匡亞川 余志武 龔匡暉 石衛(wèi)華

（中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075）

0 引 言

鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，它通過某種方式將鋼和混凝土有效的結(jié)合起來，充分利用鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能［1－2］.同鋼結(jié)構(gòu)相比，可以節(jié)省用鋼量、增大剛度、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗火性等；同混凝土結(jié)構(gòu)相比可以減輕自重、減小地震作用的影響、減小結(jié)構(gòu)尺寸、增加有效使用空間等.鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)適合我國基本建設(shè)的國情，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景［3］.鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房、高層建筑、橋梁結(jié)構(gòu)、組合加固、港口工程、地下工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［4］.

組合結(jié)構(gòu)主要指鋼－混凝土組合梁（板）、鋼骨混凝土、鋼管混凝土以及它們延伸形式的其他承重組合構(gòu)件、鋼－混凝土組合體系.鋼－混凝土組合梁具有截面高度小、自重輕、強(qiáng)度高、剛度大、跨越能力大、便于施工等特點(diǎn)，是高層建筑和大跨橋梁中的重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件.鋼－混凝土組合梁是一種新型的承重構(gòu)件，混凝土板與鋼梁之間通過抗剪連接件（一般使用栓釘）連接.栓釘剪力連接件是保證鋼梁與混凝土翼緣共同工作的關(guān)鍵元件.發(fā)揮鋼梁和混凝土板組合作用的栓釘直接埋在混凝土中，在車輛等反復(fù)荷載作用下，栓釘界面連接處可能出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致混凝土與鋼梁界面的粘結(jié)作用喪失，形成界面裂縫.腐蝕介質(zhì)從界面裂縫侵入，從而造成栓釘銹蝕，降低栓釘?shù)目辜粜阅?，引起鋼梁和混凝土翼緣組合作用的弱化，甚至完全喪失組合作用.因此，栓釘銹蝕是造成鋼－混凝土組合梁性能退化的一個(gè)重要原因.目前，研究組合結(jié)構(gòu)耐久性退化的試驗(yàn)方法大體可分為兩大類：真實(shí)試驗(yàn)法和模擬試驗(yàn)法［5］.利用真實(shí)試驗(yàn)法所測得數(shù)據(jù)一般都比較真實(shí)可靠，但往往需要幾年、甚至幾十年.因此，人工加速模擬試驗(yàn)法越來越受到國內(nèi)外的重視［6－8］.本文將通過恒電流加速模擬試驗(yàn)，研究栓釘銹蝕對其承載力的影響規(guī)律，為銹蝕栓釘連接件的性能研究提供理論基礎(chǔ)。

1 栓釘?shù)匿P蝕機(jī)理及銹蝕率

1.1 栓釘?shù)匿P蝕機(jī)理

在鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)中，栓釘?shù)匿P蝕是影響服役結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素.組合結(jié)構(gòu)的栓釘銹蝕一般為電化學(xué)銹蝕［9］.二氧化碳和氯離子對混凝土本身都沒有嚴(yán)重的破壞作用，但是這兩種物質(zhì)都是栓釘鈍化膜破壞的最重要又最常遇到的環(huán)境介質(zhì).因此，組合結(jié)構(gòu)中栓釘銹蝕機(jī)理主要有兩種：即混凝土碳化和氯離子侵入.在組合結(jié)構(gòu)使用壽命期間可能遇到的各種暴露條件下，氯化物是一種最危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì)，它的危害是多方面的.當(dāng)混凝土中氯離子含量超過氯離子臨界濃度時(shí)，栓釘表面的鈍化膜就會(huì)遭到破壞，引起栓釘銹蝕.混凝土中氯離子的存在強(qiáng)化了離子通路，提高了混凝土的吸濕性，降低了陰陽極之間的歐姆電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕的過程.

室內(nèi)通電快速銹蝕，實(shí)際上是利用電能加速電解栓釘?shù)倪^程.通電時(shí)不銹鋼板上發(fā)生陰極反應(yīng)，栓釘發(fā)生陽極反應(yīng).陽極的栓釘銹蝕較為均勻，鐵被氧化成亞鐵離子，釋放出電子.在陰極，電子和氧氣和水結(jié)合，生成氫氧根離子.化學(xué)反應(yīng)方程式為

直流電源從陽級不斷汲取電子，并往陰極不斷輸送電子，這就是電流引起栓釘快速銹蝕的原因所在.混凝土中的氯離子在反應(yīng)過程中沒有被消耗，通過施加直流電加速混凝土中的離子和電子的流動(dòng)，縮短氯離子進(jìn)入混凝土中并達(dá)到栓釘表面的時(shí)間，加快離子之間的反應(yīng)速度，從而加速栓釘?shù)匿P蝕.通過控制電流密度和通電時(shí)間，可以得到預(yù)定銹蝕率的栓釘.

