工程水泥基復合材料與銹蝕鋼筋黏結性能研究

關鍵詞：工程水泥基復合材料；銹蝕鋼筋；拉拔試驗；黏結強度；黏結韌性指數

中圖分類號：TU502 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）01-090-08

工程水泥基復合材料（engineered cementitious composite， ECC）是一種具有拉伸應變硬化行為且極限拉伸應變超過3% 的高性能材料[1]，在單調和循環荷載下表現出優異的力學性能和裂縫控制能力[2]，正是因為ECC 優良的材料性能，在建筑加固修復領域得到了廣泛的應用[3?4]。復雜環境下，鋼筋混凝土結構內部鋼筋在碳化和氯鹽侵蝕作用下發生銹蝕，銹蝕產物破壞鋼筋與水泥膠體間的化學膠結力，體積膨脹導致混凝土保護層脫落降低了混凝土對鋼筋的約束作用，削弱甚至破壞鋼筋與混凝土之間的黏結錨固作用，造成結構的破壞[5?6]。為了保證結構的安全性和耐久性，需要對損傷的結構進行加固，在使用ECC 加固鋼筋銹蝕的混凝土結構時，ECC 與銹蝕鋼筋間良好的黏結性能是保證加固效果的前提。近年來，國內外學者通過改變纖維體積摻量、錨固長度和配箍率等參數對ECC 與鋼筋的黏結性能展開一系列試驗。劉曙光等[7]提出存在最佳纖維體積摻量使得黏結性能最好，黏結強度在一定范圍內隨保護層厚度的增大而增大。米淵等[8]提出黏結強度隨著黏結長度的增大而減小，隨著配箍率的提高而增大。Chao 等[9]提出纖維能夠有效增強鋼筋與基體的黏結強度和控制裂紋寬度，減小變形鋼筋與基體的錨固長度。蔡景明等[10]分析得出ECC中的纖維可以參與拉伸荷載的傳遞，使得鋼筋與ECC 的黏結強度更高。目前，針對ECC 與鋼筋的黏結性能研究日趨成熟，但對ECC與銹蝕鋼筋的黏結性能研究還不夠深入。

筆者以銀川地區的騰格里沙漠砂為細集料制備ECC，并對其進行了單軸拉伸、單軸壓縮力學性能試驗和耐久性試驗[11?12]。在此基礎上，進一步探究ECC與銹蝕鋼筋的黏結性能，通過中心拉拔試驗，研究鋼筋銹蝕率、黏結錨固長度、鋼筋直徑和纖維摻量等因素對鋼筋與ECC的黏結性能的影響。

1試驗概況

1.1原材料的力學性能

ECC所用材料分別是普通硅酸鹽水泥、騰格里沙漠砂、PVA纖維、粉煤灰、聚羧酸高效減水劑和水，纖維主要參數由廠家提供，如表1 所示；鋼筋的力學性能，如表2所示；試件同齡期力學性能，如表3所示。

1.2試件設計及試驗裝置

對12組ECC與銹蝕鋼筋中心拉拔試件和1 組混凝土與銹蝕鋼筋的對比試件進行黏結性能試驗，每組3個試件，控制變量是鋼筋銹蝕率、黏結錨固長度、鋼筋直徑和纖維摻量，試件主要設計參數，如表4 所示。為了保證鋼筋黏結錨固長度，試件尺寸分別取為150mm×150mm×150mm 和150mm×150 mm×200mm。鋼筋位于試件中心，鋼筋黏結錨固長度分別設置為5d、8d 和12d，在鋼筋錨固區兩端埋置PVC 套管以消除端部效應并控制錨固長度，試件澆筑前PVC管與鋼筋縫隙填充玻璃膠密封，防止漿體進入管內以保證鋼筋與混凝土的黏結長度，試件尺寸如圖1所示。中心拉拔試驗在1 000 kN 電液伺服萬能試驗機上進行，在鋼筋自由端和加載端分別對稱布置2個LVDT，以測量加載端和自由端鋼筋與試件的相對滑移。加載全程采用位移控制加載方式，加載速率為1mm/min，連續加載直至試件破壞；試驗后，取下試件觀察鋼筋拔出情況及混凝土裂縫展開狀況，確定試件的破壞形式及拔出類型，加載裝置如圖2 所示。

1.3加速銹蝕試驗方法

鋼筋銹蝕采用外加電流加速銹蝕法，根據法拉第定律控制鋼筋銹蝕率，預銹蝕鋼筋與直流電源正極相連，不銹鋼片與直流電源負極相連，氯化鈉溶液為傳輸介質，加速銹蝕鋼筋試驗裝置如圖3（a）所示，拉拔試驗結束后，將拉拔試件中鋼筋取出，截取黏結區段鋼筋如圖3（b）所示。通電時間t 由式（1）計算確定：

2黏結滑移機理分析

圖4是ECC與銹蝕鋼筋的典型黏結應力-滑移曲線，可分為微滑移階段（OA）、滑移階段（AB）、破壞階段（BC）和殘余階段（CD），對照組銹蝕鋼筋與混凝土的平均黏結應力-滑移曲線可分為上升階段（OE），下降階段（EF）和殘余階段（FG）。

1）微滑移階段（OA）：鋼筋開始滑移，銹蝕層結構被擠壓破壞，鋼筋與ECC間的膠結力減小，此時黏結應力主要取決于機械咬合力和握裹力，黏結應力-滑移曲線基本呈線性上升趨勢。

