銹蝕鋼筋-混凝土黏結性能退化試驗研究

張弘港,趙建鋒,彭 昊

(青島理工大學 土木工程學院,青島 266525)

鋼筋的銹蝕不僅削弱鋼筋自身的承載力,而且會破壞工程結構中鋼筋與混凝土的共同工作,鋼筋與混凝土之間的黏結性能下降,結構的安全性和耐久性都會降低,因此關于銹蝕鋼筋混凝土的黏結性能的研究對于結構全壽命性能評估具有十分重要的意義。范穎芳等[1]使用替換構件的方法從現實工程構件中得到20根試件,發現腐蝕后的鋼筋與混凝土黏結性能較理論值下降了20%～50%。梁巖等[2]對20個電化學銹蝕的帶箍筋的帶肋鋼筋混凝土試件進行了中心拉拔黏結試驗,根據試驗數據得出了黏結強度隨銹蝕率的變化規律。陳留國等[3]進行了中心拉拔黏結試驗,發現無箍筋的帶肋鋼筋試件的黏結強度隨銹蝕率的增大迅速降低,光圓鋼筋試件在銹蝕率較小時黏結強度是隨銹蝕率增大而增大的,而后黏結強度會隨銹蝕程度的增長快速下降。徐港等[4]設計了6根大尺寸配箍試驗梁并進行了黏結性能試驗,發現極限黏結強度和黏結剛度均隨銹蝕率增加,先增大后減小,但銹蝕率小于5%時,與未銹鋼筋基本相當。蔣連接等[5]研究了人工氣候加速鋼筋銹蝕的鋼筋偏心布置的黏結試件(以銹脹裂縫寬度衡量)的黏結性能,銹脹未裂試件的黏結強度略有提高,當混凝土保護層銹脹開裂后強度下降。徐亦冬等[6]研究了持荷條件下的銹蝕鋼筋與混凝土的黏結性能,發現銹蝕率超過1.3%時黏結性能開始下降,而在鋼筋銹蝕和荷載耦合的條件下,黏結強度隨著外荷載系數的增加而增加。付瑞佳等[7]進行了不銹鋼鋼筋與混凝土的黏結試驗,存在劈裂、鋼筋拔出后混凝土劈裂和鋼筋拔出三種破壞形式,黏結強度隨著混凝土強度增長也增長,試驗還發現大直徑鋼筋初始黏結應力約為極限黏結應力的0.3倍,劈裂黏結應力約為極限黏結應力的0.8倍。ZHAO等[8]研究發現銹蝕鋼筋與普通骨料混凝土以及再生骨料混凝土的黏結性能的影響效果是相似的。可以看出對銹蝕鋼筋與混凝土的黏結性能及其退化規律尚無共識。

除了鋼筋銹蝕程度,混凝土試件中存在的箍筋等其他因素對黏結性能也有不小的影響。高向玲等[9]基于 Tepfers 受均勻內壓作用的厚壁圓筒力學模型,給出了純混凝土拉拔試件和配箍筋拉拔試件極限黏結強度的計算式。陳留國等[3]發現配箍筋的帶肋鋼筋有試件在銹蝕率小于7.63 %時黏結強度基本無變化。徐港等[4]還發現混凝土保護層表面銹脹裂縫寬度和鋼筋銹蝕率對極限黏結強度及鋼筋自由端滑移量的影響輕微。蔣連接等[5]的研究中無箍筋試件的劈裂強度明顯小于有箍筋試件,而且下降速度也快很多,箍筋的存在顯著提高試件的殘余黏結強度,同時黏結滑移略大于無箍筋試件。ZHOU等[10]研究了箍筋銹蝕和循環荷載條件下鋼筋混凝土試件的黏結性能,發現箍筋輕微銹蝕可提高黏結性能,隨著箍筋腐蝕程度的增加,黏結強度迅速下降,箍筋銹蝕率15%時的黏結性能與無箍筋的情況相當;箍筋腐蝕與循環滑動荷載損傷之間存在明顯的耦合,當循環次數和滑移荷載變大時,黏結性能退化嚴重。HUANG[11]研究了鋼筋銹蝕程度與鋼筋表面銹蝕面積對鋼筋與混凝土之間的黏結性能的影響,發現鋼筋表面的局部腐蝕(銹蝕面積小于40%)對黏結強度無顯著影響。KANKAM[12]進行了雙拉拔試樣黏結性能試驗,建立了鋼筋混凝土結構黏結應力、鋼應力與滑移之間的關系式。侯俊青[13]進行了持荷下銹蝕鋼筋與混凝土梁式黏結性能試驗,發現持荷水平對鋼筋的銹蝕形態影響明顯,持荷等級在40%～50%對未銹蝕鋼筋的黏結強度的增強效果最明顯。HASKETT等[14]進行了中心拔出黏結試驗,通過總結試驗數據得到兩段式黏結滑移本構關系式,試驗還發現鋼筋嵌入長度對黏結強度并無影響。王柏文等[15]研究疲勞和加速銹蝕復合作用對混凝土與鋼筋間黏結性能的影響,試件在低循環疲勞荷載多出現劈裂破壞,高循環疲勞荷載多為剪切破壞;單一因素作用時黏結應力分布呈“單峰”,復合作用時應力分布呈“雙峰”;復合作用后,極限黏結應力及試件破壞時滑移值都出現了一定程度的降低。林紅威等[16]研究了銹脹開裂鋼筋混凝土黏結疲勞性能,發現疲勞荷載會使得黏結滑移提早發生但對黏結強度的影響有限。

