除銹方法對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響試驗研究*

商懷帥，李樹良，張 程，胡 濱，鄭 素，張慢慢

(1 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 青島 266033；2 中鐵二十四局集團(tuán)有限公司軌道交通分公司， 上海 200071)

0 引言

對于停建、緩建的鋼筋混凝土工程來講，由于受環(huán)境因素影響，裸露在混凝土外部的鋼筋不可避免發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，銹蝕后的鋼筋截面會減小，在承受相同荷載作用下，銹蝕鋼筋實際承受應(yīng)力有較大變化；且受銹蝕影響，鋼筋和混凝土之間的極限粘結(jié)應(yīng)力也發(fā)生變化，如果項目復(fù)工時對于這些銹蝕問題不加處理，必定會影響到整個工程的質(zhì)量。目前，鋼筋銹蝕產(chǎn)生的種種危害已經(jīng)引起世界各國研究者的關(guān)注[1]。張白等[2]通過試驗研究得出：當(dāng)銹蝕率小于2.22%時，鋼筋和混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力隨著銹蝕率的增加而增大；但當(dāng)銹蝕率超過3.46%時，鋼筋和混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力出現(xiàn)明顯衰退。張勇君等[3]提出了停建、緩建工程在復(fù)工前鋼筋除銹處理的重要性和應(yīng)該采取的除銹措施。陳嘉帥等[4]通過對除銹劑除銹后的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗，研究了鋼筋的力學(xué)性能退化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鋼筋的名義屈服極限強度退化速率隨鋼筋直徑變化不敏感，隨銹蝕率的增大呈線性退化關(guān)系。戴兵等[5]研究表明，隨著荷載的增大，粘結(jié)應(yīng)力的峰值有向自由端漂移的趨勢。

因此，對于停建、緩建的鋼筋混凝土工程，復(fù)工前需要對外露的鋼筋進(jìn)行除銹處理，以保證鋼筋表面無銹蝕和油污等非正?，F(xiàn)象。目前，工程常見的除銹方法有除銹劑浸泡、角磨機(jī)打磨、拋丸、噴砂、化學(xué)試劑除銹等，不同除銹方法的適用范圍和優(yōu)缺點各有不同[6]。目前，對使用不同方法除銹后鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能影響的試驗研究相對較少，因此對不同除銹方法的除銹效果和對鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能影響的研究是十分必要的。本文選取3種工程上常見的除銹方法(角磨機(jī)除銹、除銹劑除銹和拋丸機(jī)除銹)對不同銹蝕程度的鋼筋進(jìn)行除銹，然后對除銹后鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗研究，分析除銹方法對除銹后鋼筋和混凝土粘結(jié)性能的影響。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料及混凝土配合比

混凝土配合比 表2

鋼筋選用HRB400熱軋帶肋鋼筋，直徑分別為14，18mm，每根長度約600mm。在鋼筋除銹前分別測量每根鋼筋的內(nèi)外徑、肋高和肋間距等外形參數(shù)，并計算其平均值，具體數(shù)據(jù)見表1。

生銹前鋼筋外形參數(shù)/mm 表1

本試驗采用青島某公司生產(chǎn)的預(yù)拌混凝土，混凝土強度等級為C30。預(yù)拌混凝土中水泥采用P·O 42.5級水泥；細(xì)骨料為級配良好的Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8；粗骨料采用5～25mm連續(xù)級配的嶗山碎石；此外還添加了礦粉、粉煤灰和聚羧酸減水劑，具體配合比如表2所示。

1.2 鋼筋的銹蝕與除銹處理

鋼筋銹蝕的方法有恒電流加速銹蝕和自然銹蝕兩種方式，吳慶、袁迎曙等[7]的研究表明通過恒電流加速銹蝕鋼筋的銹蝕產(chǎn)物呈黑色，而自然銹蝕鋼筋的銹蝕產(chǎn)物為紅褐色，故本試驗采用自然銹蝕的方式對鋼筋進(jìn)行處理。通過對鋼筋在自然環(huán)境中暴露時間長短和灑水頻率的不同區(qū)分出了兩種程度銹蝕，并用鋼筋的平均質(zhì)量損失率ρ表示其平均銹蝕率：

(1)

