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回族Chen金近张、杨金,你们已达到, ”实验调查腐蚀影响下的高强度钢筋力学性能动态载荷”,国际期刊的腐蚀, 卷。2018年, 文章的ID7169681, 12 页面, 2018年。 https://doi.org/10.1155/2018/7169681
实验调查腐蚀影响下的高强度钢筋力学性能动态载荷
文摘
腐蚀钢筋的拉伸行为的能力评估是重要的锈蚀钢筋混凝土结构。本文研究了腐蚀高强度钢筋的力学性能在静态和动态加载。高强度钢筋腐蚀是通过使用加速腐蚀方法和不同应变率下进行拉伸试验。结果表明,腐蚀高强度钢筋力学性能的应变率依赖,而应变率效应降低了腐蚀程度的增加。名义收益率下降,最终造成的优势主要是减少横截面区域,最终减少变形和缩短产量高原引起加剧非均匀减少应力集中。提出了基于测试结果,减少因素与拉伸行为与腐蚀钢筋的腐蚀程度和应变率。修改Johnson-Cook腐蚀高强度钢筋强度模型提出了动态加载下考虑腐蚀的影响程度。对比模型和测试结果表明,提出的模型正确描述了高强度钢筋腐蚀的动态响应。
1。介绍
结构恶化引起的钢筋腐蚀是土木工程的一个主要问题。钢筋的腐蚀(钢筋)不仅会导致混凝土保护层的开裂,但也导致钢筋混凝土(RC)结构的严重破坏。因此,研究锈蚀钢筋的力学性能退化的预测是至关重要的RC结构的适用性和耐久性(1]。腐蚀钢筋的静态拉伸试验结果表明,随着腐蚀程度的发展,名义收益率和最终的优势和降低腐蚀钢筋的极限应变。同时,收益率高原缩短甚至消失(2,3]。已经提出的经验公式评估腐蚀钢筋的屈服和最终的优势(4,5],腐蚀钢筋的应力-应变关系的数学模型在不同的环境条件也被建立了6- - - - - -10]。
钢筋混凝土结构可能会受影响或爆炸加载在其使用寿命,如桥梁和地下防护结构(11]。钢筋混凝土结构中钢筋的应变率可能达到10−1在冲击荷载。明显应变率对钢筋的力学性能的影响在他们的高应变率拉伸试验12]。他们的产量和最终的优势增加当应变速率增加,但屈服强度有明显增量超过极限强度(13,14]。测试结果动态载荷下的腐蚀介质和低强度钢筋表明应变率效应降低了腐蚀程度的增加(15]。近年来,越来越多的高强度钢筋被用于现代钢筋混凝土结构因其良好的强度和延性的组合。然而,腐蚀和应变速率的影响力学性能的高强度钢筋还没有讨论。
随着计算机技术的发展,有限元仿真发挥了关键作用,尤其是在工程领域。一个理想的本构模型应该能够精确地预测材料在不同加载条件下的行为,如静态和动态模式和低和高压力,许多工程材料在不同加载条件下表现明显不同。提出了各种率相关本构模型对高应变率的金属材料,如Johnson-Cook (j)模型和Cowper-Symonds模型。其中,j本构模型是使用最广泛的模型之一,因为它在一个简单而有效的方式执行(16]。半经验模型,它描述了塑料材料的行为在高压力,高应变率和高温。然而,现有的j本构模型不考虑耦合应变率和腐蚀程度对流动应力的影响,造成有限的能力预测材料性能。
本文的目的是通过实验调查的影响腐蚀腐蚀高强度钢材的力学性能。综合测试程序的目的是观察、监控和评估高腐蚀钢筋的腐蚀行为及其对其力学性能的影响具体的静态和动态载荷作用下。不同的高强度钢筋腐蚀度得到了外加电流法在混凝土。研究腐蚀的影响程度在动态加载下的力学性能,进行了拉伸测试腐蚀高强度钢筋采用高应变率测试系统。机械性能(屈服强度、极限强度和极限应变,等等)都进行了测定。提出了基于测试结果,减少因素与拉伸行为腐蚀钢筋的腐蚀程度和应变率和修改模型Johnson-Cook强度的腐蚀提出了动态加载下高强度钢筋考虑腐蚀的影响。测试的结果可以导致腐蚀行为的知识及其对锈蚀钢筋的力学性能的影响在动态加载下,可以用来预测加载下的锈蚀钢筋混凝土结构力学行为的影响。
