厦门海底隧道初期支护钢拱架锈蚀构件试验.doc

精品文档第三章 厦门海底隧道初期支护钢拱架锈蚀构件试验3.1钢拱架构件电化学锈蚀速率试验对于钢拱架锈蚀构件试验，首先我们就是要弄清楚钢拱架构件在电解槽中的锈蚀速率，即工字钢锈蚀质量与通电电流、通电时间之间的关系。因此，钢拱架构件电化学锈蚀速率试验是后面其他构件试验的辅助性试验，也是必备的试验。3.1.1快速电解锈蚀法的理论基础钢筋的自然腐蚀是一个缓慢的电化学过程。在试验室进行腐蚀试验必须加速钢筋腐蚀。试验采用电解液快速腐蚀法加速钢筋的腐蚀。快速腐蚀试验的依据是法拉第定律。所谓法拉第定律，就是：通过电极的电量正比于电极反应的反应进度与电极反应电荷数的乘积。具体做法是:把试件放在5%NaCl溶液中浸泡。然后将试件横放入电解槽中,加入已配置好的5%NaCl溶液。将钢筋混凝土试件中的钢筋用导线与可调式稳压电源的阳极相接,电源阴极与溶液中的铜板连接,通过NaCl溶液形成回路,使阳极的钢筋发生腐蚀。按照理论钢筋腐蚀率,换算成相应钢筋的设计腐蚀质量。再根据设计腐蚀量与法拉第原理,选择适当的电流密度即可确定通电时间。按腐蚀所导致的钢筋质量损失可以按照式(1)估计。 (1)式中:m 钢筋质量损失；t 腐蚀时间；I 腐蚀时间内流经钢筋截面的平均电流。 在快速电解锈蚀试验中，我们控制I为一定值，则可以得出m与时间t的关系，而且是线性关系。3.1.2 试验装置与试验步骤1）试验装置快速电解锈蚀试验用到的装置主要就是电解槽。 图3-1 电解槽 图3-2 电解槽装置示意图2)试验步骤取18b工字钢截成5断，每段长度相等，用电子秤称取每段质量并记录下来。然后浇筑试验构件，编号，如图3-3、图3-4； 图3-3 构件浇筑 图3-4 脱模后的构件在电解槽里面配置5%浓度的NaCl溶液，将构件置入浸泡两天，使盐水慢慢渗入构件内部，与里面的钢拱架接触；按照图3-2连接电解线路，注意此处用到的是直流电源；开通电源，调整电流，控制电流为5A；保持电流不变，通电到原先设计的时间，取出构件，凿开取出工字钢；用1%浓度的盐酸溶液进行酸洗，再用3%浓度的碳酸钠溶液中和，然后用清水冲洗干净，擦干后，用电子秤称取锈蚀后工字钢的质量；对照编号，用锈蚀之前工字钢的质量减去锈蚀后并除去锈的工字钢质量，得到每个构件工字钢的锈蚀质量。 图3-5 锈蚀前的工字钢 图3-6 快速电解锈蚀后的工字钢 图3-7 除锈之后的工字钢3.1.3工字钢锈蚀速率曲线根据试验记录数据可得表3-1： 表3-1 锈蚀质量与时间对应表编号原质量/kg锈蚀后质量/kg电流/A锈蚀质量/kg通电时间/h15.795.5850.214825.7135.47550.2386035.7635.40550.3588945.7235.34550.3789755.955.8550.120用曲线表示上表： 图3-8 锈蚀质量与时间关系图 从图3-8中，我们可以看出，在控制电流条件下，锈蚀质量与锈蚀时间的关系是线性的，试验结果与法拉第定律相符。通过量取，图3-8中直线的斜率为0.0040225。因此，我们可以得出在我们试验中快速电解锈蚀质量与通电时间的关系式： (2)mt 锈蚀质量，单位kg；t 通电时间，单位为小时h；备注：上述关系式的前提条件是控制电流恒定在5A。在接下来的其他构件试验中，我们需要用到关系式（2）。