除锈方法对钢筋与混凝土粘结性能的影响试验研究*

商怀帅，李树良，张 程，胡 滨，郑 素，张慢慢

(1 青岛理工大学土木工程学院， 青岛 266033；2 中铁二十四局集团有限公司轨道交通分公司， 上海 200071)

0 引言

对于停建、缓建的钢筋混凝土工程来讲，由于受环境因素影响，裸露在混凝土外部的钢筋不可避免发生锈蚀现象，锈蚀后的钢筋截面会减小，在承受相同荷载作用下，锈蚀钢筋实际承受应力有较大变化；且受锈蚀影响，钢筋和混凝土之间的极限粘结应力也发生变化，如果项目复工时对于这些锈蚀问题不加处理，必定会影响到整个工程的质量。目前，钢筋锈蚀产生的种种危害已经引起世界各国研究者的关注[1]。张白等[2]通过试验研究得出：当锈蚀率小于2.22%时，钢筋和混凝土的极限粘结应力随着锈蚀率的增加而增大；但当锈蚀率超过3.46%时，钢筋和混凝土的极限粘结应力出现明显衰退。张勇君等[3]提出了停建、缓建工程在复工前钢筋除锈处理的重要性和应该采取的除锈措施。陈嘉帅等[4]通过对除锈剂除锈后的钢筋进行拉伸试验，研究了钢筋的力学性能退化规律，发现钢筋的名义屈服极限强度退化速率随钢筋直径变化不敏感，随锈蚀率的增大呈线性退化关系。戴兵等[5]研究表明，随着荷载的增大，粘结应力的峰值有向自由端漂移的趋势。

因此，对于停建、缓建的钢筋混凝土工程，复工前需要对外露的钢筋进行除锈处理，以保证钢筋表面无锈蚀和油污等非正常现象。目前，工程常见的除锈方法有除锈剂浸泡、角磨机打磨、抛丸、喷砂、化学试剂除锈等，不同除锈方法的适用范围和优缺点各有不同[6]。目前，对使用不同方法除锈后钢筋与混凝土之间粘结性能影响的试验研究相对较少，因此对不同除锈方法的除锈效果和对钢筋和混凝土之间的粘结性能影响的研究是十分必要的。本文选取3种工程上常见的除锈方法(角磨机除锈、除锈剂除锈和抛丸机除锈)对不同锈蚀程度的钢筋进行除锈，然后对除锈后钢筋与混凝土的粘结性能进行了试验研究，分析除锈方法对除锈后钢筋和混凝土粘结性能的影响。

1 试验设计

1.1 试验原材料及混凝土配合比

混凝土配合比 表2

钢筋选用HRB400热轧带肋钢筋，直径分别为14，18mm，每根长度约600mm。在钢筋除锈前分别测量每根钢筋的内外径、肋高和肋间距等外形参数，并计算其平均值，具体数据见表1。

生锈前钢筋外形参数/mm 表1

本试验采用青岛某公司生产的预拌混凝土，混凝土强度等级为C30。预拌混凝土中水泥采用P·O 42.5级水泥；细骨料为级配良好的Ⅱ区中砂，细度模数为2.8；粗骨料采用5～25mm连续级配的崂山碎石；此外还添加了矿粉、粉煤灰和聚羧酸减水剂，具体配合比如表2所示。

1.2 钢筋的锈蚀与除锈处理

钢筋锈蚀的方法有恒电流加速锈蚀和自然锈蚀两种方式，吴庆、袁迎曙等[7]的研究表明通过恒电流加速锈蚀钢筋的锈蚀产物呈黑色，而自然锈蚀钢筋的锈蚀产物为红褐色，故本试验采用自然锈蚀的方式对钢筋进行处理。通过对钢筋在自然环境中暴露时间长短和洒水频率的不同区分出了两种程度锈蚀，并用钢筋的平均质量损失率ρ表示其平均锈蚀率：

(1)

式中：w0为钢筋生锈前的质量；w1为钢筋除锈后的质量。

根据锈蚀之前和除锈之后的质量分别计算得出直径为14mm和18mm钢筋的两种程度的平均锈蚀率，具体数据见表3。

不同锈蚀程度的钢筋质量变化 表3

分别采用除锈剂、角磨机和抛丸机三种方法对钢筋进行除锈处理。除锈剂选用天津某公司生产的除锈剂KS-7003。除锈时在通风良好的地带将钢筋完全浸泡在除锈剂中，除锈过程产生大量刺激性气体并散发大量热量，锈蚀产物溶解在除锈剂中，除锈后的钢筋表面迅速生成一层致密的银白色氧化膜，如图1所示，用水将钢筋表面残余的除锈剂冲洗干净，然后烘干钢筋表面水分，进行称重记录。角磨机选用江苏某公司生产的S1M-FF03-100A型角磨机，缓慢将钢筋表面锈蚀产物打磨干净，除锈过程中人为控制除锈效果，尽量使每根钢筋的除锈程度保持一致。除锈后钢筋表面有银白色金属光泽，如图2所示，然后称重记录。抛丸机除锈委托青岛某公司处理，使用履带式抛丸机高速抛射的钢丸对钢筋表面进行除锈、去氧化皮，如图3所示，清理完成后可自动卸料，过程较为简便、节省人工，但对于锈蚀率为1.71%和1.93%的钢筋除锈不彻底，钢筋还有少许浮锈，没有金属光泽，除锈效果不如前两者。除锈前后对比如图4所示。