2。实验程序
2.1。材料和标本
高强度钢筋HRB500常用在中国被用来研究应变率的影响和腐蚀钢筋的力学性能在静态和动态加载。HRB500钢筋的热轧带肋钢筋的屈服强度不低于500 MPa。原来的直径25毫米。
众所周知,金属的机械性能是影响其化学组成、形貌和微观结构发生显著的变化。HRB500钢筋的化学成分加速腐蚀试验前测试,结果如表所示1。标准的标本是根据ASTM-E8-09标准(17)如图1,减少部分长度5毫米直径60毫米,和控制部分的截面直径12毫米。控制部分的长度为应变率从0.0002秒−10.1年代−1是应变率从70毫米和2 s−1~ 50年代−1是250毫米和120毫米在两端,分别。每个钢筋的两端延伸50 mm超出期望的长度与电线连接。
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是铁的平衡。 |
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的控制部分标本,不会腐蚀,被环氧封装。然后,钢筋标本嵌入在具体如图2,减少部分的标本是由外加电流腐蚀的方法。具体的成分用于腐蚀高强度标本的制备由普通硅酸盐水泥,沙子的最大直径5毫米,粗骨料的最大直径15毫米,和自来水。立方和样品尺寸的150×150×150毫米3都准备好了。混合的混凝土混合物比例如表所示2。混凝土的28天轴向抗压强度被发现在平均29.5 MPa。
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2.2。加速腐蚀试验
高强度钢筋的混凝土板的标本是治愈自然室内环境和室温后28天。然后放入玻璃坦克和部分浸在5%氯化钠溶液。坦克被控制的解决方案水平大约30毫米低于钢筋的下表面,如图3。在前面研究锈蚀钢筋的力学性能,加速腐蚀通过外加电流技术被广泛用于获得腐蚀钢筋,因为在时间和成本方面的优势,以及其可行性控制腐蚀的速率(18,19]。有一些差异加速腐蚀和腐蚀产物的自然腐蚀,腐蚀膨胀力的分布,和粘结应力的分布20.]。然而,当隐含电流密度小于200μ一个/厘米2、自然腐蚀钢筋之间的差异和人为腐蚀钢筋可以忽略(15]。受自然的钢筋腐蚀和加速腐蚀显示相似的力学性能退化(3]。在腐蚀过程中施加一个恒定电流产生一个恒定的电流密度为100μ一个/厘米2。根据法拉第定律,所需的总电流计算基于各自的钢铁表面面积和定期检查调整任何漂移。目标平均腐蚀程度的表中列出的标本3。基于法拉第感应定律(21),在(1),所需的时间规定的腐蚀程度的0.05,0.10,0.15,0.20,和0.25是25天,50天,75天,100天,125天,分别。腐蚀电流测量每天在第一周的测试,然后每周到测试: 在哪里铁的相对原子质量(= 56克),腐蚀时间(天)是铁的价,在这种情况下是2(铁),是法拉第常数(96500·s),外加电流的密度(一个/厘米吗2),是铁的质量密度(克/厘米吗3),to-be-corroded钢筋的半径(毫米),然后呢是有针对性的平均腐蚀程度。
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| 笔记。(1)标本的数量,HSAA-BB,代表高强度钢筋HRB500目标数量的腐蚀,= 0。AA的应变速率下论坛−1;(2)平均腐蚀程度。是最大的腐蚀程度。和期间相应的屈服和极限载荷测量腐蚀高强度钢筋的拉伸测试(MPa),分别。 |