本文結合中心拉拔黏結試驗和梁式黏結試驗的優點,采用半梁式試件,試件內鋼筋銹蝕后,進行黏結滑移拉拔試驗,得到銹蝕鋼筋混凝土的黏結性能,分析了試件黏結發生破壞的過程,根據試驗數據分析得到了銹蝕鋼筋黏結滑移退化規律。

1 銹蝕鋼筋混凝土黏結性能試驗

1.1 試件制作

受拉縱筋選用HRB400的帶肋鋼筋(月牙紋),直徑20 mm,材料實驗實測屈服強度達到405 MPa,極限強度563 MPa,長度1.5 m,架立筋選用HPB400的光圓鋼筋,直徑10 mm,長度450 mm,箍筋選用HPB235的光圓鋼筋,直徑6 mm,兩種箍筋形狀尺寸如圖1所示。

圖1 半梁式試件(單位:mm)

混凝土的設計強度等級為C40,混凝土原材料:普通硅酸鹽425號水泥、水、15～20 mm的花崗巖碎石、級配良好中砂。混凝土配合比根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)確定,計算得到水膠比0.489,混凝土配合比見表1。

表1 混凝土材料配合比 kg/m3

實測黏結試件同批次混凝土澆筑的立方體的強度為39.6 MPa。

黏結試件采用半梁式的黏結試件,尺寸為500 mm×250 mm×150 mm,試件中設有受拉縱筋1根,縱筋黏結段長度200 mm,受拉縱筋位置見圖1,其余非黏結段使用PVC管件將混凝土和鋼筋隔開,半梁內含鋼筋籠,設有箍筋5道,間距100 mm,架立筋4根,組成鋼筋籠,鋼筋籠用于避免試件梁體的剪壓破壞在黏結破壞前發生,進而影響黏結性能的測量。設計兩組試件,一組試件內的鋼筋籠各箍筋閉合,另一組試件內的鋼筋籠箍筋不閉合,試件尺寸如圖1所示。共制作了22個試件,非黏結段鋼筋和箍筋表面涂抹環氧樹脂來避免銹蝕。試件澆筑完成后,標準養護28 d。

1.2 加速銹蝕

箍筋閉合組試件設置8組銹蝕率工況,分別是鋼筋未銹蝕、鋼筋銹蝕率1%,2%,3%,5%,7%,9%,12%;箍筋不閉合組試件設置6組銹蝕率工況,分別是鋼筋未銹蝕、鋼筋銹蝕率1%,2%,3%,5%,7%。黏結試件制作完成后,根據法拉第定律計算出各銹蝕程度的預期時間,參考前人對加速銹蝕的研究[17-19],選用半浸泡通電銹蝕方法,將試件置于電解液中通電,電解液為5%Nacl溶液,為了加速銹蝕時混凝土內部有良好的氯離子侵蝕通道,提前將試件在電解液中浸泡3 d,然后使用直流穩壓電源對試件通電,電源恒流輸出,電流密度為0.3 mA/cm2,隨著通電時間的增加,需要及時對電解池中電解液進行補充,通電到達預設時間后,通電銹蝕結束。

