凍融與銹蝕作用對鋼筋混凝土黏結性能的影響

董玉文，余 鑫，秦 瑤,王宗波

(1.重慶交通大學 水工建筑物健康診斷技術重慶市高校工程研究中心，重慶 400074；2.浙江省錢塘江管理局 勘測設計院，浙江 杭州 310016)

0 引 言

鋼筋混凝土結合了鋼筋抗拉強度高與混凝土抗壓能力強的優點，且取材方便，造價較低，適用性強，是當前土木工程中應用廣泛的建筑材料。但是，鋼筋混凝土結構服役環境較為復雜，其力學性能及耐久性容易受到周圍環境因素的影響。鋼筋混凝土破壞的最重要因素是鋼筋銹蝕作用。研究表明：鋼筋銹蝕不僅會導致鋼筋截面積減小、力學性能下降，而且會造成混凝土順筋脹裂、鋼筋與混凝土之間黏結力衰退等現象。我國北方地區凍害嚴重，在凍融循環作用下服役的鋼筋混凝土結構由于凍融作用而導致耐久性降低，達不到設計壽命。根據全國32個大型混凝土壩、40多個中小型水工建筑物水工結構耐久性調查[1]，22%的大型工程，21%的中小型工程都存在凍融循環破壞等嚴重問題。這些隱患將誘發混凝土開裂、界面黏結強度降低等問題，致使鋼筋混凝土結構嚴重受損，其安全性以及耐久性受到影響。目前國內外關于鋼筋混凝土在銹蝕作用、凍融作用下的耐久性研究成果已經非常豐富，主要集中在鋼筋銹蝕機理[2-3]、銹蝕后鋼筋力學性能[4]、鋼筋銹蝕后鋼筋與混凝土之間黏結性能[5-6]、混凝土凍融破壞機理[7-9]、混凝土的抗凍性及抗凍措施[10]等方面，但大多數研究只針對凍融循環或鋼筋銹蝕單一因素作用對鋼筋混凝土耐久性的影響。關于凍融循環與鋼筋銹蝕共同作用下鋼筋混凝土力學性能及耐久性的研究涉及不多。趙煒等[11]研究了凍融損傷對內部鋼筋銹蝕程度和銹蝕速率的影響，結果表明凍融損傷對混凝土內部鋼筋銹蝕影響較大，鋼筋的銹蝕速率隨著凍融循環次數和氯離子侵蝕齡期的增加而增加; 胡孔亮等[12]研究了凍融循環和氯鹽侵蝕作用下鋼筋與混凝土的黏結性能及黏結性能退化規律；王軒昂[13]開展了考慮凍融和箍筋銹蝕影響的鋼筋混凝土黏結性能試驗研究，研究了銹蝕率、凍融次數以及箍筋間距耦合作用下鋼筋與混凝土之間黏結強度和滑移量變化規律；B.DIAO等[14-15]研究了銹蝕、凍融循環、持續荷載共同作用對鋼筋混凝土梁力學性能的影響，發現凍融、銹蝕耦合作用造成的力學性能的劣化比單一因素更加顯著；Z.D.WANG等[16]研究了凍融循環與氯鹽侵蝕對鋼筋混凝土內鋼筋銹蝕的影響，但沒有研究其界面黏結性能。總體來說，關于凍融與銹蝕共同作用對鋼筋混凝土耐久性的影響研究仍相對比較缺乏。筆者通過室內試驗，研究了凍融循環以及銹蝕作用對鋼筋混凝土的抗拉性能的影響，為鋼筋混凝土結構耐久性設計提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

試驗采用42.5號普通硅酸鹽水泥、普通細河沙制備試件，骨料由大小石子按照6∶4的比例配合而成，最大粒徑不超過20 mm，鋼筋分別采用φ12、φ16 mm的HPB235光圓鋼筋、HRB235螺紋鋼筋。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，鋼筋錨固長度40 mm(圖1)，混凝土配合比如表1。

