钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度退化规律及计算方法研究*

邹正浩， 杨国姣， 吴 瑾， 苏 天

(1 宜春学院土木工程系， 宜春 336000； 2 南京航空航天大学土木与机场工程系， 南京 210016)

0 引言

混凝土中的钢筋锈蚀研究是分析现有结构性能退化的关键工作之一[1]。混凝土结构中钢筋锈蚀的危害主要有以下三个方面[2-4]：1)降低了结构的承载力；2)降低了结构的刚度；3)降低了结构的延性。从近些年已取得的研究成果来看，混凝土中钢筋锈蚀的研究主要集中在钢筋锈蚀的机理、钢筋锈蚀的速度、钢筋锈蚀的程度以及钢筋锈蚀后的防护和力学性能等[5-6]。

再生混凝土结构是再生混凝土应用的一个重要方面，近年来国内外关于再生混凝土结构性能研究已取得了一定的成果，但是，关于这方面基础理论还有待进一步的研究[7]，再生混凝土结构性能退化问题特别是钢筋锈蚀后再生混凝土结构的力学性能研究还比较少，现有文献，如雷斌[8]、曹芙波[9-10]、宋永吉[11]、YE TAOPING[12]、王晨霞[13]有过相关报道。但这些文献中仅有雷斌[8]和王晨霞[13]通过粘结滑移理论提出了正截面抗弯承载力计算公式和弯曲刚度计算公式，试验研究也并不够系统，试件数量相对较少，有待更深入的研究。

本文通过试验对钢筋锈蚀再生混凝土梁抗弯性能进行了研究，并基于纵筋截面面积减小的几何条件，推导了钢筋锈蚀再生混凝土梁弯曲刚度退化计算方法。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验中浇筑再生混凝土使用的原材料均相同。水泥为P.Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，水为自来水，细骨料为天然河砂，再生粗骨料来自南京市某建筑垃圾处理厂，骨料性能和压碎指标见表1。

再生粗骨料的性能及压碎指标 表1

1.2 配合比

试验设计再生混凝土强度等级为C30，为达到预定强度，选择了4组再生混凝土的配合比进行试配，每组3个试块，见表2。试配后将试块标准养护28d，最后决定采用水灰比为0.4进行试验。

试配配合比和28d抗压强度 表2

1.3 试件尺寸

试验梁截面尺寸设计均为120mm×200mm，长度均为1 500mm。抗弯梁底部配置2根直径10mm的HRB400级热轧螺纹钢筋，在梁端部弯折并预留体外段，用于梁的锈蚀通电。架立筋采用2根直径6mm的HPB300级钢筋，箍筋采用直径6mm的HPB300级钢筋，间距60mm，跨中段不配置箍筋。试件尺寸和配筋如图1所示。

图1 试件尺寸和配筋

1.4 通电加速锈蚀

为了使纵筋在较短时间内达到理想的锈蚀率，试验采用电化学方法对纵筋加速锈蚀。具体方法如下：将梁养护28d后，浸入5%NaCl溶液中，待充分润湿，将连接纵筋的导线与恒压恒流源的阳极相接，阴极与没入溶液的不锈钢条连接，通过NaCl溶液形成回路，使阳极的纵筋锈蚀，如图2所示。

图2 钢筋加速锈蚀

为保证通电过程中只锈蚀纵筋，在纵筋和箍筋搭接处、箍筋与架立筋搭接处须采取绝缘措施，如图3所示。

图3 纵筋与箍筋搭接部分绝缘

由法拉第电磁定律可知，钢筋的锈蚀程度与通电时间和电流大小有关，为使加速锈蚀的结果与实际比较接近，试验选取电流为1mA/cm2。本试验预计得到8个不同的纵筋锈蚀率，分别为0%，1%，3%，5%，7%，9%，11%，13%。不同锈蚀率下梁的通电时间和最后实际测得的锈蚀率见表3。

钢筋锈蚀时间和实测锈蚀率 表3

1.5 加载

本试验为简支梁静载试验，采用千斤顶手动加载，荷载大小由压力传感器控制，通过一个分配梁将荷载对称地施加到混凝土梁上。在梁跨中、加载点分别布置位移计，测定构件的挠度和整体变形。在梁跨中截面处平均粘贴5个应变片，以测量混凝土应变，钢筋应变由电阻应变片测量。

