銹蝕鋼筋混凝土粘結性能劣化研究

劉新華，朱星宇，唐 旭，張志強

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

引言

鋼筋混凝土(Reinforced Concrete， RC)是工程中普遍使用的材料，鋼筋和混凝土分別承擔抗拉和抗壓職責，兩者之間優(yōu)良的粘結性能是保證RC構件協(xié)調(diào)變形、共同工作的關鍵[1-3]。RC構件在服役期間受到環(huán)境侵蝕作用必然發(fā)生鋼筋銹蝕膨脹，破壞RC之間的粘結界面層，導致粘結性能劣化，使得兩者的互鎖作用削弱，使用性能急劇下降。因此，研究銹蝕對RC構件粘結性能的影響對于提高結構耐久性和承載力具有重大意義。

針對銹蝕鋼筋混凝土粘結性能劣化的問題，國內(nèi)外學者進行了大量研究?，F(xiàn)主要通過電化學加速銹蝕制作不同銹蝕率下的拉拔試件，通過試驗研究粘結滑移曲線隨銹蝕發(fā)展的變化規(guī)律[4-6]和RC破壞模式[7-8]，除此之外，不少學者還研究了箍筋[9-10]、銹蝕類型[11]等對極限粘結強度的影響。鋼筋銹蝕顯著影響RC界面間摩擦力、化學膠結力、機械咬合力，進而影響粘結強度。劉泓等[12]基于不同銹蝕構件試驗數(shù)據(jù)，擬合提出極限粘結強度經(jīng)驗公式；林紅威等[13]提出粘結滑移本構關系。在仿真領域通過采用非線性彈簧單元、黏聚力單元表征RC界面層的粘結力學性能受到行業(yè)廣泛認可，肖啟晟等[14]采用修正CZM模型模擬拉拔試件破壞形態(tài)及裂縫擴展過程；崔明航等[15]采用Spring2單元分析基于邊界效應的RC中心拉拔全過程；賀歡[16]、張志強等[17]基于粘結滑移理論，建立隧道計算模型，對襯砌結構性能展開研究。

綜上所述，目前鋼筋混凝土之間粘結性能研究廣泛分布在試驗研究和仿真模擬兩個方面。主要不足之處有，研究對象多為中心拉拔試件，與實際工程中偏心受力情況不同，另外，鮮有研究全粘結段粘結應力與銹蝕率的關系。

鑒于現(xiàn)有研究存在不足之處，本文基于控制變量的思想設計并進行了銹蝕后拉拔試驗，獲得了不同保護層厚度及銹蝕率下試件的粘結強度及破壞形態(tài)，研究不同保護層下鋼筋銹蝕對粘結性能的影響，建立銹后拉拔數(shù)值模型，分析全粘結段粘結應力的變化規(guī)律。

1 試驗方案設計

本實驗設置4種保護層厚度(20，30，40，50 mm)及1組對照(中心拉拔，65 mm)，4種不同的銹蝕率(0%、3%、5%、7%)一共20組工況，每組3個試件，總計60個試件。試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，按水灰比0.46配制C30混凝土，主筋為φ20 mm的HRB400鋼筋，粘結長度為70 mm，非粘結段用絕緣膠布包裹，箍筋為φ6 mm的HPB300鋼筋，如圖1所示。

圖1 試件示意(單位：mm)

電源陽極與鋼筋相連，陰極與浸泡在5%質(zhì)量濃度的NaCl溶液中的不銹鋼絲網(wǎng)相連，采用恒流電源通電以加速銹蝕。為防止自由端鋼筋發(fā)生銹蝕，采用絕緣膠帶對其進行包裹，并使用工業(yè)用黃油進行密封。通電銹蝕試驗如圖2所示。

圖2 通電銹蝕試驗示意

基于法拉第定律的銹蝕量計算公式[18]和銹蝕率表達式計算達到既定銹蝕率的時間

(1)

(2)

式中，Δm、m分別為鋼筋銹蝕質(zhì)量和原始質(zhì)量；M為鋼筋摩爾質(zhì)量；I為電流強度；t為通電銹蝕時間；Z為1摩爾Fe失去的電子數(shù)，取2；F為法拉第常數(shù)；η為銹蝕率。