2）滑移階段（AB）：鋼筋周圍ECC產生不同程度的徑向裂縫，銹蝕產物被擠壓密實，鋼筋與ECC 間咬合齒逐漸被剪斷擠壓，ECC中的纖維被拔出或拉斷，吸收耗散鋼筋滑移過程中產生的能量，黏結應力-滑移曲線上升趨勢放緩，直至黏結應力到達峰值點（黏結強度）。

3）破壞階段（BC）：鋼筋與周圍ECC間的咬合齒基本被破壞，鋼筋與ECC 的滑移量迅速增大，機械咬合力和摩擦力隨之減小，接觸界面也逐漸被磨平。試件內部破壞情況如圖5 所示，試件破壞類型為剪切-拔出破壞，由于ECC 中的纖維抑制了混凝土中裂縫的發展，試件表面無明顯裂縫。

4）殘余階段（CD）：鋼筋連同螺紋間ECC被緩緩拔出，黏結應力主要取決于拔出界面滑動摩擦力，由于鋼筋的拔出界面趨向平滑，殘余黏結應力變化較小。

3影響黏結強度的因素

3.1鋼筋銹蝕率

圖6是不同銹蝕率下銹蝕螺紋鋼筋與ECC的平均黏結應力-滑移曲線，圖7 是不同銹蝕率下黏結強度對比。由圖可知，當銹蝕率由0增加到5%，試件黏結強度提高了6.5%，殘余黏結應力提高了10.37%，鋼筋銹蝕率較小時，銹蝕產物體積膨脹，ECC提供的握裹力增強，黏結強度和殘余黏結應力提高；當鋼筋銹蝕率由5%增加到15%，試件的黏結強度下降了20.04%，殘余黏結應力下降了57.91%，銹蝕率繼續增大時，螺紋鋼筋橫肋有效高度減小，黏結應力傳遞速度加快，機械咬合力減小，黏結強度降低。試件黏結強度和殘余黏結應力隨鋼筋銹蝕率的增加先增大后減小，說明存在鋼筋臨界銹蝕率使得試件黏結性能最好。

3.2黏結錨固長度

圖8為銹蝕率為10%時，不同錨固長度下平均黏結應力-滑移曲線。由圖可知，隨著錨固長度的增加，黏結強度減小，錨固長度5d試件的黏結強度是12d試件的1.81倍，這歸因于黏結應力在黏結錨固區域內沿鋼筋方向分布不均勻，隨著黏結錨固長度的增加，高應力區長度減小，從而黏結強度減小。

3.3鋼筋直徑

圖9為鋼筋銹蝕率10%時，不同鋼筋直徑下平均黏結應力-滑移曲線，圖10為試件黏結強度對比圖。由圖可知，鋼筋直徑增大，微滑移階段曲線上升斜率減小，黏結剛度減小。黏結強度和殘余黏結應力隨鋼筋直徑的增大明顯減小，鋼筋直徑18mm與10mm的試件相比，黏結強度和殘余黏結應力分別下降了48.81% 和58.06%，這是由于鋼筋的相對肋高和肋距隨鋼筋直徑的增大而減小，相對黏結面積也隨之減小，使得鋼筋與ECC之間的機械咬合力相對較小，黏結強度和殘余黏結應力降低。

3.4纖維摻量

圖11為鋼筋銹蝕率10%時，不同纖維摻量下平均黏結應力-滑移曲線對比圖。由圖可知，黏結強度隨纖維體積摻量的增加先增大后減小，纖維體積摻量為2%時，ECC與銹蝕鋼筋的黏結強度和殘余黏結應力最大。這是因為拉拔過程中黏結應力主要取決于ECC與鋼筋的機械咬合力和ECC對鋼筋提供的握裹力，纖維體積摻量2%時，ECC的綜合力學性能最優[13?15]。

4黏結韌性指數

美國材料與試驗協會（ASTM）C1018利用能量比值法計算黏結韌性指數[16]，文中依據能量比值法并結合ECC與銹蝕鋼筋平均黏結應力-滑移曲線的特點，提出適用于ECC與銹蝕螺紋鋼筋的黏結韌性指數計算方法，計算公式為

表5是黏結韌性指數的計算結果，在鋼筋直徑、鋼筋外形、銹蝕率相同情況下，黏結韌性指數I_1.0和I_0.5都隨纖維體積摻量的增加先增大后減小，在纖維體積摻量為2%時，黏結韌性指數最高，曲線最飽滿，纖維的增韌和阻裂效果最明顯。

5結論

1）ECC與銹蝕鋼筋的典型黏結應力-滑移曲線可分為微滑移階段、滑移階段、破壞階段和殘余階段。纖維的橋接作用大量吸收和耗散滑移過程中產生的能量，抑制了裂縫的發展，試件破壞類型為剪切-拔出破壞。

2）試件黏結強度和殘余黏結應力隨著鋼筋銹蝕率的增加先增大后減小，存在臨界鋼筋銹蝕率使得銹蝕鋼筋與ECC的黏結性能最好。

3）鋼筋銹蝕率為10%時，試件黏結強度隨鋼筋錨固長度和鋼筋直徑的增大而減小，其中，錨固長度5d試的黏結強度是12d試件的1.81倍。

4）隨著纖維體積摻量的增加，黏結韌性指數和黏結強度先增大后減小，纖維體積摻量2%時纖維的增韌和阻裂效果最明顯。