式中：w0為鋼筋生銹前的質(zhì)量；w1為鋼筋除銹后的質(zhì)量。

根據(jù)銹蝕之前和除銹之后的質(zhì)量分別計算得出直徑為14mm和18mm鋼筋的兩種程度的平均銹蝕率，具體數(shù)據(jù)見表3。

不同銹蝕程度的鋼筋質(zhì)量變化 表3

分別采用除銹劑、角磨機(jī)和拋丸機(jī)三種方法對鋼筋進(jìn)行除銹處理。除銹劑選用天津某公司生產(chǎn)的除銹劑KS-7003。除銹時在通風(fēng)良好的地帶將鋼筋完全浸泡在除銹劑中，除銹過程產(chǎn)生大量刺激性氣體并散發(fā)大量熱量，銹蝕產(chǎn)物溶解在除銹劑中，除銹后的鋼筋表面迅速生成一層致密的銀白色氧化膜，如圖1所示，用水將鋼筋表面殘余的除銹劑沖洗干凈，然后烘干鋼筋表面水分，進(jìn)行稱重記錄。角磨機(jī)選用江蘇某公司生產(chǎn)的S1M-FF03-100A型角磨機(jī)，緩慢將鋼筋表面銹蝕產(chǎn)物打磨干凈，除銹過程中人為控制除銹效果，盡量使每根鋼筋的除銹程度保持一致。除銹后鋼筋表面有銀白色金屬光澤，如圖2所示，然后稱重記錄。拋丸機(jī)除銹委托青島某公司處理，使用履帶式拋丸機(jī)高速拋射的鋼丸對鋼筋表面進(jìn)行除銹、去氧化皮，如圖3所示，清理完成后可自動卸料，過程較為簡便、節(jié)省人工，但對于銹蝕率為1.71%和1.93%的鋼筋除銹不徹底，鋼筋還有少許浮銹，沒有金屬光澤，除銹效果不如前兩者。除銹前后對比如圖4所示。

圖1 除銹劑除銹

圖2 角磨機(jī)除銹

圖3 履帶式拋丸機(jī)

圖4 除銹前后對比

1.3 試件設(shè)計與制作

試件截面為150mm×150mm×150mm，使用可拆卸的塑料模具，鋼筋在試件內(nèi)的粘結(jié)長度為5d(d為鋼筋直徑)，放置于模具的中心位置，無橫向配筋。用PVC管套在鋼筋兩端，并用石蠟密封鋼筋和PVC管之間的空隙，以免澆筑時水泥砂漿流入管內(nèi)影響粘結(jié)段的長度，如圖5所示。試件在青島某公司攪拌站室驗室制作，澆筑完成1d后拆模，并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d。

試驗共制作4組中心拔出試件，分別對應(yīng)2種鋼筋直徑和2種銹蝕率，每組試件共9個中心拔出試件，9個試件中的鋼筋分別采用角磨機(jī)、除銹劑和拋丸機(jī)對鋼筋進(jìn)行除銹。中心拔出試件示意圖如圖5所示。

圖5 中心拔出試件示意圖

1.4 中心拔出試驗

本試驗使用千分表分別測量鋼筋加載端和自由端的滑移量，使用錨桿式拉拔儀進(jìn)行手動加載，采用分級加載，每加載2kN并穩(wěn)定30s后讀取一次滑移值，直到加載至最大荷載。分別測量記錄試件加載端和自由端的滑移值、鋼筋混凝土試件的極限粘結(jié)應(yīng)力。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象

在加載的初始階段，試件表面無裂縫出現(xiàn)，加載端首先出現(xiàn)滑移，自由端無滑移；隨著荷載的繼續(xù)增大，鋼筋的加載端滑移量逐漸增加，自由端開始出現(xiàn)滑移；當(dāng)加載至最大荷載，鋼筋加載端和自由端的滑移量繼續(xù)增加，試件破壞[8]。破壞模式有兩種：一是拔出破壞，混凝土表面無裂縫(圖6)；另一種是劈裂破壞，混凝土表面一般出現(xiàn)1～3條裂縫[9](圖7)。試件裂縫發(fā)展情況和破壞模式見表4和表5。

圖6 拔出破壞

圖7 劈裂破壞

直徑14mm鋼筋試件的試驗現(xiàn)象 表4

直徑18mm鋼筋試件的試驗現(xiàn)象 表5

2.1.1 鋼筋直徑為14mm的鋼筋混凝土中心拔出試件的破壞模式

使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹的直徑為14mm的鋼筋混凝土中心拔出試件全部發(fā)生拔出破壞，試件表面無裂縫出現(xiàn)，如圖8所示。使用角磨機(jī)除銹的鋼筋直徑為14mm的鋼筋混凝土中心拔出試件表面出現(xiàn)未貫通的細(xì)微裂縫，試件發(fā)生劈裂破壞，如圖9所示。

圖8 試件表面無裂縫

圖9 試件表面細(xì)微裂縫

從表4和表5可以看出，除銹方法影響了鋼筋直徑為14mm試件的破壞形式，出現(xiàn)這種情況的原因是角磨機(jī)打磨鋼筋時使用的鋼絲刷沒有鋼筋的硬度高，通過高速旋轉(zhuǎn)摩擦可以去除鋼筋表面稀松的銹蝕物，而對鋼筋本材的影響很小；使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹時，酸液浸泡和鋼丸的高速拋打?qū)︿摻罾吒呦魅踺^大，且對本材的削弱程度也要大于角磨機(jī)除銹[10]。角磨機(jī)對鋼筋肋高的削弱程度要小于其余兩種除銹方法，較高的鋼筋肋可以使鋼筋和混凝土之間的機(jī)械咬合力和摩擦力增大[11]，進(jìn)而提升試件的粘結(jié)性能。因此使用角磨機(jī)除銹的試件發(fā)生劈裂破壞，而使用其余兩種方法除銹的試件發(fā)生拔出破壞。

2.1.2 鋼筋直徑為18mm的鋼筋混凝土中心拔出試件的破壞模式

使用除銹劑、拋丸機(jī)及角磨機(jī)除銹的鋼筋直徑為18mm的鋼筋混凝土中心拔出試件均發(fā)生劈裂破壞，如圖10所示。這種劈裂式裂縫從鋼筋端表面向三個方向產(chǎn)生裂縫，通過試驗發(fā)現(xiàn)，有些試件表面出現(xiàn)一條貫通裂縫，也有試件表面的裂縫沒有貫通，如圖11所示。試件的破壞形式和裂縫發(fā)展情況均類似，說明三種除銹方法對鋼筋直徑為18mm試件的破壞模式影響不大，但與鋼筋直徑為14mm的中心拔出試件相比，隨鋼筋直徑的增大，試件破壞時，表面裂縫的寬度也有相應(yīng)增加[12]。出現(xiàn)這種情況的原因是變形鋼筋肋高并不隨直徑變化而成比例變化，直徑增大時，相對鋼筋肋高降低，相對粘結(jié)面積減小，極限粘結(jié)強度降低，致使試件更容易劈裂。大直徑鋼筋試件的絕對粘結(jié)段長度較長，粘結(jié)應(yīng)力在鋼筋表面的分布不均勻，破壞時裂縫寬度較寬；鋼筋直徑增大后，最多出現(xiàn)3條裂縫，由于混凝土對鋼筋肋的徑向擠壓不均勻，裂縫具有明顯的方向性。

圖10 劈裂破壞

圖11 劈裂破壞的三條裂縫

2.2 鋼筋和混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移量

Lw=150-la

(2)

(3)

SL=SL1-ΔSL

(4)

(5)

式中：Lw為非粘結(jié)段的長度，mm；ΔSL為鋼筋彈性變形伸長值，mm；Es為鋼筋的彈性模量，GPa；As為鋼筋的截面面積，mm2；SL為加載端實際的滑移量，mm；SL1為鋼筋加載端千分表顯示的滑移量，mm；SF為鋼筋自由端千分表顯示的滑移量，mm；S為加載端和自由端的平均滑移量，mm。

中心拔出試驗得到了不同條件下鋼筋和混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移量，具體數(shù)據(jù)見表6和表7。

直徑14mm鋼筋極限粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移量 表6

直徑18mm鋼筋極限粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移量 表7

不同銹蝕率的鋼筋在三種除銹方法后部分試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移量曲線如圖12所示。

圖12 不同條件下試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移量曲線(部分)

