銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能的試驗研究

宋曉先 韋武興

（1.廣西交建工程建設集團有限公司，廣西 南寧 530000；廣西長興工程建設有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

鋼筋與混凝土之間較好的粘結性能是維持混凝土結構強度、形變質量、承載力的基礎，因此，對鋼筋混凝土粘結性能的研究受到相關學術領域，建筑行業與相關材料生產行業的關注和重視。目前仍存在部分工程項目不對鋼筋做除銹處理就將其直接應用于建筑結構中，鋼筋混凝土結構在后期使用過程中可能受到高溫天氣、內部反應亦或火災等高溫情況的影響而出現鋼筋與混凝土粘結性能退化的問題。為優化后續的鋼筋混凝土施工質量與效果，本文結合銹蝕鋼筋與混凝土的粘結性能試驗對高溫環境下鋼筋與混凝土的粘結性能進行分析。

1 試驗設計

1.1 試件與配合比

本次試驗制備了由P·O42.5普通硅酸鹽水泥、細砂（最大粒徑≤3mm）、碎石灰石（最大粒徑≤20mm）以及粉煤灰、礦粉等材料共同摻拌而成的混凝土試件。其配合比為：細砂980kg/m3；碎石灰石830kg/m3；水泥300kg/m3；凈水150L/m3；粉煤灰80kg/m3；礦粉60kg/m3；減水劑50kg/m3[1]。為獲取更為細致的數據，將混凝土試件設置為雙肢箍筋150mm×150mm×300mm的規格，本次試驗共計制備42組試件，其結構如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土試件結構（單位：mm）

試驗中順加載方向恒定加熱，為分析不同銹蝕程度鋼筋與混凝土之間的粘結情況，順圖中澆筑方向澆筑水泥砂漿，同時為避免水泥砂漿流入非粘結段，故利用PVC 管隔絕試件兩端的鋼筋與混凝土。PVC 管與非粘結段鋼筋間填充防爆泥，以杜絕后期試驗中的高溫加熱與拉拔操作所導致的混凝土劈裂、破碎隱患[2]。

1.2 鋼筋通電銹蝕試驗

通常情況下，混凝土結構中的箍筋受外界影響出現銹蝕的概率要大于縱筋，因此本次試驗中并未對縱筋進行絕緣以及隔離氧氣的處理，同時在縱筋上接入特定的電流，促使鋼筋表層出現不規則的銹蝕。為優化試驗效果，可以通過調整通電時間以及電流的密度促使鋼筋表面出現不同的銹蝕，以保障所制備的試件樣本能夠更貼近混凝土結構中自然形成的鋼筋銹蝕，本次試驗分別制備了3 種不同銹蝕程度的試件，銹蝕率分別為2%、5%以及10%。

設置銹蝕池開展試驗，基于銹蝕池的容量置入5%的NaCl 飽和溶液，溶液量以能夠沒過試件為宜，具體可根據試件的體積以及容器的容量進行適當調整。試驗前先將試件浸泡在銹蝕池內5～7d，以此保障氯離子能夠均等地分布在試件上。在試驗過程中，需每日觀察銹蝕池內的溶液余量，在溶液因蒸發有所減少的情況下，需及時向池內增加同等濃度的NaCl 溶液，以保證試件的銹蝕效果能夠處于較穩定的狀態[3]。

1.3 高溫狀態下及高溫后混凝土抗壓試驗

將試件分為4組，留置1組待后期與其他試件進行對照，其余試件分別浸泡在銹蝕池內，通電后分別制備出2%、5%以及10%銹蝕程度的試件。制備完成后烘干所有試件并對其進行加熱處理，過程中進行抗壓試驗，并記錄不同試件在20℃、200℃、400℃、600℃、800℃5種高溫狀態下（試件處于加熱后全截面等溫狀態）以及高溫加熱后（試件處于結束恒溫處理并經過1d室內自然冷卻后的狀態）的抗壓性能。為保障試驗數據的準確性，設定升溫裝置以5℃/min的速率進行勻速加熱，達到目標溫度后裝置保持恒溫狀態5h，以保證混凝土試件全截面等溫。并且高溫加熱后所開展的抗壓試驗在30min 之內完成，不同銹蝕程度與溫度下的試件抗壓性能結果見表1。

表1 不同銹蝕程度與溫度下的試件抗壓性能

結合表1數據以及實際試驗情況進行分析，可知：（1）20℃～400℃的狀態下，除初始試件外，3種不同銹蝕程度試件的抗壓性能在高溫處理后都出現了較小程度的下降。如2%銹蝕程度的試件在全截面達到200℃后，其抗壓性能為29.2MPa，待到24h 的室溫自然冷卻后其抗壓性能下降為28.9MPa；

（2）溫度上升到600℃后，各組試件的抗壓性能持續下降，并且混凝土結構的表面顏色轉變為灰白色，試件表面也出現不同程度的彌散裂縫；

（3）溫度上升至800℃時，各組試件的抗壓性能大幅下降，以5%銹蝕的試件為例，其在600℃全截面恒溫狀態下的抗壓性能為17.3MPa，待到800℃后大幅下降至5.3MPa，并且試件出現了混凝土結散與保護層剝落的現象。

