一个真实的试验！NPR新型钢筋应用于实际工程的可能性有多大？

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引言

我国是一个海洋大国,拥有漫长的海岸线,近些年随着共建“一带一路”倡议的提出,沿线各国兴建了大量的海洋基础设施,如跨海大桥、海底隧道、港口码头等。这些建筑由于常年暴露在海洋环境中,经常受到海水冲刷侵蚀,加剧了混凝土中的钢筋锈蚀,而钢筋锈蚀会导致钢筋与混凝土间的黏结性能退化,使得结构的安全性、耐久性面临严峻考验 ^[1] 。

为此国内外学者开展了大量锈蚀前后钢筋与混凝土黏结性能的试验研究。赵羽习等 ^[2] 等进行了光圆钢筋和变形钢筋锈蚀前后中心拔出试验,建立了不同类型的锈蚀钢筋与混凝土黏结-滑移关系退化模型;Lee等 ^[3] 基于拔出试验研究了钢筋锈蚀对黏结强度的影响,并将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析;杨海峰等 ^[4] 通过钢筋开槽内贴片的方法,分析黏结-滑移曲线沿锚固位置的变化,建立了锈后钢筋与再生混凝土黏结-滑移本构关系;侯利军等 ^[5] 以锈蚀程度、黏结锚固长度等为影响因子研究了黏结强度退化规律,建立了锈蚀钢筋与钢纤维混凝土黏结强度经验公式。

除了在普通材料领域的研究,在新材料应用方面对锈蚀前后钢筋与混凝土间黏结性能研究内容也比较丰富,主要有FRP钢筋、BFRP钢筋、GFRP钢筋和新型高强钢筋等 ^[4-5] 。当前有一种由何满潮院士团队设计研发的呈现负泊松比效应(单轴拉伸作用时侧面会出现微膨胀现象)的NPR新型钢筋,其相较于普通钢筋具有伸长率高、吸能强、抗磁化等优点 ^[6] ,但是受其价格昂贵、外形设计等因素影响,目前只是作为一种锚索结构应用于岩土力学工程领域。要探究NPR新型钢筋能否实际应用于海洋工程领域,以提高海洋建筑结构抗腐蚀性能,开展锈蚀前后NPR新型钢筋与混凝土的黏结机理的研究就显得极为重要。

试验以钢筋类型、钢筋锈蚀程度和黏结锚固长度为参数,制作中心拉拔试件,然后通电加速钢筋锈蚀,继而开展中心拉拔试验,研究锈蚀前后NPR新型钢筋与混凝土间的黏结性能。

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1.1 试件设计

       根据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012) ^[7] ,试件尺寸为150×150×150,钢筋位于试件的中心,钢筋直径d均为18mm,试件如图1所示。试验中制作2组不同钢筋类型(NPR新型钢筋、普通钢筋)、4种锈蚀率ρ(0%、1%、2%、3%)、2种黏结锚固长度(5d、7d),共计48个钢筋混凝土试件。钢筋中部黏结区段长度为90、126mm,近似认为整个黏结区段的应力分布是均匀的。为了尽可能减少试件加载端混凝土受到的局部挤压作用对黏结区段应力分布的影响,减小试验误差,在钢筋的两端非黏结区段长度分别为30、12mm用PVC管套住,在PVC管的端部与钢筋缝隙注入石蜡密封,以避免混凝土砂浆沿缝隙渗入其中。

▲ 图1   试件示意图

1.2 试验原材料及配合比

         试验海洋工程混凝土配制采用42.5级普通硅酸盐水泥;粗骨料采用粒径为5～25mm的石灰石碎石;细集料采用级配良好的天然河砂,含泥量经检验合格,细度模数为中砂;水取自青岛本地自来水。试验所用混凝土配合比情况如图2所示。考虑到混凝土未来要应用于海洋工程结构,制备过程中掺加一定比例的引气剂、高性能减水剂以及矿粉等来替代部分水泥,一定程度上可以改善海洋工程混凝土的微观性能,以达到提高其抗冻融、抗渗透效果。

