加速銹蝕與持續(xù)荷載對鋼筋混凝土粘結(jié)性能的影響*

莫齊偉，商懷帥，徐芹文

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 青島 266033)

0 引言

在影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的眾多因素當(dāng)中，鋼筋銹蝕是最主要的原因。混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕后，由于鋼筋與混凝土接觸面上銹蝕層的生成，破壞了水泥凝膠體與鋼筋表面的化學(xué)膠著力，降低了鋼筋與混凝土接觸面的摩擦力；變形鋼筋橫肋的銹蝕，降低了鋼筋表面的機(jī)械咬合力；而銹蝕產(chǎn)物體積膨脹導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的開裂和剝落，則削弱和破壞了鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固作用，最終影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的適用性和承載力[1-5]。在服役過程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自身會因收縮徐變產(chǎn)生裂縫，而持續(xù)荷載的作用會使裂縫數(shù)目逐漸增多、裂縫的寬度逐漸增大。周圍環(huán)境中的氧氣、水分等其他腐蝕物質(zhì)會通過裂縫進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，加速鋼筋的銹蝕，進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的承載能力。

目前，國內(nèi)外學(xué)者就鋼筋銹蝕與持續(xù)荷載對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。易偉建[6]研究了持續(xù)荷載作用下混凝土梁內(nèi)鋼筋加速銹蝕后的工作性能，得到了鋼筋銹蝕量與混凝土梁撓度、固有頻率之間的關(guān)系。何世欽[7]通過研究持續(xù)荷載和電加速鋼筋腐蝕共同作用下梁的抗彎性能，指出在持續(xù)荷載和腐蝕的共同作用下，鋼筋混凝土梁的極限承載力顯著降低。金偉良等[8]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，梁內(nèi)縱筋質(zhì)量銹蝕率受到持續(xù)荷載水平的影響，持續(xù)荷載越大，平均銹蝕率越大，沿縱向不均勻性也越明顯。YOON S等[9]指出鋼筋銹蝕率受荷載等級的影響明顯，且隨著荷載的增大而增大。DU Y G等[10]通過對五根鋼筋混凝土梁在銹蝕與荷載作用下結(jié)構(gòu)性能的研究，發(fā)現(xiàn)荷載與銹蝕的耦合作用比其單獨(dú)作用更加破壞梁的承載性能。

但對于銹蝕和持續(xù)荷載對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析，多數(shù)學(xué)者以不帶裂縫的鋼筋混凝土試件為對象開展試驗(yàn)研究[5-11]，未能考慮到實(shí)際工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大多帶有初始裂縫的情況。針對以上問題，本文采用粘結(jié)區(qū)帶裂縫的鋼筋混凝土梁式試件，采用貼面外加電流加速銹蝕的方法，分析研究銹蝕與持續(xù)荷載作用對鋼筋混凝土粘結(jié)性能的影響，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選取鋼筋混凝土梁式試件來模擬實(shí)際中服役結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕過程，考慮到不同的鋼筋銹蝕率，設(shè)計(jì)為0%，1%，3%，5%，銹蝕率以縱筋粘結(jié)區(qū)為準(zhǔn)。試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)尺寸為：b×h×l=100mm×150mm×550mm，b，h，l分別代表試件的寬、高、長，保護(hù)層厚度為40mm，試件由左右兩部分組成，通過梁中縱筋相連。為了加速粘結(jié)區(qū)鋼筋的銹蝕，設(shè)計(jì)選用通電導(dǎo)線一端綁在縱筋粘結(jié)區(qū)，另一端自由外伸。同時(shí)為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，避免因銹蝕產(chǎn)物過于分散導(dǎo)致測量誤差，試驗(yàn)中采用PVC管制造了縱筋與混凝土的非粘結(jié)區(qū)，并用泡沫雙面膠密封，縱筋在左右半梁中的粘結(jié)長度均為5d(d為縱筋直徑)，實(shí)際銹蝕長度即為粘結(jié)長度。為使梁式試件粘結(jié)區(qū)帶有初始裂縫，試件澆筑前將40mm深、0.2mm厚的薄鋼片貼在模具指定位置。試驗(yàn)梁配筋如下：縱筋為114，箍筋為φ6@60。鋼筋參數(shù)如表1所示，梁式試件構(gòu)造簡圖如圖1所示。

