不同保護(hù)層厚度下微銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)性能梁式試驗(yàn)研究

何化南，楊，貢金鑫

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

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不同保護(hù)層厚度下微銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)性能梁式試驗(yàn)研究

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

采用穩(wěn)壓恒流電源對鋼筋進(jìn)行加速銹蝕，通過法拉第定律控制銹蝕量，對微銹蝕鋼筋混凝土梁式試件進(jìn)行粘結(jié)性能試驗(yàn)研究，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果開展理論分析。試驗(yàn)測量了試件角部的鋼筋和底邊中部的鋼筋在不同保護(hù)層厚度下的鋼筋各點(diǎn)的應(yīng)變，由測得應(yīng)變，通過微段平衡求解出各測點(diǎn)的粘結(jié)應(yīng)力。根據(jù)各測點(diǎn)的粘結(jié)應(yīng)力擬合出粘結(jié)應(yīng)力沿整個(gè)錨固長度的變化曲線。并結(jié)合試件自由端的荷載-滑移曲線分析保護(hù)層厚度、鋼筋位置、銹蝕程度對試件粘結(jié)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋的輕微銹蝕提高了試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度，但使粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度的分布更不均勻，降低了錨固長度的利用率；另外，位于梁底中部鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度要高于位于梁底角部鋼筋，同時(shí)，保護(hù)層厚度的增加有利于粘結(jié)強(qiáng)度的提高。

輕微銹蝕；粘結(jié)應(yīng)力分布；鋼筋位置；保護(hù)層厚度

近年來，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題成為工程領(lǐng)域廣泛關(guān)注的問題之一。而鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞的最重要原因[1-4]。鋼筋銹蝕會引起一系列問題如削弱鋼筋有效截面積，改變鋼筋表面，促使混凝土保護(hù)層脹裂等，這些問題都會導(dǎo)致鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能受到影響。而鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用是鋼筋混凝土構(gòu)件能夠正常工作的前提，因此，銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能是評定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用性和耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)和依據(jù)。但由于粘結(jié)力與相對滑移的試驗(yàn)測量的復(fù)雜性和不確定性,國內(nèi)外以往的對粘結(jié)滑移性能的研究大多集中在未銹鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能研究上，且多是采用拉拔試驗(yàn)得出[5]，但是簡單的拉拔粘結(jié)試件既不能得到粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度的分布也不能反映梁中鋼筋錨固區(qū)存在剪力和彎矩共同作用的影響[6]，相對而言梁式粘結(jié)試驗(yàn)?zāi)軌蚋咏鼧?gòu)件的實(shí)際受力狀況。故本文采用RILEM-FIP-CEB建議的梁式粘結(jié)試驗(yàn)方法[7]，考察鋼筋位置，保護(hù)層厚度和鋼筋銹蝕程度對構(gòu)件的粘結(jié)性能的影響。其中為了獲得粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度的分布情況，首先在鋼筋表面開槽、內(nèi)貼應(yīng)變片來測量錨固長度內(nèi)各點(diǎn)鋼筋應(yīng)力，再由試驗(yàn)測得的鋼筋應(yīng)力，通過微段平衡得出錨固區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)的粘結(jié)應(yīng)力，最后對各測點(diǎn)的粘結(jié)應(yīng)力擬合得到粘結(jié)應(yīng)力沿整個(gè)錨固長度的分布曲線。另外由測得的自由端相對滑移，畫出荷載-自由端滑移關(guān)系曲線。結(jié)合粘結(jié)應(yīng)力分布曲線和荷載-自由端滑移關(guān)系曲線分析鋼筋的輕微銹蝕、保護(hù)層的厚度和鋼筋的位置對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響。