由于本文采用通电法对纵筋进行加速锈蚀，不可避免会破坏内贴的纵筋应变片。因此，本试验采用后贴法粘贴纵筋应变片。具体步骤为，在绑扎钢筋笼的时候，在纵筋正中的位置预先绑扎一小块硬泡沫塑料。当加速锈蚀试验结束后，首先凿除一小孔混凝土找出跨中预留泡沫的位置。随后，用微型打磨机将纵筋打磨光滑，用无水酒精清洗钢筋表面。用胶将连着引线的应变片与纵筋粘贴，用保鲜膜覆盖，将多余的胶水挤出。待胶干后，用环氧树脂将空洞密封，以保护应变片和补强开孔处截面刚度。

2 试验结果与分析

2.1 破坏模式

加载过程中梁的破坏特征见表4。由表可知，加载过程中，再生混凝土梁破坏时的极限承载力随锈蚀率的增加而减小，当钢筋屈服后，梁的挠度迅速增加，裂缝持续开展，当裂缝宽度达到1.5mm时，即判定梁弯曲破坏，破坏时裂缝分布见图4。

梁的破坏特征 表4

图4 极限破坏时裂缝形态分布

当锈蚀率较小时，如再生混凝土梁RC-F0和RC-F1，大约在5%极限承载力时，再生混凝土梁在纯弯段内开始出现裂缝；当外荷载增加到极限承载力的50%左右时，数条裂缝已延伸至形心轴的位置；当外荷载增加至极限承载力的55%～70%时，此时纯弯段裂缝宽度约0.1mm 左右；外荷载进一步增加到约80%极限承载力时，纯弯段内的裂缝均逐渐变宽，宽度约0.2～0.3mm左右；当外荷载达到极限承载力时，纯弯段裂缝宽度达到1.5mm 以上，梁宣告破坏，破坏形态为适筋梁弯曲破坏。

当锈蚀率进一步增大，如再生混凝土梁RC-F3，RC-F7，RC-F5和RC-F9，由于锈蚀导致的钢筋和混凝上之间的粘结性能退化，减弱了钢筋与混凝土的应力传递，梁在加载过程中竖向裂缝变得稀少，间距增大，靠近支座处的斜裂缝逐渐与沿受拉主筋方向的纵向裂缝连接。当荷载达到极限承载力的80%时，纯弯段内某一条裂缝宽度急剧发展，其他裂缝发展缓慢。当荷载达到极限承载力时，纯弯段内最大裂缝宽度达到1.5mm，梁宣告破坏。

当锈蚀率较大时，如再生混凝土梁RC-F13和RC-F11，破坏时较宽的竖向裂缝更为稀少。梁底裂缝往往仅某一处发展，梁破坏时仅此处的裂缝很明显，钢筋不能充分发挥其塑性性能，延性降低。斜裂缝数量较少，但宽度较大。裂缝分布有向跨中靠拢的趋势。

2.2 荷载-跨中挠度

不同锈蚀率下，梁荷载-跨中挠度关系曲线如图5所示。从图中可以看出：荷载-跨中挠度曲线可分为两个阶段：1)梁正截面开裂前至纵筋屈服，此阶段跨中挠度随荷载增加而增加，成线性关系；2)纵筋屈服后至试件破坏，此阶段荷载基本不变，挠度线性增加。

图5 荷载-跨中挠度曲线

不同荷载下，梁跨中挠度与纵筋锈蚀率关系曲线如图6所示。可以看出，当荷载较小时，随着纵筋锈蚀率的变化，再生混凝土梁跨中挠度变化不大。荷载继续增大，接近极限承载力(75kN)时，跨中挠度随纵筋锈蚀率的增大而增大的趋势已变得比较明显。由此可知，再生混凝土梁的刚度因纵筋锈蚀发生了一定的退化。导致刚度退化的主要原因是再生混凝土梁截面和纵筋横截面积减小以及二者之间粘结性能的退化。由于粘结作用降低，受拉钢筋的应变趋于均匀，使裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数增大，跨中挠度随之增大。

图6 跨中挠度与纵筋锈蚀率关系

3 钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度Bs的计算方法

3.1 未锈蚀时再生混凝土梁刚度Bs的计算方法

肖建庄[14]、雷斌[15]和叶强[16]等对未锈蚀的再生混凝土梁刚度进行了具体研究，结论是《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中的短期刚度计算公式对再生混凝土不再适用，并给出了建议公式，分别拟合了公式中相关参数的值，见表5。

再生混凝土梁刚度计算模型 表5

3.2 基于文献[16]的刚度修正计算方法

根据材料力学，在本试验中，按叠加原理可以计算千斤顶荷载为P时弯曲刚度Bs实测值Bs实与跨中挠度f的关系为：

(1)