鋼筋參數(shù) 表1

圖1 梁式試件構(gòu)造圖/mm

1.2 試件制作

混凝土的配合比及強(qiáng)度等級如表2所示，實(shí)測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均值為32.17MPa。將配合稱量完畢的石子、砂和水泥依次倒入混凝土攪拌機(jī)中干拌1min，干拌均勻后繼續(xù)加水拌和3min。攪拌完成后使用模具澆筑混凝土梁式試件，澆筑過程中需夾緊鋼鉸，防止鋼鉸之間留有空隙。澆筑后將模具置于振動臺振實(shí)，用泥刀刮除多余混凝土并抹平表面。24h后試件脫模并立即放入溫度(20±2)℃，相對濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28d[12]。

混凝土水灰比、各組分含量以及強(qiáng)度等級 表2

1.3 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)共制作了4組尺寸與配筋如圖1所示的梁式試件，試件分組及變量如表3所示。其中A-1組為參考組，研究鋼筋混凝土梁式試件的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系、極限承載力、極限滑移量；B，C，D組研究鋼筋在不同銹蝕率條件下，持續(xù)荷載等級對混凝土梁式試件粘結(jié)性能的影響。

試件分組及變量 表3

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 鋼筋加速銹蝕方法

本次試驗(yàn)中，鋼筋加速銹蝕選用貼面加速銹蝕[13-17]的方法，具體操作步驟為：梁式試件縱筋粘結(jié)區(qū)纏綁導(dǎo)線并引出作為電化學(xué)反應(yīng)的陽極，如圖2所示；縱筋粘結(jié)區(qū)對應(yīng)的梁式試件外側(cè)區(qū)域用不銹鋼網(wǎng)纏繞一圈，不銹鋼網(wǎng)外再用海綿包裹，并引出導(dǎo)線作為電化學(xué)反應(yīng)的陰極，最后再用保鮮膜包裹最外側(cè)，起到保水作用，如圖3所示；試驗(yàn)中將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液注入海綿作為電化學(xué)反應(yīng)中的電解液。為了在縱筋通電銹蝕時(shí)防止電流強(qiáng)度損失，與縱筋接觸的箍筋底部和縱筋外伸段均用涂抹環(huán)氧樹脂膠的方法處理[18]。采用通電加速銹蝕時(shí)，按照銹蝕縱筋的表面積，通以2mA/cm2[11]的電流計(jì)算每根縱筋的電流強(qiáng)度。通電時(shí)間按照法拉第定律計(jì)算，粘結(jié)區(qū)縱筋通過換算表面積計(jì)算，并按照試驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)加以調(diào)整。達(dá)到預(yù)定通電時(shí)間之后，破解梁式試件后取出縱筋，觀察縱筋粘結(jié)區(qū)表面的銹蝕情況。依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[19]切割粘結(jié)區(qū)并分段取樣，酸洗后計(jì)算縱筋粘結(jié)區(qū)實(shí)際銹蝕率。

圖2 陽極外接導(dǎo)線

圖3 試件貼面加速銹蝕

1.4.2 持續(xù)荷載施加方式

試驗(yàn)開始前，先用液壓千斤頂對A-1組中3塊梁式試件的極限荷載進(jìn)行測量，如圖4所示，測量后取平均值作為本次試驗(yàn)中梁式試件的極限荷載值。試驗(yàn)測得混凝土梁式試件的極限荷載值為32.18kN，因此極限荷載的25%，45%，65%對應(yīng)值分別為8.05，14.48，20.92kN。施加持續(xù)荷載時(shí)采用圖5所示的方法，加載裝置中下部的梁式試件倒置，上部的梁式試件通過中間的分配梁疊放在下部梁上，兩塊梁式試件互為作用力與反作用力的方式受力；持續(xù)荷載通過千斤頂施加在反力梁的跨中處，反力梁通過加載架把荷載傳遞給梁式試件，持續(xù)荷載施加到目標(biāo)值后，擰緊反力梁下端的螺母，整個(gè)持續(xù)荷載施加過程進(jìn)行完畢。