圖1 鋼筋混凝土試件尺寸示意

表1 混凝土配合比

試驗設25次凍融循環為一組，分別進行25、50、75、100、125、150次凍融循環，每組制備3個試件，質量損失、鋼筋銹蝕率取其平均值，共計42個試件。

1.2 試驗設備

試驗采用單臥式混凝土攪拌機、復合式振動臺進行試件制備，用APS3003S-3D多路直流穩壓穩流電源進行鋼筋加速銹蝕試驗，用恒溫恒濕標準養護箱進行試件養護，用YSHY-800D混凝土快速凍融循環試驗機進行凍融試驗，用DNS300萬能試驗機進行鋼筋混凝土試件的中心拉拔試驗。

1.3 試驗方法

試件養護:根據規范GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，將制備好的試件在制作完成24 h后拆模，在標準養護室中養護24 d，放入水中(20±2)℃養護4 d，水面要高出試件表面(20～30)mm。

鋼筋加速銹蝕試驗：試件養護28 d后取出拆除外露鋼筋端部纏繞紗布，并做表面清潔處理，然后將試件放置于濃度為5%的氯化鈉溶液中，采用恒穩電流加速銹蝕(圖2)。銹蝕結束后采用法拉第定理計算得到各個試件的銹蝕率。

圖2 室內通電銹蝕試驗

凍融試驗：銹蝕試驗后，將試件放入快速凍融試驗機內進行凍融試驗，凍融循環一次的時間為4 h左右，其中融化的時間不少于一次凍融循環時間的1/4，25次循環進行一次質量測試。

中心拉拔試驗：用DNS300萬能試驗機對凍融后的試件進行中心拉拔試驗，試驗采用位移控制法，以分析不同凍融循環次數、不同銹蝕率的試件的抗拉性能。

鋼筋酸洗：拉拔試驗完成后將混凝土試件破型，清除鋼筋表面的混凝土殘渣，并用濃度在5%～8%的鹽酸溶液浸泡進行酸洗、除銹，之后將鋼筋放入氫氧化鈉溶液中和鋼筋表面殘留的鹽酸，再將鋼筋放入烘烤箱中烘干并稱量整段鋼筋質量，根據銹蝕前整段鋼筋的質量，計算鋼筋銹蝕率并與銹蝕試驗的銹蝕率進行校核。

2 試驗結果及分析

2.1 凍融循環對鋼筋混凝土試件外觀及質量的影響

圖3給出了同一批試件經歷不同凍融循環次數后混凝土的外觀變化。可以看出，未凍融試件表面光滑、平整；凍融25次后，試件表面邊角處出現少量的蜂窩狀小孔洞；凍融50次后，試件表面出現部分砂漿脫落、剝離；凍融75次后，試件表面出現大量砂漿脫落，部分骨料露出；凍融100次后，試件表面砂漿基本脫落，小顆粒骨料大量脫落，大顆粒骨料少量脫落，表面極不平整；凍融125次以上后，試件形狀已極不規則，完全被凍壞，基本喪失承載能力。總體來看，隨著凍融次數的增加，試件表面由平整逐漸變得粗糙，質量損失逐漸增大，鋼筋保護層厚度逐漸降低。

圖3 不同凍融循環次數時鋼筋混凝土試件的外觀

圖4給出了不同銹蝕率試件經歷不同凍融循環次數后的質量損失率(凍融前、后試件的質量差與凍融前質量的比值)。可以看出，所有試件在凍融75次之前，凍融導致混凝土內的裂紋擴展、空隙吸水，但試件表面脫落并不明顯，凍融后質量反而增加；凍融75次之后，隨著凍融次數增加，試件表面砂漿脫落嚴重，質量損失明顯增加，其中未銹蝕試件質量損失最顯著，鋼筋銹蝕率為2.8%的質量損失率最小，銹蝕率為5.6%的試件的質量損失率居中。究其原因，主要是銹蝕率較低時，鋼筋銹蝕導致體積膨脹，鋼筋周圍的混凝土更加緊密，致使空隙減小、吸水減少，表面砂漿脫落也有所減少，質量損失率較未銹蝕試件減小；但銹蝕率較大時，銹脹導致鋼筋周圍混凝土裂紋增加，凍融后表面脫落嚴重，質量損失增加。