2.3 拉拔結(jié)果分析

從表6、表7、圖12中可以看出，除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力隨銹蝕率的增加而降低。隨著銹蝕率的增加，鋼筋直徑為14mm的試件使用角磨機(jī)、除銹劑和拋丸機(jī)除銹后，試件極限粘結(jié)應(yīng)力分別降低2.9%，4.2%和6.7%；同樣，對于鋼筋直徑為18mm的試件，極限粘結(jié)應(yīng)力分別降低12.2%，8.1%和2.8%，發(fā)現(xiàn)極限粘結(jié)應(yīng)力的下降規(guī)律并不相同，分析原因可能是由于試件數(shù)量有限導(dǎo)致的離散性大。

當(dāng)鋼筋直徑和銹蝕率都相同時，使用角磨機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力最大。鋼筋直徑為14mm的試件，當(dāng)銹蝕率為0.83%時，使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力分別為角磨機(jī)除銹后的67.5%和65.7%；當(dāng)銹蝕率為1.71%時，使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力分別為角磨機(jī)除銹后的66.6%和63.1%。鋼筋直徑為18mm的試件，當(dāng)銹蝕率為0.94%時，使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力分別為角磨機(jī)除銹后的90.3%和87.8%，當(dāng)銹蝕率為1.93%時，使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力分別為角磨機(jī)除銹后的94.5%和97.2%。

從試驗數(shù)據(jù)還可以看出，當(dāng)直徑相同情況下，無論銹蝕率高低，用三種除銹方法除銹后得出的粘結(jié)應(yīng)力-滑移量(τ-s)曲線形狀基本一致。不同之處在于鋼筋直徑為14mm的試件使用角磨機(jī)除銹后發(fā)生劈裂破壞，而使用另兩種除銹方法的試件發(fā)生拔出破壞。由圖12(a)可看出，發(fā)生拔出破壞試件的τ-s曲線在峰值過后有明顯的下降段，而發(fā)生劈裂破壞的試件由于破壞很突然，并不能繪制出其τ-s曲線的下降段[14]。發(fā)生拔出破壞的試件在加載初期，滑移量和粘結(jié)應(yīng)力成線性關(guān)系，到峰值荷載后，隨著粘結(jié)應(yīng)力減小，滑移量繼續(xù)增大，施加很小的荷載就有很大的滑移[15]；發(fā)生劈裂破壞試件的τ-s曲線基本都成線性關(guān)系，隨著荷載的不斷增加，鋼筋的滑移量也不斷增加；荷載繼續(xù)增加，達(dá)到極限粘結(jié)應(yīng)力，試件發(fā)生脆性劈裂[16]。

隨著銹蝕率的增大，試件中鋼筋的峰值滑移量有增大的趨勢。鋼筋直徑為14mm的試件，使用角磨機(jī)和拋丸機(jī)除銹后的峰值滑移量隨銹蝕率增大分別增大6.0%和4.5%，使用除銹劑除銹后峰值滑移量未增大；而鋼筋直徑為18mm的試件，使用3種除銹方法后，峰值滑移量隨銹蝕率增大分別增大4.9%，12.2%和8.2%。

當(dāng)鋼筋直徑和銹蝕率都相同時，使用角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量最小。鋼筋直徑為14mm的鋼筋，當(dāng)銹蝕率為0.83%時，角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量分別是除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的70.4%和75.8%；當(dāng)銹蝕率為1.71%時，角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量分別是除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的74.6%和76.8%。鋼筋直徑為18mm的鋼筋，當(dāng)銹蝕率為0.94%時，用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后的試件的峰值滑移量相同，角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量分別是除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的83.7%，當(dāng)銹蝕率為1.93%時，角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量分別是除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的78.2%和81.1%。

2.4 除銹方法對鋼筋和混凝土粘結(jié)性能的影響

鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力主要由化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩擦力組成，在加載初期，荷載較小，粘結(jié)應(yīng)力主要由化學(xué)膠結(jié)力提供；隨著荷載的增大，化學(xué)膠結(jié)力逐漸喪失，粘結(jié)應(yīng)力主要由機(jī)械咬合力提供[17]；荷載不斷增大，沿著鋼筋縱向的劈裂裂縫從試件內(nèi)部發(fā)展到表面，粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大，此時試件發(fā)生劈裂破壞；當(dāng)鋼筋直徑較小，或鋼筋受到的縱向約束力不足時，鋼筋和混凝土之間的機(jī)械咬合力消失，這時僅剩少量摩擦力提供粘結(jié)，表現(xiàn)為粘結(jié)應(yīng)力急劇下降，滑移值卻大幅增加，試件發(fā)生拔出破壞[18]。

