銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)性能研究

■湯金華，宋 玲，沈浩袁 ■南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226500

鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是保證鋼筋與混凝土兩種材料共同工作的前提，文獻(xiàn)［i］認(rèn)為鋼筋銹蝕后本身強(qiáng)度的削弱和銹蝕后鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的降低時承載能力下降的主要原因。國內(nèi)外試驗(yàn)研究表明［ii］［iii］，鋼筋在銹蝕初期，即銹蝕率較小時，混凝土保護(hù)層未開裂前，對兩者間的粘結(jié)強(qiáng)度是有利的。

本文通過不同直徑的變形鋼筋在混凝土試塊中的拔出試驗(yàn)，研究了銹蝕率及直徑對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響規(guī)律。以銹蝕率及保護(hù)層厚度與鋼筋直徑比值為參數(shù)，建立了銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的預(yù)測模型。以未銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移模型為基礎(chǔ)，建立了考慮銹蝕率影響的銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移模型。

1 粘結(jié)性能試驗(yàn)

1．1 試件

本試驗(yàn)中混凝土采用C30商品混凝土，共分四次澆注。混凝土28天實(shí)測抗壓強(qiáng)度分別為 44.53MPa、44.10MPa、38.23MPa、37.43MPa。鋼筋選用Ⅱ級鋼筋(HRB335)，直徑分別為14mm、16mm。試件具體尺寸及配筋見圖1。

圖1 拔出試驗(yàn)試件詳圖

1．2 拔出試驗(yàn)

本試驗(yàn)根據(jù)《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于混凝土與鋼筋握裹力試驗(yàn)的規(guī)定，采用5t的萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拔出試驗(yàn)，在拔出鋼筋的上下兩端各安裝兩只千分表，以測得兩端的鋼筋滑移量［iv］。

1．3 鋼筋快速銹蝕

本試驗(yàn)采用濕通電法加速銹蝕中的半浸泡外加電流加速銹蝕［v］。在通電之前，應(yīng)對外露鋼筋進(jìn)行保護(hù)，防止露在外面的鋼筋發(fā)生銹蝕。具體步驟為:在露在外面的鋼筋涂上一層環(huán)氧樹脂，并包裹上一層絕緣膠帶。將處理好的試件放置質(zhì)量濃度為5%的NaCl溶液中浸泡幾天，把鋼筋作為陽極，把銅片作為陰極，通過3mA/cm2［vi］的電流，形成電解池，使鋼筋表面氧化銹蝕。

2 直徑14mm鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度分析

結(jié)合本文試驗(yàn)，表1列出了本文粘結(jié)試驗(yàn)中鋼筋直徑14mm的試件A-14的銹蝕率、極限粘結(jié)強(qiáng)度、最大荷載時的自由端滑移值以及試件的破壞形式。

表1 試件A-14拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1中可知，對于鋼筋直徑14mm的試件A-14中，銹蝕試件A-14-08的粘結(jié)強(qiáng)度比未銹蝕試件A-14-02只降低8%;銹蝕試件A-14-04的粘結(jié)強(qiáng)度與未銹蝕試件A-14-02相比，提高了2.9%。

鋼筋直徑14mm試件A-14的銹蝕率與粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化擬合，可以得到鋼筋直徑14mm試件A-14的粘結(jié)強(qiáng)度的擬合公式為:

τu=23.4+120.4ρ -2311ρ2 (公式1)式中: τu — 銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度(MPa );ρ — 鋼筋銹蝕率。

3 直徑16mm鋼筋與混凝土靜態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度分析

結(jié)合本文試驗(yàn)，表2列出了本文粘結(jié)試驗(yàn)中鋼筋直徑16mm的試件A-16的銹蝕率、極限粘結(jié)強(qiáng)度、最大荷載時的自由端滑移值以及試件的破壞形式。

表2 試件A-16拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2中可以看出，直徑較大時，銹蝕率對于粘結(jié)強(qiáng)度影響較大，隨著銹蝕率的增大，粘結(jié)強(qiáng)度會呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。從表中看出，鋼筋直徑16mm的試件中，銹蝕試件A-16-05，粘結(jié)強(qiáng)度比未銹蝕試件A-16-02提高了21.5%;銹蝕試件A-16-03，粘結(jié)強(qiáng)度比未銹蝕試件A-16-02降低了44%。

鋼筋直徑16mm試件A-16的銹蝕率與粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化擬合，可以得到鋼筋直徑16mm試件A-16的粘結(jié)強(qiáng)度的擬合公式為:

τu=20.5+175.1ρ -3692.6ρ2 (公式2)式中: τu — 銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度(MPa );ρ — 鋼筋銹蝕率。

4 結(jié)論

(1)鋼筋銹蝕較小時，試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度有所提高，鋼筋直徑14mm的試件A-14提高了7.1%;鋼筋直徑16mm的試件A-16提高了15.7%。當(dāng)鋼筋銹蝕繼續(xù)增大時，試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，鋼筋直徑14mm的試件A-14降低了10.5%;鋼筋直徑16mm的試件A-16降低了25.2%。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化擬合，得出了由銹蝕率計(jì)算鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的擬合公式。(2)鋼筋直徑對銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能有著十分重要的影響。鋼筋直徑越大，極限粘結(jié)強(qiáng)度越小。但并不能說明要使用直徑較小的鋼筋，對耐久性及抗震性能影響較大的環(huán)境中，建議采用小直徑鋼筋時加以限制;綜合考慮銹蝕率及保護(hù)層厚度與直徑比值的影響，建立計(jì)算鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度。(3)靜態(tài)粘結(jié)性能試驗(yàn)的粘結(jié)破壞形式主要有三種:滑移破壞、劈裂破壞、沿銹脹裂縫的拔出破壞。

［1］沈德建，吳勝興.大氣環(huán)境混凝土中銹蝕鋼筋性能和銹蝕模型試驗(yàn)研究［J］.混凝土與水泥制品，2004，3∶46-50.

［2］David W. Law，Denglei Tang，Thomas K. C. Molyneaux Rebecca Gravi-na.Impact of crack width on bond: confined and unconfined rebar［J］.Materials and Structures，2011( 44) : 1287 - 1296.

［3］徐育才.鋼筋銹蝕拉拔試驗(yàn)及其粘結(jié)性能研究［D］.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006∶26-30.

［4］趙羽習(xí)，金偉良.銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2002，36(4):352-356.

［5］干偉忠，金偉良，高明贊.混凝土中鋼筋加速銹蝕試驗(yàn)適用性研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)報.2011，32(2):41-47.

［6］仲偉秋，貢金鑫.鋼筋電化學(xué)快速銹蝕試驗(yàn)控制方法［J］.建筑技術(shù)開發(fā).2002，29(4):28-29.

［7］J. G. Cabrera. Deterioration of concrete due to reinforcement steel corrosion［J］. Cement＆Concrete Composite，1996，18∶ 47 - 59.

［8］Nilson S M. Bond stress - slip relationship in reinforced concrete［Z］.Dept. of Structure Engineering，1971，345