图1 除锈剂除锈

图2 角磨机除锈

图3 履带式抛丸机

图4 除锈前后对比

1.3 试件设计与制作

试件截面为150mm×150mm×150mm，使用可拆卸的塑料模具，钢筋在试件内的粘结长度为5d(d为钢筋直径)，放置于模具的中心位置，无横向配筋。用PVC管套在钢筋两端，并用石蜡密封钢筋和PVC管之间的空隙，以免浇筑时水泥砂浆流入管内影响粘结段的长度，如图5所示。试件在青岛某公司搅拌站室验室制作，浇筑完成1d后拆模，并放入标准养护室养护28d。

试验共制作4组中心拔出试件，分别对应2种钢筋直径和2种锈蚀率，每组试件共9个中心拔出试件，9个试件中的钢筋分别采用角磨机、除锈剂和抛丸机对钢筋进行除锈。中心拔出试件示意图如图5所示。

图5 中心拔出试件示意图

1.4 中心拔出试验

本试验使用千分表分别测量钢筋加载端和自由端的滑移量，使用锚杆式拉拔仪进行手动加载，采用分级加载，每加载2kN并稳定30s后读取一次滑移值，直到加载至最大荷载。分别测量记录试件加载端和自由端的滑移值、钢筋混凝土试件的极限粘结应力。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

在加载的初始阶段，试件表面无裂缝出现，加载端首先出现滑移，自由端无滑移；随着荷载的继续增大，钢筋的加载端滑移量逐渐增加，自由端开始出现滑移；当加载至最大荷载，钢筋加载端和自由端的滑移量继续增加，试件破坏[8]。破坏模式有两种：一是拔出破坏，混凝土表面无裂缝(图6)；另一种是劈裂破坏，混凝土表面一般出现1～3条裂缝[9](图7)。试件裂缝发展情况和破坏模式见表4和表5。

图6 拔出破坏

图7 劈裂破坏

直径14mm钢筋试件的试验现象 表4

直径18mm钢筋试件的试验现象 表5

2.1.1 钢筋直径为14mm的钢筋混凝土中心拔出试件的破坏模式

使用除锈剂和抛丸机除锈的直径为14mm的钢筋混凝土中心拔出试件全部发生拔出破坏，试件表面无裂缝出现，如图8所示。使用角磨机除锈的钢筋直径为14mm的钢筋混凝土中心拔出试件表面出现未贯通的细微裂缝，试件发生劈裂破坏，如图9所示。

图8 试件表面无裂缝

图9 试件表面细微裂缝

从表4和表5可以看出，除锈方法影响了钢筋直径为14mm试件的破坏形式，出现这种情况的原因是角磨机打磨钢筋时使用的钢丝刷没有钢筋的硬度高，通过高速旋转摩擦可以去除钢筋表面稀松的锈蚀物，而对钢筋本材的影响很小；使用除锈剂和抛丸机除锈时，酸液浸泡和钢丸的高速抛打对钢筋肋高削弱较大，且对本材的削弱程度也要大于角磨机除锈[10]。角磨机对钢筋肋高的削弱程度要小于其余两种除锈方法，较高的钢筋肋可以使钢筋和混凝土之间的机械咬合力和摩擦力增大[11]，进而提升试件的粘结性能。因此使用角磨机除锈的试件发生劈裂破坏，而使用其余两种方法除锈的试件发生拔出破坏。

2.1.2 钢筋直径为18mm的钢筋混凝土中心拔出试件的破坏模式

使用除锈剂、抛丸机及角磨机除锈的钢筋直径为18mm的钢筋混凝土中心拔出试件均发生劈裂破坏，如图10所示。这种劈裂式裂缝从钢筋端表面向三个方向产生裂缝，通过试验发现，有些试件表面出现一条贯通裂缝，也有试件表面的裂缝没有贯通，如图11所示。试件的破坏形式和裂缝发展情况均类似，说明三种除锈方法对钢筋直径为18mm试件的破坏模式影响不大，但与钢筋直径为14mm的中心拔出试件相比，随钢筋直径的增大，试件破坏时，表面裂缝的宽度也有相应增加[12]。出现这种情况的原因是变形钢筋肋高并不随直径变化而成比例变化，直径增大时，相对钢筋肋高降低，相对粘结面积减小，极限粘结强度降低，致使试件更容易劈裂。大直径钢筋试件的绝对粘结段长度较长，粘结应力在钢筋表面的分布不均匀，破坏时裂缝宽度较宽；钢筋直径增大后，最多出现3条裂缝，由于混凝土对钢筋肋的径向挤压不均匀，裂缝具有明显的方向性。

