銹蝕鋼絞線與混凝土的黏結性能

劉云雁，范穎芳，李秋超

（大連海事大學交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026）

242起預應力混凝土結構力筋失效事件中，環境侵蝕造成的銹蝕事件達23%［1］.預應力混凝土結構因其復雜的力學特性，極易遭受外界環境的侵蝕影響，誘發鋼筋腐蝕.中國海岸線綿長，鹽堿地分布廣泛，冬季除冰鹽大量使用，氯鹽環境侵蝕十分普遍.

目前，國內外學者對鋼絞線與混凝土間的黏結性能開展了試驗研究［2-5］，提高混凝土強度、增大保護層厚度、降低相對錨固長度、摻加不同特性纖維復合材料均有利于提高黏結強度，且鋼絞線的根數［6］、表面粗糙度［7］、養護齡期［8］及溫度［9］等同樣對其性能有一定影響.此外，黏結性能對預應力混凝土結構的有效預應力傳遞等影響較關鍵.Vázquez-Herrero等［10-12］研究了有效預應力在輕質混凝土及不同強度混凝土中的傳遞長度、鋼絞線的滑移程度及黏結強度.在此基礎上，部分學者開展了氯鹽環境下鋼絞線混凝土的黏結性能研究.Li等［13］建立了銹蝕鋼絞線極限黏結強度退化系數與銹脹裂縫寬度的關系，未分析銹蝕率的劣化影響.Wang等［14］建立了長黏結鋼絞線混凝土黏結強度隨銹蝕率的衰減規律.劉云雁等［15］、Wang等［16］研究了彎曲荷載作用下銹蝕鋼絞線的黏結滑移行為.目前，氯鹽環境下普通鋼筋與混凝土的黏結性能研究較全面［17］，銹蝕鋼絞線與混凝土黏結性能的劣化研究仍然有限，亟須深入開展.

本文對54個鋼絞線混凝土試件開展了濕鹽砂加速腐蝕及中心拔出試驗，研究了銹蝕率（ρ）、黏結長度（Lf）、箍筋及碳纖維增強聚合物（CFRP）條帶加固等因素對鋼絞線混凝土黏結性能的影響，進而分析了氯鹽環境下鋼絞線混凝土的黏結破壞機制.

1 試驗

1.1 原材料

小野田P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥；大沙河中砂；粒徑5～25 mm青碎石.混凝土強度等級為C40，其配合比見表1.鋼絞線為?15.2有黏結預應力鋼絞線；箍筋為HPB300級?8.0光圓鋼筋；CFRP布厚0.167 mm.鋼絞線、箍筋、CFRP布的抗拉強度分別為1 860、270、3 494 MPa，彈性模量分別為195、210、240 GPa.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

1.2 試件制備

試件澆筑前，在模具兩端安裝聚氯乙烯（PVC）套管設置無黏結區，以減小拉拔試驗中混凝土的局部擠壓現象.澆筑尺寸分別為150 mm×150 mm×200 mm、150 mm×150 mm×280 mm、150 mm×150 mm×360 mm的鋼絞線混凝土試件各18個，其相應的黏結長度Lf分別為80、160、240 mm.同尺寸18個試件中包括無箍筋（M）組、配箍筋（MSS）組、CFRP條帶加固（MCS）組各6個.試件命名制度為：M 80-X，M表示無箍筋組，80表示黏結長度80 mm，X＝0、1、2、3、4、5（X＝0的試件為對照組試件，其余分別對應腐蝕時間12、21、33、62、85 d）；其他類推.鋼絞線混凝土試件構造見圖1.

圖1 鋼絞線混凝土試件構造Fig.1 Structural diagrams of steel strand concrete samples（size：mm）

1.3 試驗方法

1.3.1 加速腐蝕試驗

用質量分數為5%的氯化鈉溶液拌制含水率（質量分數）約20%的濕鹽砂，將待腐蝕試件豎直埋置其中，鋼絞線接直流電源陽極，試件四周環繞不銹鋼網片接電源陰極，連通電源后進行電化學加速腐蝕.最大電壓小于30 V，初始電流密度為0.3 mA/cm2，并實時記錄.試件腐蝕時間為12、21、33、62、85 d，加速腐蝕試驗示意圖見圖2.

