銹蝕鋼筋混凝土粘結性能研究

■湯金華，宋 玲，沈浩袁 ■南通職業大學，江蘇 南通 226500

鋼筋與混凝土之間的粘結性能是保證鋼筋與混凝土兩種材料共同工作的前提，文獻［i］認為鋼筋銹蝕后本身強度的削弱和銹蝕后鋼筋與混凝土之間粘結性能的降低時承載能力下降的主要原因。國內外試驗研究表明［ii］［iii］，鋼筋在銹蝕初期，即銹蝕率較小時，混凝土保護層未開裂前，對兩者間的粘結強度是有利的。

本文通過不同直徑的變形鋼筋在混凝土試塊中的拔出試驗，研究了銹蝕率及直徑對鋼筋與混凝土粘結性能的影響規律。以銹蝕率及保護層厚度與鋼筋直徑比值為參數，建立了銹蝕鋼筋與混凝土粘結強度的預測模型。以未銹蝕鋼筋與混凝土粘結滑移模型為基礎，建立了考慮銹蝕率影響的銹蝕鋼筋與混凝土粘結滑移模型。

1 粘結性能試驗

1．1 試件

本試驗中混凝土采用C30商品混凝土，共分四次澆注。混凝土28天實測抗壓強度分別為 44.53MPa、44.10MPa、38.23MPa、37.43MPa。鋼筋選用Ⅱ級鋼筋(HRB335)，直徑分別為14mm、16mm。試件具體尺寸及配筋見圖1。

圖1 拔出試驗試件詳圖

1．2 拔出試驗

本試驗根據《水運工程混凝土試驗規程》中關于混凝土與鋼筋握裹力試驗的規定，采用5t的萬能試驗機進行拔出試驗，在拔出鋼筋的上下兩端各安裝兩只千分表，以測得兩端的鋼筋滑移量［iv］。

1．3 鋼筋快速銹蝕

本試驗采用濕通電法加速銹蝕中的半浸泡外加電流加速銹蝕［v］。在通電之前，應對外露鋼筋進行保護，防止露在外面的鋼筋發生銹蝕。具體步驟為:在露在外面的鋼筋涂上一層環氧樹脂，并包裹上一層絕緣膠帶。將處理好的試件放置質量濃度為5%的NaCl溶液中浸泡幾天，把鋼筋作為陽極，把銅片作為陰極，通過3mA/cm2［vi］的電流，形成電解池，使鋼筋表面氧化銹蝕。

2 直徑14mm鋼筋與混凝土粘結強度分析

結合本文試驗，表1列出了本文粘結試驗中鋼筋直徑14mm的試件A-14的銹蝕率、極限粘結強度、最大荷載時的自由端滑移值以及試件的破壞形式。

表1 試件A-14拉拔試驗數據

從表1中可知，對于鋼筋直徑14mm的試件A-14中，銹蝕試件A-14-08的粘結強度比未銹蝕試件A-14-02只降低8%;銹蝕試件A-14-04的粘結強度與未銹蝕試件A-14-02相比，提高了2.9%。

鋼筋直徑14mm試件A-14的銹蝕率與粘結強度結合試驗數據，經過優化擬合，可以得到鋼筋直徑14mm試件A-14的粘結強度的擬合公式為:

τu=23.4+120.4ρ -2311ρ2 (公式1)式中: τu — 銹蝕鋼筋與混凝土粘結強度(MPa );ρ — 鋼筋銹蝕率。

3 直徑16mm鋼筋與混凝土靜態粘結強度分析

結合本文試驗，表2列出了本文粘結試驗中鋼筋直徑16mm的試件A-16的銹蝕率、極限粘結強度、最大荷載時的自由端滑移值以及試件的破壞形式。

表2 試件A-16拉拔試驗數據

從表2中可以看出，直徑較大時，銹蝕率對于粘結強度影響較大，隨著銹蝕率的增大，粘結強度會呈現先增加后減小的趨勢。從表中看出，鋼筋直徑16mm的試件中，銹蝕試件A-16-05，粘結強度比未銹蝕試件A-16-02提高了21.5%;銹蝕試件A-16-03，粘結強度比未銹蝕試件A-16-02降低了44%。

鋼筋直徑16mm試件A-16的銹蝕率與粘結強度結合試驗數據，經過優化擬合，可以得到鋼筋直徑16mm試件A-16的粘結強度的擬合公式為:

τu=20.5+175.1ρ -3692.6ρ2 (公式2)式中: τu — 銹蝕鋼筋與混凝土粘結強度(MPa );ρ — 鋼筋銹蝕率。

4 結論

(1)鋼筋銹蝕較小時，試件的極限粘結強度有所提高，鋼筋直徑14mm的試件A-14提高了7.1%;鋼筋直徑16mm的試件A-16提高了15.7%。當鋼筋銹蝕繼續增大時，試件的極限粘結強度逐漸降低，鋼筋直徑14mm的試件A-14降低了10.5%;鋼筋直徑16mm的試件A-16降低了25.2%。結合試驗數據，經過優化擬合，得出了由銹蝕率計算鋼筋與混凝土粘結強度的擬合公式。(2)鋼筋直徑對銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能有著十分重要的影響。鋼筋直徑越大，極限粘結強度越小。但并不能說明要使用直徑較小的鋼筋，對耐久性及抗震性能影響較大的環境中，建議采用小直徑鋼筋時加以限制;綜合考慮銹蝕率及保護層厚度與直徑比值的影響，建立計算鋼筋與混凝土間的粘結強度。(3)靜態粘結性能試驗的粘結破壞形式主要有三種:滑移破壞、劈裂破壞、沿銹脹裂縫的拔出破壞。

［1］沈德建，吳勝興.大氣環境混凝土中銹蝕鋼筋性能和銹蝕模型試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，2004，3∶46-50.

［2］David W. Law，Denglei Tang，Thomas K. C. Molyneaux Rebecca Gravi-na.Impact of crack width on bond: confined and unconfined rebar［J］.Materials and Structures，2011( 44) : 1287 - 1296.

［3］徐育才.鋼筋銹蝕拉拔試驗及其粘結性能研究［D］.華中科技大學碩士學位論文，2006∶26-30.

［4］趙羽習，金偉良.銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能的試驗研究［J］.浙江大學學報，2002，36(4):352-356.

［5］干偉忠，金偉良，高明贊.混凝土中鋼筋加速銹蝕試驗適用性研究［J］.建筑結構報.2011，32(2):41-47.

［6］仲偉秋，貢金鑫.鋼筋電化學快速銹蝕試驗控制方法［J］.建筑技術開發.2002，29(4):28-29.

［7］J. G. Cabrera. Deterioration of concrete due to reinforcement steel corrosion［J］. Cement＆Concrete Composite，1996，18∶ 47 - 59.

［8］Nilson S M. Bond stress - slip relationship in reinforced concrete［Z］.Dept. of Structure Engineering，1971，345