腐蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能退化規(guī)律

張建清

（九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)性能之一，鋼筋腐蝕后，粘結(jié)性能往往遭到退化，從而給結(jié)構(gòu)的承載性能和正常使用性能造成影響。目前，國內(nèi)外已就腐蝕變形鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能開展了廣泛研究[1-10]。然而，受試驗(yàn)條件的限制，較大裂縫寬度的研究進(jìn)行的較少，因此，本文擬采用內(nèi)摻氯鹽、通電腐蝕的方式獲得腐蝕脹裂的短粘結(jié)試件，觀測(cè)其腐蝕特征。然后通過短期拉拔試驗(yàn)觀察粘結(jié)破壞過程，得到各試件的粘結(jié)滑移曲線，藉此探討腐蝕對(duì)普通變形鋼筋絲基于短粘結(jié)的短期粘結(jié)性能的影響。

1 試驗(yàn)研究方案

本文設(shè)計(jì)了短粘結(jié)試件，進(jìn)行了加速腐蝕，并進(jìn)行了拉拔實(shí)驗(yàn)。

1.1 試件設(shè)計(jì)制作與腐蝕

試件尺寸如圖1所示。

根據(jù)該試驗(yàn)共分兩組，其中1組試件無腐蝕，另1組試件摻鹽8%并進(jìn)行通電加速腐蝕，腐蝕試塊分別按不同的裂縫寬度要求進(jìn)行不同時(shí)長的腐蝕進(jìn)行，試件編號(hào)與個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1。

圖1 鋼筋混凝土粘結(jié)試件設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)采用通電腐蝕的方法進(jìn)行鋼絞線的腐蝕，當(dāng)腐蝕銹脹裂縫達(dá)到預(yù)定的寬度時(shí)停止通電。

1.2 加載裝置與測(cè)試內(nèi)容

試驗(yàn)裝置如圖2所示，分別在鋼筋自由端、混凝土塊體下端面以及鋼筋拉拔端適當(dāng)部位架設(shè)位移傳感器。

圖2 試驗(yàn)裝置

表1 鋼筋混凝土粘結(jié)試件編號(hào)

2 粘結(jié)滑移曲線

選取銹蝕程度不同的各試件根據(jù)實(shí)測(cè)鋼筋混凝土的各個(gè)階段的粘結(jié)應(yīng)力和粘結(jié)延性進(jìn)行匯總和分析，得到各試樣的平均粘結(jié)應(yīng)力—自由端滑移曲線，典型曲線如圖3所示。

其中：平均粘結(jié)應(yīng)力

圖3 腐蝕鋼筋混凝土試樣的粘結(jié)滑移曲線（典型）

式中：F為拉拔力，N；12為鋼筋的公稱直徑，mm；50為粘結(jié)段長度，mm。

粘結(jié)滑移曲線分析。

（1）鋼筋銹蝕程度較低，混凝土保護(hù)層沒有脹裂時(shí)，由于銹蝕產(chǎn)物的形成改變了鋼筋表面的粗糙程度，同時(shí)銹蝕產(chǎn)物體積的膨脹及銹蝕產(chǎn)物向混凝土空隙的滲透，使鋼筋周圍局部混凝土密實(shí)度提高，混凝土對(duì)鋼筋約束作用加強(qiáng)，因而在保護(hù)層混凝土脹裂前粘結(jié)應(yīng)力均有所提高。

（2）當(dāng)銹蝕程度逐漸增加，混凝土保護(hù)層產(chǎn)生銹脹裂縫后由于混凝土約束作用的逐漸減弱和銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的類似 “潤滑”作用使摩阻力急劇下降，從而表現(xiàn)出極限粘結(jié)應(yīng)力隨著銹漲裂縫的開展而逐漸降低趨勢(shì)。

表2 腐蝕普通鋼筋混凝土試件的粘結(jié)特征參數(shù)