1　試驗(yàn)研究

1.1試件設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)研究鋼筋位置、保護(hù)層厚度、輕微銹蝕對銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能的影響，共制作8根梁式粘結(jié)試件，試件編號分為M和S兩種，其中M是表示僅有1根鋼筋放置在底邊中部的試件，S表示僅有2根鋼筋梁底角部的試件，具體情況如表1所示。試件的幾何尺寸和加載方法如圖1所示，試驗(yàn)梁是由兩個(gè)混凝土塊體組成，在底部由通長的鋼筋連接，梁的上部由預(yù)制的鋼鉸連接兩塊體。每個(gè)半梁跨中10 d的長度是底部測試鋼筋與混凝土粘結(jié)段,而兩端各200 mm長度為無粘結(jié)段，無粘結(jié)段中采用PVC套管套在鋼筋外，以此達(dá)到消除粘結(jié)并且消除支座圍壓對鋼筋滑移的影響。在兩個(gè)半梁中配置Φ10@50 mm的箍筋和架立筋來防止試件在加載過程中出現(xiàn)剪切破壞。其中圖1中(a)為測試鋼筋放置在梁底中部的截面示意圖，圖1中的(b)是測試鋼筋放置在梁底角部的截面示意圖。

表1　試件明細(xì)表

圖1梁式粘結(jié)試件尺寸及加載點(diǎn)和支座位置

1.2材料性能

混凝土采用大連龍億建筑材料有限公司生產(chǎn)的C30商品混凝土。28 d軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測值為36 MPa,100 d軸心抗壓強(qiáng)度約為53 MPa。鋼筋采用直徑為20 mm的月牙紋鋼筋HRB400，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和彈性模量的實(shí)測值平均值為別為470 MPa、600 MPa和199 GPa。

1.3加速銹蝕裝置

梁式試件置于室溫下養(yǎng)護(hù)28 d后，放置在如圖2所示的5%的鹽溶液中，液面位于測試縱筋下表面20 mm以下。用直流電源對試件進(jìn)行加速銹蝕，測試鋼筋接在電源的陽極，銅片放置在溶液中連接電源的陰極。以0.25 mA/cm的電流密度對試件進(jìn)行加速銹蝕。通過法拉第定律計(jì)算出特定銹蝕量所需的持續(xù)銹蝕時(shí)間，計(jì)算公式如下[8]：

(1)

其中：t是持續(xù)銹蝕時(shí)間；N是其反應(yīng)后陽極的化合價(jià)(此處因該是鐵的化合價(jià)2)；F是法拉第常數(shù)(F=96485C)；As銹蝕鋼筋的橫截面積；Cs是銹蝕鋼筋的周長；ρs是陽極金屬的密度(此處是鐵的密度ρs=7.81g/cm3)；ηs是銹蝕鋼筋的質(zhì)量損失率(即銹蝕率)；M是鐵的原子量(M=56g)；i是銹蝕的電流密度，A/cm2。鋼筋的理論與實(shí)際質(zhì)量損失率如表2所示。銹蝕后鋼筋的外表面更加粗糙，鋼筋直徑基本不變，但鋼筋肋的高度相對未銹鋼筋變小。

圖2　試件銹蝕裝置圖

1.4四點(diǎn)彎曲粘結(jié)性能試驗(yàn)

用500 t電液伺服壓力機(jī)通過分配梁對梁式粘結(jié)試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載。在M組試件和S組試件分別以0.1 kN/s和0.2 kN/s的速率以力控制加載速率至加載端滑移達(dá)到0.2 mm，然后改用加載速率0.1 mm/s的位移控制模式進(jìn)行加載至試件破壞或自由端的滑移量達(dá)到2 mm。整個(gè)加載過程中每5 kN持載2 min使滑移充分發(fā)展。加載示意圖及試驗(yàn)裝置圖如圖3所示，采用LVDT測量每個(gè)半梁的加載端和自由端鋼筋與混凝土的相對滑移[9]。通過IMC自動采集整個(gè)加載過程中鋼筋應(yīng)變、荷載傳感器所受荷載、梁的跨中撓度以及加載端和滑移端鋼筋與混凝土的相對滑移。

圖3試驗(yàn)加載裝置圖

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1破壞特征

試驗(yàn)表明鋼筋位于底邊中部和角部時(shí)梁的裂縫開展情況不相同。鋼筋放置在底邊角部的S組試件梁側(cè)面上的裂縫擴(kuò)展比鋼筋位于底邊中部的M組試件快。加載過程中試件的底面靠近加載端處首先出現(xiàn)沿著測試鋼筋的劈裂裂縫，隨著荷載的增大順筋劈裂的裂縫開始向自由端方向發(fā)展。幾乎同時(shí)在梁底和梁側(cè)面出現(xiàn)一些彎曲裂縫，彎曲裂縫沿著梁的側(cè)面斜向發(fā)展。最后隨著主要斜裂縫出現(xiàn)，鋼筋中存在很大的“銷栓力”?！颁N栓力”的出現(xiàn)使由內(nèi)裂縫發(fā)展而來的針腳狀裂縫的發(fā)展加速[10-11]。最終在“銷栓力”和拉力的共同作用下混凝土保護(hù)層劈裂，底面或側(cè)面保護(hù)層大面積崩裂破壞?？偟膩碚f在未銹蝕試件中鋼筋位于底邊角部時(shí)梁側(cè)面裂縫發(fā)展速度比鋼筋在邊中時(shí)快，而在輕微銹蝕試件中這個(gè)現(xiàn)象較不明顯。在保護(hù)層厚度為50 mm的試件中梁側(cè)面裂縫發(fā)展比保護(hù)層厚度為30 mm的試件快。

圖4試件粘結(jié)區(qū)域裂縫開展情況

2.2粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度變化曲線

2.2.1粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算原理

采用文獻(xiàn)[12]推薦的方法計(jì)算粘結(jié)應(yīng)力，這種方法在計(jì)算時(shí)，不是計(jì)算每個(gè)區(qū)間的平均粘結(jié)應(yīng)力而是直接計(jì)算各個(gè)測點(diǎn)位置處的粘結(jié)應(yīng)力值。假設(shè)在錨固區(qū)域中鋼筋的應(yīng)變分布是足夠光滑的。把錨固區(qū)分成n個(gè)小區(qū)間，且每個(gè)區(qū)間的長度均為h，則由泰勒公式對測點(diǎn)xi的應(yīng)變進(jìn)行展開有：

(2)

(3)

將式(2)減去式(3)整理得：

(4)

將式(2)加上式(3)整理得：

(5)

將式(5)求導(dǎo)，再代入式(4)右側(cè)可得：

(6)

令δεi=εi+1-εi-1，忽略誤差整理得：

(7)

由微段平衡得到：

(8)

將式(8)代入式(7)整理得：

(9)

(10)

其中：εi=ε(xi)是測點(diǎn)xi處鋼筋的應(yīng)變；τi是測點(diǎn)xi處鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力；Es為鋼筋的彈性模量；As為粘結(jié)段鋼筋的截面面積；Cs為粘結(jié)段鋼筋的周長。式(10)是一個(gè)三對角陣方程，采用追趕法求解。對于任意多個(gè)測點(diǎn)布置，方程組總是嚴(yán)格對角占優(yōu)，所以其數(shù)值解總是存在[12-13]。通過式(10)由各測點(diǎn)鋼筋的應(yīng)變求出各級荷載作用下各測點(diǎn)的粘結(jié)應(yīng)力，對各測點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行曲線擬合。將粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度進(jìn)行積分，積分值乘以鋼筋周長所得到的荷載值應(yīng)等于鋼筋所受荷載值。如有不等，按差值反號平均分配原則進(jìn)行調(diào)整，用光滑曲線畫出其大致趨勢，使粘結(jié)應(yīng)力分布曲線與橫坐標(biāo)軸所圍的面積乘以鋼筋周長等于荷載值，即得到粘結(jié)應(yīng)力沿錨固位置的變化曲線，如圖5所示。

分析圖5中的粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度的分布，粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度出現(xiàn)波動，粘結(jié)區(qū)域徑向的內(nèi)裂縫擴(kuò)展到表面已形成表面裂縫，裂縫處粘結(jié)應(yīng)力下降到接近0。隨著荷載增大，試件中存在的“銷栓力”越來越大，所以會出現(xiàn)粘結(jié)應(yīng)力為負(fù)值的現(xiàn)象[14-16]。

