銹蝕鋼筋混凝土黏結滑移試驗研究

李福海，靳賀松，胡丁涵，張桂斌，李星燁

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

鋼筋混凝土建筑主體結構的破壞大致可分為兩類：第一類是非正常破壞，包括結構設計、施工不當和自然災害等；第二類是正常破壞，根據其破壞機理，鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕和收縮開裂等是結構破壞的主要原因[1]。文獻[2]指出，混凝土結構破壞的原因按重要性遞減的順序排列依次是：鋼筋腐蝕、凍融循環破壞、侵蝕環境的物理化學作用。因此，開展銹蝕鋼筋對混凝土影響問題的研究具有重要的工程實際意義和理論價值。

鋼筋與混凝土間的黏結作用是二者協同工作的基本條件[3]，鋼筋銹蝕后，其與混凝土的黏結性能明顯劣化，將嚴重影響混凝土結構的安全性和耐久性[4]。國內外學者研究了混凝土中鋼筋的銹蝕規律、機理及銹蝕對混凝土結構的損傷機理。文獻[5]論述混凝土結構中鋼筋的幾種銹蝕機理及其破壞特征，給出幾種混凝土結構中鋼筋銹蝕的檢測評定方法。文獻[6]對試驗結果進行分析，得出不同的銹蝕率及不同裂縫寬度下鋼筋混凝土試件的黏結強度曲線。文獻[7]通過對不同銹蝕程度的20個試塊進行靜力荷載與反復荷載拉拔試驗，得到預應力鋼筋混凝土的黏結性能退化規律，并研究銹蝕環境與反復荷載耦合作用下的鋼筋黏結損傷機理。

盡管相關學者做了大量試驗及理論研究并且獲得了豐富的研究成果，但有多種因素綜合影響銹蝕鋼筋與混凝土的黏結性能，各影響因素與黏結力之間是復雜的非線性關系，且環境不同，各影響因素的影響程度也不同，尚需更細致的研究。本文借鑒已有研究成果，通過銹蝕鋼筋混凝土試件拉拔試驗，得到銹蝕鋼筋混凝土的黏結滑移變化規律，提出較簡單且實用的銹蝕鋼筋混凝土黏結滑移模型。

1 試驗概況

1.1 試驗試件及內容

本試驗共成型20個鋼筋混凝土試件，分為4組(考慮到試驗中的不確定因素，每組多成型2個)，以S-n編號，n表示組數。設計銹蝕率分別為0%、3%、6%、12%，實測銹蝕率用質量損失率來表示，即鋼筋腐蝕前后質量的差值與鋼筋腐蝕前質量之比。試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm，試件中心垂直放置一根長300 mm的變形鋼筋，鋼筋黏結長度為100 mm。另外，采用同批混凝土制作6個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的標準立方體試件進行混凝土抗壓強度試驗，所有試件在標準養護室內(相對濕度不小于95%，環境溫度為(20±1)℃)養護28 d。鋼筋混凝土試件和立方體試件抗壓強度試驗如圖1、圖2所示。

圖1 鋼筋混凝土及立方體試件

圖2 立方體試件抗壓強度試驗

養護完成后，用石蠟對混凝土試件的持力端裸露鋼筋進行包裹，將試件在5%NaCl溶液中預浸泡7 d，(使鹽溶液充分浸入混凝土試塊并使鋼筋脫鈍),隨后進行電化學加速銹蝕。采用并聯方式接線[8]，根據相關試驗總結[9]，以0.25 mA/cm2電流密度控制電流。在試驗過程中每隔一段時間添加同濃度的溶液，并用玻璃棒攪拌，保證溶液面與試件上表面持平且溶液均勻。通電時間達到預定值后，從鹽溶液中取出試件，進行拉拔試驗。拉拔試驗在萬能試驗機上進行，為消除試件與夾具夾板間的靜摩擦力，在夾板的表面涂抹黃油，在試件的持力端鋼筋處安置千分表，采用位移控制的方式進行加載，加載速度為0.5 mm/min，定時讀取鋼筋滑移量與拉拔力。電化學加速銹蝕過程和拉拔試驗如圖3、圖4所示。