圖2 加速腐蝕試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of accelerate corrosion test

1.3.2 中心拔出試驗

將鋼絞線混凝土試件置于支座上，鋼絞線依次穿過帶孔鋼箱、穿心式千斤頂、30 t壓力傳感器，并通過錨具錨固.鋼絞線自由端安裝位移傳感器，鋼箱內鋼絞線上水平安裝搭載位移傳感器及角度傳感器的PVC盤，分別用于測量鋼絞線自由端滑移值、加載端滑移值及旋轉角度，并連接信號采集系統DH 3817.中心拔出試驗示意圖見圖3.其中位移傳感器量程250 mm，精度0.002 mm；角度傳感器量程360°，精度0.005°.試驗采用50 t錨桿拉力計對鋼絞線進行分級拉拔，荷載等級10 k N，當鋼絞線中心被拔出40 mm或混凝土劈裂破壞時，停止試驗，并對有黏結區域鋼絞線進行酸洗除銹并稱重測長，根據鋼絞線的線密度損失確定其實際質量損失率.

圖3 中心拔出試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of central pull-out test

2 結果與討論

2.1 鋼絞線混凝土的銹蝕開裂特征

濕鹽砂含水率低，使得鋼筋表面濕潤且流動性水溶液較少，避免了鐵銹溢出，混凝土銹脹開裂明顯，與鋼筋銹蝕的自然進程較接近.圖4為鋼絞線的典型銹蝕形態.由圖4可見：隨著銹蝕率ρ的增大，鋼絞線表面首先出現微小的點蝕孔，隨后發展為點蝕坑，再擴展為棱錐形、長橢球形及馬鞍狀蝕坑，并伴隨顯著的纖維狀腐蝕條紋；當ρ＞8.00%時，鋼絞線外表面腐蝕形態復雜，條狀蝕坑達4 mm×70 mm，鋼絲截面積大幅減小.

圖4 鋼絞線的典型銹蝕形態Fig.4 Typical corrosion morphologies of steel strand

圖5為鋼絞線混凝土典型的銹蝕開裂形態.由圖5可見，腐蝕初期，混凝土表面出現紅褐色銹斑，隨后部分試件的混凝土保護層沿鋼絞線走向均勻開裂，伴隨少量紅棕色鐵銹析出.

圖5 鋼絞線混凝土典型的銹蝕開裂形態Fig.5 Typical corrosion cracking morphologies of steel strand concrete

2.2 鋼絞線混凝土的失穩模式

中心拔出試驗中，鋼絞線均出現正旋滑移現象，即“螺栓效應”.當銹蝕率ρ＜1.00%時，鋼絞線拔出后，各試件混凝土均未開裂；隨銹蝕率增大，M組試件新增開裂程度均高于MCS及MSS組；銹蝕率ρ＞4.66%時，僅M組試件出現劈裂破壞.由此可見，CFRP條帶及箍筋提供了較強的橫向約束力，有效抑制了混凝土劈裂破壞的發生.此外，本試驗中不同黏結長度對鋼絞線混凝土試件的失穩模式影響不明顯.由于本試驗數據有限，相關研究有待深入開展.

綜上，本試驗中鋼絞線混凝土典型的失穩模式主要有2種：（1）鋼絞線拔出，混凝土未出現開裂或出現新增微裂縫及銹脹裂縫二次擴張現象，發生延性破壞，見圖6（a）；（2）鋼絞線拔出，發生劈裂破壞，見圖6（b）.

圖6 鋼絞線混凝土典型的失穩模式Fig.6 Typical failure modes of steel strand concrete

2.3 鋼絞線混凝土的黏結性能

2.3.1 黏結-滑移曲線

中心拔出試驗中，鋼絞線黏結應力τ沿黏結長度Lf變化，其計算公式見式（1）.

式中：F為拉拔力，N；d為鋼絞線直徑，mm.

鋼絞線混凝土加載端的黏結-滑移（τ-s）曲線見圖7.由圖7可見：加載初期，對照組試件的黏結應力逐漸由加載端向自由端傳遞，黏結-滑移曲線出現局部峰值后進入強化段，與徐有鄰等［18］得到的多段線式荷載滑移曲線較相似；與對照組試件相比，輕微銹蝕試件的黏結應力顯著提高，黏結-滑移曲線相似，且更為飽滿；銹蝕程度較高試件的黏結-滑移曲線達到局部應力峰值后驟然降低，并出現脆性破壞特征，與Li等［13］得到的銹脹開裂鋼絞線混凝土黏結-滑移曲線較相似.