黏結性能試驗加載完成以后,取出錨固段銹蝕鋼筋,測量鋼筋實際銹蝕率。去除鋼筋表面附著的混凝土以及部分塊狀銹蝕產物,對鋼筋酸洗除銹,清水洗后干燥稱重,得到鋼筋實際銹蝕率。

銹蝕率φ的計算式:

(1)

式中:φ為質量銹蝕率;m0為試件鋼筋原始質量;m1為試件鋼筋銹蝕后剩余的質量。

1.3 試驗現象

根據半梁式黏結試件應有的受力特點,設計了1個加載反力架,如圖2所示。

圖2 黏結加載示意

采用荷載傳感器測量外荷載;使用拉線式位移計采集鋼筋加載端和自由端滑移量。加載時將試件組裝到位,使用錨具適當施加外力使得試件保持水平后,各采集設備數據調零,然后開始正式加載。

試驗現象:在試驗加載初期,箍筋閉合的試件整體無明顯變化,僅鋼筋加載端滑移量略有增加;外荷載增長到接近破壞峰值外荷載時,試件上表面保護層開始出現細微裂紋。

外荷載增長到破壞峰值外荷載時,試件鋼筋混凝土黏結發生劈裂式破壞,試件上表面黏結段出現裂縫,如圖3所示。鋼筋黏結失效的同時,半梁式試件的梁體出現剪壓破壞導致明顯的斜裂縫,支座位置前的混凝土保護層也出現破壞裂縫,即半梁式試件的梁體受彎破壞。

圖3 箍筋閉合試件黏結破壞現象

部分實際銹蝕率較高的試件破壞形式為拔出式破壞,試件鋼筋混凝土黏結失效后,僅試件上表面原有的銹脹裂縫稍有擴張。鋼筋黏結失效的同時,半梁式試件的梁體并未出現剪壓破壞。

箍筋不閉合的試件均是試件上表面保護層劈裂式破壞,劈裂式破壞在試件上表面產生很多貫穿試件的裂縫,試件在黏結破壞后,混凝土大幅度剝離,裂縫明顯,如圖4所示。與箍筋閉合試件不同的是,在黏結破壞的同時試件梁體的剪壓破壞并未出現;其中部分試件梁體兩側出現橫向裂縫,橫向裂縫為銹蝕導致的內部銹脹裂縫在黏結破壞過程中擴展到試件側面。

圖4 箍筋不閉合試件黏結破壞現象

2 銹蝕鋼筋混凝土黏結試驗結果分析

2.1 平均黏結強度

試驗得到的力學性能數據:對鋼筋施加的外荷載P;加載端滑移量s1;自由端滑移量s2。

根據外荷載值計算得到平均黏結強度τ:

(2)

式中:P為拔出力;d為受拉鋼筋直徑;l為錨固段長度。

得到的試驗數據見表2。

表2 銹蝕鋼筋試件試驗數據

比較銹蝕率相近的兩組試件試驗數據:箍筋閉合的試件黏結破壞峰值平均黏結強度值均大于箍筋不閉合的試件;箍筋閉合的試件的黏結破壞加載端滑移量均大于箍筋不閉合的試件。銹蝕程度較低時(實際銹蝕率小于3%),黏結完全破壞時的峰值平均黏結強度和峰值滑移量稍低,黏結強度差值小于2 MPa;而當銹蝕程度較高時(實際銹蝕率大于3%),黏結完全破壞時的峰值平均黏結強度和峰值滑移量大幅度降低,黏結強度差值大于2 MPa。

2.2 黏結應力-滑移曲線

銹蝕鋼筋的黏結應力-滑移曲線如圖5所示。

圖5 銹蝕鋼筋的黏結應力-滑移曲線

1) 黏結應力-滑移曲線。從圖5中可以看出,試驗得到的箍筋閉合試件黏結應力-滑移曲線一般可分為5段,分別為第一增長段、荷載臺階、第二增長段、破壞段、摩擦段。

第一增長段:黏結強度隨加載端滑移量增長而快速增長,直到荷載臺階出現,同時,鋼筋加載端滑移量增長量較小,鋼筋自由端滑移量基本沒有變化,可以認為,此時鋼筋與混凝土的黏結并未破壞。