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(一)加速腐蚀试验的设置
(b)加速腐蚀试验
每个腐蚀试验完成后,板坏了,和相应的钢筋被收集。加速腐蚀钢筋使用盐酸溶液清洗,干根据ASTM G1-03标准(22),如图4。
2.3。测量的腐蚀程度
酸清洗和干燥后,几何模型的所有腐蚀钢筋建成使用三维激光扫描仪(Creaform)测量精度高,操作方便,自动重建三维目标形状,和高重复性,如图5。图6显示了一个比较酸洗后腐蚀钢筋的照片和相应的3 d几何模型,这表明3 d激光扫描的准确性(即。,0.04毫米)是令人满意的。
通过观察虚拟模型,很明显,腐蚀不均匀分布的压痕和纵向,见图6。ProEngineer软件被用来获得的离散区域沿纵轴的横截面腐蚀钢筋每隔1毫米。因此,平均腐蚀程度和最大腐蚀程度见表3。
数据7(一)和7 (b)表明一些典型配置文件在不同腐蚀水平。这些横截面的资料得到的正射投影之间的相交线剖切面和钢筋表面。内不规则的曲线代表腐蚀横截面的轮廓,而外部薄圆表示声音的轮廓钢筋。腐蚀程度显著的人物。上面和下面的数字数据7(一)和7 (b)代表了最大腐蚀程度和平均腐蚀程度,分别。最大的腐蚀程度对腐蚀坑范围从0.064到0.296。从图7可以看出,腐蚀渗透远非压均匀。通过视觉观察,不同坑形状可以宽浅,椭圆,甚至削弱。
(一)HS05-00 HS10-00、HS15-00 HS20-00, HS25-00
(b) HS05-10、HS10-10 HS15-10, HS20-10, HS25-10
2.4。拉伸测试腐蚀高强度钢筋在静态和动态加载
评估腐蚀水平后,腐蚀酒吧受到位移控制拉伸试验。的拉伸测试标本英斯特朗VHS160/100-20试验机完成在2 s的应变率−1~ 50年代−1中,钢筋的变形测量用激光位移米数据采集频率为1000赫兹,如图8(一个)。的拉伸测试标本茨威格电子测试机器上完成应变率为0.0002−1~ 0.1年代−1。一个延伸仪数据采集频率100赫兹是安装在钢筋标本,与50 mm的计量长度,如图8 (b)。静态和动态加载材料性能(弹性模量、名义屈服应力和极限拉伸应力)测量根据ASTM E8标准拉伸试验设备。标本的产量和极限载荷如表所示3。
(一)茨威格电子测试机
英斯特朗VHS160/100-20试验机(b)
3所示。实验结果和讨论
3.1。失效模式
典型的失效模式标本在图所示9;通过比较破碎的部分腐蚀钢筋,发现没有明显的差异在颈缩区标本中相同的静态和动态加载下腐蚀程度。然而,大多数的腐蚀钢筋最小截面了。颈缩现象逐渐消失和腐蚀程度的增加,这意味着高强度钢筋的变形能力降低。
(一)
(b)
3.2。应力-应变曲线
测试棒的应变确定增加的计量长度除以初始计量长度。三种方法主要是用于早期的研究计算腐蚀钢筋的应力测量的力量,这是基于平均减少横截面积(3,5),原始横截面积(6),最小的酒吧的横截面积,分别为(15]。没有共识的研究人员对这方法是比其他人更合适。然而,基于原始横截面积的方法被用在大多数以前的研究。本研究采用计算腐蚀钢筋的应力。
测量工程名义应力-应变曲线呈现在图10以及由此产生的平均真实应力-应变曲线和决定(2)和(3): 在哪里和相应的平均工程应变和应力(MPa),分别。和是真正的应变和应力(MPa),分别。
(一)未腐蚀的标本在不同的应变率
0.10 (b)与腐蚀程度的标本在不同的应变率
(c)标本为0.0002 s−1在不同腐蚀程度
(d)标本10 s−1在不同腐蚀程度
