再生混凝土與銹蝕鋼筋間的粘結性能試驗研究

王晨霞　王宇　李敬紅　宋波　曹芙波

摘要：為了探究再生混凝土結構的耐久性能，對5組不同鋼筋銹蝕率（0～9%）的再生混凝土梁式試件進行加載試驗。分析不同鋼筋銹蝕率對再生混凝土梁式試件的鋼筋應變、局部粘結應力、粘結滑移和極限粘結應力的影響。結果表明：鋼筋銹蝕率大于3%時試件底部開始有細微銹脹裂縫出現；銹蝕率越大，荷載作用下鋼筋應變沿錨固位置的變化曲線越平緩；局部粘結應力沿錨固段呈現出雙峰分布，峰值主要集中在加載端和自由端附近；加載端附近位置滑移現象最先發生，遠離加載端滑移現象延后；隨著鋼筋銹蝕率的增大，極限粘結強度先增加后降低，極限荷載下的滑移值增大。

關鍵詞：再生混凝土；梁式試件；銹蝕鋼筋；粘結滑移

中圖分類號：TU375

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2016）01004608

Abstract：

We carried out load testson five groups of recycled concrete beam specimens of different corrosion rates

to explore the recycled concrete structure durability，

The influence of rebar corrosion rate to was studied.

and analyzed the influence of different corrosion rates on

steel bar strain，local bond stress， loadslip and the ultimate bond stress

of recycle concrete beam specimens.

The results show that lightly corrosive cracks appeared in the bottom of the beam when rebar corrosion rate was greater than 3%.The strain curve was flat when the corrosion rate of reinforcing steel bar was greater with the anchor position under the breaking load. The distribution of local bond stress along the anchor section was bimodal distribution， and peak mainly concentrated near the loading end and the free end. The slippage phenomenon happened first on the position near the loading end， and delayed away from the loading end. With the increase of rebar corrosion rate， ultimate bond strength increased first and then reduced and slip value increased under the ultimate load.

Keywords：recycled concrete； beam specimens； corroded steel bars； loadslip

近50年以來，人們對再生混凝土的認識己經從陌生逐漸發展到熟悉，尤其是在發達國家，再生混凝土的研究已經從非結構構件層面轉向結構構件層面[1]，再生混凝土已經慢慢擴大了在實際工程中的應用[23]。同時也將面臨著耐久性問題，其中，由于氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕問題是導致結構粘結耐久性破壞的一個主要因素。

中國對再生混凝土的研究比發達國家起步晚。目前，主要針對再生粗骨料的物理力學性能、再生混凝土材料的耐久性能進行了研究，而關于再生混凝土結構耐久性的研究比較少。由于再生粗骨料在形狀、材料性能等方面不同于天然粗骨料以及再生混凝土特殊的界面結構[4]，使得我們不能完全按照普通混凝土技術進行設計、施工。學者們已有不少關于再生混凝土與鋼筋間的粘結性能的研究[511]，而銹蝕鋼筋與再生混凝土的粘結性能的研究則不多見[1214]。已有的研究多采用簡單的中心拔出試驗進行宏觀的研究，拉拔粘結試驗中，沒有剪力和彎矩的作用，與實際工程中結構構件的受力狀態不相符。考慮到實際工程中受彎構件的受力特點，本文采用半梁式粘結試驗，同時，通過對鋼筋進行開槽處理、內貼應變片的方法得出錨固區內各點的鋼筋應變進而分析得出銹蝕鋼筋與再生混凝土粘結滑移性能，可為今后鋼筋再生混凝土結構在工程設計、施工以及結構耐久性等研究提供參考依據。

1實驗方案

1.1材料性能

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；砂為天然河砂，屬中砂；水為自來水；減水劑為聚羧酸減水劑；再生粗骨料由包頭某儲煤場地坪拆除后的廢棄混凝土塊經過人工、機械破碎并嚴格按照《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177—2010）要求篩分成粒徑為5～31.5 mm 的再生粗骨料。再生粗骨料性能指標見表1，再生混凝土的配合比及實測強度見表2。試驗用鋼筋性能指標見表3。挑選廢舊混凝土塊經人工切割出6個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，實測廢舊混凝土抗壓強度為45.5 MPa。再生混凝土28 d立方體抗壓強度平均值為35.5 MPa。