圖3 電化學加速銹蝕過程

圖4 拉拔試驗

1.2 試驗材料

本試驗混凝土設計強度為C40，混凝土的配合比水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.61∶1.56∶0.45，實測抗壓強度見表1。水泥采用四川雙馬水泥有限公司生產的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，各項性能指標均符合標準規定；砂子采用天然河沙，屬于中砂，細度模數為2.7，顆粒級配良好；碎石采用成都市馬龍石材廠的5～20連續級配碎石，最大粒徑小于20 mm；拌合水采用成都市自來水廠提供的自來水，pH值為8.73；鋼筋采用成都磊鑫建材有限公司的HRB400級變形鋼筋，直徑為20 mm。

表1 混凝土試件抗壓強度

1.3 試驗設備

采用成都市西南建材設備有限公司生產的JQ-50型單臥軸試驗室混凝土攪拌機攪拌混凝土，如圖5所示。

拉拔設備采用濟南時代試金有限公司生產的WE-300D液壓式萬能試驗機，最大拉力為1 000 kN，如圖6所示。

圖5 混凝土攪拌過程

圖6 液壓式萬能試驗機

2 試驗結果

2.1 試驗數據

鋼筋混凝土試件拉拔試驗主要結果見表2和圖7,4組試件黏結應力-滑移曲線對比如圖8所示。

表2 試驗數據

表2(續)

圖7 試件黏結應力-滑移曲線

圖8 試件黏結應力-滑移曲線對比

2.2 試驗現象及破壞形態

試驗中，鋼筋混凝土試件的破壞形態主要有兩種。第一種為劈裂破壞，在銹蝕率較小或未銹蝕的情況下，當荷載達到最大值后，試件劈裂導致破壞，如圖9(a)、圖9(b)所示，此破壞突然發生，并伴有極大的聲響，混凝土碎屑飛濺、裂為多瓣，主要原因是拉拔過程中，鋼筋凸起的肋對其前部混凝土有擠壓和剪切作用，當荷載增加時，其附近混凝土被壓碎，在肋前形成斜面，當垂直于鋼筋的分力大于混凝土劈裂抗拉強度時，試件發生脆性破壞。第二種為拔出破壞，在銹蝕率較大的情況下，當荷載達到最大拉拔力一半左右時，試件表面出現沿鋼筋方向的裂縫，隨著荷載增加，裂縫逐漸變多變長變寬，達到最大拉拔力后，荷載處于下降階段時，裂縫明顯變寬變長，試件最終因鋼筋拔出而破壞，如圖9(c)所示。

圖9 試件破壞形態

3 鋼筋銹蝕對黏結滑移的影響

3.1 黏結強度降低系數

黏結強度降低系數η為銹蝕試件黏結強度實測值與對應的未銹蝕試件黏結強度之比。本文中，鋼筋與混凝土界面上的平均黏結應力τ為

τ=F/(πdl)

( 1 )

式中：F為拉拔力，N；d為鋼筋直徑，mm；l為黏結長度，mm。

由于本試驗缺少低銹蝕率和高銹蝕率的試驗數據，部分數據(銹蝕率δ<3%，δ=9%，δ=15%)取自文獻[10-12]，繪制銹蝕率δ與極限黏結強度降低系數ηu關系曲線，如圖10所示。從圖10可見，極限黏結強度降低系數隨銹蝕率的增加先增大后逐漸減小，在銹蝕率為1%附近達到最大值，在銹蝕率為3%附近又減小到1，因此以3%為分界點，利用數據分析軟件SPSS回歸分析試驗數據，擬合得到δ和ηu的關系式為

( 2 )