圖4 不同凍融循環次數后試件的質量損失率

2.2 凍融循環及銹蝕作用對鋼筋混凝土極限拉拔荷載的影響

極限拉拔荷載是反映鋼筋與混凝土黏結性能的直接參數。采用萬能試驗機，可以直接測出拉拔荷載及對應的位移。圖5給出了不同凍融循環次數時光圓鋼筋混凝土試件的極限拉拔荷載。可以看出：

圖5 鋼筋混凝土試件的抗拉承載力

1)隨著凍融循環次數的增加，鋼筋混凝土試件的極限拉拔荷載逐漸下降，當凍融次數達到50次時，試件的極限抗拉荷載已經降低到未凍融時的50%左右，可見凍融循環作用對鋼筋混凝土的黏結性能影響很大。

2)銹蝕率為2.8%試件的極限抗拉荷載高于未銹蝕試件，其中未凍融時高達43.9%，這是由于鋼筋銹蝕生成的鐵銹導致鋼筋體積膨脹，產生銹脹力，增大了鋼筋與混凝土之間的摩擦力，黏結強度也因此增大。

3)對于銹蝕率為5.6%的試件，未凍融時的極限抗拉荷載介于銹蝕率為0%及2.8%的試件之間。當凍融次數達到150次時，其黏結性能基本完全散失。這是由于凍融循環作用進一步降低了鋼筋與混凝土的黏結性能，鋼筋與混凝土之間的咬合力下降所致。

2.3 凍融循環及銹蝕作用對鋼筋混凝土拉力-位移曲線的影響

圖6給出了3種銹蝕率光圓鋼筋混凝土試件經歷不同凍融次數后的拉拔力F與位移u的關系曲線，可以看出：

圖6 鋼筋混凝土試件拉力-位移關系曲線

1)在拉拔初始階段，鋼筋與混凝土之間為黏結狀態，隨著鋼筋端位移的增加，拉力與位移之間呈線彈性關系，當拉力荷載達到極限荷載后，隨著拉拔位移的繼續增加，鋼筋與混凝土發生相對滑移，拉力-位移曲線出現軟化，隨著拉拔位移的增加，拉力逐漸減小。

2)凍融次數越多，試件的抗拉極限荷載及峰值位移越小，極限荷載之后荷載-位移曲線的塑性越明顯，主要原因是凍融次數越多，試件內部的微裂隙越多，試件越松散，導致其脆性減弱、塑性增強。

3)與未銹蝕試件相比，當鋼筋銹蝕率較低時(如2.8%及5.6%)，其荷載-位移曲線的線性階段呈現分段直線特性，開始時荷載隨位移的增長增加緩慢，但位移超過2 mm之后，荷載隨位移增長增加迅速。其原因可能是拉拔初期鋼筋與混凝土之間的黏結力主要由鋼筋銹蝕產生的化學咬合力承擔，當荷載繼續增加后，鋼筋與混凝土之間的黏結力主要由兩者之間的摩擦咬合力承擔。

2.4 凍融作用對鋼筋銹蝕的影響

凍融前，試驗采用法拉第定理計算得到兩組試件的鋼筋銹蝕率分別為2.8%和5.6%，采用鋼筋酸洗法得到的鋼筋銹蝕率分別為2.83%和5.51%，表明兩種方法得到的銹蝕率比較接近。為分析凍融循環作用對鋼筋銹蝕的影響，對凍融后的試件采用鋼筋酸洗法測定不同凍融循環次數后的鋼筋銹蝕率。