3.2钢拱架锈胀力构件试验埋在混凝土中的钢拱架发生锈蚀以后，其产生的铁锈的体积是相应原来体积的2-4倍，因而会向周围膨胀，而钢筋四周的混凝土则限制它的膨胀,产生了交界面上的压力,这种压力就称为钢筋锈胀力。钢筋锈胀力会影响钢筋与混凝土的粘结性能，而且将导致混凝土保护层受拉而开裂，钢筋混凝土构件一旦受锈胀力纵裂以后，钢筋锈蚀速度加快,这对钢筋混凝土构件的耐久性是十分不利的，因而，研究锈胀力对结构构件耐久性分析有着十分重要的意义。由于锈胀力难以通过试验手段测得，缺乏试验数据的验证，到目前为止，国内外对锈胀力的研究尚不多见。本试验只讨论工字钢的锈胀力问题。3.2.1试验原理与步骤1）试验原理锈胀力试验困难的主要原因有：(1)通电快速锈蚀时锈蚀率的不好控制；(2)用于测锈胀力的试验仪器既有强度要求，不能被压坏，又有防锈蚀要求，仪器还不能体积太大以防改变钢筋混凝土内部粘结的真实性。针对以上所指困难的第一点，我们预先浇筑同等大小、规格的工字钢和混凝土构件，进行通电快速锈蚀试验，得出锈蚀率与时间的关系曲线图3-8。然后再以相同快速锈蚀条件和环境进行锈胀力的试验，这样就能得到具体时间相应锈蚀率所对应的锈胀力。对于上面提到的锈胀力试验的第二个困难点，本试验采用方法是：用土压力盒，外面用薄绝缘膜包裹，固定在工字钢上，再浇筑混凝土通电锈蚀，用静态应变仪测得频率，然后转换成锈胀力。土压力盒能够满足强度要求，不会被压坏。绝缘膜要求要薄，并且防水，没有压缩性，能很好的传递锈胀力。绝缘膜的选用是本试验成败或者说试验效果好坏的关键。如图3-9和3-10 ： 图3-9 压力盒的保护与固定 图3-10 应变读数仪对于锈胀力试验，我们采用如下方案：(1)不同的保护层厚度浇筑构件，进行对比，包括早期锈胀力、开裂和后期锈胀力的对比。本试验有4种不同的保护层厚度，分别为22cm、24cm、26cm、28cm。 (2)不同的通电锈蚀时间，得到不同锈蚀率下的锈胀力。2）试验步骤(1)将压力盒装到工字钢上,要求绝缘保护膜于工字钢之间无杂质，贴紧效果好，并记录压力盒编号和对应的位置；(2)浇筑混凝土构件，并养护；(3)通电锈蚀，记录锈蚀时间，锈蚀的同时，将压力盒数据线连接倒应变仪上，记录频率数据； 表3-2 锈胀力试验记录表编号保护层厚度/cm通电时间/h12290224104326115428121(4)将记录下来的频率数据，对应于各压力盒的参数，换算成锈胀力；(5)对数据进行分析。3.2.2 试验结果通过应变读数仪记录的数据是频率值，需要转换为锈胀力。转换公式如下： P 锈胀力，单位为MPa；L 记录频数值；a、b 压力盒标定系数。根据记录的数据，利用上面的公式，我们可以得到锈胀力与通电时间的关系图3-11： 图3-11 锈胀力与通电时间关系图 表3-3 曲线系列号与保护层厚度对应表系列号保护层厚度/cm系列122系列224系列326系列428锈胀力试验的通电电流和快速锈蚀试验电流相同，都控制在5A，这样我们就可以根据图3-8的曲线得出锈胀力与锈蚀率的关系图。所谓锈蚀率就是锈蚀质量与原质量之比。即： 锈蚀率。如此我们就得到锈胀力与锈蚀率关系图： 图3-12 锈胀力与锈蚀率关系图3.2.3 试验结果分析根据图3-11和图3-12，我们可以发现：(1) 锈胀力随着锈蚀率的增加而增加；(2) 相同锈蚀率情况下，随保护层厚度的增加，锈胀力也增加。这是因为混凝土的保护层厚度越厚，外围混凝土的约束就越刚性，铁锈膨胀收到的阻力越大，因为锈胀力就越大。