荷載臺階階段:平均黏結強度值停止增加,但加載端滑移量仍然在增加,同時自由端滑移量并未增加,即此時鋼筋黏結并未完全破壞。結合黏結試件拔出的鋼筋表面混凝土覆蓋情況,如圖6所示,靠近加載端的鋼筋肋的肋間的鋼筋表面僅在鋼筋肋前有混凝土殘留,而靠近自由端的鋼筋肋間基本被殘余的混凝土填滿,同時自由端滑移量并未增加,即此時鋼筋黏結并未完全破壞。

圖6 鋼筋黏結段混凝土殘留

第二增長段:平均黏結強度繼續增長,但較第一增長段降低,結合拔出試件的鋼筋表面混凝土覆蓋情況(圖6),自由端滑移量不變,黏結并未完全破壞。

破壞段:當平均黏結強度值達到黏結破壞峰值強度時,加載端滑移量突然增大,平均黏結強度值突降,同時鋼筋自由端滑移量也突然增大,即鋼筋全部黏結都失效,此時鋼筋混凝土的黏結完全破壞。

摩擦段:混凝土黏結完全破壞,鋼筋與混凝土之間僅剩摩擦力,平均黏結強度值隨滑移量的增長而緩慢下降。

2) 銹蝕率相當的試件曲線對比。銹蝕程度較低時,兩組試件的黏結應力-滑移曲線基本相同,在黏結破壞過程中,閉合的箍筋能夠使得黏結性能得到強化;閉合的箍筋強化了梁體的協同工作能力,使得黏結破壞時梁體受到的彎矩和剪力更大,導致梁體在不能與主筋協同工作后出現剪壓破壞。

銹蝕程度較高時,銹蝕率相當的箍筋不閉合試件與箍筋閉合試件的黏結應力-滑移曲線相差較大,未出現荷載臺階時鋼筋與混凝土的黏結就完全破壞。在曲線摩擦段,箍筋不閉合試件由所受摩擦力計算得到的平均黏結強度僅為1 MPa左右,遠小于箍筋閉合試件由所受摩擦力計算得到的平均黏結強度為3～5 MPa。

2.3 不同銹蝕率的黏結應力-滑移曲線對比

分別取兩組試件各預期銹蝕率曲線一條,得到兩組試件不同銹蝕率鋼筋黏結應力-滑移曲線對比圖,如圖7所示。

圖7 不同銹蝕率鋼筋的黏結應力-滑移曲線

由圖7可以看出:

1) 箍筋閉合試件。隨著銹蝕率的上升,黏結應力-滑移曲線呈現由5段逐漸退化為4段的趨勢;試件鋼筋混凝土黏結破壞的峰值強度和峰值滑移量稍有下降,半梁式試件整體仍能承擔較大的外荷載,如未銹蝕的箍筋閉合試件的鋼筋混凝土的黏結完全破壞時外荷載為163 kN,而預期銹蝕率為7%的箍筋閉合試件的鋼筋混凝土的黏結完全破壞的外荷載為153 kN,相當于未銹蝕試件的93.9%。

2) 箍筋不閉合試件。銹蝕率較低的試件,試件黏結應力-滑移曲線出現退化,試件混凝土受到鋼筋銹蝕破壞不明顯;混凝土表面未出現裂縫,半梁式試件整體協同工作的能力在下降,但仍能承擔一定的外荷載,如未銹蝕的箍筋不閉合試件的鋼筋混凝土的黏結完全破壞時外荷載為153 kN,預期銹蝕率為2%的箍筋不閉合試件的鋼筋混凝土的黏結完全破壞時外荷載為142 kN,相當于未銹蝕試件的92.8%。

銹蝕率較高的試件,試件黏結應力-滑移曲線出現明顯變化,黏結應力-滑移曲線逐漸退化成4段,甚至3段;試件混凝土被鋼筋銹脹裂縫破壞嚴重,混凝土表面出現裂縫,梁體承擔外荷載能力大幅下降,如預期銹蝕率為7%的箍筋不閉合試件的鋼筋混凝土的黏結完全破壞時,外荷載為84 kN,僅為未銹蝕試件的55.96%,加載過程中試件很快就喪失協同工作能力。

3 銹蝕鋼筋與混凝土黏結性能退化

為分析前文黏結試驗得到的數據,定義下面的退化系數:

