氯盐环境下基于外加电流阴极保护的TRC加固RC柱轴压性能研究

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钢筋混凝土柱作为结构中承受竖向荷载的主要受力性能及其在腐蚀环境下的其耐久性问题值得关注。我国拥有漫长的海岸线与众多的盐碱地环境,当钢筋混凝土(RC)柱长期处于氯盐环境下,混凝土内部的钢筋很容易遭受外界氯离子的侵蚀出现钢筋锈蚀以及保护层混凝土胀裂等性能劣化现象,这一现象在潮汐、浪溅等干湿循环的作用下表现得更为严重。RC柱遭受氯盐侵蚀后的承载能力和变形能力均不同程度的降低,当遭遇地震作用时,锈蚀RC柱极易发生剪切和弯剪等非延性破坏,严重的还会引发结构整体垮塌。因此,如何采用有效的抗氯离子侵蚀加固方法对RC结构进行有效加固是目前相关研究的热点和亟需。织物增强混凝土(Textile Reinforced Concrete,TRC)是一种新型纤维增强复合材料,该材料具有轻质、高强、耐高温以及耐腐蚀等优点,将其应用于氯盐环境构筑物的加固不仅可以提高RC结构或构件的受力性能,还可以防止结构进一步遭受氯离子侵蚀。但是,TRC加固层本身并不能完全阻隔外界侵蚀环境与结构内部环境之间的联系,加固后的结构或构件在持续腐蚀环境下仍有可能遭受氯离子侵蚀,这就要求采用TRC进行锈蚀RC加固时有必要辅助一定的抗氯盐侵蚀措施或方法对混凝土内部钢筋进行进一步的保护,以确保锈蚀结构加固后具有较好的抗氯离子侵蚀性能。外加电流的阴极保护(Impressed Current Cathodic Protection,ICCP)是国际上公认的一种非常有效的防腐技术。将TRC与ICCP技术结合对氯盐环境下的RC结构或构件进行加固,以提高持续氯盐环境下锈蚀结构或构件加固的有效性和可靠性非常值得关注。本文在国家自然科学基金“织物增强混凝土模板及其叠合梁板生命周期力学性能研究(51478408)”及“考虑循环荷载作用历史的弯剪破坏RC柱抗震性能及地震损伤机理研究(51508154)”项目的资助下,开展了氯盐环境下基于外加电流阴极保护的TRC加固RC柱轴压性能研究,主要研究内容和结论如下:(1)通过对12根氯盐环境下RC柱进行轴压试验,分析干湿循环锈蚀下不同设计参数(截面尺寸、配箍率)RC柱的轴压破坏形态、开裂荷载、轴向承载力及变形(或延性)等,根据试验结果分析氯盐环境下RC柱轴压性能劣化机理。研究结果表明,氯盐环境下的RC柱经干湿循环侵蚀后,其承载力和变形性能均有不同程度的下降,下降的幅度最高可达19.01%和25.57%。非延性破坏形态随锈蚀程度增加逐渐趋于明显,侵蚀严重的RC柱甚至出现了脆性破坏。配箍率越低、截面尺寸越小的RC柱试件的力学性能及破坏形态受干湿循环侵蚀的影响比较大。(2)通过对氯盐环境下24根TRC加固RC柱的轴压性能进行研究,分析干湿循环锈蚀下不同设计参数(试件尺寸、配箍率及配网率)TRC加固RC柱的破坏形态、开裂荷载、轴向承载力及变形(或延性)等,并根据试验结果研究氯盐腐蚀环境下TRC加固RC柱轴压性能的劣化机理,并建立考虑氯盐干湿循环影响的TRC约束RC柱应力-应变关系模型。研究结果表明,RC柱采用TRC加固后轴压性能提高明显,加固层中纤维网层数越多加固效果越明显,加固后的RC柱承载力和变形性能最大可以提高30.76%和31.08%;氯盐干湿循环下TRC加固RC柱的轴压性能退化程度相比未加固柱有明显的下降,但承载力和变形仍有一定程度的损失,表明单一的TRC加固并不能完全阻止腐蚀环境下氯盐对RC柱中钢筋的侵蚀锈蚀;提出的TRC约束RC柱应力-应变关系计算模型考虑氯盐锈蚀的影响,可用于描述氯盐环境下TRC加固RC柱混凝土的本构关系。(3)通过对氯盐环境下基于外加电流阴极保护(ICCP)的TRC加固RC柱轴压性能进行研究,分析干湿循环锈蚀下不同设计参数(保护电位、截面尺寸、配箍率及配网率)TRC加固RC柱的轴压性能,结合研究内容(2)的结果对比分析氯盐环境下基于ICCP和TRC加固的RC柱抗氯离子侵蚀性能。研究结果表明,氯盐环境下在TRC加固RC柱基础上采用ICCP技术,可进一步提高RC柱的抗氯离子侵蚀性能,相同干湿循环次数下加固柱的箍筋锈蚀率明显低于仅采用TRC加固的情况,加固柱的承载力和变形性能退化程度明显降低,承载力和变形性能相对于仅采用TRC加固的RC柱最高提升达到24.97%和37.23%,有利于提高氯盐环境下RC柱的使用寿命。
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