(3) 在通电锈蚀的前5小时左右，锈胀力的增加趋势很缓，随后增加比较大。 表3-4 通电5小时时各构件的锈胀力对应表保护层厚度/cnm22242628 锈胀力/Mpa0.004950.005680.006610.00862从表3-4，我们可以看出，在通电锈蚀的前5个小时，锈胀力很小，之后，增加的趋势才变得明显。结合徐港等关于钢筋锈胀力的研究以及我们在通电锈蚀过程中的观察，我们可以对于锈蚀产物的形成和发展过程进行一些分析。锈蚀产物的形成、发展一般分为三个阶段：自由锈蚀阶段、锈胀力明显增加阶段和胀裂。(1)自由锈蚀阶段当钢筋表面的钝化膜遭到破坏时，钢筋处于活化状态，阳极区的铁原子转化为亚铁离子，接着它与氢氧根反应生成Fe(OH)2，进一步与水和氧气反应生成Fe(OH)3。这种反应模式得以实现的前提是混凝土是一种多孔材料且钢筋与混凝土的界面存在空隙，否则阴、阳离子很难迁移，实现反应。所以钢筋锈蚀初期，生成的铁锈将首先填充钢筋与混凝土界面间的空隙，部分还会渗人界面周围混凝土的孔隙中，而对周围混凝土产生压力很小。显然，孔隙或空隙的总体积越大，产生锈胀力的时间就越晚，而这种孔隙或空隙的体积是与钢筋的表面积，混凝土的水灰比，水化程度及固结程度有关的。混凝土越不密实，钢筋锈蚀产物越容易向混凝土中扩散与外逸，减少锈蚀产物在钢筋周围的堆积量，铁锈所引起的膨胀压力越小。(2)锈胀力明显增加阶段 当锈蚀产物的总量超过钢筋与混凝土界面附近的孔隙或是空隙可容纳的锈蚀产物总量时，锈胀力的增加就开始变得明显。(3)胀裂当锈蚀产物的总量达到混凝土保护层胀裂时所能承受的最大锈蚀物量时，构件便出现裂缝。在我们的通电锈蚀过程中，我们发现在通电时间达到90个小时左右，构件表面会出现明显的纵向裂纹。 图3-13 构件锈蚀胀裂图3.3钢拱架锈蚀条件下的粘结滑移构件试验钢拱架锈蚀后,在工字钢与混凝土之间形成一层铁锈层，工字钢与混凝土之间的化学胶结力、变形钢筋的机械咬合力以及混凝土对工字钢的约束力均受到不同程度的减弱，从而产生了工字钢与混凝土之间粘结性能的退化。本文通过锈蚀变形工字钢在混凝土试块中的拔出试验,研究工字钢锈蚀量对粘结强度的影响以及粘结应力与滑移关系的变化，为进一步研究锈蚀钢拱架构件的力学性能退化打下基础。3.3.1试验原理与步骤1、试验原理(1)试件设计为了防止锈蚀后的加载拔出时，混凝土还未滑移就造成试件混凝土劈裂破坏，试件的保护层厚度要设计大一些，采用110mm。工字钢采用与现场常用的一样I18b。如图3-14： 图3-14 试件尺寸图 （单位：cm） 根据海底隧道初期支护现场数据，混凝土重量配合比为水：石子：砂子：水泥=1：3.5：2.7：1.8。(2)加载装置采用500t压力机加载装置，将工字钢从试件中压出，具体装置示意图如3-15：采用每20KN为一级的加载方式，直到粘结发生破坏，记录每一级加载后的粘结滑移量。 图3-15 加载装置图 (3)测量装置滑移量的测量，采用精度为0.01mm的位移计测量。上下两个，下面的测量加载段的滑移量，上面的测量固定端的滑移量。读数采用配套的读数仪，如图3-16。 