腐蝕鋼筋與混凝土粘結性能退化規律

張建清

（九州職業技術學院，江蘇徐州 221116）

0 引言

鋼筋與混凝土的粘結性能是鋼筋混凝土結構的基本結構性能之一，鋼筋腐蝕后，粘結性能往往遭到退化，從而給結構的承載性能和正常使用性能造成影響。目前，國內外已就腐蝕變形鋼筋與混凝土的粘結性能開展了廣泛研究[1-10]。然而，受試驗條件的限制，較大裂縫寬度的研究進行的較少，因此，本文擬采用內摻氯鹽、通電腐蝕的方式獲得腐蝕脹裂的短粘結試件，觀測其腐蝕特征。然后通過短期拉拔試驗觀察粘結破壞過程，得到各試件的粘結滑移曲線，藉此探討腐蝕對普通變形鋼筋絲基于短粘結的短期粘結性能的影響。

1 試驗研究方案

本文設計了短粘結試件，進行了加速腐蝕，并進行了拉拔實驗。

1.1 試件設計制作與腐蝕

試件尺寸如圖1所示。

根據該試驗共分兩組，其中1組試件無腐蝕，另1組試件摻鹽8%并進行通電加速腐蝕，腐蝕試塊分別按不同的裂縫寬度要求進行不同時長的腐蝕進行，試件編號與個數統計如表1。

圖1 鋼筋混凝土粘結試件設計

該試驗采用通電腐蝕的方法進行鋼絞線的腐蝕，當腐蝕銹脹裂縫達到預定的寬度時停止通電。

1.2 加載裝置與測試內容

試驗裝置如圖2所示，分別在鋼筋自由端、混凝土塊體下端面以及鋼筋拉拔端適當部位架設位移傳感器。

圖2 試驗裝置

表1 鋼筋混凝土粘結試件編號

2 粘結滑移曲線

選取銹蝕程度不同的各試件根據實測鋼筋混凝土的各個階段的粘結應力和粘結延性進行匯總和分析，得到各試樣的平均粘結應力—自由端滑移曲線，典型曲線如圖3所示。

其中：平均粘結應力

圖3 腐蝕鋼筋混凝土試樣的粘結滑移曲線（典型）

式中：F為拉拔力，N；12為鋼筋的公稱直徑，mm；50為粘結段長度，mm。

粘結滑移曲線分析。

（1）鋼筋銹蝕程度較低，混凝土保護層沒有脹裂時，由于銹蝕產物的形成改變了鋼筋表面的粗糙程度，同時銹蝕產物體積的膨脹及銹蝕產物向混凝土空隙的滲透，使鋼筋周圍局部混凝土密實度提高，混凝土對鋼筋約束作用加強，因而在保護層混凝土脹裂前粘結應力均有所提高。

（2）當銹蝕程度逐漸增加，混凝土保護層產生銹脹裂縫后由于混凝土約束作用的逐漸減弱和銹蝕產物產生的類似 “潤滑”作用使摩阻力急劇下降，從而表現出極限粘結應力隨著銹漲裂縫的開展而逐漸降低趨勢。

表2 腐蝕普通鋼筋混凝土試件的粘結特征參數

（3）隨著裂縫寬度的變大，上升段和下降段都有明顯變緩的趨勢，裂縫寬度大于1.2mm后，下降段出現了隨著裂縫寬度變大，出現較為明顯的轉折和上升，其原因主要是，隨著腐蝕程度的增加，腐蝕產物也在不斷增加，鋼筋和混凝土之間的膠著力受到了很大的影響，并開始退化，表現為上升段的變緩。當裂縫寬度較大時，達到極限粘結強度后，由于試件本身的腐蝕量導致了混凝土的開裂與拉拔力相比，不如拉拔力強烈和突然，裂縫寬度增長也較少，因此下降也相對緩慢。

