锈蚀钢筋混凝土黏结滑移试验研究

李福海，靳贺松，胡丁涵，张桂斌，李星烨

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

钢筋混凝土建筑主体结构的破坏大致可分为两类：第一类是非正常破坏，包括结构设计、施工不当和自然灾害等；第二类是正常破坏，根据其破坏机理，钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀和收缩开裂等是结构破坏的主要原因[1]。文献[2]指出，混凝土结构破坏的原因按重要性递减的顺序排列依次是：钢筋腐蚀、冻融循环破坏、侵蚀环境的物理化学作用。因此，开展锈蚀钢筋对混凝土影响问题的研究具有重要的工程实际意义和理论价值。

钢筋与混凝土间的黏结作用是二者协同工作的基本条件[3]，钢筋锈蚀后，其与混凝土的黏结性能明显劣化，将严重影响混凝土结构的安全性和耐久性[4]。国内外学者研究了混凝土中钢筋的锈蚀规律、机理及锈蚀对混凝土结构的损伤机理。文献[5]论述混凝土结构中钢筋的几种锈蚀机理及其破坏特征，给出几种混凝土结构中钢筋锈蚀的检测评定方法。文献[6]对试验结果进行分析，得出不同的锈蚀率及不同裂缝宽度下钢筋混凝土试件的黏结强度曲线。文献[7]通过对不同锈蚀程度的20个试块进行静力荷载与反复荷载拉拔试验，得到预应力钢筋混凝土的黏结性能退化规律，并研究锈蚀环境与反复荷载耦合作用下的钢筋黏结损伤机理。

尽管相关学者做了大量试验及理论研究并且获得了丰富的研究成果，但有多种因素综合影响锈蚀钢筋与混凝土的黏结性能，各影响因素与黏结力之间是复杂的非线性关系，且环境不同，各影响因素的影响程度也不同，尚需更细致的研究。本文借鉴已有研究成果，通过锈蚀钢筋混凝土试件拉拔试验，得到锈蚀钢筋混凝土的黏结滑移变化规律，提出较简单且实用的锈蚀钢筋混凝土黏结滑移模型。

1 试验概况

1.1 试验试件及内容

本试验共成型20个钢筋混凝土试件，分为4组(考虑到试验中的不确定因素，每组多成型2个)，以S-n编号，n表示组数。设计锈蚀率分别为0%、3%、6%、12%，实测锈蚀率用质量损失率来表示，即钢筋腐蚀前后质量的差值与钢筋腐蚀前质量之比。试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm，试件中心垂直放置一根长300 mm的变形钢筋，钢筋黏结长度为100 mm。另外，采用同批混凝土制作6个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的标准立方体试件进行混凝土抗压强度试验，所有试件在标准养护室内(相对湿度不小于95%，环境温度为(20±1)℃)养护28 d。钢筋混凝土试件和立方体试件抗压强度试验如图1、图2所示。

图1 钢筋混凝土及立方体试件

图2 立方体试件抗压强度试验

养护完成后，用石蜡对混凝土试件的持力端裸露钢筋进行包裹，将试件在5%NaCl溶液中预浸泡7 d，(使盐溶液充分浸入混凝土试块并使钢筋脱钝),随后进行电化学加速锈蚀。采用并联方式接线[8]，根据相关试验总结[9]，以0.25 mA/cm2电流密度控制电流。在试验过程中每隔一段时间添加同浓度的溶液，并用玻璃棒搅拌，保证溶液面与试件上表面持平且溶液均匀。通电时间达到预定值后，从盐溶液中取出试件，进行拉拔试验。拉拔试验在万能试验机上进行，为消除试件与夹具夹板间的静摩擦力，在夹板的表面涂抹黄油，在试件的持力端钢筋处安置千分表，采用位移控制的方式进行加载，加载速度为0.5 mm/min，定时读取钢筋滑移量与拉拔力。电化学加速锈蚀过程和拉拔试验如图3、图4所示。

图3 电化学加速锈蚀过程

图4 拉拔试验

1.2 试验材料

本试验混凝土设计强度为C40，混凝土的配合比水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.61∶1.56∶0.45，实测抗压强度见表1。水泥采用四川双马水泥有限公司生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥，各项性能指标均符合标准规定；砂子采用天然河沙，属于中砂，细度模数为2.7，颗粒级配良好；碎石采用成都市马龙石材厂的5～20连续级配碎石，最大粒径小于20 mm；拌合水采用成都市自来水厂提供的自来水，pH值为8.73；钢筋采用成都磊鑫建材有限公司的HRB400级变形钢筋，直径为20 mm。

表1 混凝土试件抗压强度

1.3 试验设备

采用成都市西南建材设备有限公司生产的JQ-50型单卧轴试验室混凝土搅拌机搅拌混凝土，如图5所示。

拉拔设备采用济南时代试金有限公司生产的WE-300D液压式万能试验机，最大拉力为1 000 kN，如图6所示。

图5 混凝土搅拌过程

图6 液压式万能试验机

2 试验结果

2.1 试验数据

钢筋混凝土试件拉拔试验主要结果见表2和图7,4组试件黏结应力-滑移曲线对比如图8所示。

表2 试验数据

表2(续)