達到銹蝕時間后，取出試件，待其完全干燥后進行拉拔試驗，鋼筋拔出后，截取黏結段鋼筋，去除雜質(zhì)和鐵銹，獲得實際銹蝕率。

2 試驗實施

2.1 試件制作和銹蝕

試件制作和銹蝕的主要流程如圖3所示。

圖3 試件制作和銹蝕試驗

制作成品混凝土模具，按照保護層厚度要求對模具開孔，稱取鋼筋原始質(zhì)量放入模具中，采用分層澆筑方法灌注混凝土，養(yǎng)護28 d后拆模。按照試驗設計方案對試件分組、編號、接線，按照銹蝕率從小到大的順序放入銹蝕池，通電至預定時間便切斷電源，等待所有試件通電完畢后，取出所有試件，靜止晾干，為拉拔試驗做準備。

2.2 拉拔試驗

試件干透后，進行拉拔實驗，拉拔裝置由位移計、反力裝置、加載裝置等組成，如圖4所示。

圖4 拉拔試驗裝置示意

拉拔試驗按照以下4個步驟進行。

(1)將試件安裝到加載裝置上，檢查夾具與鋼筋之間的連接是否牢固，確認安裝牢固后，施加初始荷載，使加載裝置與試件緊密接觸。

(2)安裝百分表，使其與自由端鋼筋底面接觸，安裝時應保證百分表量桿與鋼筋底面接觸良好，正式加載前還應檢查百分表的靈活性。

(3)所有設備檢查無誤后，開始正式加載。啟動加載裝置，以0.1 kN/s的速率進行加載，加載過程中，每隔0.05 mm記錄1次荷載值，同時記錄最大荷載的值及其對應的自由端位移。

(4)鋼筋拔出后，將試件從加載裝置上卸下，然后重新調(diào)整加載裝置，為下一試件加載做準備。

拉拔試驗后，對拔出鋼筋使用除銹劑去除鐵銹，再用鋼刷刷去表面雜質(zhì)，最后經(jīng)過清水沖洗，烘干機烘干后，稱取銹蝕后鋼筋質(zhì)量。

3 有限元模型建立

為研究銹蝕后鋼筋混凝土拉拔過程中粘結段粘結應力的變化規(guī)律，建立中心拉拔數(shù)值模型，混凝土幾何參數(shù)與試驗方案相同。

采用ABAQUS軟件進行仿真，混凝土和主筋設置為C3D8R單元，箍筋設置為T3D2單元。鋼筋具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋼筋材料參數(shù)

ABAQUS有限元軟件中的混凝土損傷塑性模型(以下簡稱“CDP模型”)，能準確反映混凝土非線性應力-應變特點和拉壓過程中剛度損傷特點，在鋼筋混凝土結構數(shù)值模擬中使用普遍[19-21]。損傷因子通過能量等價法[22]進行計算，CDP模型主要參數(shù)如表2所示，其中E為彈性模量，fb0/fc0為雙軸抗壓強度與單雙軸抗壓極限強度之比，K為不變量應力比。

表2 CDP模型參數(shù)

鋼筋與混凝土間的相互作用可視作混凝土與鋼筋的擠壓作用和粘結-滑移作用。通過在鋼筋混凝土界面插入垂直鋼筋方向(法向)和平行鋼筋方向(切向)的Spring2彈簧單元來分別模擬鋼筋擠壓和粘結-滑移作用。

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平行鋼筋方向上：法向變形較小，因此該方向的彈簧剛度取與混凝土剛度同數(shù)量級的數(shù)值。

垂直鋼筋方向上：采用彈簧的力-位移關系表征粘結性能。具體做法為：由拉拔試驗獲得平均粘結強度-滑移值數(shù)據(jù)，乘以數(shù)值模擬中每個彈簧單元對應的實體單元表面積，并結合文獻[23]提出的粘結位置函數(shù)，得到不同粘結位置Spring2彈簧單元的切向作用力與滑移值關系，按式(3)求取。

F(s，x)=τ(s)·Ai·φ(x)

(3)

(4)

式中，F(xiàn)(s，x)為不同滑移量、不同粘結位置的彈簧拉力；τ(s)為固定滑移量對應的平均粘結強度；Ai為彈簧連接的單元面積；φ(x)為位置函數(shù)；x為粘結位置；s為滑移量；L為粘結段長度。