图3-16 位移计读数仪2、试验步骤 (1) 用电化学快速锈蚀的方法，将试件通电不同的时间（通电电流相等，为5A），得到不同的锈蚀率，见表3-5； 表3-5 粘结滑移试件通电时间和锈蚀率对应表编号123456通电时间/h072100180240300对应锈蚀率03.62%5.02%9.05%12.06%15.08%(2)打磨，将构件上部工字钢断面打磨平，目的是为了在加载的时候受力均匀，防止不均匀滑移；(3)上加载架，保证下部工字钢能从垫板中推出，如图3-17； 图3-17 反力垫板(4)安装位移计，将两端的位移计连接到读数仪上，记录初始读数； (5)加载，初始压力20KN，保证加载速度均匀40KN/min。逐级加载，每20KN为一级，直到粘结发生破坏； (6)每一级加载后，稳住荷载，迅速读取两端位移计的数值，记录下来； (7)仔细观察试件混凝土的变化和压力机荷载值的变化。当粘结发生破坏时，压力机会出现无法加载的情况，即荷载出现自动回落的现象； (8)数据处理，得出粘结滑移量锈蚀率之间的关系。3.3.2试验结果与破坏现象1、试验结果通过对6个试件进行加载，得出试验结果记录，见表3-6： 表3-6 粘结滑移试验结果记录表编号对应锈蚀率加载端位移量S1/mm固定端位移量S2/mm粘结破坏荷载P/KN两端滑移差量S/mm101.510.3949.51.1223.62%1.440.3847.51.0235.02%1.320.37460.9249.05%1.220.3742.50.80512.06%1.080.3538.50.73615.08%0.780.34300.44 从表3-6我们可以看出随着锈蚀率的变化，加载端滑移量、固定端滑移量以及粘结破坏荷载都呈一定的规律性变化。为了更形象的显示这种规律性，我们用图分别表示加载端位移量、固定端位移量以及粘结破坏荷载与工字钢锈蚀率之间的关系，如图3-18图3-19所示。两端滑移差量S=加载端位移量S1-固定端位移量S2。 图3-18 粘结破坏荷载图 图3-19 粘结滑移退化图根据图3-18、图3-19，我们可以清晰的看出以下特点：(1) 试件的粘结破坏荷载（即粘结强度）随着锈蚀率的增加而下降，但是下降的趋势越来越小，即曲线越来越平缓。(2) 加载端与固定端粘结滑移量随着锈蚀率的增加而降低，并且下降的趋势越来越严重，即曲线的下降由缓变陡；除了与锈蚀率之间存在对应关系外，粘结破坏荷载与粘结滑移也存在对应关系，为了形象清晰的反应这种对应关系，下面我们将各试件的P-S关系表及P-S关系图列出来：表3-7 各试件P-S对应关系表试件1荷载/kN2060100160200260300360400460495滑移/mm00.020.060.150.230.360.460.620.730.951.12试件2荷载/kN2060100160200260300360400440475滑移/mm00.020.050.130.210.350.450.620.720.881.02试件3荷载/kN2060100160200260300360400440460滑移/mm00.020.050.130.20.320.420.580.70.840.92试件4荷载/kN2060100160200260300360380400425滑移/mm00.020.050.140.20.320.420.590650.720.8试件5荷载/kN2060100160200260300320340360385滑移/mm00.020.060.140.210.340.440.50.550.610.73试件6荷载/kN2060100160180200220240260280300滑移/mm00.020.070.150.180.220.260.30.350.40.45用图表示，可以得到P-S曲线： 图3-20 P-S曲线 （注：系列号对应于试件编号） 图3-20中的六条曲线表示了6个试件粘结破坏荷载与试件粘结滑移的关系，曲线1到曲线6依次锈蚀率增加。