图10 劈裂破坏

图11 劈裂破坏的三条裂缝

2.2 钢筋和混凝土的极限粘结应力和峰值滑移量

Lw=150-la

(2)

(3)

SL=SL1-ΔSL

(4)

(5)

式中：Lw为非粘结段的长度，mm；ΔSL为钢筋弹性变形伸长值，mm；Es为钢筋的弹性模量，GPa；As为钢筋的截面面积，mm2；SL为加载端实际的滑移量，mm；SL1为钢筋加载端千分表显示的滑移量，mm；SF为钢筋自由端千分表显示的滑移量，mm；S为加载端和自由端的平均滑移量，mm。

中心拔出试验得到了不同条件下钢筋和混凝土的极限粘结应力和峰值滑移量，具体数据见表6和表7。

直径14mm钢筋极限粘结应力和峰值滑移量 表6

直径18mm钢筋极限粘结应力和峰值滑移量 表7

不同锈蚀率的钢筋在三种除锈方法后部分试件的粘结应力-滑移量曲线如图12所示。

图12 不同条件下试件的粘结应力-滑移量曲线(部分)

2.3 拉拔结果分析

从表6、表7、图12中可以看出，除锈后试件的极限粘结应力随锈蚀率的增加而降低。随着锈蚀率的增加，钢筋直径为14mm的试件使用角磨机、除锈剂和抛丸机除锈后，试件极限粘结应力分别降低2.9%，4.2%和6.7%；同样，对于钢筋直径为18mm的试件，极限粘结应力分别降低12.2%，8.1%和2.8%，发现极限粘结应力的下降规律并不相同，分析原因可能是由于试件数量有限导致的离散性大。

当钢筋直径和锈蚀率都相同时，使用角磨机除锈后试件的极限粘结应力最大。钢筋直径为14mm的试件，当锈蚀率为0.83%时，使用除锈剂和抛丸机除锈后试件的极限粘结应力分别为角磨机除锈后的67.5%和65.7%；当锈蚀率为1.71%时，使用除锈剂和抛丸机除锈后试件的极限粘结应力分别为角磨机除锈后的66.6%和63.1%。钢筋直径为18mm的试件，当锈蚀率为0.94%时，使用除锈剂和抛丸机除锈后试件的极限粘结应力分别为角磨机除锈后的90.3%和87.8%，当锈蚀率为1.93%时，使用除锈剂和抛丸机除锈后试件的极限粘结应力分别为角磨机除锈后的94.5%和97.2%。

从试验数据还可以看出，当直径相同情况下，无论锈蚀率高低，用三种除锈方法除锈后得出的粘结应力-滑移量(τ-s)曲线形状基本一致。不同之处在于钢筋直径为14mm的试件使用角磨机除锈后发生劈裂破坏，而使用另两种除锈方法的试件发生拔出破坏。由图12(a)可看出，发生拔出破坏试件的τ-s曲线在峰值过后有明显的下降段，而发生劈裂破坏的试件由于破坏很突然，并不能绘制出其τ-s曲线的下降段[14]。发生拔出破坏的试件在加载初期，滑移量和粘结应力成线性关系，到峰值荷载后，随着粘结应力减小，滑移量继续增大，施加很小的荷载就有很大的滑移[15]；发生劈裂破坏试件的τ-s曲线基本都成线性关系，随着荷载的不断增加，钢筋的滑移量也不断增加；荷载继续增加，达到极限粘结应力，试件发生脆性劈裂[16]。

随着锈蚀率的增大，试件中钢筋的峰值滑移量有增大的趋势。钢筋直径为14mm的试件，使用角磨机和抛丸机除锈后的峰值滑移量随锈蚀率增大分别增大6.0%和4.5%，使用除锈剂除锈后峰值滑移量未增大；而钢筋直径为18mm的试件，使用3种除锈方法后，峰值滑移量随锈蚀率增大分别增大4.9%，12.2%和8.2%。