三維拉拔有限元模型如圖5所示。對照試驗與數(shù)值模擬各銹蝕條件下的粘結-滑移曲線，驗證本次模型的準確性，如圖6所示。

圖5 拉拔計算模型

圖6 保護層厚65 mm的粘結滑移曲線對比

4 結果及分析

4.1 試件破壞模式

試驗中，各工況試件出現(xiàn)的破壞模式總計有3種：①保護層脫落破壞；②拔出破壞(產(chǎn)生裂縫)；③拔出破壞(不產(chǎn)生裂縫)。

(1)保護層脫落破壞

試件拔出過程中，隨著拉力增加，表面逐漸出現(xiàn)少量裂縫，拉力達到最大值后，鋼筋周圍出現(xiàn)大量裂縫，繼續(xù)拔出，兩條斜向裂縫迅速擴展貫通保護層，導致保護層脫落破壞，如圖7所示。

圖7 試件保護層脫落

這種破壞模式出現(xiàn)在保護層厚度為20 mm的試件中。產(chǎn)生的原因是：拔出過程中主筋橫肋對混凝土的擠壓作用產(chǎn)生劈裂裂縫，結合內(nèi)部的銹脹裂縫不斷擴展，同時由于保護層厚度較小，很快擴展至保護層表面，引起保護層脫落。

試件拔出過程中，隨著拉力增加，試件表面裂縫逐漸增多，拉力達到最大值后，裂縫寬度和長度明顯增大，后趨于穩(wěn)定，直至鋼筋完全拔出，如圖8所示。

圖8 試件拔出破壞(產(chǎn)生裂縫)

絕大多數(shù)試件(保護層30～50 mm)都是這種破壞模式。產(chǎn)生的原因是：①保護層厚度較小的試件，銹蝕嚴重導致橫肋與混凝土相互作用削弱，拔出過程中，鋼筋對混凝土的壓碎剪切程度較低，產(chǎn)生的劈裂裂縫有限；②保護層厚度較大的試件，拔出過程中，鋼筋周圍混凝土被壓碎產(chǎn)生裂縫，但是受到混凝土約束作用，限制裂縫繼續(xù)擴展。

(3)拔出破壞(不產(chǎn)生裂縫)

試件拔出過程中，試件表面裂縫無明顯變化，拉力達到最大值后，仍未出現(xiàn)裂縫，直至鋼筋連帶著混凝土被拔出，如圖9所示。

圖9 試件拔出破壞(不產(chǎn)生裂縫)

這種破壞模式集中出現(xiàn)在銹蝕率較低的中心拉拔試件中。產(chǎn)生的原因是：保護層厚度達到一定厚度的試件，混凝土約束作用足夠大，能夠抑制鋼筋拔出過程的裂縫出現(xiàn)。

4.2 銹蝕后粘結性能劣化分析

表3為拉拔試驗結果，限于篇幅，僅展示一部分，F(xiàn)max為最大拉力，dP為Fmax對應的滑移值。

表3 試件試驗結果

4.2.1 銹蝕率對粘結性能的影響

繪制不同保護層厚度及銹蝕率下的最大拉力散點圖，如圖10所示。

圖10 不同銹蝕率下的最大拉力散點圖

由圖10可以看出，對于保護層厚度較小的試件，最大拉力隨銹蝕率增加而逐漸降低；對于保護層厚度較大的試件，當銹蝕率較小時，最大拉力隨銹蝕率增加而緩慢增大，達到拉力峰值以后，最大拉力隨銹蝕率增加而迅速減小。

作不同保護層厚度及銹蝕率下的最大拉力對應的滑移量散點圖，如圖11所示?？梢钥闯?，不同保護層厚度的試件滑移量均隨著銹蝕率的增加出現(xiàn)不同程度的減小。

圖11 不同銹蝕率下最大拉力對應的自由端滑移量散點圖

4.2.2 保護層厚度對粘結性能的影響

為更加直觀表現(xiàn)保護層厚度對粘結強度和滑移量的影響，作不同保護層厚度平均銹蝕率與平均粘結強度和滑移量關系曲線，分別如圖12、圖13所示。粘結強度τ按下述公式計算(D、l分別為鋼筋直徑、粘結段長度)。

(5)