式中l为支座间距。

根据表5拟合的未锈蚀再生混凝土梁刚度公式，将未锈蚀的钢筋截面面积As替换为锈蚀后的钢筋截面面积As′，未锈蚀的钢筋应变不均匀系数ψ替换为锈蚀后的钢筋应变不均匀系数ψ′；未锈蚀的梁截面内力臂系数η替换为锈蚀后的梁截面内力臂系数η′，可推导得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁弯曲刚度的理论计算公式为：

(2)

式中：Es为钢筋弹性模量；As′为钢筋锈蚀后截面面积；h0为梁截面有效高度；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值；b为梁宽度；ψ′为钢筋锈蚀后的应变不均匀系数；η′为钢筋锈蚀后梁截面的内力臂系数；ζ为受压区平均应变综合系数。

假设纵筋均匀锈蚀，采用平均锈蚀率，则纵筋锈蚀后的几何关系为：

(3)

式中：ω为铁密度；L为纵筋长度；mL为钢筋锈蚀前重量；ρ为钢筋锈蚀率。

根据式(3)可得钢筋在均匀锈蚀理想状态下有：

As′=As(1-ρ)

(4)

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)和文献[16]拟合的各参数计算方法，可得：

(5)

式中M为千斤顶荷载为P时跨中截面弯矩。

根据文献[16]拟合的计算方法，在本试验中，纵筋锈蚀后再生混凝土梁截面内力臂系数η′取计算平均值0.93。

因此，将式(4)，(5)代入式(2)解得纵筋锈蚀后再生混凝土梁弯曲刚度理论计算式为：

(6)

式中：h为梁实际高度；fcu为再生混凝土抗压强度。

表6给出了不同荷载下刚度实测值与用式(6)计算的刚度结果的比值Bs实/Bs′，由表6可知，两者有差异但差异不大，存在差异的原因是式(4)的锈蚀钢筋几何关系是均匀锈蚀理想状态下得到的，实际中钢筋锈蚀并非均匀，存在点蚀或未锈段。因此，引入弯曲刚度纵筋锈蚀影响系数γB，使实测值Bs实与式(6)理论计算值Bs′满足式(7)的关系，计算得到γB与纵筋锈蚀率ρ拟合关系如图7所示。

Bs实=γBBs′

(7)

刚度实测值与计算值的比值Bs实/Bs′ 表6

图7 弯曲刚度纵筋锈蚀影响系数γB与纵筋锈蚀率ρ关系

由图7拟合曲线可知，再生混凝土梁弯曲刚度纵筋锈蚀影响系数γB表达式为：

(8)

因此，将式(6)，(8)代入式(7)得到纵筋锈蚀再生混凝土梁实际弯曲刚度可按下式计算：

(9)

3.3 刚度修正计算方法的验证

为了验证所得计算公式适用性，整理了王晨霞[13]的锈蚀再生混凝土梁试验的部分数据，结果对比如表7所示。从表中可知，刚度计算值与试验值接近，说明修正计算方法适用性良好。

弯曲刚度修正计算式验证 表7

4 结论

本文进行了钢筋锈蚀再生混凝土梁的静载试验，并探讨了不同锈蚀程度的试验梁的破坏过程和破坏模式、裂缝分布规律、荷载-跨中挠度曲线以及再生混凝土梁弯曲刚度退化规律。基于钢筋锈蚀后截面面积减小的几何条件进行推导，引入弯曲刚度纵筋锈蚀影响系数，推导了钢筋锈蚀再生混凝土梁弯曲刚度退化计算方法。通过试验和分析得到如下结论:

(1)再生混凝土梁破坏时的极限承载力随锈蚀率的增加而减小。

(2)当锈蚀率较小时，再生混凝土梁破坏形态为适筋梁弯曲破坏；当锈蚀率进一步增大，由于锈蚀导致的钢筋和混凝上之间的粘结性能退化，减弱了钢筋与混凝上的应力传递，梁在加载过程中竖向裂缝变得稀少，间距增大，靠近支座处的斜裂缝逐渐与沿受拉主筋方向的纵向裂缝连接；当锈蚀率较大时，再生混凝土梁破坏时较宽的竖向裂缝更为稀少，钢筋不能充分发挥其塑性性能，延性降低，裂缝分布有向跨中靠拢的趋势。

(3)当荷载较小时，随着纵筋锈蚀率的变化，再生混凝土梁跨中挠度变化不大，荷载继续增大，接近极限承载力时，跨中挠度随纵筋锈蚀率的增大而增大的趋势已比较明显。由此可知，再生混凝土梁的刚度因纵筋锈蚀发生了一定的退化。

(4)基于纵筋锈蚀后截面面积减小的几何条件，推导了钢筋锈蚀再生混凝土梁弯曲刚度退化计算方法。