2.2.2保護(hù)層厚度對粘結(jié)應(yīng)力分布的影響

對圖5中同等條件下保護(hù)層厚度不同試件的粘結(jié)應(yīng)力分布進(jìn)行分析，即對比M1和M2、M3和M4、S1和S2、S3和S4的粘結(jié)應(yīng)力分布，可知保護(hù)層厚度為50 mm試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度(即達(dá)到極限荷載鋼筋所受的拉力)比保護(hù)層厚度為30 mm的試件大，這說明底面保護(hù)層厚度的增加加強(qiáng)了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能。但是鋼筋放置在底邊中部的試件中M2的極限粘結(jié)強(qiáng)度比M1提高了約9%、M4比M3提高了6%左右；而鋼筋位于底邊角部的試件中S2的極限粘結(jié)強(qiáng)度比S1提高了約13%、S4比S3提高13.3%左右，說明在鋼筋位于底邊角部時(shí)梁底面保護(hù)層厚度的增加對粘結(jié)性能的提高相對于M組試件更加顯著。因?yàn)橄鄬τ贛組試件，底面保護(hù)層增加對S組試件中混凝土對鋼筋握裹作用的增強(qiáng)更明顯。保護(hù)層厚度為50 mm的試件中粘結(jié)應(yīng)力的分布比同等條件下保護(hù)層厚度為30 mm的試件更加均勻，這是由于保護(hù)層厚度越小混凝土開裂越快的原因。

2.2.3鋼筋位置對粘結(jié)應(yīng)力分布的影響

對比圖5中同等條件下的M組試件和S組試件，S1的極限粘結(jié)強(qiáng)度比M1小約9%、S2比M2降低6%、S3比M3降低9%、S4比M4降低約3.3%，說明鋼筋位于底邊角部時(shí)粘結(jié)性能比鋼筋位于底邊中部時(shí)差。所以在分析粘結(jié)性能的影響因素時(shí)，鋼筋位置的影響需要考慮，以往的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究大部分是將鋼筋放置在底邊中部來得到鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移的本構(gòu)關(guān)系，這是不完善的。保護(hù)層厚度為50 mm的試件粘結(jié)強(qiáng)度的減弱比保護(hù)層厚度30 mm的試件小，說明底面保護(hù)層厚度越小鋼筋位置對粘結(jié)性能的影響越大。

圖5粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度分布曲線

2.2.4鋼筋的輕微銹蝕對粘結(jié)應(yīng)力分布的影響

同等條件下輕微銹蝕后試件的平均粘結(jié)應(yīng)力比未銹蝕試件的高，其中M3的極限粘結(jié)強(qiáng)度比M1提高3%、M4與M2相差不多、S3比S1提高約2.4%、S4比S2提高3%。銹蝕后雖然極限粘結(jié)強(qiáng)度提高但是粘結(jié)應(yīng)力的分布更不均勻，在同一荷載等級下輕微銹蝕試件加載端的粘結(jié)應(yīng)力約是未銹試件加載端粘結(jié)應(yīng)力的兩倍，離加載端越來越遠(yuǎn)，輕微銹蝕試件的粘結(jié)應(yīng)力比未銹試件減小的越快。這說明鋼筋的輕微銹蝕使試件的裂縫擴(kuò)展速度加快。