圖12 平均粘結強度與平均銹蝕率關系

圖13 平均滑移量與平均銹蝕率關系

可以看出，銹蝕率相近情況下，保護層厚度越大，粘結強度和滑移量有不同程度的提高。

作試驗各保護層厚度粘結強度修正系數(shù)(銹蝕后與未銹蝕粘結強度之比)與歸一化平均滑移量(銹蝕后與未銹蝕滑移量之比)隨銹蝕率變化曲線，并與文獻[24]提出的修正粘結強度公式作比較，如圖14、圖15所示。

β=1+12.226η-456.5η2+3 547.7η3-8 426η4

(6)

式中，β為粘結強度修正系數(shù)；η為銹蝕率。

圖14 粘結強度修正系數(shù)與銹蝕率關系

圖15 歸一化平均滑移值與銹蝕率關系

可以看出，保護層厚度越大，上升段越明顯，此后，隨著銹蝕的發(fā)展，最大拉力逐漸減小，且保護層厚度越小，最大拉力和滑移量下降的越快，即粘結性能損失越快。本次中心拉拔試件(保護層厚度65 mm)的粘結強度變化與修正公式最接近。

4.3 粘結段粘結應力變化

鋼筋上任意點的粘結應力τ與軸向應力σ存在以下關系

(7)

再由鋼筋應力-應變關系dσf=Efdεf，可推導出任意點粘結應力與鋼筋應變之間的關系

(8)

式中，Ef、εf、df分別為鋼筋彈性模量、應變和直徑。

通過仿真模擬獲得不同銹蝕率和拉拔荷載下鋼筋粘結段的應變分布曲線，代入公式(8)，獲得鋼筋粘結5段應力分布情況，如圖16所示。

圖16 不同銹蝕率和拉拔荷載下鋼筋粘結應力分布曲線

可以看出，粘結應力靠近加載端(0 mm)或者靠近自由端(70 mm)位置達到峰值，中間粘結段分布均勻；粘結應力峰值出現(xiàn)在至加載端5～10 mm或60～65 mm(粘結段總長的7%～14%)處，而非在加載端。隨著拉拔力的增大，粘結應力整體水平逐漸增大，峰值現(xiàn)象也逐漸凸顯。

比較不同銹蝕率條件對應的最大拉力下鋼筋粘結應力分布，如圖17所示。

圖17 不同銹蝕率條件最大拉力下鋼筋粘結應力分布曲線

鋼筋銹蝕過程中，粘結應力峰值隨銹蝕率的增大逐漸下降，且粘結應力峰值存在由自由端向加載端移動的現(xiàn)象。無銹蝕與銹蝕率為3%時相比，雖然粘結應力峰值下降，但是中間粘結段均勻分布的粘結應力有所提高，因此拉拔力均在30 kN左右。

5 結論

本文考慮實際工程中鋼筋兩側混凝土約束作用的不同，通過設計偏心拉拔試驗，得到銹蝕后鋼筋混凝土結構的3種破壞模式和粘結強度、滑移量隨銹蝕率和保護層厚度的變化規(guī)律，并基于試驗所獲得的粘結-滑移數(shù)據(jù)建立三維拉拔模型，分析銹蝕后試件粘結段粘結應力分布變化。主要結論如下。

(1)試件拔出破壞形態(tài)主要有3種：①保護層脫落破壞，該破壞模式主要發(fā)生在保護層厚度較小的試件中；②拔出破壞(產(chǎn)生裂縫)，大多數(shù)試件發(fā)生該種破壞；③拔出破壞(不產(chǎn)生裂縫)，該破壞模式主要發(fā)生在保護層較大或銹蝕率較低的試件中。

(2)保護層厚度較小時，最大拉力隨著銹蝕發(fā)展逐漸減小。當保護層達到一定厚度后，最大拉力隨著銹蝕發(fā)展呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。各保護層厚度下，最大拉力對應的滑移量均隨銹蝕率的增大均減小。

(3)相同銹蝕率條件下，粘結強度和滑移量與保護層厚度成正相關。并且，隨著銹蝕的發(fā)展，保護層厚度越小，最大拉力和滑移量降低得越快，代表粘結性能損失越快。

(4)粘結應力分布表現(xiàn)為靠近端部位置到達峰值，中間粘結段分布均勻。隨著拉拔力的增大，粘結應力分布的單峰曲線峰值現(xiàn)象越明顯。隨著銹蝕率的增大，粘結應力峰值逐漸下降，且粘結應力峰值由自由端移動到加載端。