▲ 图2   混凝土配合比

      依据《混凝土物理力学性能试验方法》(GB/T 50081—2019 ) ^[8] 制备边长为150mm的混凝土立方体试块,标准养护28d以后测试试块的抗压强度,海洋工程混凝土的设计强度等级为C30,实测抗压强度f _cu 为41.75MPa,钢筋材料采用直径18mm的NPR新型钢筋、普通钢筋,图3为试验中NPR新型钢筋,两种钢筋几何参数见表1。

▲ 表1   钢筋几何参数

▲ 图3    NPR新型钢筋

1.3 钢筋拉伸试验

      为探究NPR新型钢筋的力学性能,参照《金属材料拉伸试验 第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2010),采用伺服万能试验机对NPR新型钢筋以及普通钢筋分别进行轴向拉伸试验,引伸计夹在中间部位,标距为100mm,钢筋达到屈服阶段摘下引伸计,试验过程中数据由自动采集仪纪录。

1.4 钢筋锈蚀试验装置

       试件在标准养护室养护28d以后,放入质量分数为5%氯化钠溶液中完全浸泡3d,再进行通电锈蚀试验。采用钢筋锈蚀常用的全浸入恒定电流加速法获得锈蚀钢筋试件,通电试验过程中试件完全浸泡于溶液中,控制液面略低于试件上表面1cm左右,以避免出现短路现象,对试件底部外露钢筋涂抹环氧树脂、缠绕保鲜膜以及绝缘胶带等措施,防止底部钢筋可能出现漏电影响锈蚀试验效果。试验钢筋与MS305D直流稳压稳流电源的正极连接,电源负极与铜片连接,试件与试件之间采取并联方式,加速锈蚀试验装置如图4所示。通过法拉第电解定律,计算钢筋达到设计锈蚀率需要的时间,锈蚀试验过程中由于溶液浓度以及试件电阻的变化,需要每隔4～7h手动调节电流大小,以保持电流强度的恒定。

▲ 图4   锈蚀试验装置

1.5 中心拉拔试验设备

        试验加载装置如图5所示。上部夹具固定住加载框架,试件加载端钢筋穿过底部钢板中心,下部夹具夹紧钢筋。试验在800kN伺服万能试验机上进行,连接量程为200kN的压式荷载传感器,在试件底部与荷载传感器之间垫一块150mm的正方形钢板,以避免应力集中对黏结的影响。试件加载时采用速率为0.1kN/s的荷载控制加载方式,连续加载直至试件发生破坏。试件加载端(下)和自由端(上)分别布置位移传感器,采用DH3817F静态数据采集系统采集试验数据。

▲ 图5   拉拔试验加载装置

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NPR新型钢筋以及普通钢筋HRB400的具体力学性能指标见表2

▲ 表2   钢筋力学性能指标

在参考文献[9]中提出的关于普通钢筋的本构关系模型(理论模型)的基础上,结合本次试验得到的NPR新型钢筋的应力-应变曲线趋势特征,提出了关于NPR新型钢筋的本构关系模型(试验模型)关系表达式,如式(1)所示。

式中:σ _y 、ε _y 分别为钢筋弹性阶段与屈服阶段转折点处应力、应变;σ _u 、ε _u 分别为强化阶段与破坏阶段转折点处应力、应变。

理论模型与试验模型结果曲线对比见图6,由图可见,理论模型结果与本文提出的试验模型两者曲线吻合程度较高,说明本文提出的NPR新型钢筋本构关系模型具有一定的普适性。

▲ 图6   理论模型与试验模型应力-应变曲线对比

与文献[9]中普通钢筋本构关系模型对比可知,NPR新型钢筋的应力-应变曲线主要由弹性阶段、强化阶段两部分组成,没有明显的屈服点和流幅;NPR新型钢筋没有类似于普通钢筋的破坏阶段,在达到极限强度时突然破坏。此外,NPR新型钢筋的极限伸长率比较高,约为普通钢筋的1.75倍,作为一种能适应大变形的材料,未来在调整构件局部超屈服应力以及减少结构脆性破坏等方面具有较高的应用价值。

