静载下腐蚀后钢纤维混凝土粘结性能试验研究

王海超，王飞飞，孙芳宁，张风风，高淑玲

（1.山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590；2.青岛工学院 建筑工程学院，山东 青岛 266300；3.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401）

随着我国经济的发展，近海结构工程和地下空间结构日趋增多.由于结构处于不同程度的腐蚀环境，这就对结构耐久性提出更高的要求.钢纤维混凝土由于钢纤维的加入改善了混凝土基体的力学性能和抗腐蚀能力，同时也提高了钢筋与钢纤维混凝土的粘结强度.定量描述钢纤维对混凝土粘结性能影响的文献报道，目前尚不多见.

钢筋锈蚀后会使得混凝土的粘结性能降低[1]，由于钢纤维的加入，能有效地防止钢筋的进一步锈蚀，同时增强了混凝土与带肋钢筋的机械咬合力，对提高其粘结强度具有重要影响，应用钢纤维混凝土与腐蚀环境中的结构构件，研究其腐蚀后的粘结性能具有一定的理论意义和应用价值.因此，本文通过制作的钢纤维混凝土梁式粘结试件，针对不同钢纤维混凝土强度等级、不同钢纤维体积率、不同钢筋锈蚀率以及不同的静力加载水平等进行实验设计，研究腐蚀后钢筋与钢纤维混凝土粘结强度之间的关系.

1 试验概况

1.1 试件及制作

本研究采用正交试验设计，采用四点弯梁式试件[2-3]测试钢纤维混凝土的粘结性能[4]，如图1所示：试件尺寸100mm×100mm×400mm，加载段长2=350m.支座端和钢筋加载端各有一无粘结段，用PVC管将钢筋和钢纤维混凝土隔离，且用环氧纱布包裹内部钢筋[5]（如图2），中间粘结段长度为3=60mm.

图1 粘结试验梁（mm）Fig.1 Adhesion testbeams

考虑的影响因素为试验梁的混凝土强度等级、钢筋的锈蚀率、钢纤维体积率.每个因素取3个水平，根据研究经验，取混凝土强度等级为C30、C40、C50；钢纤维体积率为0%、1.0%、1.5%；钢筋的锈蚀率为0%、3.0%、5.0%.使用HRB335钢筋，直径 =12mm，屈服强度417MPa，极限强度635MPa，钢纤维采用剪切型钢纤维（弯钩形），圆形截面，长度为40mm，直径为0.3mm，抗拉强度大于600N/mm2.

混凝土基体材料采用42.5级普通硅酸盐水泥、普通中砂、普通碎石，最大粒径10～25mm；聚羧酸高效减水剂；由于腐蚀和静动载试验有许多不确定性，因此试件的数量要比实际需要多20%.混凝土配合比设计如下.C30：水泥252，粉煤灰168，水181，砂子666，石子999，减水剂10.5；C40：水泥240，粉煤灰240，水168，砂子630，石子985，减水剂10.56；C50：水泥300，粉煤灰180，水168，砂子622，石子1 015，减水剂 10.42.其单位（kg/m-3）.

图2 裹环氧纱布的钢筋Fig.2 Wrapped in gauze reinforced epoxy

1.2 钢筋加速腐蚀方法

通过电化学腐蚀方法来加速钢筋的锈蚀[6]，试验中采用恒直流电源，将试验梁的纵向钢筋与电源正极相连，不锈钢板与电源负极相连[7]，构成电化学腐蚀电路.

钢纤维在混凝土中是随机乱向分布的，其尖锐性和较大的比表面积，在溶有氯离子的含水腐蚀环境中，由于其电位低于钢筋，因此将首先发生腐蚀，可以起到保护钢筋的作用；当把钢筋作为阳极接通直流电时，钢筋和钢纤维都有一定的腐蚀发生，实验表明，与没有掺加钢纤维的试件比较，其钢筋的腐蚀程度有所降低.

1.3 静载四点弯试验梁的粘结试验

采用四点弯曲粘结试验来测定荷载-滑移曲线，同时在梁的两侧粘贴钢板加固，保证试件钢筋与混凝土界面发生粘结滑移，防止因抗剪承载力不足，构件提前发生剪切破坏[8].

试验中当观察到试验梁的任意半段钢筋与钢纤维混凝土的界面发生完全的粘结滑移破坏时，即认为该构件已完全破坏.

2 研究与分析

2.1 锈蚀状况

相同腐蚀条件下，经观察分析实验现象可知：1）腐蚀120h后，掺加钢纤维的钢筋混凝土梁外表面腐蚀现象明显，而普通钢筋混凝土梁外表面腐蚀现象不明显；2）腐蚀120h的钢纤维混凝土梁外表面锈迹比腐蚀72 h的试验梁严重的多；3）钢纤维含量越多，试验梁外表面腐蚀现象越明显.详见图3.

2.2 粘结强度

试件受力图4，总荷载 作用下钢筋的应力以及钢筋与钢纤维混凝土界面的粘结应力，分别表示为：

图3 钢纤维混凝土腐蚀72 h后试验梁表观现象Fig.3 Corrosion of steel fiber reinforced concretebeamsapparent phenomenon 72h after test

图4 试件受力分析简图Fig.4 Mechanicalanalysisdiagram of specimen

其中： 为钢筋的表面积， 为钢筋的横截面积.假设 为钢筋直径， 为钢筋数量，5为粘结长度，得：

由上式计算粘结应力，结果汇总见表1.

由表1中的数值，分析可知：C30混凝土、未锈蚀、钢纤维掺量为1.5%时极限强度和粘结应力达到最高；C40混凝土、平均实测锈蚀率2.62%、钢纤维掺量1%时滑移量最大；这与定性分析的结果基本是一致的.

由图5得：1）空白试件当锈蚀率达到3%时，粘结强度最高，5%时粘结强度最低；这与一般锈蚀钢筋混凝土试件的研究结论是一致的.2）对于钢纤维掺量为1%的粘结试件，未锈蚀时其粘结强度高于空白试件，低于1.5%钢纤维掺量的试件，这是正常的，主要是抗拉强度的作用；当锈蚀率在3%时，掺钢纤维的试件比空白试件的粘结强度低，这可能是钢纤维在基体中的弹性刚度影响了材料的自然堆积状态.3）随着锈蚀率的不断增加，后期出现裂缝，粘结强度降低.4）根据本实验数据得掺加钢纤维的混凝土粘结强度，随锈蚀率的增大先降低后增加，这与钢纤维的锈蚀率有一定关系.

由表2可以看出：混凝土强度越高、钢纤维掺量越大，未锈蚀的试件极限荷载越大、粘结强度高；C40混凝土在较大的锈蚀程度和未掺加钢纤维的试件滑移量最大.

表1 试验结果汇总表Tab.1 The test resultsare summarized in table

3 试验研究结论

掺有钢纤维的试件粘结强度高，极限荷载随钢纤维体积率的增大而增大，对滑移量影响也很大；有锈蚀影响的情况下，锈蚀率对极限荷载和粘结强度有很大的影响，相同锈蚀情况下，有钢纤维的试件粘结强度要大些；钢纤维的加入，对提高试件的抗腐蚀性能和粘结强度是十分有效的.

表2 粘结滑移因素影响分析Tab.2 Analysisof factorsaffecting the bond-slip

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