-thaw cycle; steel strand corrosion; prestress loss; model