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  锈蚀试验结果

图7为典型的NPR钢筋锈蚀形态,图中钢筋从左至右目标锈蚀率分别为0%、1%、2%、3%。由图可见,相较于未锈蚀钢筋的表面形态,目标锈蚀率为1%的钢筋有少量锈斑,肋纹有轻微损伤;目标锈蚀率为2%的钢筋锈蚀面积显著增大,锈坑数量增多,肋凸出表面高度相对减小,且纵向顺钢筋方向锈坑之间逐渐贯通;目标锈蚀率为3%的钢筋锈坑之间连成一片,锈蚀严重,钢筋表面凹凸起伏更加平缓,钢筋表面凸出的肋损失非常严重。此外,综合对比分析不同锈蚀率的NPR钢筋表面形态变化可以发现,随着锈蚀率的增加,钢筋肋损失逐渐加重,锈坑面积逐渐扩大,凹凸起伏逐渐放缓,肋前混凝土粉末量逐渐减少且分散,横向不同肋纹路之间、纵向顺纹路之间锈蚀分布的不均匀程度越来越明显。

▲ 图7    不同锈蚀率的钢筋形态

锈蚀试验进行一段时间后,塑料桶中溶液的底部会出现大量的红褐色沉淀,尤其在试件端部,即钢筋与混凝土交界处渗出的红褐色沉淀数量最多,且铜片表面析出一层银白色固体,随着通电锈蚀时间的延长,锈蚀产物数量不断增多。在锈蚀试验过程中,受锈蚀产物分布不均匀且体积大小变化无规则等因素影响,部分试件沿着顺筋方向出现锈胀裂纹现象,试件发生锈胀破坏,见图8。

▲ 图8    锈蚀混凝土开裂

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拉拔试验结果分析

NPR新型钢筋混凝土试件、普通钢筋混凝土对比试件均呈现劈裂破坏模式,如图9所示。

▲ 图9   试件破坏形态

试验时发现,NPR新型钢筋、普通钢筋混凝土试件的破坏情况主要有三种:第一种是未锈蚀及轻微锈蚀试件(0%≤ρ<1%),试验加载过程中由于缺少箍筋的环向约束作用,在接近极限荷载时,试件会突然发出“嘭”的声响,沿顺筋方向产生纵向裂缝,并瞬间劈裂为2～4部分;第二种是中等锈蚀率的试件(1%≤ρ<2%),锈蚀作用会导致钢筋与混凝土间化学胶着力被破坏,黏结强度出现一定程度下降,试件在达到极限拉拔力的70%～80%左右时,加载端端部会出现细小纵向裂缝,且随着拉拔荷载的持续增加,裂缝逐渐变宽并延伸贯穿至整个截面;第三种是锈蚀比较重的试件(ρ≥2%),试件在达到极限拉拔力的60%～70%左右时,出现细微纵向裂缝,从破坏后试件的截面观察发现,破坏截面主要沿试件内部锈蚀情况较严重的缝隙产生。部分锈蚀严重的试件拉拔试验前就会有锈胀裂缝产生,试验过程中锈胀裂缝不断扩大。