1.2試件的設計和制作

試驗制作了5組共15根再生粗集料取代率為100%的再生混凝土半梁試件（編號RCB200（0～9））。采用電化學加速銹蝕方法，控制鋼筋銹蝕率分別為0、1%、3%、6%、9%。梁式試件尺寸為120 mm×200 mm×820 mm，保護層厚度為20 mm，其底部主筋為20 mm的HRB400級鋼筋，錨固長度10 d（d為鋼筋直徑），箍筋布置為Φ8@60，滿足適筋梁配筋要求。梁尺寸及配筋如圖1所示，梁A、B兩肢用鋼性鉸連接，保證受力時不發生扭轉變形。測試鋼筋經銑床沿縱軸剖切成兩半，并沿軸心進行縱向開槽，凹槽寬度為4 mm，深度為2 mm，鋼筋合攏后，開槽剖面尺寸為4 mm×4 mm，開槽形式及槽內應變片粘貼如圖2所示。在貼應變片之前用細砂紙將槽底打磨光滑并用棉棒沾取丙酮擦凈，粘貼應變片時將接觸面氣泡趕凈使其與鋼筋充分接觸。每個應變片的兩個導線接頭分別與兩根直徑為0.25 mm的漆包導線焊接，接頭部位所處的鋼筋槽用絕緣膠帶做絕緣處理，防止應變片接頭部分與鋼筋接觸而導致應變片電阻增大。槽內11片箔式應變片上下交錯布置，將所有導線由鋼筋尾部引出后用環氧樹脂將凹槽填平，起到保護應變片和導線的作用，最后將兩半鋼筋合攏并在結合處點焊保證鋼筋的整體性和受力均勻。錨固區以外的鋼筋套有PVC管，管內灌入石蠟即保證了鋼筋與混凝土不發生粘結和加載過程中端部混凝土擠壓鋼筋給粘結力測量帶來誤差，也防止澆筑過程中水泥砂漿浸入。

1.3測試鋼筋快速銹蝕

仲偉球等[15]研究發現：混凝土在澆筑時若不摻加氯鹽，后期銹蝕率難以控制；試件在澆筑期間加入氯鹽，即使在銹蝕電流強度較大的情況下，銹蝕誤差一般也不會超過10%。本試驗澆筑再生混凝土期間摻入5%的NaCl，目的在于增加試件內部氯離子濃度，較為精確的控制銹蝕率。試件養護完畢后，將試件放入約5%的NaCl溶液，液面不超過測試鋼筋底面，試件端部外露鋼筋采取絕緣措施以避免電流

強度損失。連接HYLA直流穩壓穩流電源進行電

化學法銹蝕，裝置如圖3所示。銹蝕鋼筋的電流密度取0.02 mA/mm2，通過安培表調節通過擬銹蝕鋼筋需要的電流強度。銹蝕期間，定期（一般每隔2～3 h）給試塊灑水濕潤，檢查并調整通過鋼筋的電流，確保電流穩定。在電流一定的情況下，根據法拉第定律，通過控制通電時間得到一定的鋼筋銹蝕率。

所有試件通電銹蝕完畢后發現：銹蝕率大于3%的試件底面幾乎都出現了沿順筋方向的銹脹裂縫，銹脹裂縫寬度隨銹蝕率的增加而變大，但箍筋的存在抑制銹脹裂縫的擴展，用混凝土裂縫檢測儀檢測到主裂縫寬度為0.2～0.8 mm。加載試驗完成后，取出銹蝕鋼筋觀察銹蝕情況發現：錨固區段內鋼筋均發生不同程度的銹蝕，但銹蝕現象在鋼筋表面呈現不均勻分布，靠近保護層一側銹蝕程度較大，銹蝕率越大鋼筋變形肋銹蝕越明顯。每一組取一個試件，測得實際銹蝕率結果見表4，鋼筋實際銹蝕率與設計銹蝕率基本一致。

1.4試件加載及數據采集

加載實驗在內蒙古科技大學建筑結構實驗室進行，加載設備如圖4所示，通過手壓油泵將荷載由液壓千斤頂作用到分配梁頂，并將集中力傳遞到試驗梁，兩集中力作用點一端為固定鉸支座，另一端滑動鉸支座。采用荷載逐級加載，依據《混凝土結構試驗方法標準》（GBT 50152—2012）每級荷載取1 kN，當測試鋼筋自由端有明顯滑移時加載結束。鋼筋應變片接TDS530高速靜態數據采集儀，自動采集數據。鋼筋的加載端和自由端分別安裝一套位移計，用于測量加載端和自由端位移，加載端、自由端的位置如圖1所示。