1.2 栓釘銹蝕方法及銹蝕率

試驗(yàn)采用恒電流方法進(jìn)行推出試件內(nèi)的栓釘剪力件的快速銹蝕.加速銹蝕栓釘?shù)木唧w做法為：將養(yǎng)護(hù)到齡期的試件泡入氯化鈉溶液中若干天后，將連接栓釘?shù)膶?dǎo)線與恒定直流電源的正極相連，外置的不銹鋼板（泡入氯化鈉溶液中）與恒定直流電源的負(fù)極相連，通過氯化鈉溶液形成回路，使陽極的栓釘銹蝕［10］.根據(jù)通電時(shí)間和電流密度，利用法拉第定律較準(zhǔn)確的算出栓釘?shù)匿P蝕率.

法拉第定律可以表述為：電池中電極上發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)的量與通過該電極的電量成正比.若通過指定電極的電量為Q，相應(yīng)發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)的量為n，則［11］

式中：比例系數(shù)F 為法拉第常數(shù).若在陽極區(qū)通過的陽極電流密度值為i，則單位面積的陽極區(qū)上單位時(shí)間內(nèi)被腐蝕的栓釘?shù)馁|(zhì)量為

式中：W 為陽極區(qū)單位面積上栓釘?shù)馁|(zhì)量損失平均速度；M 為金屬的相對分子質(zhì)量或相對原子質(zhì)量；t為通電時(shí)間.若栓釘?shù)馁|(zhì)量為m，截面面積為A，腐蝕電流大小為I，則在t時(shí)間內(nèi)栓釘腐蝕的質(zhì)量損失m損為［12］

利用式（4）、（5）和（6）可得

通過控制直流電流的大小，結(jié)合式（7）可計(jì)算出栓釘達(dá)到不同銹蝕率所需的能電時(shí)間t.

2 銹蝕栓釘?shù)目辜舫休d力試驗(yàn)

2.1 試件制作

共設(shè)計(jì)了7 個(gè)推出試件T0～T6，試件基本情況見表1，試件基本尺寸見圖1.工字鋼的型號為25a，工字鋼上每邊各焊一個(gè)栓釘，栓釘規(guī)格為直徑16×70mm.鋼梁兩邊的混凝土翼緣板內(nèi)均配有4根直徑10mm 縱筋，2道直徑10mm 箍筋.通電時(shí)，推出試件T1，T2，T3和T4中僅栓釘銹蝕，其預(yù)計(jì)銹蝕率分別為4%，8%，12%，16%；為防止鋼梁和鋼筋銹蝕，試驗(yàn)前在鋼梁和鋼筋表面刷上了一層防銹漆.T5和T6通電時(shí)鋼梁和栓釘均銹蝕，其中栓釘預(yù)計(jì)銹蝕率分別為8%，12%.

表1 試件基本情況

圖1 推出試件尺寸及配筋

2.2 試驗(yàn)方法

試件在中南大學(xué)土木工程學(xué)院試驗(yàn)室成型養(yǎng)護(hù)后，將試件T1～T6 浸泡在5%的NaCl溶液中，7d后進(jìn)行通電銹蝕試驗(yàn).浸泡前測得混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度為42.74 MPa.為了避免通電流加速銹蝕過程中銹蝕產(chǎn)物從裂縫處大量滲出溶于溶液，通電時(shí)試件沒有浸泡在NaCl溶液中，而是采用海綿濕潤法.通電前，將浸泡后的試件從NaCl溶液取出，在混凝土翼緣板表面置一不銹鋼板，將不銹鋼板與直流電源的負(fù)極相連，栓釘導(dǎo)出的導(dǎo)線與電源正極相連，形成電解池，如圖2 所示.鋼板與混凝土板之間鋪一層細(xì)沙，用以保證電流流通順暢.不銹鋼板上置一厚海綿（海綿預(yù)先吸收較多NaCl溶液），并定期在海綿上澆NaCl溶液，使海綿和試件保持濕潤.細(xì)沙的作用是使混凝土板與不銹鋼板充分接觸（混凝土板表面凹凸不平），保證電流的流通［13］.試件的通電強(qiáng)度預(yù)先設(shè)定，在通電期間需校正，以保持恒定的電流強(qiáng)度，通電時(shí)間根據(jù)法拉第定律計(jì)算，其結(jié)果見表1.圖3為通電銹蝕試驗(yàn)試件.通電銹蝕以后，進(jìn)行推出試驗(yàn)，圖4為加載示意圖和試驗(yàn)裝置.