当钢筋直径和锈蚀率都相同时，使用角磨机除锈后试件的峰值滑移量最小。钢筋直径为14mm的钢筋，当锈蚀率为0.83%时，角磨机除锈后试件的峰值滑移量分别是除锈剂和抛丸机除锈后试件的70.4%和75.8%；当锈蚀率为1.71%时，角磨机除锈后试件的峰值滑移量分别是除锈剂和抛丸机除锈后试件的74.6%和76.8%。钢筋直径为18mm的钢筋，当锈蚀率为0.94%时，用除锈剂和抛丸机除锈后的试件的峰值滑移量相同，角磨机除锈后试件的峰值滑移量分别是除锈剂和抛丸机除锈后试件的83.7%，当锈蚀率为1.93%时，角磨机除锈后试件的峰值滑移量分别是除锈剂和抛丸机除锈后试件的78.2%和81.1%。

2.4 除锈方法对钢筋和混凝土粘结性能的影响

钢筋和混凝土之间的粘结应力主要由化学胶结力、机械咬合力和摩擦力组成，在加载初期，荷载较小，粘结应力主要由化学胶结力提供；随着荷载的增大，化学胶结力逐渐丧失，粘结应力主要由机械咬合力提供[17]；荷载不断增大，沿着钢筋纵向的劈裂裂缝从试件内部发展到表面，粘结应力达到最大，此时试件发生劈裂破坏；当钢筋直径较小，或钢筋受到的纵向约束力不足时，钢筋和混凝土之间的机械咬合力消失，这时仅剩少量摩擦力提供粘结，表现为粘结应力急剧下降，滑移值却大幅增加，试件发生拔出破坏[18]。

对于钢筋直径为14mm的试件，只有用角磨机除锈后的试件发生劈裂破坏。原因是角磨机除锈对钢筋表面肋高削弱最小，试件中钢筋肋间的混凝土齿较厚，机械咬合力大，粘结应力也大[19]，所以试件破坏时表面产生细小裂缝。对于钢筋直径为18mm的试件，绝对粘结长度较长，粘结应力在钢筋表面的分布不均匀，破坏时的极限粘结应力较钢筋直径为14mm的试件低。钢筋表面月牙纹肋高沿钢筋圆周变化，径向挤压不均匀，使出现的劈裂裂缝有明显的方向性。锈蚀越严重的钢筋，表面生成锈蚀产物越多，除锈时对钢筋表面及肋高的削弱越大，导致混凝土和钢筋相对粘结面积减小，极限粘结应力降低。

3 除锈后钢筋和混凝土粘结-滑移本构关系

本文以现有钢筋混凝土粘结本构关系为基础，根据粘结强度随不同锚固位置、裂缝间距、保护层厚度和钢筋直径的变化规律[20-22]，用多项式拟合钢筋和混凝土之间的粘结-滑移本构关系形式简单，故本文宜采用多项式(6)来拟合不同条件下试件的粘结-滑移曲线。

τ=a+bs+cs2+ds3

(6)

式中：τ为粘结强度，N/mm2；s为滑移量，mm；其他参数值见表8。

钢筋试件粘结-滑移表达式(6)中的系数 表8

通过对已有试验数据的拟合分析，得到了不同锈蚀程度下钢筋和混凝土粘结应力-滑移量曲线，如图13所示。

图13 钢筋试件的粘结应力-滑移量曲线的试验值及拟合值对比

两种锈蚀程度下，使用除锈剂和抛丸机除锈的钢筋直径为14mm试件发生拔出破坏，其余的试件均发生劈裂破坏，所有拟合的曲线在上升段与实际值相似程度很高。由于发生拔出破坏的试件达到极限粘结应力后，粘结应力不会立即降低，而是随着滑移量的增大而缓慢降低，采集到的峰值滑移量对应的粘结应力大，用三阶多项式拟合时，曲线峰值处相似程度稍有误差，且曲线下降段有效的数据不够多，故其曲线下降段相似程度则偏差略大。图13(a)中，钢筋使用抛丸除锈的试件拟合误差稍大，原因是夹具和锚具没有将试件加载端钢筋完全夹紧，在加载初始阶段，锚具首先被夹具紧固，进而使采集到的数据失去了有效性。由此可见，试验结果与模型计算结果整体吻合良好，说明式(6)可为今后除锈后钢筋混凝土粘结性能的研究提供一定理论依据。

4 结论

(1)在锈蚀率较小的情况下，不同除锈方法对钢筋肋高削弱程度由大到小依次是除锈剂浸泡、抛丸机除锈、角磨机除锈。

(2)钢筋直径为14mm的试件，角磨机除锈后试件发生劈裂破坏；除锈剂和抛丸机除锈后试件发生拔出破坏。钢筋直径为18mm的试件均发生劈裂破坏。

(3)当锈蚀率在2%以内时，随着锈蚀率的增加，除锈后试件的极限粘结应力减小，峰值滑移量增大。

(4)三种除锈方法中，角磨机除锈后试件的极限粘结应力最大，峰值滑移量最小。