1）銹蝕鋼筋應變值由靠近加載端位置向自由端方向逐漸降低，總體呈現下凹趨勢：荷載較小時，粘結區內鋼筋應變數值均有所增加，靠近加載端位置應變值增加明顯，遠離加載端位置變化不大；隨荷載強度增加時，粘結區內加載端附近鋼筋應變與靠近自由端位置鋼筋應變均有明顯增大。

2）相同荷載下，銹蝕率越小，鋼筋應變隨錨固位置變化曲線越陡峭；銹蝕率越大，鋼筋應變隨錨固位置變化曲線越平緩，即鋼筋應力傳遞較緩慢。

2.2局部粘結應力的研究

2.2.1局部粘結應力的計算方法

局部粘結應力公認的理論為：再生混凝土與鋼筋間的粘結作用可等效為一種剪切力作用，并非均勻分布，隨錨固位置變化而不同。如若直接在再生混凝土與鋼筋粘結界面貼應變片測量應變，應變片保護難度加大且試驗結果極易產生誤差，同時必然會破壞此測點附近再生混凝土與鋼筋的粘結作用。現階段無法直接量測再生混凝土與鋼筋界面間的剪切應力，只能通過鋼筋開槽內貼應變片的方法量測鋼筋應變，利用鋼筋微段平衡條件計算局部粘結應力。

截取鋼筋微段為隔離體，如圖6所示。假定鋼筋微段間粘結應力均勻分布，微段等效粘結應力大小為dτ，微段實際應力為dσs，微段長度為dx，銹蝕后鋼筋換算直徑為d*[16]，考慮鋼筋開槽和銹蝕對直徑造成的損耗，假定鋼筋沿粘結區均勻銹蝕，可以表示成：

將每級荷載作用下計算所得的局部粘結應力乘以相應區段的換算面積并進行數值累加，該值與加載端位置鋼筋拉力值Pi相等。

Pi=ni=1τi·πd*li（4）

式（4）兩邊出現不等，則其差值依據各微段長度進行微調。局部粘結應力是再生混凝土與銹蝕鋼筋微段界面粘結性能最直接反映。銹蝕鋼筋與再生混凝土局部粘結應力分布規律可由錨固區段實測鋼筋應變按照式（3）計算獲得，并由式（4）進行修正。

2.2.2不同荷載強度下局部粘結應力隨錨固位置變化關系

試件（破壞一肢）錨固區段內再生混凝土與銹蝕鋼筋的局部粘結應力分布如圖7所示，可以得出：

1）加載初期，加載端附近局部粘結應力增加趨勢明顯，自由端附近局部粘結應力增長緩慢；荷載達到一定程度后，錨固區段內粘結應力均有增加。如圖7（a）所示：加載試驗初期，靠近加載端位置局部粘結應力峰值為8.5 MPa，靠近自由端位置局部粘結應力值為2.3 MPa。主要原因在于加載過程中，加載端附近粘結應力首先承受應力作用，并逐漸向自由端傳遞。宏觀表現為初期加載過程中加載端附近鋼筋應變值增長快，而自由端位置應變值變化較小。

2）局部粘結應力沿錨固段分布呈雙峰分布，峰值主要集中在加載端和自由端附近，隨著銹蝕率增大，局部粘結應力由加載端向自由端集中。區別在于：對于未銹蝕試件和銹蝕率較小的試件，加載端附近局部粘結應力峰值大于自由端附近局部粘結應力；對于銹蝕率達到9%的試件，靠近自由端位置局部粘結應力峰值大于加載端附近位置局部粘結應力；銹蝕率為6%試件，局部粘結應力在加載端與自由端峰值相近，局部粘結應力在整個錨固段分布較均勻。