从图3-20我们可以看出，相同荷载时，随着锈蚀率的增加，滑移量在减小。锈蚀率越大，这种减小就越明显。此外，6条曲线都显示了同一个规律，随着加载的增加，粘结滑移也增加，而且这个增加量呈上升态势，也就是说，对于同一个试件，随着荷载的增加，每20kN，对应的S越大，直到粘结突然破坏。2、试验破坏现象粘结破坏是一个脆性破坏过程。在加载过程中，开始荷载是稳步施加，但当一个试件的施加荷载达到或刚好超过该试件的粘结强度时，压力机的荷载读数迅速回落，无法继续加载。这说明在试件工字钢与混凝土粘结发生破坏的瞬间，工字钢与混凝土之间仅存在物理摩擦作用，同时又因为试件经过了锈蚀作用，工字钢与混凝土之间存在一层锈，摩擦力很小。裂缝形态：主要是劈裂裂缝。首先从翼缘的两端头开始出现裂缝，随着荷载的增加，迅速有内向外扩展，贯通至试件表面。此外，由于锈蚀过程中存在锈胀力作用，锈蚀率较大的试件内部本身裂纹，既有缺陷，在荷载增加到一定时候，试件原先就有的裂纹慢慢发展，扩大，最后形成通缝，甚至剥落。如下图所。 图3-21 试验破坏裂缝 图3-22 劈裂裂缝示意图3.3.3试验分析工字钢与混凝土之间良好的粘结性能是钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。一般认为，混凝土与工字钢的粘结强度由混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶着力、工字钢与混凝土接触面上的摩擦力两部分组成。混凝土中的工字钢发生锈蚀后，工字钢与混凝土的界面上生成疏松的锈蚀层，破坏工字钢表面与水泥胶体之间的化学胶着力，并降低了工字钢与混凝土之间的摩擦系数；锈蚀产物体积膨胀导致保护层开裂甚至剥落，较低外围混凝土对钢筋的约束，以致削弱甚至破坏工字钢与混凝土的粘结锚固作用，最终降低钢拱架构件的承载力和适用性。根据表3-7和图3-20，对试验结果统计分析可得未锈蚀情况下工字钢与混凝土之间P-S的关系为一元二次曲线关系：S 0 粘结滑移，单位：mm；P 0 平均粘结强度，单位：kN；a、b、c为系数。取三个点（20，0）、（300，0.46）、（400，0.73）代入上式得到：a = 0.000002781，b = 0.000752631，c = -0.016165026 。得到：将a、b、c代入上式就可以得到未锈蚀条件下平均粘结强度：P0 = f（S 0）。根据中国矿业大学袁迎曙等的研究结果，我们可以得出锈蚀后平均粘结强度的表达式：P 锈蚀后的平均粘结强度；P0 锈蚀前的平均粘结强度；K 考虑保护层、型钢厚度因素的影响系数； 锈蚀率。3.4钢拱架锈蚀条件下的抗弯承载力构件试验3.4.1试验原理与步骤1、试验目的前面两节讲到了钢拱架在锈蚀后会产生锈胀力和粘结滑移退化现象，导致工字钢与混凝土之间的粘结强度降低，产生内部甚至贯通混凝土裂缝，这些细部的变化最终都会体现在整体钢拱架承载力的变化上。为了在宏观角度体现锈蚀问题对于钢拱架承载力的影响，我们现在进行锈蚀后钢拱架承载力构件试验。