圖2 推出試件通電加速銹蝕示意圖

圖3 通電銹蝕試件

圖4 推出試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞形狀

試驗(yàn)加載前在推出試件的兩混凝土板下面鋪一層細(xì)沙，保證試件平整.加載方式為單調(diào)分級加載.加載時(shí)工字鋼將大部分荷載傳遞給栓釘，另外一部分荷載以摩擦力的形式直接傳遞給混凝土板.栓釘根部下面的混凝土，在高應(yīng)力作用下發(fā)生變形，使工字鋼與混凝土之間發(fā)生相對變形.由于試件中栓釘強(qiáng)度相對較低，所有試件表現(xiàn)為栓釘剪斷破壞，栓釘從根部被剪斷，如圖5所示.試件破壞時(shí)出現(xiàn)較大的響聲.

圖5 推出試件破壞形態(tài)

3.2 抗剪承載力

圖6為試件的承載力與通電銹蝕時(shí)間曲線.從圖中可以看出：隨著通電時(shí)間的增大，栓釘?shù)匿P蝕率增大，試件的承載力呈下降的趨勢.試件T2，T3的通電時(shí)間分別與試件T5，T6的通電時(shí)間相同，試件T2和T3的承載力分別為242.3kN 和204.3kN，試件L5 和L6 承載力分別為270.4 kN 和235.7kN.試件T5承載力比試件T2大，試件T6承載力比試件T3 大.這是由于在試件T2，T3的鋼梁和鋼筋表面都刷了防銹漆，因此在通電時(shí)間相同的情況下，末刷防銹漆的試件T5，T6的銹蝕比試件T2，T3嚴(yán)重，而栓釘?shù)匿P蝕則不如T2，T3，因此承載力有所提高.

圖6 試件承載力與通電銹蝕時(shí)間曲線

加靜載破壞后，敲開混凝土，取出栓釘并酸洗去銹，測量栓釘?shù)氖Ｓ嘀睆剑?jì)算栓釘?shù)慕孛娣e損失率，取兩個(gè)栓釘銹蝕率的平均值作為該試件栓釘?shù)膶?shí)際銹蝕率，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 栓釘抗剪承載力及實(shí)際銹蝕率

3.3 荷載－滑移曲線

為測得試件的荷載－滑移曲線，在試件栓釘所在的平面上安裝百分表，每個(gè)試件4 個(gè)，對稱布置，如圖7所示，取4個(gè)百分表的平均值作為其滑移值.圖8為試件T0～T4的荷載－滑移曲線.從圖可以看出，荷載達(dá)到120kN 前，T0～T4 的荷載－滑移曲線基本相同，滑移值較小且基本成直線增長.荷載達(dá)到120kN 后，末銹蝕試件T0的荷載和滑移繼續(xù)保持較快增長，銹蝕試件T1～T4的荷載增幅變小，而滑移增幅變大，曲線變得較為平緩.隨著栓釘銹蝕率的增大，試件的荷載－滑移曲線變得越來越平緩，即在荷載相同時(shí)，相對滑移變大.這表明隨著栓釘銹蝕率的增加，其屈服荷載變小，推出試件的相對滑移值增大.

圖7 百分表布置圖

圖8 T0～T4的荷載－滑移曲線

3.4 栓釘銹蝕后抗剪承載力的計(jì)算型

圖9為銹蝕栓釘抗剪承載力擬合曲線，根據(jù)擬合曲線得到銹蝕栓釘?shù)目辜舫休d力退化規(guī)律為

圖9 銹蝕栓釘抗剪承載力擬合曲線

則，銹蝕栓釘?shù)目辜舫休d力為

4 結(jié) 論

1）隨著通電時(shí)間的增大，栓釘?shù)匿P蝕率增大，其抗剪承載力降低.

2）在通電量相同的情況下，末刷防銹漆的推出試件中的鋼梁銹蝕嚴(yán)重，栓釘?shù)匿P蝕降低，其承載力比較涂刷了防銹漆的試件高.

3）隨著栓釘銹蝕率的增大，荷載－滑移曲線變得越來越平緩，即在荷載相同時(shí)，相對滑移增大.這表明隨著栓釘銹蝕率的增加，其屈服荷載變小，推出試件的相對滑移值增大.

4）栓釘銹蝕后，其抗剪承載力可通過引入降低系數(shù)k進(jìn)行計(jì)算.

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