土木工程外文文献及翻译

土木匠程外文文件及翻译MaterialsandStructures?RILEM201010.1617/s11527-010-9700-yOriginalArticleImpactofcrackwidthonbond:confinedandunconfinedrebarDavidW.Law1,DengleiTang2,ThomasK.C.Molyneaux3andRebeccaGravina3SchooloftheBuiltEnvironment,HeriotWattUniversity,Edinburgh,EH144AS,UKVicRoads,Melbourne,VIC,AustraliaSchoolofCivil,EnvironmentalandChemicalEngineering,RMITUniversity,Melbourne,VIC,3000,AustraliaDavidW.LawEmail:D.W.Law@hw.ac.uker

Received:14January20102010Publishedonline:23Abstract

Accepted:14December2010

DecembThispaperreportstheresultsofaresearchprojectcomparingtheeffectofsurfacecrackwidthanddegreeofcorrosiononthebondstrengthofconfinedandunconfineddeformed12and16mmmildsteelreinforcingbars.ThecorrosionwasinducedbychloridecontaminationoftheconcreteandanappliedDCcurrent.Theprincipalparametersinvestigatedwereconfinementofthereinforcement,thecoverdepth,bardiameter,degreeofcorrosionandthesurfacecrackwidth.Theresultsindicatedthatpotentialrelationshipbetweenthecrackwidthandthebondstrength.Theresultsalsoshowedanincreaseinbondstrengthatthepointwhereinitialsurfacecrackingwasobservedforbarswithconfiningstirrups.Nosuchincreasewasobservedwithunconfinedspecimens.Keywords:bond;corrosion;rebar;cover;crackwidth;concrete1IntroductionThecorrosionofsteelreinforcementisamajorcauseofthedeteriorationofreinforcedconcretestructuresthroughouttheworld.Inuncorrodedstructuresthebondbetweenthesteelreinforcementandtheconcreteensuresthatreinforcedconcreteactsinacompositemanner.However,whencorrosionofthesteeloccursthiscompositeperformanceisadverselyaffected.Thisisduetotheformationofcorrosionproductsonthesteelsurface,whichaffectthebondbetweenthesteelandtheconcrete.Experimentalinvestigation2.1SpecimensFig.1BeamendspecimenDeformedrebarof12and16mmdiameterwithcoverofthreetimesbardiameterwereinvestigated.Duplicatesetsofconfinedandunconfinedspecimensweretested.Theconfinedspecimenshadthreesetsof6mmstainlesssteelstirrupsequallyspacedfromtheplastictube,at75mmcentres.Thisrepresentsfourgroupsofspecimenswithacombinationofdifferentbardiameterandwith/withoutconfinement.Thespecimenswereselectedinordertoinvestigatetheinfluenceofbarsize,confinementandcrackwidthonbondstrength.2.2MaterialsTable1Concretemixdesign10mm7mmMateriCementw/cSandwashedwashedSaltSlumpalaggregaaggregateteQuantit381kg/0.4517kg/463kg/463kg/18.84kg/140±25mmym39m3m3m3m3(1)whereisthebondstrengthforgrade40concrete,τexptlistheexperimentalbondstrengthandfcistheexperimentalcompressivestrength.ThetensilestrengthoftheΦ12andΦ16mmsteelbarswasnominally500MPa,whichequatestoafailureloadof56.5and100.5kN,respectively.2.3ExperimentmethodologyFig.2AcceleratedcorrosionsystemWhentherequiredcrackwidthwasachievedforaparticularbar,theimpressedcurrentwasdiscontinuedforthatbar.Thespecimenwasremovedforpullouttestingwhenallfourlocationsexhibitedthetargetcrackwidth.Averagesurfacecrackwidthsof0.05,0.5,1and1.5mmwereadoptedasthetargetcrackwidths.Thesurfacecrackwidthwasmeasuredat20mmintervalsalongthelengthofthebar,beginning20mmfromtheendofthe(plastictube)bondbreakerusinganopticalmicroscope.Thelevelofaccuracyinthemeasurementswas±0.02mm.Measurementsofcrackwidthweretakenonthesurfacenormaltothebardirectionregardlessoftheactualcrackorientationatthatlocation.Fig.3Pull-outtest,16mmbarunconfinedFig.4Schematicofloading.Note:onlytestbarshownforclarityExperimentalresultsanddiscussion3.1VisualinspectionWhileeachspecimenhadameantargetcrackwidthforeachbar,variationsinthiscrackwidthwereobservedpriortopullouttesting.Thisisduetocorrosionandcrackingbeingadynamicprocesswithcrackspropagatingatdifferentrates.Thus,whileindividualbarsweredisconnected,oncethetargetcrackwidthhadbeenachieved,corrosionandcrackpropagationcontinued(tosomeextent)untilallbarshadachievedthetargetcrackwidthandpullouttestsconducted.Thisresultedinarangeofdataforthemaximumandmeancrackwidthsforthepullouttests.Fig.5TypicalcrackpatternsFig.6Longitudinalcrackingafterpull-outFig.7Diagonalcrackingafterpull-outThebarswereinitially(precasting)cleanedwitha12%hydrochloricacidsolution,thenwashedindistilledwaterandneutralizedbyacalciumhydroxidesolutionbeforebeingwashedindistilledwateragain.Followingthepull-outtests,thecorrodedbarswerecleanedinthesamewayandweighedagain.ThecorrosiondegreewasdeterminedusingthefollowingequationwhereG0istheinitialweightofthesteelbarbeforecorrosion,Gisthefinalweightofthesteelbarafterremovalofthepost-testcorrosionproducts,g0istheweightperunitlengthofthesteelbar(0.888and1.58g/mmforΦ12andΦ16mmbars,respectively),listheembeddedbondlength.3.2BondstressandcrackwidthFig.10Meancrackwidthversusbondstressfor16mmbarsFig.11Meancrackwidthversusbondstressfor12mmbarsFig.12Maximumcrackwidthversusbondstressfor16mmbarsFig.13Maximumcrackwidthversusbondstressfor12mmbarsTable2Bestfitparameters,crackwidthversusbondstrengthUnconfineConfineUnconfineConfined12mmd12mmd16mmd16mmMeancrackwidthR20.9200.6370.6720.659Slope(m)-3.997-3.653-2.999-8.848Intercept7.5608.1226.4968.746(b)MaximumcrackwidthR20.9370.8550.7140.616Slope(m)-2.719-2.968-1.815-5.330Intercept7.8058.4036.7079.636(b)Therewasalsoasignificantlybetterfitfortheunconfinedspecimensthantheconfinedspecimens.Thisisconsistentwiththeobservationthatintheunconfinedspecimensthebondstrengthwillberelatedtothebondbetweenthebarsandtheconcrete,whichwillbeaffectedbythelevelofcorrosionpresent,whichitselfwillinfluencethecrackwidth.Inconfinedspecimenstheconfiningsteelwillimpactuponboththebondandthecracking.3.3CorrosiondegreeandbondstressFig.14Bondstressversuscorrosiondegree,12mmbars,unconfinedspecimenSignificantlylargercrackwidthswereobservedfortheunconfinedspecimens,comparedtotheconfinedspecimenswithsimilarlevelsofcorrosionandmasslost.Thelargestobservedcrackforunconfinedspecimenswas2.5mmcomparedto1.4mmfortheconfinedspecimens.Thisisasexpectedandisadirectresultoftheconfinementwhichlimitsthedegreeofcracking.3.4EffectofconfinementThedataisperhapsunexpectedasitcouldbeanticipatedthatthecorrosionproductswouldleadtoanincreaseinbondduetotheincreaseininternalpressures,causedbythecorrosionproductsincreasingtheconfinementandmechanicalinterlockingaroundthebar,coupledwithincreasedroughnessofthebarresultinginagreaterfrictionbetweenthebarandthesurroundingconcrete.However,thesepressureswouldthenrelievedbythesubsequentcrackingoftheconcrete,whichwouldcontributetothedecreaseinthebondstrengthascrackwidthsincrease.Apossiblehypothesisisthatduetothelevelofcover,threetimesbardiameter,theeffectofconfinementbythestirrupsisreduced,suchthatithaslittleimpactonthebondstressinuncrackedconcrete.However,oncecrackinghastakenplacetheconfinementdoeshaveabeneficialeffectonthebond.Itmayalsobethatthecompressivestrengthoftheconcretecombinedwiththecoverwillhaveaneffectonthebondstressesforuncorrodedspecimens.Thedatapresentedherehasacoverofthreetimesbardiameterandastrengthof40MPa,otherresearchrangesfrom1.5tofourtimescoverwithcompressivestrengthsfrom40to77MPa.3.5Comparisonof12and16mmrebarThemaximumbondstressfor16mmunconfinedbarswasmeasuredat8.06MPaandforthe12mmbarsitwas8.43MPa.Thesebothcorrespondedtothecontrolspecimenswithnocorrosion.Theunconfinedspecimensforboththe12and16mmbarsshowednoincreaseinbondstressduetocorrosion.Fortheconfinedspecimensthemaximumbondstressforthecontrolspecimenswere7.29MPaforthe12mmbarsand6.34MPaforthe16mmbars.Themaximumbondstressforbothsetsofconfinedspecimenscorrespondedtopointoftheinitialcracking.Themaximumbondstresseswereobservedatameancrackwidthof0.01mmforthe12mmbarsand0.28mmforthe16mmbars.Thecorrespondingbondstresseswere,8.45and7.20MPa.Overallthe12mmbarsdisplayedhigherbondstressescomparedtothe16mmbarsatallcrackwidths.Thisisattributedtoadifferentfailuremode.The16mmspecimensdemonstratesplittingfailurewhilethe12mmbarsbondfailure.3.6EffectofcastingpositionFig.15Bondstressversusmeancrackwidthfor1mmbars,topandbottomcastpositions,confinedspecimen4Conclusionsrelationshipwasobservedbetweencrackwidthandbondstress.Thecorrelationwasbetterformaximumcrackwidthandbondstressthanformeancrackwidthandbondstress.Confinedbarsdisplayedahigherbondstressatthepointofinitialcrackingthanwherenocorrosionhadoccurred.Ascrackwidthincreasethebondstressreducedsignificantly.Unconfinedbarsdisplayedadecreaseinbondstressatinitialcracking,followedbyafurtherdecreaseascrackingincreased.Topcastbarsdisplayedahigherbondstressinspecimenswithnocorrosion.Oncecrackinghadoccurrednovariationbetweentopandbottomcastbarswasobserved.The12mmbarsdisplayedhigherbondstressvaluesthan16mmwithnocorrosion,controlspecimens,andatsimilarcrackwidths.Agoodcorrelationwasobservedbetweenbondstressanddegreeofcorrosionwasobservedatlowlevelsofcorrosion(lessthan5%).However,athigherlevelsofcorrosionnocorrelationwasdiscerned.Overalltheresultsindicatedapotentialrelationshipbetweenthemaximumcrackwidthandthebond.Resultsshownhereinshouldbeinterpretedwithcautionasthisvariationmaybenotonlyduetovariationsbetweenacceleratedcorrosionandnaturalcorrosionbutalsoduetothecomplexityofthecrackingmechanisminreality.中文译文：拘束和无拘束的钢筋对裂痕宽度的阻截收稿日期：2010年1月14纳稿日期：2010年12月14日线上宣布时刻：2010年1月23日大纲本报告宣布了限制拘束和自由的变形对粘结强度12、16毫米钢筋的表面腐化程度和裂纹阻截的比较结果。腐化是氯化物污染的混凝土的引诱和外加直流电流的惹起的。检查的重要参数有钢筋剥离，爱惜层厚度，钢筋直径，腐化程度和表面裂缝宽度。结果表示了裂痕宽度和粘结强度之间的暗藏关系。