圖7 鋼絞線混凝土加載端的黏結-滑移曲線Fig.7 τ-s curves of corroded steel strand concrete on loaded end

鋼絞線的銹蝕程度顯著影響了鋼絞線混凝土黏結-滑移曲線的發展模式，根據鋼絞線銹蝕程度可將其黏結-滑移曲線分為兩大類：四階段曲線（無銹蝕及輕微銹蝕）和兩階段曲線（銹蝕程度較高），其典型曲線見圖8.由圖8（a）可見，鋼絞線黏結-滑移曲線的四階段為：（1）微上升滑移段（OA段），加載初期鋼絞線滑移較小，達到初始黏結強度τ0.25（滑移0.25 mm時對應的黏結應力為初始黏結強度［19］）時，鋼絞線與混凝土間化學膠著力完全喪失；當滑移值為0.50～1.00 mm時達到局部應力峰值τf；（2）微下降段（AB段），達到局部應力峰值后，鋼絞線鋼絲縫間的少量混凝土咬合齒斷裂，黏結-滑移曲線出現微下降特征；（3）強化段（BC段），該階段黏結應力增長緩慢，由于鋼絞線鋼絲縫間的混凝土咬合齒螺旋且連續，提供的機械咬合力使得黏結應力緩慢增長并趨于穩定，達到極限黏結應力τu，咬合齒斷裂；（4）平穩下降段（CD段），銹蝕程度較低時，鋼絞線混凝土滑移艙壁較完整（見圖9（a）），仍可持續提供摩擦力，使得黏結滑移曲線緩慢下降并趨于穩定.由圖8（b）可見，黏結-滑移曲線的兩階段為：（1）微上升滑移段（OA′段），該階段與無銹蝕試件相似；（2）快速下降段（A′C′段），達到局部應力峰值τf后，混凝土咬合齒被切斷并磨碎（見圖9（b）），由于銹蝕裂縫貫通混凝土保護層，混凝土提供的橫向約束能力及摩擦阻力降低，使得黏結應力持續下降.

圖8 典型鋼絞線混凝土黏結-滑移曲線Fig.8 Typical bond-slip curves of steel strand concrete

圖9 鋼絞線混凝土滑移艙Fig.9 Slip chamber of steel strand concrete

2.3.2 初始黏結強度τ0.25

鋼絞線混凝土初始黏結強度與銹蝕率的關系見圖10.由圖10可見：少量銹蝕產物的填充提高了化學膠著力的強度，初始黏結強度隨之提高；隨著銹蝕率的增大，銹蝕產物的大量沉積瓦解了水泥石與鋼絞線表面的有效黏接，導致初始黏結強度降低；隨著黏結長度的增大，初始黏結強度分布范圍由1.17～13.67 MPa（Lf＝80 mm）降 低 至0.68～9.42 MPa（Lf＝160 mm）及0.60～7.71 MPa（Lf＝240 mm），這是因為隨黏結長度增加，鋼絞線與混凝土間化學膠著力分布的不均勻性進一步增大，導致其初始黏結強度分布范圍隨之下降；箍筋及CFRP條帶對鋼絞線混凝土初始黏結強度的影響不顯著.

圖10 鋼絞線混凝土初始黏結強度與銹蝕率的關系Fig.10 Relationship betweenτ0.25 and corrosion ratio of steel strand concrete

本試驗中約42.6%的試件初始黏結強度τ0.25均達到局部黏結應力峰值的60%及以上，隨后鋼絞線發生快速滑移.因此，研究銹蝕率與初始黏結強度間的關系，有助于對惡劣環境下預應力混凝土結構的耐久性問題進行預警，具有一定工程實際意義.

2.3.3 黏結強度τs

部分學者采用鋼絞線特征滑移為1.00 mm［2，18］或2.50 mm［19-20］時對應的黏結應力作為黏結強度，用以評價鋼絞線混凝土的黏結性能.本文認為該方法容易出現誤差，故采用黏結-滑移曲線局部應力峰值τf作為黏結強度τs.國內外學者通過試驗研究表明，鋼筋與混凝土的黏結強度會隨著銹蝕率的增加呈先增大后降低的趨勢，并將該轉折點所對應的銹蝕率定義為關鍵銹蝕率［17］.銹蝕率-黏結強度曲線見圖11.由圖11可見，黏結強度τs的變化規律與初始黏結強度τ0.25較相似：銹蝕率小于1.50%時（關鍵銹蝕率），混凝土機械咬合齒較完整，有效提供了機械咬合力，少量銹蝕物質的填充使得鋼絞線與混凝土間擠壓力增大，摩擦力增強，黏結強度隨之提高；隨銹蝕程度增加，混凝土開裂，其所提供的環向約束力減小，大量疏松銹漬的填充不僅降低了混凝土與鋼絞線間的摩擦力，且促進了混凝土機械咬合齒的斷裂，使得黏結強度大幅衰減；黏結長度由80 mm增大至160、240 mm時，M組試件的最大黏結強度分別降低7.5%、26.6%，MCS組的最大黏結強度分別降低22.7%、36.0%，MSS組的最大黏結強度分別增大16.2%、13.1%；黏結長度為160、240 mm時，MSS組試件的黏結強度明顯高于M組及MCS組.由此可見，隨黏結長度增加，無箍筋組及CFRP條帶加固組的黏結性能受到顯著削弱；配置箍筋有效改善了混凝土對鋼絞線的“握裹力”，促使黏結強度提高.