（3）隨著裂縫寬度的變大，上升段和下降段都有明顯變緩的趨勢(shì)，裂縫寬度大于1.2mm后，下降段出現(xiàn)了隨著裂縫寬度變大，出現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)折和上升，其原因主要是，隨著腐蝕程度的增加，腐蝕產(chǎn)物也在不斷增加，鋼筋和混凝土之間的膠著力受到了很大的影響，并開始退化，表現(xiàn)為上升段的變緩。當(dāng)裂縫寬度較大時(shí)，達(dá)到極限粘結(jié)強(qiáng)度后，由于試件本身的腐蝕量導(dǎo)致了混凝土的開裂與拉拔力相比，不如拉拔力強(qiáng)烈和突然，裂縫寬度增長也較少，因此下降也相對(duì)緩慢。

3 基于裂縫寬度的粘結(jié)滑移特征參數(shù)退化規(guī)律及預(yù)計(jì)模型

根據(jù)上述粘結(jié)滑移曲線，可以用彈性粘結(jié)強(qiáng)度、彈性粘結(jié)滑移、極限粘結(jié)強(qiáng)度、極限粘結(jié)滑移、初殘余粘結(jié)滑移5個(gè)粘結(jié)特征參數(shù)來反映粘結(jié)滑移曲線特征。以各試件無銹時(shí)的特征參數(shù)為基準(zhǔn)，分析銹脹試件各特征參數(shù)隨銹脹裂縫寬度增大而退化的規(guī)律，并通過數(shù)據(jù)擬合建立有關(guān)預(yù)計(jì)模型，各試樣粘結(jié)特征參數(shù)退化規(guī)律及預(yù)計(jì)模型分別見圖4和圖5。

3.1 極限粘結(jié)強(qiáng)度

從表2可以看出，粘結(jié)強(qiáng)度的退化規(guī)律較為明顯，總體上有2個(gè)趨勢(shì)。

第一，在該試驗(yàn)的腐蝕程度范圍內(nèi)，未出現(xiàn)裂縫的腐蝕試樣的極限粘結(jié)強(qiáng)度有較為明顯的增加。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)腐蝕程度不大時(shí)，在化學(xué)膠著力被克服以后，腐蝕導(dǎo)致了摩擦作用增強(qiáng)，繼而使咬合作用得以快速而充分的發(fā)揮，因而使腐蝕試樣的極限粘結(jié)強(qiáng)度反而有所提高。

第二，就腐蝕試樣而言，隨腐蝕程度的加重，各試樣的極限粘結(jié)強(qiáng)度隨著縱向裂縫寬度的增大呈線性下降的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，隨腐蝕程度的加重，銹脹裂縫變寬，混凝土對(duì)鋼絞線的握裹作用隨之減弱，極限粘結(jié)強(qiáng)度便會(huì)下降。

另外，從表2和圖4、圖5可以看出，縱向裂縫的對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響明顯大于橫向裂縫開展對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響。其原因非常明顯，極限粘結(jié)強(qiáng)度是力筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，其退化與縱向裂縫的開展有著更為直接的聯(lián)系。

3.2 粘結(jié)剛度

通過圖4和圖5可以看出，粘結(jié)剛度隨腐蝕程度的加劇而減小，且與縱向裂縫寬度呈較好的線性退化趨勢(shì)。其原因是：彈性階段的粘結(jié)力主要是由化學(xué)膠合力提供，而隨著腐蝕量的增加，其化學(xué)膠合力也受到了較大的損失，因此粘結(jié)剛度隨之下降。

3.3 極限粘結(jié)滑移量

圖4 基于縱向裂縫寬度的粘結(jié)特征參數(shù)退化規(guī)律及預(yù)計(jì)模型

圖5 基于橫向裂縫寬度的粘結(jié)特征參數(shù)退化規(guī)律及預(yù)計(jì)模型

從表2可以看出，各試樣的極限粘結(jié)滑移隨著裂縫寬度的增大有明顯下降的趨勢(shì)，但不符合線性退化規(guī)律，腐蝕試件粘結(jié)延性退化的原因主要是，腐蝕導(dǎo)致的試件開裂降低了摩擦力和咬合力，滑移速度變得更快。