标本的典型名义应力-应变曲线与不同的腐蚀度数据所示10 ()- - - - - -10 (d)。附近数曲线数据10 ()和10 (b)代表了应变率;和附近的数字数据的曲线10 (c)和10 (d)分别代表平均腐蚀程度。标本的产量和最终的优势在表3。结果表明,腐蚀高强度钢筋力学性能的应变率相关的。收益率和极限荷载增加随着应变率的增加。可以看出,随着腐蚀的发展程度,名义屈服强度、极限强度、极限变形降低了动态载荷作用下,产生高原缩短,甚至完全消失。腐蚀的名义强度和变形能力高强度钢筋倾向于减少与增加腐蚀程度。然而,变形能力的趋势并不明显比名义强度。这是由于一个事实,即名义收益率和力量能力主要是相关最小横截面积而变形能力不仅与最小横截面积有关,还与形状变化沿着酒吧,如图11,它显示了横截面的分布区域沿杆的长度从3 d扫描获得腐蚀钢筋HS15-00 HS20-00。这是一致的结果Zhang et al。3,15)的名义收益率和最终的优势降低腐蚀钢筋的减少主要是由于钢筋截面法,和最终变形和缩短减少产量高原因锈蚀腐蚀的加剧应力集中。
4所示。修改的发展为腐蚀高强度钢筋j模型
4.1。原始j模型
正常的j模型方程如下(16]: 在哪里•冯•米塞斯等效流压力(MPa),屈服应力是在给定参考给定参考温度和应变速率,是应变硬化系数,是应变率硬化系数,是应变硬化指数,是等效塑性应变, 是无量纲的应变率应变率和应变速率的引用。 。是无量纲温度,实验温度(°C),室温(°C),是材料的熔化温度(°C)。
在(3),项目 , , 用于描述加工硬化效应,应变率效应和温度效应,分别。的参数是一个材料常数,是一个preexponential因素,是一个应变硬化系数,和温度和应变率有效因子有效因子,分别。
4.2。修改后的j模型的发展
基于测试结果腐蚀高强度钢筋的力学性能在动态加载下,j的名义应力-应变关系模型,提出了动态加载下腐蚀钢筋,如图12。在提出的模型中,平均腐蚀程度被使用,因为它可以很容易地测量实践,反映钢筋的腐蚀。名义应力腐蚀钢筋的应用负载的比例和平均腐蚀程度,可以计算使用平均腐蚀程度和腐蚀前的原始横截面积。当腐蚀程度相对较小,产量高原不消失,和j模型使用。腐蚀程度超过临界值时,收益率高原消失,使用非线性模型。与此同时,随着应变率的增加,产量和腐蚀钢筋的终极力量增加,和极限应变可能认为保持不变。
基于j模型未腐蚀的钢筋的应力-应变关系,j的应力-应变关系模型动态加载下的腐蚀高强度钢筋可以表示为 在哪里的•冯•米塞斯等效流动应力腐蚀钢筋(MPa),屈服应力是在给定参考应变率(MPa),是应变硬化系数,是应变率硬化系数,是应变硬化指数,是等效塑性应变, 小维应变率应变率和应变速率的引用。在这里,= 10−3年代−1。杨氏模量对高应变率下锈蚀钢筋;是屈服应变;是应变硬化;是极限应变,它被认为是等于静载荷下的极限应变, ;和腐蚀钢筋的屈服和最终的优势是在动态加载(MPa),分别。
4.3。修改后的j模型的特征参数的发展
特征参数的关系,如杨氏模量、屈服强度 , , , ,和极限应变,腐蚀的程度和应变率,可以通过适当的分析测试结果,这是下一节中讨论。
4.3.1。杨氏模量
图13显示了相对杨氏模量的依赖钢筋的应变率和平均腐蚀程度。杨氏模量的比值相对腐蚀钢筋的杨氏模量的相应的未受腐蚀的钢筋。从图可以看出13杨氏模量不敏感的应变率或腐蚀程度。为简单起见,假设杨氏模量保持不变的静态和动态加载条件下腐蚀钢筋。忽略腐蚀的影响程度和应变率对弹性模量、HRB500钢筋= 2.0×105MPa。
4.3.2。塑料阶段模型参数