圖4 極限荷載的測量

圖5 持續(xù)荷載加載裝置

1.4.3 彎曲粘結(jié)試驗(yàn)

混凝土梁式試件在電加速銹蝕與持續(xù)荷載作用下，經(jīng)過設(shè)計(jì)通電時(shí)間達(dá)到理論銹蝕率后，需要進(jìn)行彎曲粘結(jié)試驗(yàn)，測得其極限滑移值與鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度值，并觀察梁式試件在加載后的破壞形態(tài)與裂縫發(fā)展情況，彎曲粘結(jié)試驗(yàn)加載裝置如圖6所示。開始時(shí)液壓千斤頂對梁式試件施加的荷載增量為每級2kN，荷載施加至26.7kN后，荷載增量變?yōu)槊考?.5kN，并在30s內(nèi)將每級荷載施加完畢。在每級荷載施加完畢后，需等待1min使相對滑移達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，梁式試件加載端與自由端鋼筋與混凝土的相對滑移通過位移計(jì)測量。

圖6 彎曲粘結(jié)試驗(yàn)加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂縫發(fā)展形態(tài)與寬度

本試驗(yàn)中鋼筋混凝土梁式試件的破壞形式均為混凝土劈裂破壞，并且劈裂破壞僅出現(xiàn)在梁式試件的左右某一半梁中。在整個(gè)加載過程中，梁式試件上初始裂縫的寬度隨著施加荷載的不斷提高而增加，裂縫形態(tài)發(fā)展為與縱筋平行方向成45°的斜向裂縫，并逐漸向梁式試件上部受力點(diǎn)位置開裂，最終裂縫延伸至受力點(diǎn)并發(fā)生劈裂破壞。梁式試件裂縫發(fā)展形態(tài)如圖7(a)所示。使用ZBL-F800裂縫綜合測試儀對所有梁式試件的裂縫寬度進(jìn)行測量，測量位置如圖7(b)，(c)所示，其中位置1為裂縫發(fā)展的末端，位置2為裂縫發(fā)展的中端，位置3為裂縫發(fā)展的初端，位置4為試件底部裂縫發(fā)展的中端。其中A-2組典型梁式試件的裂縫測量圖如圖8所示。相同縱筋粘結(jié)區(qū)銹蝕率(3%)、不同持載等級、相同持載等級(45%)、不同縱筋粘結(jié)區(qū)銹蝕率下梁式試件裂縫平均寬度如表4、表5所示。

圖7 裂縫發(fā)展形態(tài)與位置

不同持載等級下試件裂縫平均寬度表4

不同縱筋粘結(jié)區(qū)銹蝕率下試件裂縫平均寬度 表5

由表4可以看出，在相同銹蝕率條件下，梁式試件的裂縫寬度受到持載等級的影響，隨著持載等級的提高，試件各位置的裂縫寬度也不斷增大。由表5可得，在相同持載等級條件下，梁式試件的裂縫寬度受到縱筋粘結(jié)區(qū)銹蝕率的影響，縱筋粘結(jié)區(qū)銹蝕率越大，試件各位置的裂縫寬度也不斷增大。

2.2 粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算

本試驗(yàn)中梁式試件的受力計(jì)算簡圖如圖9所示。

圖9 受力計(jì)算簡圖/mm

梁式試件中縱筋的粘結(jié)力F可由靜力平衡關(guān)系得出：

(1)

式中：P為試驗(yàn)中施加的荷載值，N；h為平衡關(guān)系中的力臂，mm；L為施加荷載作用點(diǎn)與試件支座位置的水平距離。

縱筋粘結(jié)區(qū)的平均粘結(jié)應(yīng)力τ為：

(2)

式中：d為鋼筋直徑，mm；l為縱筋粘結(jié)區(qū)長度，mm。

利用加載裝置對遭受電加速銹蝕與持續(xù)荷載后的梁式試件進(jìn)行彎曲粘結(jié)試驗(yàn)，梁式試件的極限荷載與粘結(jié)強(qiáng)度值如表6所示。