4.2 钢筋类型对黏结性能的影响

图10为未锈蚀以及黏结长度5d的普通钢筋、NPR新型钢筋与混凝土的黏结应力-滑移曲线,图中RCP-5d-A1代表普通钢筋混凝土第一个试件(黏结长度5d),RCN-5d-A3代表NPR新型钢筋混凝土第3个试件,依此类推。由图10可见,普通钢筋、NPR新型钢筋混凝土试件发生劈裂破坏,曲线仅存在上升段。对比图中各曲线可以发现,同种类型钢筋与混凝土的黏结应力-滑移曲线斜率接近,且NPR新型钢筋混凝土试件的曲线斜率低于普通钢筋;普通钢筋混凝土试件对应的峰值黏结应力为9.59～10.98MPa,平均滑移量为1.696～2.220mm,而NPR新型钢筋混凝土试件对应的峰值黏结应力为9.03～9.90MPa,平均滑移量为2.874～3.251mm,即NPR新型钢筋混凝土试件的峰值黏结应力约为普通钢筋的92.84%,略低于普通钢筋混凝土试件;而NPR新型钢筋混凝土试件的极限平均滑移量约为普通钢筋的1.59倍,远高于普通钢筋。未锈蚀的光圆钢筋混凝土试件的峰值黏结应力约为普通钢筋的78.70%,极限平均滑移量为普通钢筋的78% ^[10] 。

▲ 图10   平均黏结应力-滑移曲线

现有研究表明,当钢筋的肋面角在40°～105°时,横肋与混凝土间的锲作用已足够阻止相对滑移,黏结作用失效于肋前混凝土的局部挤碎,滑移也主要是破碎混凝土的变形 ^[11] ;而NPR新型钢筋的肋面角小于30°,锲作用不足以抵抗钢筋与混凝土间的滑移,故相对于普通钢筋,滑移会大大增加,黏结强度略微降低。

由此可见,钢筋的表面形状能显著影响钢筋与混凝土间的黏结性能,NPR新型钢筋受螺旋状外形限制,其对滑移的限制效果不如普通钢筋。

4.3 钢筋锈蚀率对极限黏结强度的影响

定义βu为极限黏结强度降低系数,即为任意锈蚀率试件极限黏结强度实测值与对应的未锈蚀试件极限黏结强度之比 ^[12] 。NPR新型钢筋、普通钢筋试件(黏结锚固长度为5d)的锈蚀率ρ与黏结强度降低系数β _u 关系见图11,并将结果与文献[2]中带肋变形钢筋的结果进行对比,通过对试验数据进行拟合分析,分别得到锈蚀NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土的极限黏结强度降低系数β _u1 、β _u2 表达式,分别见式(2)、(3)。

▲ 图11   锈蚀率ρ-极限黏结强度降低系数β _u

由式(2)、(3)可求得任意锈蚀率下NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土的极限黏结强度。

从图中11的锈蚀率ρ-黏结强度降低系数β _u 关系曲线可以看到,当NPR新型钢筋的锈蚀率相对较低时(ρ<1%左右),β _u1 >1,极限黏结强度略有提高,从无锈蚀时的9.57MPa增加到峰值10.39MPa,相对增加了8.57%;当NPR新型钢筋的锈蚀率ρ>1%左右时,β _u1 <1,极限黏结强度降低系数成下降趋势,随着锈蚀率的增大,下降趋势逐渐放缓。而本次试验普通钢筋的锈蚀率在1.5%～2%左右时,极限黏结强度达到峰值,对应的极限黏结强度为12.38MPa,相对增加了20.08%,这与文献[2]中钢筋的锈蚀率在1.0%～2.5%、β _u >1时的结果较为相似。

对比NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土间黏结强度随锈蚀率的变化可以发现,发生轻微锈蚀时,锈蚀对NPR新型钢筋与混凝土的黏结性能提升效果不如普通钢筋。

4.4 钢筋锚固长度对黏结强度的影响

为了推导方便,两种锚固长度试件的相对黏结强度用

代表试件黏结锚固长度为la=5d的黏结强度,统计回归得到普通钢筋、NPR新型钢筋黏结锚固长度关系,并与文献[5]中普通钢筋黏结锚固长度关系作对比。

NPR新型钢筋、普通钢筋的黏结锚固长度与相对黏结强度关系拟合公式分别如式(4)、(5)所示,其中

分别为NPR新型钢筋、普通钢筋的黏结强度。

对比文献 [5] 的试验结果,可以看出,NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土的黏结强度均随着黏结锚固长度增加而有所减小,这是由于黏结锚固长度为5d时,加载端的拉拔力通过钢筋与混凝土界面的黏结应力传递到自由端距离较短,加载端与自由端黏结应力差值较小 ^[5] ,而当黏结锚固长度为7d时,黏结应力的传递距离增长,导致黏结应力分布更加不均匀 ^[13] 。