图7 试件黏结应力-滑移曲线

图8 试件黏结应力-滑移曲线对比

2.2 试验现象及破坏形态

试验中，钢筋混凝土试件的破坏形态主要有两种。第一种为劈裂破坏，在锈蚀率较小或未锈蚀的情况下，当荷载达到最大值后，试件劈裂导致破坏，如图9(a)、图9(b)所示，此破坏突然发生，并伴有极大的声响，混凝土碎屑飞溅、裂为多瓣，主要原因是拉拔过程中，钢筋凸起的肋对其前部混凝土有挤压和剪切作用，当荷载增加时，其附近混凝土被压碎，在肋前形成斜面，当垂直于钢筋的分力大于混凝土劈裂抗拉强度时，试件发生脆性破坏。第二种为拔出破坏，在锈蚀率较大的情况下，当荷载达到最大拉拔力一半左右时，试件表面出现沿钢筋方向的裂缝，随着荷载增加，裂缝逐渐变多变长变宽，达到最大拉拔力后，荷载处于下降阶段时，裂缝明显变宽变长，试件最终因钢筋拔出而破坏，如图9(c)所示。

图9 试件破坏形态

3 钢筋锈蚀对黏结滑移的影响

3.1 黏结强度降低系数

黏结强度降低系数η为锈蚀试件黏结强度实测值与对应的未锈蚀试件黏结强度之比。本文中，钢筋与混凝土界面上的平均黏结应力τ为

τ=F/(πdl)

( 1 )

式中：F为拉拔力，N；d为钢筋直径，mm；l为黏结长度，mm。

由于本试验缺少低锈蚀率和高锈蚀率的试验数据，部分数据(锈蚀率δ<3%，δ=9%，δ=15%)取自文献[10-12]，绘制锈蚀率δ与极限黏结强度降低系数ηu关系曲线，如图10所示。从图10可见，极限黏结强度降低系数随锈蚀率的增加先增大后逐渐减小，在锈蚀率为1%附近达到最大值，在锈蚀率为3%附近又减小到1，因此以3%为分界点，利用数据分析软件SPSS回归分析试验数据，拟合得到δ和ηu的关系式为

( 2 )

图10 极限黏结强度降低系数

因此，不同锈蚀率条件下极限黏结强度与未锈蚀条件下极限黏结强度的关系可以表示为

( 3 )

3.2 滑移比

滑移比n为锈蚀钢筋混凝土试件黏结强度实测值对应的滑移量与相应的未锈蚀钢筋混凝土试件黏结强度对应的滑移量之比。当钢筋混凝土试件到达极限抗拉强度时，锈蚀率对钢筋自由端和加载端的相对滑移值有较大影响，且锈蚀率与钢筋混凝土试件自由端出现滑移的时间也有关[11]。通过对数据曲线的观察，随着锈蚀率的增加，滑移比呈逐渐减小趋势。利用数据分析软件SPSS对试验数据进行回归分析，并利用多种函数形式进行曲线拟合，发现指数函数能较好拟合试验数据并预测数据趋势，由此得到锈蚀率与混凝土极限滑移比的关系，见式( 4 )，绘制锈蚀率δ与极限滑移比nu关系曲线如图11所示。

nu(δ)=e-0.077 7δ

( 4 )

图11 滑移比与锈蚀率关系曲线

因此，锈蚀钢筋混凝土极限滑移量与未锈蚀钢筋混凝土极限滑移量关系可表示为

( 5 )

4 锈蚀钢筋混凝土黏结滑移本构关系

本文以现有钢筋混凝土黏结本构关系为基础，根据不同锈蚀率试件试验结果，考虑黏结强度降低系数与滑移比的影响，建议锈蚀钢筋混凝土的黏结本构关系为

( 6 )

未锈蚀钢筋混凝土的黏结滑移本构关系取文献[14]中的钢筋-混凝土黏结滑移本构关系，如图12所示。将式( 6 )带入该模型，得到锈蚀钢筋混凝土黏结应力-滑移曲线特征点的参数值为

( 7 )

式中：ft,r为混凝土的抗拉强度特征值，N/mm2；d为钢筋直径，mm。

图12 黏结应力-滑移曲线

对相同设计锈蚀率的3个混凝土试件计算平均实测锈蚀率、平均滑移值和平均黏结强度，按平均实测锈蚀率绘制黏结应力-滑移曲线，与式( 7 )的本构关系理论计算值进行比较，如图13所示。

图13 τ-s对比曲线

图13表明，不同锈蚀率下每组试件的黏结滑移试验值与本文提出的本构关系计算值在线性段与劈裂段吻合较好，因本文试件未加箍筋且黏结长度较短，故与理论下降段和残余段未有较好吻合。该模型公式简单，宜用于实际工程。

5 结论

(1)通过电化学加速锈蚀试验所得锈蚀率与设计锈蚀率相比偏低，这与文献[8]的结论一致，通过此方法试验时应将试件预浸泡一定时间使其脱钝并保护好裸露端钢筋，以达到接近设计锈蚀率的目的。

(2)锈蚀钢筋混凝土试件的破坏形态主要有两种，一种是锈蚀率较小时的劈裂破坏；第二种是锈蚀率较大时的拔出破坏，此破坏形态的极限拉拔力远小于劈裂破坏，因此在工程中须严格控制钢筋的锈蚀。

(3)随着锈蚀率的增加，试件的极限拉拔强度呈先增加后缓慢降低的趋势，约在锈蚀率3%处达到最大值。同时，最大拉拔荷载下滑移量逐渐减少。通过对试验数据的分析，得到极限黏结强度降低系数ηu、极限滑移比nu的表达式。

(4)本文在对现行《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》中钢筋混凝土的黏结滑移本构关系分析的基础上，利用ηu和nu修正，得出锈蚀钢筋混凝土的黏结滑移本构关系，再次验证发现理论值与试验值基本吻合。