由表6數(shù)據(jù)可以看出，梁式試件在電加速銹蝕與持續(xù)荷載條件作用后，極限荷載值與鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度比參考梁式試件都有所減小。在相同持載等級下，梁式試件的粘結(jié)強(qiáng)度值隨著鋼筋銹蝕率的提高而減小，例如：25%持載等級作用下的梁式試件組(B-2，B-3，B-4)中，銹蝕率為5%梁式試件(B-4)、銹蝕率為3%梁式試件(B-3)的粘結(jié)強(qiáng)度值，分別為銹蝕率為1%梁式試件(B-2)粘結(jié)強(qiáng)度值的92.65%和96.54%。此外，在相同銹蝕率條件下，梁式試件的粘結(jié)強(qiáng)度值隨著持載等級的提高而不斷減小，例如：5%銹蝕率條件下的梁式試件組(A-4，B-4，C-4，D-4)中，持載等級為65%梁式試件(D-4)、持載等級為45%梁式試件(C-4)、持載等級為25%梁式試件(B-4)的粘結(jié)強(qiáng)度值，分別為持載等級為0%梁式試件(A-4)粘結(jié)強(qiáng)度值的91.66%，94.81%和99.55%。

梁式試件的極限荷載值與粘結(jié)強(qiáng)度值 表6

2.3 粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

電加速銹蝕與持續(xù)荷載作用后，對混凝土梁式試件進(jìn)行彎曲粘結(jié)試驗(yàn)，記錄每級荷載對應(yīng)的滑移量，并繪制梁式試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線。其中65%持載等級條件下梁式試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線如圖10所示。從圖中曲線對比可以看出，梁式試件的加載端滑移普遍都大于自由端滑移，并且在相同持載等級的條件下，隨著縱筋銹蝕率的提高，梁式試件加載端與自由端的滑移也逐漸增大。粘結(jié)強(qiáng)度方面，在相同持載等級條件下，梁式試件的粘結(jié)強(qiáng)度與縱筋銹蝕率成反比關(guān)系，即粘結(jié)強(qiáng)度隨著縱筋銹蝕率的提高而降低。此外，持續(xù)荷載的試驗(yàn)條件并沒有改變粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的走勢。就加載端來說，梁式試件加載端的滑移在荷載施加的瞬間便產(chǎn)生，并隨著荷載的增加而增加；就自由端來說，遭受65%持載等級的梁式試件自由端滑移在達(dá)到極限荷載的20%～40%時(shí)產(chǎn)生。

圖10 65%持載等級下梁試件的粘結(jié)-滑移曲線

圖11為5%縱筋銹蝕率條件下梁式試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線。除上述梁式試件的加載端滑移普遍都大于自由端滑移規(guī)律外，從圖中曲線對比還可以看出，在相同縱筋銹蝕率條件下，梁式試件加載端與自由端的滑移量隨著持載等級的提高而增大。粘結(jié)強(qiáng)度方面，梁式試件的粘結(jié)強(qiáng)度與持載等級也成反比關(guān)系，即梁式試件的持載等級越高，粘結(jié)強(qiáng)度就越小。就梁式試件自由端產(chǎn)生滑移的先后順序來說，遭受高等級持續(xù)荷載的梁式試件自由端產(chǎn)生滑移的時(shí)間比遭受低等級持續(xù)荷載的梁式試件要早。

圖11 5%縱筋銹蝕率下梁試件的粘結(jié)-滑移曲線

3 結(jié)論

(1)銹蝕與持續(xù)荷載的提高會降低鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度，并且銹蝕程度越高、持載等級越高，粘結(jié)強(qiáng)度就越低。

(2)混凝土梁式試件發(fā)生破壞時(shí)產(chǎn)生的裂縫寬度，受銹蝕與持載等級條件的影響，試件持載等級越高、縱筋銹蝕率越大，裂縫寬度就越大。

(3)彎曲粘結(jié)試驗(yàn)中，梁式試件加載端滑移普遍大于自由端滑移，且滑移量隨著梁式試件的持載等級與縱筋銹蝕率的提高而增大。