此外，我们还可以对锈蚀后钢拱架的破坏形态进行观察，从而为隧道的维修养护提供依据。综述，两个目的：(1)锈蚀对钢拱架承载力的影响；(2)锈蚀后，钢拱架破坏形态的不同。2、试验设计鉴于试验试件的大小以及加载的要求，本试验没采用I18b工字钢，而是用I12工字钢。试件采用长方体形式，截面为20cm20cm，长160cm，如图3-23。制作试件6个，不同编号，其中一个不通电锈蚀，作为对照，其余5个分别通电不同时间（通电电流控制相同），从而得到不同的锈蚀率。 图3-23 梁试件3、加载方案试验加载在500t压力机上完成，采用简支梁抗弯破坏的加载方式，两端用垫板当做简支，在梁的中心上表面施加集中荷载，如图3-24。 图3-24 加载加载速度控制40kN/min，每20kN为一级加载，记录裂缝的发展、部位以及对应的荷载大小。4、试验步骤(1)试件浇筑，编号，按标准环境养护；(2)快速电解，控制通电电流为2.5A。一个试件不电解，其余5个通电不同试件，得到不同的锈蚀率。每个试件在电解之前，放入5%NaCl溶液中浸泡7个小时，让溶液浸透混凝土，与工字钢充分接触；(3)加载，按照前面的加载方案进行加载，注意加载过程中要观察梁的裂缝发展；(4)记录裂缝产生以及梁破坏是的荷载读数；(5)数据处理。3.4.2试验结果与分析1、试验结果表3-8 锈蚀后梁承载力结果表编号锈蚀率/%第一条裂缝部位第一条裂缝荷载/kN最终破坏荷载/kN10距左端80cm下表面379520.52距左端76cm下表面419231.04距左端90cm下表面348741.47距左端69cm下表面428552.21距左端80cm下表面378462.94距左端75cm下表面3380 图3-25 梁承载力与锈蚀率关系图从表3-8和图3-25，我们可以明确的看出，随着工字钢混凝土梁锈蚀率的增加，梁的承载力降低。出现第一条裂缝部位以及荷载与锈蚀率关系不大，也就是说，第一条裂缝的出现与锈蚀情况无关，只取决于混凝土的抗拉强度以及保护层厚度。虽然第一条裂缝的产生与锈蚀情况无关，但是之后裂缝的发展却与锈蚀情况关系密切。通过加载过程对裂缝的观察和记录，我们得到以下规律：(1)未锈蚀的梁，破坏时只有一条裂缝较宽，位于梁加载点的下半部分，随着加载的进行，只是裂缝的变宽变长，直到破坏。其余的裂缝都是细小的裂缝。如图3-26所示： 图3-26 未锈蚀的梁破坏裂缝(2)锈蚀时间不长，即锈蚀率1%的梁，破坏时没有纵向裂纹，梁下半部分有数条较宽的横向裂缝，如图3-27： 图3-27 锈蚀率较小的梁破坏时的裂缝(3)锈蚀时间较长，锈蚀率1%的梁，破坏时的控制裂纹为上半部的纵向裂缝，裂缝出现在工字钢上表面于混凝土的接触面，纵向裂缝很宽，长度很长，几乎从加载点延伸到端部。而横向裂缝却很细。因此，1%的梁，用来判断破坏的裂缝为纵向裂缝。如图3-28所示： 图3-28 锈蚀率较大的梁破坏时的裂缝2、试验结果分析锈蚀后的工字钢混凝土梁出现承载力下降的现象，其原因主要在于锈蚀过程会导致工字钢表层形成一层蓬松的锈蚀物质层，破坏了工字钢与混凝土之间的化学胶着力，也就破坏了它们之间的粘结。此外，还锈蚀还会形成锈胀力，这种力对于混凝土结构的损害作用很大。锈胀力会使工字钢与混凝土脱离开来，二者形成独立的受力结构，无法发挥工字钢受拉性能好以及混凝土受压性能好的互补优势。而且，混凝土是一种变形很小的结构，锈胀力的作用会是混凝土内部产生细微的裂缝，这些细