根据名义屈服强度、极限强度腐蚀钢的应变测量在不同应变率下,和相同的腐蚀程度的应变率0.0002−1,0.1年代−1,10年代−1Johnson-Cook本构模型的参数 , , ,和通过使用多变量非线性最小二乘回归分析,如表所示4。
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腐蚀的影响程度上的相对价值的参数, , ,和在动态载荷作用下的j模型如图14。它可以发现和减少与增加线性平均腐蚀程度所示(5)和(5 b);时的值增加线性增加平均腐蚀程度和是不明显的。它可以表示为(5),(5 b)和(5度)。结果表明,腐蚀钢筋的应变率效应随腐蚀程度的增加而减小 在哪里 , ,和腐蚀钢筋的基本参数和吗 , ,和的j模型的参数未腐蚀的钢棒;见表4。和相对价值的参数 , ,和 ,分别 , ,和 ,是腐蚀程度的每个参数的相关系数。
(一)影响腐蚀钢筋的腐蚀程度上
(b)影响腐蚀钢筋的腐蚀程度上
(c)影响腐蚀钢筋的腐蚀程度上
(d)影响腐蚀钢筋的腐蚀程度上
方程(4),(5),(5 b)和(5度)可用于确定参数 , , ,和 ,和相应的屈服强度、极限强度可以根据获得的(4根据腐蚀钢筋的应变和极限应变动态加载。
4.3.3。应变硬化
腐蚀的腐蚀程度增加,收益率高原高强度钢筋缩短。腐蚀程度达到一个临界值时, ,腐蚀的产量高原高强度钢筋消失了。如果应变率的影响的可变形性钢筋被忽视和收益率高原缩短线性长度随着腐蚀的发展程度,腐蚀钢筋的应变硬化可以通过计算 在哪里和是未受腐蚀的钢筋的屈服应变和应变硬化,分别;和的收益率优势未腐蚀的腐蚀钢筋标本,分别;而且,对未受腐蚀的钢筋是杨氏模量。
4.3.4。延性
标本在动态加载下的终极菌株呈现在图(15日)。如图,没有明显的依赖观察极限应变的应变率。忽略应变率的影响,腐蚀钢筋的极限应变与增加腐蚀程度显著降低,如图15 (b)。它可以表示为 在哪里未腐蚀的钢筋的极限应变,可以选择为HRB500钢筋0.15基于测试结果;是腐蚀钢筋的极限应变;是腐蚀钢筋的极限应变之比未受腐蚀的钢筋。使用回归分析,确定 HRB500钢筋腐蚀。
(一)相对极限应变在不同的应变率
(b)相对腐蚀钢筋的极限应变
5。j模型的比较结果和实验结果
5.1。与测试结果进行比较
表5显示了比较预测值之间的名义屈服强度和极限强度高强度钢筋腐蚀的改良j模型与实验。可以看出,预测值和实验值是在良好的协议,这表明修改j模型是有效的。从表可以看出5,大多数的错误下的高强度钢筋应变率2 50年代−1没有超过5%。
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| 请注意。(1)错误=(从测试值从模型−值)/值的测试。 |
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5.2。与现有的模型进行比较
DIF的预测值(动态增加因素)基于上述修改j模型与动态本构模型相比未腐蚀的钢筋的屈服强度、极限强度与现有模型在文献[23)和CEB模型(24]。如图16DIF的屈服强度和极限强度比文献值。这可能是由于钢材化学成分和生产工艺的差异。塑性应变率是0.0002−1在修改后的j模型;静态加载的DIF收敛于1;j模型可以用于描述HRB500钢筋的力学行为与应变率0.0002 -50年代−1。
(一)DIF对屈服强度
(b) DIF极限强度
6。结论
腐蚀被发现是最主要原因RC结构的失败。腐蚀钢筋的拉伸行为的能力评估是重要的锈蚀钢筋混凝土结构。高强度腐蚀钢筋进行这项研究调查他们的拉伸行为动态载荷作用下。动态拉伸试验系统用于研究腐蚀高强度钢筋的力学性能在动态加载下,和修改的j模型建立了基于Johnson-Cook方程。可以得出以下结论。
