冻融后钢筋与混凝土的粘结性能研究进展

熊 拓 新

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

1 概述

冻融作用会破坏钢筋和混凝土之间的粘结性能，是寒冷地区的钢筋混凝土结构破坏最主要的因素[1]。近年来，混凝土结构的抗冻性研究已成为土木工程研究中的热点，人们越来越重视混凝土的抗冻性对社会效益和经济效益的影响，尤其是对工程安全性的影响。研究冻融循环后钢筋与混凝土之间的粘结性能，能为严寒地带的钢筋混凝土建筑物进行抗冻耐久性能设计及对遭到冻融破坏建筑物的维修加固提供试验依据和理论指导。本文通过文献查阅与分析，主要对冻融后钢筋与混凝土粘结性能进行综述，期望对相关内容的研究提供有价值的参考。

2 冻融循环下粘结强度的影响因素

冻融作用使得内部毛细孔结构体积发生膨胀，在孔周围的微观结构中产生拉应力，导致裂缝的产生[2]。随着冻融破坏的加剧，裂缝不断延伸。研究表明：冻融作用后，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗剪强度以及弹性模量、泊松比和剪切模量均会受到不同程度的影响[3,4]，混凝土力学性能均呈下降趋势[5]，冻融对混凝土强度特性的影响较为明显，循环次数越多，下降程度越大[6,7]。

2.1 冻融循环次数

随着冻融循环次数的增多，毛细孔孔隙和孔隙压力引起的微裂缝逐渐增大，不断扩展至互联相通，使得钢筋与混凝土之间的粘结性能下降。研究人员开展了冻融循环次数对粘结强度的试验，结果显示：钢筋直径为12 mm～20 mm的混凝土粘结试件，在相同抗冻性的前提下，经过0次～300次冻融循环作用，粘结强度下降，且受到的循环次数越多，粘结强度下降幅度越大[8]。

2.2 混凝土强度

由于组成粘结力的三个组成部分：胶结力、摩阻力和机械咬合力都与水泥体的强度有关，所以粘结强度会受到混凝土强度的影响，一般与混凝土的抗拉强度成正比[9]。在混凝土强度相同的条件下，混凝土水灰比越大粘结强度越低。

光圆钢筋受到混凝土强度的影响较小，这主要是由于粘结力主要由胶结力组成，很快会被光圆钢筋所受的拉拔力破坏，导致光圆钢筋拔出，即使混凝土强度上升粘结强度依然较低，不易发生劈裂粘结破坏；对于带肋钢筋，随着混凝土强度增加，钢筋肋与混凝土之间的机械咬合力有较大幅度的上升，粘结强度增加且粘结强度相对应的滑移量减少，易发生劈裂粘结破坏。

2.3 钢筋表面形态

不同的钢筋种类其表面形态差异较大，其对粘结强度有不同的影响。由于变形钢筋肋的存在，变形钢筋肋与混凝土之间的粘结强度要比光圆钢筋大得多，不同几何参数的肋也会得到不同的粘结强度[10]。

钢筋的表面粗糙度会随着锈蚀而增加，对于光圆钢筋而言，在混凝土锈蚀胀裂的前期，粘结强度会有一定幅度的提高；但是对变形钢筋而言，肋与混凝土之间的咬合面积由于锈蚀减少了，降低了主要组成粘结力的机械咬合力的大小，所以粘结性能下降[11]。

2.4 箍筋配置

在混凝土中配置箍筋可以增大粘结应力并保证粘结试件不发生劈裂破坏。箍筋的约束作用，可以使钢筋混凝土结构的轴心抗压强度、结构的延性能有所提升[12]，在纵向劈裂裂缝产生后继续保持对钢筋的约束作用。箍筋对粘结强度的影响主要体现在箍筋截面面积Asv和箍筋间距Ssv，结果显示：粘结强度与箍筋截面面积成正比，与箍筋间距成反比，即粘结强度与配箍率ρsv=Asv/cSsv呈正比关系。

以上为影响冻融后混凝土粘结性能的主要几种因素，目前开展的研究一般考虑单因素或较少几个因素作用，多因素共同作用由于工作量大、难度高，开展的较少。针对上述问题，建议开展微观机理方面更加深入的研究，给出多个因素对粘结强度的影响规律。

3 改善冻融后粘结性能的措施

3.1 混凝土强度

提高混凝土的强度可以整体提高钢筋与混凝土之间的胶结力、摩阻力、机械咬合力，增强钢筋与混凝土之间的粘结应力和协同作用，从而提高粘结强度。

3.2 引气剂

冻融后钢筋与混凝土的粘结强度还与制备混凝土时是否添加引气剂等外加剂有关[13]。最常用来提高混凝土耐久性能的方法是加入引气剂。引气剂的添加可以十分有效地改善混凝土的内部孔结构，加了引气剂的混凝土相对未加引气剂的混凝土而言多了许多微小而均匀的气泡，在冻融环境下这些气泡可以有效防止由于冻胀引起的裂缝，增强粘结性能。但是引气剂的添加量不能过大，过高的含气量会降低混凝土的强度，有抗冻要求混凝土的含气量应符合JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程中的要求。

4 冻融后粘结强度的计算

研究者根据试验以及理论推导提出了钢筋与混凝土粘结强度的计算公式，研究冻融后钢筋与混凝土粘结性能的学者多在普通混凝土粘结强度公式的基础上，结合冻融循环作用的机理，提出改进后的粘结公式，但是由于粘结破坏的机理较为复杂，试验中影响试验结果的因素太多，始终很难形成统一的计算公式，下面统计归纳了不同试验因素下粘结强度的计算公式[14-17]：

式中：ft——混凝土抗拉强度；

fcu——混凝土抗压强度；

τu——粘结强度;

c——保护层厚度;

d——钢筋直径；

μ——摩擦系数,取0.4；

β——滑移面与钢筋纵轴夹角,取20°～45°；

la——钢筋与混凝土锚固长度；

Asv——箍筋截面面积；

Ssv——箍筋间距；

τ0——无箍筋无保护层时的粘结强度；

Kcon——混凝土保护层增强系数；

Kst——箍筋增强系数；

ρst——配箍率；

N——冻融次数；

ftN——N次冻融后的抗拉强度。

5 结语

1)冻融循环作用通过破坏混凝土内部孔结构使混凝土受损，遭受冻融破坏的混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘结强度等力学性能均会下降，且冻融次数越多，衰减幅度越大。总结分析了影响冻融后钢筋与混凝土粘结强度的因素。

2)考虑到冻融对混凝土结构的破坏作用，本文总结了改善混凝土抗冻性、提高粘结性能的措施，并给出进一步研究方向。

3)计算冻融后钢筋与混凝土的粘结强度的公式形式有多种，考虑因素也有所不同，因此还需要探究各影响因素之间的关联性，提出简单易行的计算公式，为冻融后钢筋混凝土的设计提供计算依据。

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