当钢筋未锈蚀时,NPR新型钢筋黏结锚固长度5d、7d的相应黏结强度均值分别为9.59、8.45MPa,黏结锚固长度为7d比5d的试件黏结强度降低了11.89%;锈蚀率为1%左右时,黏结锚固长度为7d比5d的试件黏结强度降低了2.38%;锈蚀率为2%左右时,黏结锚固长度为7d比5d的试件黏结强度降低了11.17%;锈蚀率为3%左右时,黏结锚固长度为7d比5d的试件黏结强度降低了15.97%。由此可见,随着锈蚀率的增加,NPR新型钢筋与混凝土间的黏结应力不均匀程度会加剧发展,进而导致黏结锚固长度为7d比5d的试件黏结强度降低幅度更大。

此外,对比NPR新型钢筋的变化规律,普通钢筋黏结锚固长度为7d比5d的试件黏结强度降低了2.42%,降低幅度要低于NPR新型钢筋,表明黏结锚固长度的变化对NPR新型钢筋黏结强度的影响比普通钢筋更为显著。

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极限黏结强度预测

根据式(2)～(5)可知,NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土的黏结强度与钢筋锈蚀率、黏结锚固长度直接相关,两大参数之间存在耦合,而常用的分析模型经常忽略耦合效应,人为地将参数之间相互独立处理 ^[14] 。

基于统计分析,分别拟合得到锈蚀前后NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土间极限黏结强度τ _u1 、τ _u2 表达式,分别见式(6)、(7)。

式中τ _0u 为未锈蚀试件(l _a /d=5d)的极限黏结强度均值。

采用式(6)、(7)分别对不同锈蚀率、黏结锚固长度的锈蚀NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土的极限黏结强度进行预测,并将其试验实测结果进行对比,如图12所示。其中NPR新型钢筋混凝土极限黏结强度的实测值与计算值比值的平均值为1.035,方差为0.0257;普通钢筋混凝土极限黏结强度的实测值与计算值比值的平均值为1.0296,方差为0.0104。

▲ 图12   计算与试验得到的极限黏结强度对比

表3给出了部分NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土极限黏结强度试验数据及拟合结果。由表3可见,拟合得到的本构关系模型的拟合值与试验值吻合度比较高,进而验证了NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土极限黏结强度表达式合理性。

▲ 表3   部分试验数据对比

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结论

(1)NPR新型钢筋应力-应变曲线由弹性阶段、强化阶段两部分组成,没有明显的屈服点和流幅;其极限伸长率比较高,约为普通钢筋的1.75倍。

(2)NPR新型钢筋混凝土的极限黏结强度约为普通钢筋的92.84%,低于普通钢筋混凝土;钢筋的表面形状能显著影响钢筋与混凝土间的黏结性能,NPR新型钢筋的受螺旋状外形限制,其对滑移的限制效果不如普通钢筋。

(3)NPR新型钢筋的锈蚀率相对较低时,极限黏结强度略有提高,锈蚀率ρ在1%左右,达到峰值;而普通钢筋的锈蚀率在1.5%～2%左右时,极限黏结强度达到峰值。

(4)NPR新型钢筋、普通钢筋与混凝土的黏结强度均随着黏结锚固长度增加而有所减小;随着锈蚀率的增加,NPR新型钢筋与混凝土间的黏结应力不均匀程度会加剧发展,使得黏结锚固长度为7d比5d的试件黏结强度降低幅度更大;黏结锚固长度的变化,对NPR新型钢筋黏结强度的影响比普通钢筋更为显著。

(5)NPR新型钢筋锈蚀率在4%范围内,建立的NPR新型钢筋与混凝土黏结强度关系式具有良好的适用性。