對于鋼筋直徑為14mm的試件，只有用角磨機(jī)除銹后的試件發(fā)生劈裂破壞。原因是角磨機(jī)除銹對鋼筋表面肋高削弱最小，試件中鋼筋肋間的混凝土齒較厚，機(jī)械咬合力大，粘結(jié)應(yīng)力也大[19]，所以試件破壞時表面產(chǎn)生細(xì)小裂縫。對于鋼筋直徑為18mm的試件，絕對粘結(jié)長度較長，粘結(jié)應(yīng)力在鋼筋表面的分布不均勻，破壞時的極限粘結(jié)應(yīng)力較鋼筋直徑為14mm的試件低。鋼筋表面月牙紋肋高沿鋼筋圓周變化，徑向擠壓不均勻，使出現(xiàn)的劈裂裂縫有明顯的方向性。銹蝕越嚴(yán)重的鋼筋，表面生成銹蝕產(chǎn)物越多，除銹時對鋼筋表面及肋高的削弱越大，導(dǎo)致混凝土和鋼筋相對粘結(jié)面積減小，極限粘結(jié)應(yīng)力降低。

3 除銹后鋼筋和混凝土粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系

本文以現(xiàn)有鋼筋混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)，根據(jù)粘結(jié)強度隨不同錨固位置、裂縫間距、保護(hù)層厚度和鋼筋直徑的變化規(guī)律[20-22]，用多項式擬合鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系形式簡單，故本文宜采用多項式(6)來擬合不同條件下試件的粘結(jié)-滑移曲線。

τ=a+bs+cs2+ds3

(6)

式中：τ為粘結(jié)強度，N/mm2；s為滑移量，mm；其他參數(shù)值見表8。

鋼筋試件粘結(jié)-滑移表達(dá)式(6)中的系數(shù) 表8

通過對已有試驗數(shù)據(jù)的擬合分析，得到了不同銹蝕程度下鋼筋和混凝土粘結(jié)應(yīng)力-滑移量曲線，如圖13所示。

圖13 鋼筋試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移量曲線的試驗值及擬合值對比

兩種銹蝕程度下，使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹的鋼筋直徑為14mm試件發(fā)生拔出破壞，其余的試件均發(fā)生劈裂破壞，所有擬合的曲線在上升段與實際值相似程度很高。由于發(fā)生拔出破壞的試件達(dá)到極限粘結(jié)應(yīng)力后，粘結(jié)應(yīng)力不會立即降低，而是隨著滑移量的增大而緩慢降低，采集到的峰值滑移量對應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力大，用三階多項式擬合時，曲線峰值處相似程度稍有誤差，且曲線下降段有效的數(shù)據(jù)不夠多，故其曲線下降段相似程度則偏差略大。圖13(a)中，鋼筋使用拋丸除銹的試件擬合誤差稍大，原因是夾具和錨具沒有將試件加載端鋼筋完全夾緊，在加載初始階段，錨具首先被夾具緊固，進(jìn)而使采集到的數(shù)據(jù)失去了有效性。由此可見，試驗結(jié)果與模型計算結(jié)果整體吻合良好，說明式(6)可為今后除銹后鋼筋混凝土粘結(jié)性能的研究提供一定理論依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)在銹蝕率較小的情況下，不同除銹方法對鋼筋肋高削弱程度由大到小依次是除銹劑浸泡、拋丸機(jī)除銹、角磨機(jī)除銹。

(2)鋼筋直徑為14mm的試件，角磨機(jī)除銹后試件發(fā)生劈裂破壞；除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件發(fā)生拔出破壞。鋼筋直徑為18mm的試件均發(fā)生劈裂破壞。

(3)當(dāng)銹蝕率在2%以內(nèi)時，隨著銹蝕率的增加，除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力減小，峰值滑移量增大。

(4)三種除銹方法中，角磨機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力最大，峰值滑移量最小。