(3)

(4)

式中:ατx(αsx)為銹蝕鋼筋混凝土黏結強度(加載端滑移)退化系數;τx(sx)為銹蝕鋼筋混凝土黏結破壞強度(加載端滑移);τ0(s0)為未銹蝕鋼筋混凝土黏結破壞強度(加載端滑移)。

3.1 黏結強度退化規律

圖8、圖9分別為箍筋不閉合組和箍筋閉合組的試件黏結性能退化情況。

圖8 箍筋不閉合組銹蝕鋼筋與混凝土黏結強度退化

圖9 箍筋閉合組銹蝕鋼筋與混凝土黏結強度退化

根據圖8,使用軟件Origin擬合得到箍筋不閉合組的試件黏結強度退化規律:

ατk=1-8.227φ

(5)

根據圖9,使用軟件Origin擬合得到箍筋閉合組的試件黏結強度退化規律:

ατb=1-2.889φ

(6)

由式(5)(6)可知,箍筋閉合表達式中自變量φ之前的常數為2.889,而箍筋不閉合表達式中自變量φ之前的常數為8.227,即箍筋不閉合試件的黏結強度退化速率比箍筋閉合試件的黏結強度退化速率更快,如預期銹蝕率1%的兩組試件的黏結強度之比為91.6%,預期銹蝕率5%的兩組試件的黏結強度之比就下降到70.9%。即混凝土試件內配箍筋能讓銹蝕鋼筋混凝土黏結性能的退化速度減緩。

3.2 加載端黏結滑移退化規律

圖10、圖11分別為箍筋不閉合組和箍筋閉合組試件的黏結加載端滑移退化情況。

圖10 箍筋不閉合組銹蝕鋼筋混凝土黏結加載端滑移退化

圖11 箍筋閉合組銹蝕鋼筋混凝土黏結加載端滑移退化

根據圖10,使用軟件Origin擬合得到箍筋不閉合組的試件黏結滑移退化規律:

αsk=1-21.57φ(0≤φ≤4.64%)

(7)

根據圖11,使用軟件Origin擬合得到箍筋閉合組的試件黏結滑移退化規律:

αsb=1-8.15φ(0≤φ≤12.27%)

(8)

對比兩組試件的銹蝕鋼筋與混凝土黏結滑移退化規律,箍筋閉合表達式中自變量之前的常數為8.15,而箍筋不閉合表達式中自變量之前的常數為21.57,試件混凝土內有閉合箍筋可以降低由鋼筋銹蝕導致的鋼筋與混凝土的黏結滑移退化的速度,降低試件因黏結失效發生脆性破壞的風險。

根據式(7)給出的黏結滑移退化表達式,銹蝕率超過12.27%時,計算得到黏結滑移退化系數小于零,即試件鋼筋與混凝土不能協同工作,可認為實際工程結構在鋼筋銹蝕率超過12.27%時,工程結構的鋼筋混凝土黏結失效,鋼筋與混凝土之間只有摩擦力。

4 結論

1) 半梁式黏結試驗現象:銹蝕率較低的箍筋閉合的試件為劈裂式破壞,同時試件梁體出現明顯的剪壓破壞,銹蝕率較高的試件為拔出式破壞;箍筋不閉合的試件黏結破壞時梁體僅出現黏結劈裂破壞,而試件梁體受彎破壞并不明顯。

2) 得到了銹蝕鋼筋混凝土的黏結性能數據,銹蝕率相近的箍筋閉合組試件的黏結強度和滑移性能均強于箍筋不閉合組試件,閉合的箍筋能夠強化試件黏結性能。

3) 得到了黏結性能試驗數據,并分析得到銹蝕鋼筋與混凝土黏結強度退化規律、銹蝕鋼筋與混凝土黏結滑移退化規律,試件混凝土內有閉合箍筋能降低銹蝕鋼筋混凝土的黏結強度退化速率。隨著銹蝕率的增長,黏結性能差距還將擴大,鋼筋銹蝕得越嚴重,試件混凝土內有閉合箍筋對黏結強度的增強作用越大。

4) 根據文中對黏結性能退化規律的分析,可認為工程結構的鋼筋銹蝕率超過12.27%時,黏結破壞,鋼筋與混凝土之間只有摩擦力。