銹蝕作用下鋼筋—砂漿界面粘結(jié)性能退化研究

（江蘇省中成建設(shè)工程總公司，江蘇 南京 210041）

0 引言

鋼筋銹蝕作為影響錨固體系耐久性能的影響因素之一，對鋼筋與砂漿間的粘結(jié)性能有著重要影響[1]。而粘結(jié)力作為鋼筋與砂漿兩種材料共同作用的前提和基礎(chǔ)，粘結(jié)作用的退化會導(dǎo)致錨桿錨固性能的降低[2]。鑒于此，本文基于法拉第定律推導(dǎo)得到鋼筋銹蝕率、電流密度、通電時(shí)間三者間的定量關(guān)系，并以此為理論基礎(chǔ)對試件進(jìn)行電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)。通過MTS 疲勞試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了鋼筋-混凝土試件的中心拉拔試驗(yàn)，得到不同試件的荷載—滑移曲線，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立鋼筋—砂漿界面粘結(jié)強(qiáng)度退化模型。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試件設(shè)計(jì)及材料

試驗(yàn)采用的鋼筋等級為HRB400，直徑為16mm。制備砂漿的等級為M30，水泥、砂、水配合比分別1:1.38:0.43。其中水泥采用海螺牌標(biāo)號為42.5 號的硅酸鹽水泥，砂子采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)中砂，試驗(yàn)用水采用潔凈的自來水，配比砂漿時(shí)摻入聚羧酸系高性能減水劑。考慮到后期部分試件要進(jìn)行通電腐蝕，因此在拌制砂漿的時(shí)候添加約3%水泥質(zhì)量的氯鹽以保證腐蝕速率。養(yǎng)護(hù)28d后試件的抗壓強(qiáng)度為31.2MPa。

試件中鋼筋長度設(shè)定為35cm，混凝土試件尺寸為150mm×150mm×150mm。同時(shí)，為避免加載端發(fā)生局部破壞以及控制鋼筋錨固段的長度，在拔出鋼筋兩端的加載端和自由端各設(shè)置一段PVC 管作為拉拔試件的無粘結(jié)段。本實(shí)驗(yàn)拉拔試件的具體尺寸和鋼筋布置如圖1所示。

圖1 拉拔試件示意圖

1.2 電化學(xué)加速腐蝕

在試件中鋼筋伸出較短的一端連上導(dǎo)線，進(jìn)行焊接，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封。同時(shí)為了防止在試驗(yàn)過程中溶液滲入PVC 管道內(nèi)，用玻璃膠對PVC管端部進(jìn)行密封。待環(huán)氧樹脂膠和玻璃膠干后將試件放在盛有3.5%NaCl 溶液的塑料槽中浸泡3 天后取出，準(zhǔn)備進(jìn)行通電。試驗(yàn)電源采用上海全力電器雙路可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。每組4 個(gè)試件進(jìn)行并聯(lián)接線，同時(shí)將電源正極與鋼筋相連，塑料槽中的銅板與電源負(fù)極相連進(jìn)行通電。試件通電腐蝕示意圖如圖2所示。

圖2 試件通電布置圖

1.3 試件加載

實(shí)驗(yàn)加載儀器為MTS 疲勞試驗(yàn)機(jī)，其最大加載量1000kN。采用定制的鋼架作為本試驗(yàn)的加載裝置。將試件放置于該鋼架底部，加載端鋼筋穿過下側(cè)鐵板的孔洞，并用試驗(yàn)機(jī)自帶的平頭夾板夾住，同時(shí)試驗(yàn)機(jī)上的夾具夾住鋼架上方的鐵柱，此時(shí)鋼筋被夾具固定，而試件隨鐵架向上運(yùn)動，鋼筋會被逐漸拔出。拉拔試驗(yàn)的加載速率設(shè)定為2mm/min，連續(xù)加載至試件破壞。試驗(yàn)中在試件的加載端和自由端分別布置兩個(gè)位移計(jì)，用以測量試驗(yàn)過程中鋼筋自由端和加載端的位移。試件拉拔示意圖如圖3、4 所示。

圖3 試件拉拔示意圖

圖4 試件拉拔布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件在通電腐蝕的過程中，由于鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，銹蝕產(chǎn)物膨脹，導(dǎo)致試件表面產(chǎn)生一定的銹脹裂縫，并且在試件拉拔過程中裂縫沿著原有的銹脹裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，最終形成一條貫穿截面的裂縫，發(fā)生劈裂破壞，砂漿對鋼筋握裹力基本消失，殘余荷載近乎為0。各銹蝕試件的拉拔—滑移曲線如圖5所示。

圖5 不同銹蝕率下的荷載—滑移曲線

由圖5可知，鋼筋與砂漿的界面粘結(jié)性能隨著鋼筋銹蝕的加劇而不斷衰退，但在銹蝕率達(dá)到0.5%時(shí)，鋼筋與砂漿界面粘結(jié)強(qiáng)度得到一定提高，出現(xiàn)這種現(xiàn)象有兩點(diǎn)原因：其一，微量的銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生后填充了鋼筋與砂漿界面的空隙，導(dǎo)致鋼筋與砂漿間的摩擦力增加。其二，鋼筋通電后產(chǎn)生的銹蝕物的體積約為銹蝕前的2～4 倍，該膨脹力擠壓鋼筋四周的砂漿，導(dǎo)致砂漿對鋼筋的握裹力增加，粘結(jié)強(qiáng)度因而得到增強(qiáng)。隨著鋼筋銹蝕率的增加，產(chǎn)生的銹脹應(yīng)力繼續(xù)增加，試件表面開始出現(xiàn)裂縫。裂縫的出現(xiàn)直接導(dǎo)致前期產(chǎn)生的銹脹應(yīng)力得到釋放，鋼筋與砂漿的握裹力顯著下降，進(jìn)而導(dǎo)致兩者之間的粘結(jié)力降低。當(dāng)銹蝕率達(dá)到10%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度基本消失。

3 小結(jié)

本文通過鋼筋鋼筋—混凝土試塊的中心拉拔試驗(yàn)，研究了不同銹蝕率情況下鋼筋—混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律，得到的結(jié)論如下：在鋼筋銹蝕初期，鋼筋表面產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物增加了砂漿對鋼筋的握裹力，粘結(jié)強(qiáng)度得到提高。隨著銹蝕加劇，試件表面產(chǎn)生裂縫，銹脹應(yīng)力被釋放，粘結(jié)強(qiáng)度開始呈衰減趨勢。