3.4 殘余粘結(jié)滑移量

各試樣殘余粘結(jié)滑移退化與裂縫寬度的關(guān)系并無明顯的下降趨勢(shì)，這說明，試件粘結(jié)強(qiáng)度下降到自身極限粘結(jié)強(qiáng)度的一半時(shí)，其粘結(jié)滑移量沒有明顯的下降。

4 結(jié)語

本文通過通電腐蝕的方式獲取了腐蝕普通鋼筋與混凝土的粘結(jié)試件，通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、拉拔試驗(yàn)、函數(shù)擬合得到了如下結(jié)果。

（1）在鋼筋銹蝕程度較低時(shí)，試件極限粘結(jié)強(qiáng)度有所提高，這主要是由于混凝土約束作用加強(qiáng)使摩阻力增加造成的。但是，當(dāng)銹蝕程度逐漸增加，混凝土保護(hù)層產(chǎn)生銹脹裂縫后，則表現(xiàn)出極限粘結(jié)應(yīng)力隨著銹脹裂縫的開展而逐漸降低趨勢(shì)。

（2）極限粘結(jié)強(qiáng)度隨裂縫寬度變化為線性退化規(guī)律，且縱向裂縫的對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響明顯大于橫向裂縫開展對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

（3）彈性階段的粘結(jié)力主要是由化學(xué)膠合力提供，而隨著腐蝕量的增加，其化學(xué)膠合力也受到了較大的損失，因此粘結(jié)剛度隨之下降。

（4）腐蝕導(dǎo)致的試件開裂降低了摩擦力和咬合力，4滑移速度變得更快，極限粘結(jié)滑移量隨著裂縫寬度的增大有下降趨勢(shì)。

[1]高向玲，李杰.鋼筋混凝土粘結(jié)錨固的研究進(jìn)展[J]結(jié)構(gòu)工程師，2001（2）：29-33.

[2]Lee Hart-Seung，Noguchi T，Tomosawa F.Evaluation of the Bond Properties Between Concrete and Reinforcement as a Function of the Degree of Reinforcement Corrosion [J].Cement and Concrete Research，2002（32）：1313-1318.

[3]Fang Congqi，Lundgren K，Chen Liugno，et a1.Corrosion Influence on Bond in Reinforced Concrete[J].Cement and Concrete Research，2004（34）：2159-2167.

[4]Benmokrane B，Zhang Burong，Chennouf A.Tensile Properties and Pullout Behaviour of AFRP and CFRP Rods forGrouted AnchorApplications [J].Construction and Building Materials，2000，14（3）：157-170.

[5]Haskett M，Oehlers D J，Mohamed All M S.Local and Global Bond Characteristics of Steel Reinforcing Bars[J].Engineering Structures，2008，30（2）：376-383.

[6]耿歐，袁迎曙，李富民，等.混凝土中變形與光圓鋼筋腐蝕速率試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35（4）:488-491.

[7]陳留國，方從啟，寇新建，等，受腐蝕鋼筋混凝土的粘結(jié)性能[J].工業(yè)建筑，2004，34（5）:15-17.

[8]勞紅鋒，蘇小卒.鋼筋及鋼絞線粘結(jié)滑移性能研究[J].江西科學(xué)，2011，29（6）:771-774.

[9]杜毛毛，蘇小卒，趙勇.預(yù)應(yīng)力鋼絞線粘結(jié)性能試驗(yàn)研究綜述[J].結(jié)構(gòu)工程師，2008，24（3）:140-144.

[10]杜鋒，肖建莊，高向玲.鋼筋與混凝土間粘結(jié)試驗(yàn)方法研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006，26（2）:93-97.