1.4 混凝土拉拔試驗

為避免混凝土在加熱拉拔試驗中受熱爆裂，在正式加熱之前將試件進行烘干處理，烘干機溫度控制在60℃，持續烘干5h。本環節采用K 型熱電偶測量混凝土與鋼筋粘結界面的溫度，溫度采集頻率為10Hz。待到試件粘結段溫度達到試驗設計標準后開始拉拔鋼筋，拉拔力的采集頻率為10Hz，試驗采用MTS.E45.305型萬能拉伸試驗機，設置最大持荷載為300kN。以圖1中加載反方向拉拔鋼筋，過程中拉拔段鋼筋出現了顯著的變形情況，試件另一端鋼筋幾乎未變形。

2 試驗結果

2.1 粘結性分析

混凝土試件內部鋼筋出現銹蝕情況后，其與混凝土的粘結度、有效粘結長度以及鋼筋自身的直徑都會發生一定的變化[4]。本次研究以鋼筋混凝土的均勻粘結力數值進行計算，其計算公式如式（1）。設定混凝土與鋼筋之間的粘結作用失效臨界點的粘結力為Q，以20℃環境下不同銹蝕程度試件與非銹蝕試件的粘結度進行對比（對比詳情見圖2所示），Q的數值越高則表示混凝土與鋼筋之間的粘結性能越好，其數值會隨著銹蝕程度百分比的變化出現先增大后降低的趨勢，即鋼筋銹蝕的程度越大，鋼筋與混凝土之間的粘結性能越差。

圖2 銹蝕程度對粘結性能的影響曲線

式中：Q——鋼筋與混凝土之間的平均粘結力，MPa；

F——拉拔試驗中設定的拉拔力，N；

dc——試件中鋼筋與混凝土之間的粘結長度，mm；

la——試件中鋼筋的直徑，mm。

2.2 銹蝕率分析

加熱與拉拔試驗之后，不同銹蝕程度的試件中鋼筋與混凝土之間的粘結度都受到了一定的破壞，以此切割試件粘結段的鋼筋進行酸洗與除銹處理。發現縱筋的銹蝕率顯然大于箍筋的銹蝕率，并且縱筋底部的銹蝕程度要稍高于頂部，造成這一情況的主要原因在于鋼筋底部距離銹蝕溶液更近，受影響更大。所有試件中，銹蝕率2%的鋼筋表面出現了銹斑；銹蝕率5%的鋼筋表面銹斑面積有所增大且伴隨銹坑；銹蝕率達到10%左右的鋼筋銹坑互通互聯，且加熱后的鋼筋銹蝕率以及除銹后質量損失都普遍大于原始試件。

2.3 破壞試驗分析

混凝土試件所受的拉拔力超出其自身的抗拉極限值之后，其粘結段會首先出現若干的細小裂縫，并不斷發展至試件混凝土表面，最終使得混凝土與鋼筋之間的粘結失效。定義表面存在沿縱筋方向裂縫的試件為劈裂破壞試件，表面無明顯破壞但鋼筋與混凝土粘結失效的試件為拔出破壞試件[5]。試驗中，全截面溫度在600℃以上的試件才出現了拔出破壞，其內部混凝土受鋼筋拔出影響出現了顯著的剮蹭痕跡。這一過程中鋼筋的延性有所加強，且混凝土受熱出現軟化，因此導致鋼筋混凝土粘結段的相互約束力有所降低。溫度在400℃以上的試件，混凝土中的鈣質骨料出現了一定的分解情況，試驗測量最大裂縫的寬度為0.34mm，這導致混凝土的握裹力持續下降，混凝土的強度損失也更加嚴重。但試驗過程中無論何種溫度以及拉拔都未能造成鋼筋斷裂的現象，可知高溫對混凝土的影響程度更高，而鋼筋與混凝土的粘結性能受鋼筋自身銹蝕程度的影響更高。

3 結束語

綜上所述，得出如下結論：

（1）鋼筋銹蝕率為0～2%時，鋼筋與混凝土之間的粘結程度會受其銹蝕率的提升而增大。鋼筋銹蝕率為5%時，銹蝕度對鋼筋混凝土粘結度的影響較小，但在銹蝕率高于5%之后，鋼筋與混凝土之間的粘結度會受銹蝕率的提升而不斷下降。

（2）加熱試驗中，溫度在400℃以內的情況下，高溫狀態以及24h 室溫自然冷卻后兩種狀態下的銹蝕鋼筋混凝土粘結性差異并不顯著。溫度超過400℃之后，溫度越高，冷卻后的銹蝕鋼筋混凝土粘結性能越差。

（3）在同樣的試驗條件中，雙肢箍筋與混凝土之間的粘結性能要顯著高于單縱筋，雙肢箍筋增大了粘結延性，降低了試件受破壞程度，可為銹蝕結構火災下的安全性能評估提供理論依據。