2.2.3局部粘結應力隨銹蝕率的變化規律

破壞荷載下，局部粘結應力隨銹蝕率變化關系曲線如圖8所示。由圖8可以看出：

1）局部粘結應力分布在整個錨固區段。應力峰值出現在加載端和自由端端部位置。加載端附近應力分布受銹蝕率影響大，自由端附近應力分布受銹蝕率影響較小。

2）銹蝕率較小組試件，粘結應力主要集中在加載端附近；銹蝕率較大組試件，局部粘結應力向自由端發展，粘結應力峰值集中在自由端附近。主要是因為：銹蝕率較小時，再生混凝土與鋼筋的膠著力雖然由于銹蝕產物的出現被破壞，但相互之間的摩擦力及機械咬合力卻得到了明顯的增強，導致再生混凝土梁式試件在承受跨中附近兩點加載時，下部測試鋼筋與再生混凝土的粘結應力主要集中在加載端附近，應力并未向自由端快速傳遞，僅隨荷載強度的增加，向自由端發展；當銹蝕率較大時，再生混凝土與銹蝕鋼筋的粘結性能發生退化，應力快速向自由端傳遞，造成加載端附近粘結應力峰值下降明顯且向自由端集中。

3）銹蝕率為6%時，局部粘結應力在整個錨固段呈現較為均勻的分布，應力分布曲線平緩。原因在于：6%的銹蝕量時，錨固區段內銹蝕鋼筋與再生混凝土粘結應力被削弱，試件承受荷載作用，應力較快向自由端方向傳遞，加載端附近應力峰值有較大程度下降，自由端應力峰值有一定程度的提高，沿錨固段分布較為均勻。

2.2.4局部粘結應力相對滑移曲線

錨固區段內各處鋼筋與混凝土的位移差值為兩者的相對滑移，為了準確計算相對滑移值，試驗采取鋼筋開槽內貼應變片及在試件兩側混凝土外表面與鋼筋應變片對應位置粘貼混凝土應變片的手段。

各微段長度及微段鋼筋、混凝土變形。

圖10為局部粘結應力相對滑移關系曲線（X為錨固段內測點距加載端距離）。由圖10可以看出：加載端附近位置，滑移現象最先發生，遠離加載端處滑移現象延后，自由端附近測點最晚出現滑移現象。隨荷載強度不斷增加，應力由跨中位置向自由端傳遞，鋼筋與再生混凝土間粘結作用逐步被破壞，滑移現象開始向自由端方向逐漸發生。隨著鋼筋銹蝕率的增大，極限荷載下的滑移值增大。

由表5可以看出：極限粘結應力隨銹蝕率的增加，呈現出先增加后降低的變化趨勢。銹蝕率為1%時，極限粘結應力達到最大，銹蝕率超過1%，粘結應力開始降低。鋼筋銹蝕削弱了鋼筋與再生混凝土之間的極限粘結應力，但極限粘結應力削弱幅度隨銹蝕率的增加而減小。原因在于：鋼筋發生微銹蝕，再生混凝土與鋼筋在粘結界面生成一層銹化產物，其相互間存在的化學膠著力雖被破壞，但銹蝕產物的出現增加了鋼筋表面的粗糙度，銹蝕產物體積微膨脹，使得混凝土對銹后鋼筋的約束增強。隨著銹蝕程度增加，鋼筋銹蝕產物積累增多體積膨脹，混凝土保護層出現銹脹裂縫，混凝土對鋼筋的約束作用降低；同時，銹蝕產物質地較疏松，造成銹蝕鋼筋與再生混凝土界面的摩擦系數減小，進而導致銹后鋼筋與再生混凝土間的摩擦力減??；銹蝕鋼筋橫向肋發生銹蝕，破壞鋼筋與再生混凝土間的機械咬合力，導致鋼筋與再生混凝土間的粘結性能發生衰退。

4結論

1）銹后鋼筋應變值由靠近加載端位置向自由端方向逐漸降低，總體呈現下凹趨勢；相同荷載下，銹蝕率越大，鋼筋應變隨錨固位置變化曲線越平緩。

2）引入銹蝕鋼筋換算直徑，截取鋼筋微段進行局部粘結應力分析得出：局部粘結應力沿錨固段分布呈雙峰分布，峰值主要集中在靠近加載端和靠近自由端；隨銹蝕率增大，局部粘結應力由加載端向自由端集中。加載端附近，滑移現象最先發生，遠離加載端處滑移現象延后。

3）隨著鋼筋銹蝕率的增大，極限粘結強度先增大后減小，極限荷載下的滑移值逐漸增大。

4）梁式試驗所得結論與已有的中心拔出試驗結果基本一致。

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（編輯王秀玲）