3 基于裂縫寬度的粘結滑移特征參數退化規律及預計模型

根據上述粘結滑移曲線，可以用彈性粘結強度、彈性粘結滑移、極限粘結強度、極限粘結滑移、初殘余粘結滑移5個粘結特征參數來反映粘結滑移曲線特征。以各試件無銹時的特征參數為基準，分析銹脹試件各特征參數隨銹脹裂縫寬度增大而退化的規律，并通過數據擬合建立有關預計模型，各試樣粘結特征參數退化規律及預計模型分別見圖4和圖5。

3.1 極限粘結強度

從表2可以看出，粘結強度的退化規律較為明顯，總體上有2個趨勢。

第一，在該試驗的腐蝕程度范圍內，未出現裂縫的腐蝕試樣的極限粘結強度有較為明顯的增加。出現這種現象的原因是，當腐蝕程度不大時，在化學膠著力被克服以后，腐蝕導致了摩擦作用增強，繼而使咬合作用得以快速而充分的發揮，因而使腐蝕試樣的極限粘結強度反而有所提高。

第二，就腐蝕試樣而言，隨腐蝕程度的加重，各試樣的極限粘結強度隨著縱向裂縫寬度的增大呈線性下降的趨勢。出現這種現象的原因是，隨腐蝕程度的加重，銹脹裂縫變寬，混凝土對鋼絞線的握裹作用隨之減弱，極限粘結強度便會下降。

另外，從表2和圖4、圖5可以看出，縱向裂縫的對極限粘結強度的影響明顯大于橫向裂縫開展對極限粘結強度的影響。其原因非常明顯，極限粘結強度是力筋與混凝土的粘結強度，其退化與縱向裂縫的開展有著更為直接的聯系。

3.2 粘結剛度

通過圖4和圖5可以看出，粘結剛度隨腐蝕程度的加劇而減小，且與縱向裂縫寬度呈較好的線性退化趨勢。其原因是：彈性階段的粘結力主要是由化學膠合力提供，而隨著腐蝕量的增加，其化學膠合力也受到了較大的損失，因此粘結剛度隨之下降。

3.3 極限粘結滑移量

圖4 基于縱向裂縫寬度的粘結特征參數退化規律及預計模型

圖5 基于橫向裂縫寬度的粘結特征參數退化規律及預計模型

從表2可以看出，各試樣的極限粘結滑移隨著裂縫寬度的增大有明顯下降的趨勢，但不符合線性退化規律，腐蝕試件粘結延性退化的原因主要是，腐蝕導致的試件開裂降低了摩擦力和咬合力，滑移速度變得更快。

3.4 殘余粘結滑移量

各試樣殘余粘結滑移退化與裂縫寬度的關系并無明顯的下降趨勢，這說明，試件粘結強度下降到自身極限粘結強度的一半時，其粘結滑移量沒有明顯的下降。

4 結語

本文通過通電腐蝕的方式獲取了腐蝕普通鋼筋與混凝土的粘結試件，通過觀察實驗現象、拉拔試驗、函數擬合得到了如下結果。

（1）在鋼筋銹蝕程度較低時，試件極限粘結強度有所提高，這主要是由于混凝土約束作用加強使摩阻力增加造成的。但是，當銹蝕程度逐漸增加，混凝土保護層產生銹脹裂縫后，則表現出極限粘結應力隨著銹脹裂縫的開展而逐漸降低趨勢。

（2）極限粘結強度隨裂縫寬度變化為線性退化規律，且縱向裂縫的對極限粘結強度的影響明顯大于橫向裂縫開展對極限粘結強度的影響。

（3）彈性階段的粘結力主要是由化學膠合力提供，而隨著腐蝕量的增加，其化學膠合力也受到了較大的損失，因此粘結剛度隨之下降。

（4）腐蝕導致的試件開裂降低了摩擦力和咬合力，4滑移速度變得更快，極限粘結滑移量隨著裂縫寬度的增大有下降趨勢。

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