同时还觉察在围箍筋处觉察表面裂纹的地点粘结强度增添，而无侧限的样本中没有观看到粘结强度增添。重点词：粘结；腐化；螺纹钢；爱惜层；裂痕宽度；混凝土序言在世界各地，钢筋的腐化是钢筋混凝土构造的恶化的重要缘由。在未腐化的构造中钢筋和混凝土之间的粘结使钢筋混凝土处于有益状态。但是，当钢铁的腐化发生时，会对这类主动性能产生不利阻截。这是因为钢表面形成了腐化产物，进而阻截了钢和混凝土之间的粘结。钢筋混凝土恶化是由钢筋和形成的膨胀腐化产物造成的局部缺失。这类情况的恶化在很多方面阻截构造;膨胀产品的产生造成混凝土的拉应力，这可能会致使混凝土爱惜层开裂和剥落的。这类开裂能够致更严重的恶化和进一步的腐化。它也能够致使在混凝土爱惜层的强度和刚度的缺失。腐化产物也能够阻截混凝土与钢筋之间的粘结强度。最后腐化减少钢筋截面面积，阻截钢筋的延展性和承载能力，进而最后阻截构造合用性和构造承载力[12，25]。过去的研究检查腐化对粘结的阻截[2-5，7，12，20，23-25，27，29]，提出了数据模型[4，6，9，10，18，1924，29]。本研究重要研究腐化（钢材质量缺失）水平或电流密度程度（腐蚀电流在加快测试中的应用）和裂痕宽度之间的关系，或粘结强度和腐化程度之间的关系。其余研究已检查的锈蚀力学性能[1，11]和摩擦特色[13]。但是，专门罕有人研究都集中在裂痕宽度与粘结[23，26，28]之间的关系上，此参数易与实质构造相联系。加大钢筋的腐化致使生成铁氧化物，它的体积大于原钢材。这类扩大造成四周的混凝土内的拉应力，最后致使混凝土爱惜层开裂。一旦开裂发生，混凝土紧箍力就会缺失。这表示粘结能力的缺失可能与纵向裂痕宽度相关[12]。但是，以混凝土的剥离能够在必定程度上抵消粘结力的缺失。最新研究重要与剥离样真相关。本文报导的一项研究比较了有侧限和无侧限样本的粘结力缺失。2.实验研究2.1样本梁端样本[28]被选定为这项研究的研究对象。这类撤去偏心或“梁端”模式样本以一个典型的简支梁锚固区的粘结长度支撑。样本的矩形截面投在纵向钢筋的各处，如图1。因为没有加强下方横反响的钢筋，试样供给了一个80毫米的塑料管，以保证粘结强度（横向）压缩力超出那个长度的钢筋。图1梁端试样试验检查了由3倍直径厚的爱惜层爱惜的12和16毫米直径的钢筋。重复测试有侧限和自由样本。在密闭的塑料管中有3套6毫米的不锈钢箍筋今后间穿过，在75毫米中心。这代表了四组不一样样钢筋直径和有侧限/无拘束的样本。以检查钢筋规格，混凝土剥离和裂痕宽度对粘结强度的阻截。2.2资料配合比设计，如表1所示。水泥是I型硅酸盐水泥，骨料为玄武岩，容重2.99。依据AS1141—2000进行粗、细集料的制备。拌合依据AS1141—1994进行。测试前水浴保养28天。表1混凝土配合比设计资料水泥w/c砂10mm集7mm集盐含量塌落度料料结果381kg/m3517333140±0.4kg/mkg/mkg/mkg/m325mm为了比较不一样样的混凝土抗压强度，粘结强度，Eq。公式1已被'其余研40究者用于正常化粘结强度的非腐化样本。exptlfc1为40级混凝土的粘结强度，exptl为实验粘结强度和Fc是实验抗压强度。12和Φ16毫米钢筋的抗拉强度是500兆帕，分不相当于一个56.5和100.5kN的损坏载荷。2.3实验方法加快腐化已被很多作者用于重此刻自然环境中发生的腐蚀钢筋钢[2，3，5，6，10，18，20，24，27，28，30]。这些相关实验使用外加电流或干湿周期人工风化和高升温度延缓腐化时刻，同时保持恶化系统处于自然状态。采用外加电流的研究使用的电流密度在100μA/cm2与500mA/cm2之间[20]。有研究表示，电流密度200μA/cm2与100μA/cm2比较，200的结果与初期时期的腐化更相像[21]。跟着施加电流密度200μA/cm2被选定为研究使用电流，这在平时的研究中成为电流密度频谱的低端代表。但是，应谨慎应用外加电流的加快腐化，加快过程其实不完满复制在实质构造中所波及的系统。在加快测试中不许诺违犯自然的进展，并有可能在表面上更均匀腐化。腐化率也可能会阻截腐化的产品，这些产品可能会形成不一样样的氧化状态，这可能会阻截粘结强度。钢筋作为阳极和四个碳钢金属板固定在表面作为阴极。金属板和混凝土之间搁置海绵（用盐水喷洒）供给足够的接触，如图2。图2加快腐化系统当裂痕宽度要求需适应专门钢筋时应当停止施加外加电流。当全部四个地点展现规定的裂痕宽度，试样就会被拆掉撤退测试。均匀表面裂痕宽度0.05，0.5，1和1.5毫米作为目标裂痕宽度。表面裂纹宽度沿钢筋长度丈量间隔20mm，从拘束（塑料管）尾端开始20mm用断路器光学显微镜丈量。丈量精度为±0.02毫米。从钢筋表面丈量裂痕宽度，不考虑裂痕实质方向在哪处。粘结强度测试经过手动操作液压千斤顶和一个定制的试验装置，如图3所示。加载方案见图4。长80毫米的塑料管在尾端供给了一个横向反响的详尽部分，以保证粘结强度可不能因为内力（压力）提高而增添。样本定位使轴向力，合用于被测试的钢筋。给样本足够刚性的拘束能够保证在加载过程中最小的旋转或歪曲。图3拉出测试，16毫米钢筋不承压图4加载表示图。注：只测试显示棒实验结果与讨论3.1目视检查加快腐化时期后，检查每个样本的裂痕的地点，均匀裂痕宽度和最大裂痕宽度（第2.3款）。只管每个钢筋样本都有均匀目标裂痕宽度，但是裂痕宽度的变化在观看前拉出测试。