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碳纤维布约束下锈蚀钢筋与混凝土粘结力的试验研究及理论分析

代晓东  
【摘要】:钢筋混凝土结构是目前世界上最常用的结构形式之一,钢筋与混凝土能够协同工作的关键是其接触面间存在粘结力作用。在钢筋混凝土结构的服役寿命期内,因遭受环境污染物侵蚀和各种荷载损伤的耦合作用,钢筋易发生锈蚀,并由此引起恶化效应,导致钢筋混凝土结构的安全性、适用性和耐久性急剧降低。因此,为了提高钢筋混凝土结构的服役寿命和使用性能,采用各种方法加固受损钢筋混凝土建筑物,其中碳纤维布以其高强度、轻质量、抗疲劳、耐腐蚀和易施工等优点,在钢筋混凝土结构加固和修复领域得到了日益广泛的应用,但是目前存在其理论研究滞后于工程实际应用的问题,许多机理和现象需要进行深入研究。本文针对目前碳纤维布约束下锈蚀钢筋与混凝土粘结力研究中存在的问题,进行了系统的试验研究和理论分析,钢筋采用电化学加速锈蚀方法,试件分为有箍筋约束和无箍筋约束两类,主要研究内容和成果如下: 1.对28个试件进行了单调荷载下粘结力试验,试件采用三种碳纤维布加固方法:(a)无碳纤维布加固;(b)钢筋锈蚀后碳纤维布加固;(c)钢筋锈蚀前碳纤维布加固。设计并制作了圆柱形模板。试验结果表明:(1)碳纤维布加固能够有效提高锈蚀钢筋与混凝土的粘结力,尤其是钢筋锈蚀前碳纤维布加固的试件;(2)相同条件下,碳纤维布加固能够降低钢筋的锈蚀率;(3)碳纤维布加固后试件的破坏状态由混凝土劈裂破坏改变为钢筋拔出破坏;(4)基于试验结果分析,建立了各种条件下锈蚀钢筋与混凝土粘结力的理论模型; 2.对38个试件进行了疲劳荷载作用下粘结力试验,试件采用两种加固方法:(a)无碳纤维布加固;(b)钢筋锈蚀后碳纤维布加固。荷载比为0.65、0.75和0.85。试验结果表明:(1)钢筋锈蚀率和疲劳荷载比对粘结疲劳寿命影响较大,相同荷载比下,随锈蚀率的增大,钢筋与混凝土间粘结疲劳寿命急剧降低;相同锈蚀率下,提高荷载比,钢筋与混凝土间粘结疲劳寿命急剧降低;(2)相同荷载比和钢筋锈蚀率的条件下,碳纤维布加固能够有效提高锈蚀钢筋与混凝土间粘结疲劳寿命;(3)钢筋与混凝土的粘结疲劳破坏均发生在最后一次荷载的峰值时;粘结疲劳破坏的准则为:随疲劳荷载作用次数的增加,钢筋与混凝土间粘结力不断退化,当此粘结力小于疲劳荷载的上限时,发生粘结疲劳破坏;(4)疲劳荷载作用下粘结破坏为脆性破坏,碳纤维布约束能够将混凝土劈裂破坏改变为钢筋拔出破坏,碳纤维布加固的试件破坏前,钢筋具有较大的滑移值;(5)当实际荷载比小于0.5时,前期疲劳荷载作用对其残余极限粘结力影响较小; 3.对16个试件进行了反复荷载作用下粘结力试验,试件采用两种加固方法:(a)无碳纤维布加固;(b)钢筋锈蚀后碳纤维布加固。研究结果表明:(1)随着反复荷载作用次数的增加,粘结力逐渐下降,前三次反复荷载作用下粘结力退化最严重,尤其是第一次荷载作用;(2)碳纤维布约束能够有效降低粘结力的衰减速率;(3)碳纤维布约束改变了粘结破坏的模式,即由混凝土劈裂破坏变为钢筋拔出破坏;(4)十次反复荷载作用后钢筋的单调拔出试验表明,反复荷载作用比疲劳荷载作用对残余极限粘结力损伤更为严重;(5)基于试验结果分析,建立了反复荷载作用下粘结力退化理论模型; 4.对有无箍筋约束的10个试件,分别加固0层、1层、2层、3层和4层碳纤维布,研究了不同碳纤维布层数对钢筋锈蚀速率和粘结力的影响,研究结果表明:(1)碳纤维布加固降低钢筋锈蚀速率的机理为碳纤维布胶体降低了氯离子、氧气和水在混凝土的渗透速度,碳纤维布约束限制了混凝土裂缝的开展;(2)碳纤维布加固能够显著降低钢筋锈蚀速率,当碳纤维布加固层数超过2层时,对钢筋锈蚀速率影响甚微;(3)碳纤维布约束能够有效提高钢筋与混凝土的粘结力,对无箍筋约束试件,碳纤维布加固2层时即可达到最佳加固效果,对于有箍筋约束试件最佳加固效果则为1层;(4)根据钢筋锈蚀过程中电流情况,建立了无碳纤维布加固和有碳纤维布加固的钢筋锈蚀时效模型。


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