表2給出了初始銹蝕率為2.8%和5.6%的兩組試件在經歷不同凍融循環次數后的鋼筋銹蝕率。

表2 不同凍融次數后的鋼筋銹蝕率變化

從表2可以看出，凍融循環次數少時，由于凍融主要影響混凝土表面的保護層，對鋼筋混凝土界面的影響不大，所以鋼筋的銹蝕率變化不大；但是凍融次數較大時，凍融作用對混凝土的破壞作用已經逐漸深入，導致內部出現裂紋，水分逐漸深入裂紋并影響到鋼筋混凝土界面，導致鋼筋銹蝕率明顯增加，與文獻[11]得出的結論一致。因此，凍融作用會導致鋼筋銹蝕率的增加，加劇界面黏結性能劣化的趨勢。

2.5 銹蝕及凍融循環作用對鋼筋混凝土試件破壞規律的影響

試驗研究了直徑分別為12、16 mm的光圓鋼筋、螺紋鋼筋試件在拉拔荷載作用下的破壞型式。

1)未凍融、未銹蝕試件：其破壞形態主要有拔出破壞、拉斷破壞、劈裂破壞3種，如圖7(a)～圖7(c)。其中，光圓鋼筋混凝土試件因鋼筋與混凝土之間的黏結力相對較小，破壞形態基本為拔出破壞，即隨著拉拔荷載的增加，當荷載超過鋼筋與混凝土之間的黏結力后，鋼筋從混凝土中拔出；螺紋鋼筋混凝土試件的鋼筋與混凝土之間的黏結力特別是機械咬合力較大，其破壞形態既有鋼筋拉斷破壞，也有劈裂破壞，鋼筋直徑較小的一般為拉斷破壞，鋼筋直徑較大的一般為劈裂破壞。

圖7 鋼筋混凝土試件的破壞型式

2)銹蝕鋼筋試件：銹蝕率較高時，鋼筋與混凝土之間的咬合力降低，試件破壞以拔出破壞為主，破壞前受拉鋼筋端有明顯滑移，鋼筋周圍混凝土出現碎裂，破壞時極限荷載降低，銹蝕率越高，極限荷載降低越明顯，試件破壞時未出現明顯的劈裂破壞或拉斷破壞現象。

3)凍融作用后的鋼筋混凝土試件，如圖7(d)：峰值荷載后有鋼筋拉拔端有明顯拔出位移，破壞時鋼筋周圍混凝土出現發散性裂紋，混凝土強度降低，鋼筋與混凝土之間的黏結性能下降，抗拉性能明顯降低，拉拔荷載作用下的破壞型式呈現塑性特征。

3 結 論

1)隨著凍融次數的增加，鋼筋混凝土表面逐漸出現孔洞、砂漿脫落，直至骨料露出，表面逐漸變粗糙，導致其力學性能下降，銹蝕率對鋼筋混凝土凍融后的質量損失率有影響。

2)鋼筋混凝土的極限抗拉荷載隨著凍融次數的增加逐漸減低，當凍融次數達到50次以后，其極限抗拉荷載下降到未凍融的50%以下。

3)凍融作用會加速鋼筋的銹蝕，而鋼筋銹蝕對凍融作用后鋼筋混凝土的抗拉性能有影響，銹蝕率較低時(2.8%左右)，極限抗拉荷載反而增大，當銹蝕率較大時，極限抗拉荷載較銹蝕前有所降低。

4)銹蝕及凍融作用下，鋼筋混凝土試件的拉力-位移曲線與普通鋼筋混凝土試件基本類似，但初期拉力與位移曲線呈現明顯的分段直線特性，當拉力達到極限荷載后，荷載隨位移增加而降低，有明顯的塑性特性。

5)普通鋼筋混凝土試件在拉拔荷載作用下的破壞形態有拔出、拉斷、劈裂3種型式；銹蝕作用將使鋼筋與混凝土之間的黏結性能下降，凍融作用導致混凝土內微裂縫增多、混凝土強度降低，進一步削弱了鋼筋與混凝土之間的黏結性能，拉拔荷載下試件破壞以拔出破壞為主，破壞時塑性特征更明顯。