这是因为腐化和开裂是一个动向的过程，裂痕是以不一样样的速度流传的。所以，当个不钢筋被拉断的时候，一旦目标裂痕宽度差不多达到，腐化和裂纹在必定程度上连续扩展，直到全部的钢筋已达到目标的裂痕宽度，再停止试验进行。这产生了一系列的最大裂痕和停止测试时的均匀裂痕宽度数据。视觉检测的样本显示了三个时期的裂解过程。初始裂痕发生在专门短的时刻内，平时在几日以内产生。在此今后，大部分裂痕以一个恒定的速度增添，直到3-4周后初次开裂，他们达到1毫米。裂痕达到了1毫米后，它们的增添快度专门迟缓，甚至一些裂痕一点都不增添。侧限和自由的样本表面裂纹常常发生在侧面（如对侧的顶部或底部），并沿钢筋方向进展。一样情况下无侧限的样本只有仅有的一部分裂痕，而自由的样本裂痕的进展却十分常有，观看到的裂痕垂直对齐下面，垂直向下侧相邻的链接，如图5。图5典型裂纹模式在拉出测试时最常有的侧限和自由的故障是剥离失败，这是因为跟着在荷载作用下腐化的扩大形成裂痕，最后致使右上角/边沿剥落，如图6。但是一些侧限的样本，存在第二种损坏模式，在侧墙对角线展现裂痕，如图7。在腐化时期，这些裂痕的展现与观看到的垂直裂痕如上边报导的，其实不相关。图6拉出后纵向开裂图7角开裂后拉出钢筋最先（预制）由12％的盐酸溶液冲洗，此后在蒸馏水冲洗，其余蒸馏水冲洗以前由氢氧化钙溶液中和。锈蚀钢筋拉出来测试今后，以相同的方式进行冲洗，并再次称重。使用G下0-列G公式确立的腐化程度CR=100%g0l此中G0是钢筋腐化前的初始重量，G是最后去除腐化产物后的测试后的钢筋重量，g0是每单位长度的钢筋重量（Φ12和Φ16毫米钢筋分不0.888和1.58g/毫米），l是嵌入式的键长。图8和图9显示有不一样样程度的腐化钢筋。多半表现出可见的凹陷，近似的实质构造，如图9。但是，少量其余钢筋表现出显着的整体部分缺失，更均匀的腐化水平，如图8，这可能是一个加快方法的功能。图812毫米钢筋腐化、约30％的质量缺失图916毫米钢筋腐化、约15％的质量缺失3.2粘结应力和裂痕宽度图10显示了16毫米的钢筋粘结应力与均匀裂痕宽度的变化。图11为12毫米的钢筋的。图12和图13显示的最大裂痕宽度的数据。图1016毫米的钢筋均匀裂痕宽度、粘结应力争1112毫米的钢筋均匀裂痕宽度、粘结应力争1216毫米的钢筋最大裂痕宽度、粘结应力争1312毫米的钢筋最大裂痕宽度、粘结应力数据显示12毫米箍筋样本的初始粘结强度增添，这与其余作者[12，15]的结论相同。对于16毫米箍筋样本观看到的裂痕宽度0.28和0.35毫米，但是，裂痕宽度减少了粘结应力，观看到的均匀裂痕宽度为0.05毫米。12mm钢筋与箍筋粘结力从控制值到最大粘结应力粘结应力增添25%粘结力。16毫米的样本增添约14％。其余研究[17，24，25]报导的观看结果，因为拘束在这些实验中获得的粘结应力有10%到60％加强。但是，装卸装置和爱惜层都不尽相同。实验技术的变化，包含较短的嵌入式长度和较薄的爱惜层。粘结强度，腐化程度，钢筋尺寸，爱惜层，节点的详尽信息和拉伸强度之间的异变由罗德里格斯推断等差不多被详尽讨论。[28]。分析表示因为侧限提高粘结力约25％，相应的16毫米的钢筋的粘结力（2％的部分缺失评估）约有0.75兆帕强度的变化。相应的12毫米侧限钢筋的粘结强度被觉察约有35％增添，粘结力有1.0MPa的差别。实验结果（14和25％以上）是这些值的60-70％。这两组数据表示，粘结强度减小与可见表面裂纹宽度的关系。粘结强度数据的回来分析表示它与均匀裂痕宽度（不包含未开裂的密闭样本）成反相关关系，如表2。表2裂痕宽度与粘结强度最正确拟合参数12mm自由12mm侧限16mm自由16mm侧限均匀裂痕宽度R20.9200.6370.6720.659斜率-3.997-3.653-2.999-8.848截距（b）7.5608.1226.4968.746最大裂痕宽度R20.9370.8550.7140.616斜率-2.719-2.968-1.815-5.330截距（b）7.8058.4036.7079.636还有无侧限样本比承压样本更适应。无侧限样本粘结强度与钢筋与混凝土的的粘结强度相关，这符合试验观察，它受此刻腐化水平的阻截，这自己会阻截裂痕宽度。侧限承压钢筋同时会阻截粘结力和裂痕。3.3腐化程度和粘结应力专门显然（如图14），对于腐化度小于5％粘结应力的相关性专门好。但是跟着腐化程度的增添，就没有可观看到的相关性。在比较观察到的裂痕宽度和粘结应力的关系时，得出了一个合理的相关性，甚至裂痕宽度增添到了2到2.5毫米。这类变化的一个可能是腐化初始时期几乎全部溶解的铁离子发生反响形成了膨胀腐化产物。这类反响阻截粘结应力和裂纹的形成。但是一旦裂痕形成，铁离子即可能沿混凝土裂痕分别。因为粘结已失掉，任何铁离子都可溶解在裂痕中和从混凝土中分别，这斩钉截铁致使腐化程度的增添，但这不阻截表面裂纹宽度。内裂纹的地点，方向和化学控制粘结应和腐化程度会阻碍粘结了和腐化级不，这将改变样本与样本之间的关系。所以，腐化水平高的粘结应力腐化程度有专门大变化。图1412毫米自由钢筋粘结应力与腐化程度与相同腐化程度和质量缺失的侧限样真比较自由样本的裂痕宽度显然较大。自由样本观察到的最大裂纹是2.5毫米而侧限样本为1.4毫米。这是限制裂痕等级的间隔样本斩钉截铁表现出的结果，也是预期结果。3.4间隔的阻截16和12毫米自由钢筋样本没有表现出比侧限钢筋粘