(1)名义应力-应变曲线的腐蚀高强度钢筋,这是观察到的强度和变形能力下降随着腐蚀。然而,这种趋势是不太清楚变形能力比强度的能力。支持3 d扫描的结果,这是由于这一事实的力量能力的影响主要是通过最小横截面积,而变形能力是受到更多因素的影响,包括最小横截面积和沿杆横截面的分布地区。
(2)随着应变率、名义收益率和终极力量增加,它对产量的影响高原和最终的变形不明显。基于Johnson-Cook模型参数的分析 , , ,和不同腐蚀程度下,发现应变率效应的屈服强度、极限强度随腐蚀速率的增加而减小。
(3)修改后的j模型用于描述动态加载下的腐蚀高强度钢筋。修改后的模型与实验,最大平均相对误差为5%。因此,该修改j模型提供了一种新的建模思想和方法对腐蚀钢动态载荷作用下涉及腐蚀程度高和应变率。
缩写
| : | 铁的相对原子质量(= 56克) |
| : | 腐蚀时间(天) |
| : | 铁的价,在这种情况下是2(铁) |
| : | 法拉第常数(96500·s) |
| : | 外加电流的密度(一个/厘米2) |
| : | 铁的质量密度(g / cm3) |
| : | 的半径to-be-corroded钢筋(毫米) |
| : | 目标平均腐蚀程度 |
| : | 平均腐蚀程度 |
| : | 最大的腐蚀程度 |
| : | 关键的平均程度的腐蚀 |
| : | 杨氏模量的未受腐蚀的钢筋静态载荷作用下(MPa) |
| : | 杨氏模量的未受腐蚀的钢筋在动态加载(MPa) |
| : | 未腐蚀的钢筋的屈服荷载或腐蚀钢筋(kN) |
| : | 未腐蚀的钢筋的极限载荷或腐蚀钢筋(kN) |
| : | 腐蚀钢筋的名义屈服强度(MPa) |
| : | 的名义强度极限腐蚀钢筋(MPa) |
| : | 静载荷下腐蚀钢筋的屈服强度(MPa) |
| : | 静载荷下腐蚀钢筋的极限强度(MPa) |
| : | 未腐蚀的钢筋的屈服强度静载荷(MPa) |
| : | 相应的工程平均应力(MPa) |
| : | 真正的压力(MPa) |
| : | •冯•米塞斯等效流动应力(MPa) |
| : | •冯•米塞斯等效流腐蚀钢筋的应力(MPa) |
| : | 屈服应力在一个给定的参考温度和给定参考应变率(MPa) |
| : | 应变硬化系数 |
| : | 应变率硬化系数 |
| : | 应变硬化指数 |
| : | j模型的参数未腐蚀的钢筋(MPa) |
| : | j模型的参数未腐蚀的钢筋 |
| : | j模型的参数未腐蚀的钢筋 |
| : | 相对腐蚀程度的系数 |
| : | 相对腐蚀程度的系数 |
| : | 相对腐蚀程度的系数 |
| : | 静荷载下的钢筋的应变率 |
| : | 等效塑性应变 |
| : | 无量纲的应变率应变率和参考应变率 |
| : | 相应的平均工程应变 |
| : | 真正的应变 |
| : | 未腐蚀的钢筋的极限应变 |
| : | 腐蚀钢筋的极限应变 |
| : | 腐蚀钢筋的极限应变之比未受腐蚀的钢筋 |
| : | 实验温度(°C) |
| : | 室温(°C) |
| : | 材料的熔化温度(°C)。 |
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金资助(51608393)。
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