圖11 銹蝕率-黏結強度曲線Fig.11 Curves of corrosion ratio versus bonding strength

2.3.4 歸一化黏結強度R

本文采用歸一化黏結強度R［17］，即各銹蝕試件黏結強度τs，i與相應對照組試件黏結強度τs，0之比，來評價濕鹽砂腐蝕對鋼絞線與混凝土間黏結性能的劣化影響.

通過試驗數據擬合分析可得R與箍筋間距Sw、黏結長度Lf及銹蝕率ρ間的關系，見式（2）～（5）：

式中：A、B、C表示箍筋間距Sw及黏結長度Lf對R值的影響；常數項0.74表示其他因素對R值的影響；通過截面積等效法將CFRP條帶近似等效為間距155 mm的?8光圓箍筋，無箍筋試件可認為箍筋間距無限大.

歸一化黏結強度的試驗值及計算值見圖12.由圖12可見：R的試驗值與箍筋間距近似負相關，與黏結長度近似正相關；M組試件R的試驗值與計算值誤差小于10%，吻合較好；MSS組及MCS組中約73%的試驗值與計算值誤差小于15%，基本吻合；銹蝕率較高時，試驗數據較離散，不予考慮.

圖12 歸一化黏結強度的試驗值及計算值Fig.12 Test values and calculated values of normalized bond strength R

由前文可知，本試驗黏結強度隨濕鹽砂腐蝕程度變化的關鍵銹蝕率約為1.50%，對應的銹蝕裂縫寬度小于0.14 mm，鋼絞線黏結長度及相對箍筋間距對其影響不明顯.Wang等［14］基于長黏結鋼絞線的拉拔試驗得到的關鍵銹蝕率約為6.00%，且裂縫寬度較大，與本文結果相差較大；Li等［13］對銹蝕短黏結鋼絞線進行偏心拉拔試驗，得到關鍵銹蝕率所對應的裂縫寬度約為0.10 mm，與本文結果較相近.關鍵銹蝕率表征黏結性能開始出現退化的趨勢，試驗方法、試件尺寸、混凝土力學性能、鋼筋直徑、腐蝕工況等因素均會對其產生影響，相關研究表明，普通帶肋鋼筋所對應的關鍵銹蝕率約為0.50%～2.50%［17］，而銹蝕鋼絞線的相關研究仍未達成統一定論，亟須深入開展.

3 結論

（1）濕鹽砂腐蝕顯著影響了鋼絞線混凝土的黏結-滑移曲線發展規律.鋼絞線銹蝕率較小時，其黏結-滑移曲線主要經歷微上升滑移、微下降、強化及平穩下降四階段；隨銹蝕率增大，黏結滑移曲線轉變為微上升滑移及快速下降兩階段.

（2）以關鍵銹蝕率1.50%為轉折點，初始黏結強度及黏結強度隨銹蝕率增大呈先增大后降低趨勢.黏結長度由80 mm增大至160、240 mm時，初始黏結強度由1.17～13.67 MPa分別下降至0.68～9.42、0.60～7.71 MPa，配箍筋組最大黏結強度分別增大了16.2%、13.1%，無箍筋組及CFRP條帶加固組均明顯下降.配置箍筋有效提高了鋼絞線混凝土黏結強度，CFRP條帶及箍筋對初始黏結強度影響較小，但顯著抑制了混凝土的劈裂破壞.

（3）建立了與箍筋間距、黏結長度及鋼絞線銹蝕率有關的鋼絞線混凝土歸一化黏結強度計算式，各組試件的計算值與試驗值誤差均小于15%，吻合較好.