2.3自由端和加載端的荷載滑移曲線

鋼筋與混凝土之間的相對滑移由LVDT測得，鋼筋所受拉力與自由端相對滑移曲線如圖6所示，S組試件的自由端滑移量比M組試件大。在荷載為50 kN時(shí)S組試件的自由端滑移量開始出現(xiàn)較大的增長，而M組試件在荷載100 kN時(shí)才開始出現(xiàn)這種現(xiàn)象。說明S組試件比M組試件出現(xiàn)滑移早，這是因?yàn)殇摻钗挥诘走吔遣康腟組試件混凝土對鋼筋的握裹作用較小。對比圖中的M3和M1、M4和M2、S3和S1、S4和S2，發(fā)現(xiàn)輕微銹蝕試件的荷載滑移曲線比未銹的試件陡峭，并且相同荷載下未銹試件的滑移量更大，這說明鋼筋的輕微銹蝕提高了試件的粘結(jié)剛度。在S組試件中，在前期荷載較小時(shí)，銹蝕試件發(fā)生滑移時(shí)的荷載更大，后期荷載滑移曲線的斜率相差不多，說明鋼筋的輕微銹蝕增強(qiáng)了粘結(jié)作用中的摩擦粘結(jié)，對機(jī)械咬合的作用增強(qiáng)不明顯。對比相同條件下保護(hù)層厚度不同試件的荷載-滑移曲線，M2試件曲線的斜率比M1試件的大，M4試件曲線的斜率也比M3試件大很多，說明底面保護(hù)層厚度的增加大大增強(qiáng)了混凝土對鋼筋的握裹力，從而使機(jī)械咬合作用大大增強(qiáng)。S2曲線的斜率略大于S1曲線，但S1較早發(fā)生滑移，S4曲線的斜率在滑移后期基本與S3曲線相等，但S3發(fā)生滑移比S4早的多，由此可見底面保護(hù)層增加對S組試件粘結(jié)剛度增強(qiáng)的作用不明顯。

圖6荷載-自由端滑移曲線

3　結(jié)　論

本文分別將保護(hù)層厚度、鋼筋在梁底的位置以及鋼筋的輕微銹蝕作為影響因素，分析了這三個(gè)因素對鋼筋與混凝土之間粘結(jié)應(yīng)力分布、粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)剛度、以及粘結(jié)破壞形態(tài)的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 鋼筋的輕微銹蝕對梁式粘結(jié)試件的破壞模式?jīng)]有明顯的影響，但增大了鋼筋與混凝土的極限粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)剛度?？墒禽p微銹蝕后粘結(jié)應(yīng)力分布較不均勻，且試件中裂縫擴(kuò)展較快，破壞時(shí)劈裂裂縫位置更靠近加載端，降低了錨固長度的利用率。

(2) 鋼筋位置對于粘結(jié)滑移性能有很大的影響。鋼筋位于底邊角部的試件自由端滑移發(fā)生的比鋼筋位于邊中的試件早，并且機(jī)械咬合作用明顯小于鋼筋位于底面中部的試件。所以對粘結(jié)滑移性能的研究必須考慮鋼筋位置的影響。

(3) 底面保護(hù)層厚度對粘結(jié)性能是有影響的。底面保護(hù)層厚度為50 mm的試件極限粘結(jié)強(qiáng)度較高，并且對錨固長度的利用率也較高，但是在鋼筋位于底邊角部的試件中底面保護(hù)層厚度的增加對粘結(jié)性能的增強(qiáng)有限，所以起主要作用的是厚度較小的保護(hù)層。

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Influence of Cover Thickness on Bond Behaviors Between Concrete and Slight Corroded Bars

HE Huanan, YANG Manman, GONG Jinxin

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

DC regulated power supply was used to accelerate corrosion of steel bars, the rate of steel corrosion was controlled by the Faraday's law, bonding behaviors of non-corroded bars and slight corrosion bars between concrete were comparatively investigated on test beams, and the theoretical analysis developed on the basis of experimental results. In this test, the strain of the steel located at the corner and the middle of the specimen was measured, and then the bond stresses of each measuring point by mini-element balance were calculated. Finally the bond stress curve along bond length was fitted by the bond stress of the measuring point. According to the distribution of bond stresses and the load-slip curves, the effects on bond property caused by concrete cover thickness, location of steel bar and slight corrosion of steel bar was analyzed. The tests showed that slight corrosion of steel bar could increase the ultimate bond stress, but decrease the utilization rate of bond length and made the distribution of bond stress more uneven. Besides, the bond strength of specimen with steel bar placed at middle was higher than that placed at corner. Moreover, the increase of cover thickness improved the bond strength between steel and concrete.

slight corrosion; bond-stress distribution; position of reinforcement; cover thickness

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.006

2016-03-10

2016-04-09

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2015CB057703)

何化南(1972—)，女，黑龍江哈爾濱人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事混凝土材料研究工作。E-mail:hehuanandl@163.com。

TU375.1

A

1672—1144(2016)04—0025—06