圖10 極限黏結強度降低系數

因此，不同銹蝕率條件下極限黏結強度與未銹蝕條件下極限黏結強度的關系可以表示為

( 3 )

3.2 滑移比

滑移比n為銹蝕鋼筋混凝土試件黏結強度實測值對應的滑移量與相應的未銹蝕鋼筋混凝土試件黏結強度對應的滑移量之比。當鋼筋混凝土試件到達極限抗拉強度時，銹蝕率對鋼筋自由端和加載端的相對滑移值有較大影響，且銹蝕率與鋼筋混凝土試件自由端出現滑移的時間也有關[11]。通過對數據曲線的觀察，隨著銹蝕率的增加，滑移比呈逐漸減小趨勢。利用數據分析軟件SPSS對試驗數據進行回歸分析，并利用多種函數形式進行曲線擬合，發現指數函數能較好擬合試驗數據并預測數據趨勢，由此得到銹蝕率與混凝土極限滑移比的關系，見式( 4 )，繪制銹蝕率δ與極限滑移比nu關系曲線如圖11所示。

nu(δ)=e-0.077 7δ

( 4 )

圖11 滑移比與銹蝕率關系曲線

因此，銹蝕鋼筋混凝土極限滑移量與未銹蝕鋼筋混凝土極限滑移量關系可表示為

( 5 )

4 銹蝕鋼筋混凝土黏結滑移本構關系

本文以現有鋼筋混凝土黏結本構關系為基礎，根據不同銹蝕率試件試驗結果，考慮黏結強度降低系數與滑移比的影響，建議銹蝕鋼筋混凝土的黏結本構關系為

( 6 )

未銹蝕鋼筋混凝土的黏結滑移本構關系取文獻[14]中的鋼筋-混凝土黏結滑移本構關系，如圖12所示。將式( 6 )帶入該模型，得到銹蝕鋼筋混凝土黏結應力-滑移曲線特征點的參數值為

( 7 )

式中：ft,r為混凝土的抗拉強度特征值，N/mm2；d為鋼筋直徑，mm。

圖12 黏結應力-滑移曲線

對相同設計銹蝕率的3個混凝土試件計算平均實測銹蝕率、平均滑移值和平均黏結強度，按平均實測銹蝕率繪制黏結應力-滑移曲線，與式( 7 )的本構關系理論計算值進行比較，如圖13所示。

圖13 τ-s對比曲線

圖13表明，不同銹蝕率下每組試件的黏結滑移試驗值與本文提出的本構關系計算值在線性段與劈裂段吻合較好，因本文試件未加箍筋且黏結長度較短，故與理論下降段和殘余段未有較好吻合。該模型公式簡單，宜用于實際工程。

5 結論

(1)通過電化學加速銹蝕試驗所得銹蝕率與設計銹蝕率相比偏低，這與文獻[8]的結論一致，通過此方法試驗時應將試件預浸泡一定時間使其脫鈍并保護好裸露端鋼筋，以達到接近設計銹蝕率的目的。

(2)銹蝕鋼筋混凝土試件的破壞形態主要有兩種，一種是銹蝕率較小時的劈裂破壞；第二種是銹蝕率較大時的拔出破壞，此破壞形態的極限拉拔力遠小于劈裂破壞，因此在工程中須嚴格控制鋼筋的銹蝕。

(3)隨著銹蝕率的增加，試件的極限拉拔強度呈先增加后緩慢降低的趨勢，約在銹蝕率3%處達到最大值。同時，最大拉拔荷載下滑移量逐漸減少。通過對試驗數據的分析，得到極限黏結強度降低系數ηu、極限滑移比nu的表達式。

(4)本文在對現行《混凝土結構設計規范(GB 50010—2010)》中鋼筋混凝土的黏結滑移本構關系分析的基礎上，利用ηu和nu修正，得出銹蝕鋼筋混凝土的黏結滑移本構關系，再次驗證發現理論值與試驗值基本吻合。