锈蚀钢筋混凝土粘结性能劣化研究

2023-02-18刘新华朱星宇张志强

铁道标准设计 2023年2期

刘新华，朱星宇，唐旭，张志强

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

引言

钢筋混凝土(Reinforced Concrete， RC)是工程中普遍使用的材料，钢筋和混凝土分别承担抗拉和抗压职责，两者之间优良的粘结性能是保证RC构件协调变形、共同工作的关键[1-3]。RC构件在服役期间受到环境侵蚀作用必然发生钢筋锈蚀膨胀，破坏RC之间的粘结界面层，导致粘结性能劣化，使得两者的互锁作用削弱，使用性能急剧下降。因此，研究锈蚀对RC构件粘结性能的影响对于提高结构耐久性和承载力具有重大意义。

针对锈蚀钢筋混凝土粘结性能劣化的问题，国内外学者进行了大量研究。现主要通过电化学加速锈蚀制作不同锈蚀率下的拉拔试件，通过试验研究粘结滑移曲线随锈蚀发展的变化规律[4-6]和RC破坏模式[7-8]，除此之外，不少学者还研究了箍筋[9-10]、锈蚀类型[11]等对极限粘结强度的影响。钢筋锈蚀显著影响RC界面间摩擦力、化学胶结力、机械咬合力，进而影响粘结强度。刘泓等[12]基于不同锈蚀构件试验数据，拟合提出极限粘结强度经验公式；林红威等[13]提出粘结滑移本构关系。在仿真领域通过采用非线性弹簧单元、黏聚力单元表征RC界面层的粘结力学性能受到行业广泛认可，肖启晟等[14]采用修正CZM模型模拟拉拔试件破坏形态及裂缝扩展过程；崔明航等[15]采用Spring2单元分析基于边界效应的RC中心拉拔全过程；贺欢[16]、张志强等[17]基于粘结滑移理论，建立隧道计算模型，对衬砌结构性能展开研究。

综上所述，目前钢筋混凝土之间粘结性能研究广泛分布在试验研究和仿真模拟两个方面。主要不足之处有，研究对象多为中心拉拔试件，与实际工程中偏心受力情况不同，另外，鲜有研究全粘结段粘结应力与锈蚀率的关系。

鉴于现有研究存在不足之处，本文基于控制变量的思想设计并进行了锈蚀后拉拔试验，获得了不同保护层厚度及锈蚀率下试件的粘结强度及破坏形态，研究不同保护层下钢筋锈蚀对粘结性能的影响，建立锈后拉拔数值模型，分析全粘结段粘结应力的变化规律。

1 试验方案设计

本实验设置4种保护层厚度(20，30，40，50 mm)及1组对照(中心拉拔，65 mm)，4种不同的锈蚀率(0%、3%、5%、7%)一共20组工况，每组3个试件，总计60个试件。试件尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm，按水灰比0.46配制C30混凝土，主筋为φ20 mm的HRB400钢筋，粘结长度为70 mm，非粘结段用绝缘胶布包裹，箍筋为φ6 mm的HPB300钢筋，如图1所示。

图1 试件示意(单位：mm)

电源阳极与钢筋相连，阴极与浸泡在5%质量浓度的NaCl溶液中的不锈钢丝网相连，采用恒流电源通电以加速锈蚀。为防止自由端钢筋发生锈蚀，采用绝缘胶带对其进行包裹，并使用工业用黄油进行密封。通电锈蚀试验如图2所示。

图2 通电锈蚀试验示意

基于法拉第定律的锈蚀量计算公式[18]和锈蚀率表达式计算达到既定锈蚀率的时间

(1)

(2)

式中，Δm、m分别为钢筋锈蚀质量和原始质量；M为钢筋摩尔质量；I为电流强度；t为通电锈蚀时间；Z为1摩尔Fe失去的电子数，取2；F为法拉第常数；η为锈蚀率。

达到锈蚀时间后，取出试件，待其完全干燥后进行拉拔试验，钢筋拔出后，截取黏结段钢筋，去除杂质和铁锈，获得实际锈蚀率。

2 试验实施

2.1 试件制作和锈蚀

试件制作和锈蚀的主要流程如图3所示。

图3 试件制作和锈蚀试验

制作成品混凝土模具，按照保护层厚度要求对模具开孔，称取钢筋原始质量放入模具中，采用分层浇筑方法灌注混凝土，养护28 d后拆模。按照试验设计方案对试件分组、编号、接线，按照锈蚀率从小到大的顺序放入锈蚀池，通电至预定时间便切断电源，等待所有试件通电完毕后，取出所有试件，静止晾干，为拉拔试验做准备。

2.2 拉拔试验

试件干透后，进行拉拔实验，拉拔装置由位移计、反力装置、加载装置等组成，如图4所示。

图4 拉拔试验装置示意

拉拔试验按照以下4个步骤进行。

(1)将试件安装到加载装置上，检查夹具与钢筋之间的连接是否牢固，确认安装牢固后，施加初始荷载，使加载装置与试件紧密接触。

(2)安装百分表，使其与自由端钢筋底面接触，安装时应保证百分表量杆与钢筋底面接触良好，正式加载前还应检查百分表的灵活性。

(3)所有设备检查无误后，开始正式加载。启动加载装置，以0.1 kN/s的速率进行加载，加载过程中，每隔0.05 mm记录1次荷载值，同时记录最大荷载的值及其对应的自由端位移。

(4)钢筋拔出后，将试件从加载装置上卸下，然后重新调整加载装置，为下一试件加载做准备。

拉拔试验后，对拔出钢筋使用除锈剂去除铁锈，再用钢刷刷去表面杂质，最后经过清水冲洗，烘干机烘干后，称取锈蚀后钢筋质量。

3 有限元模型建立

为研究锈蚀后钢筋混凝土拉拔过程中粘结段粘结应力的变化规律，建立中心拉拔数值模型，混凝土几何参数与试验方案相同。

采用ABAQUS软件进行仿真，混凝土和主筋设置为C3D8R单元，箍筋设置为T3D2单元。钢筋具体材料参数如表1所示。

表1 钢筋材料参数

ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型(以下简称“CDP模型”)，能准确反映混凝土非线性应力-应变特点和拉压过程中刚度损伤特点，在钢筋混凝土结构数值模拟中使用普遍[19-21]。损伤因子通过能量等价法[22]进行计算，CDP模型主要参数如表2所示，其中E为弹性模量，fb0/fc0为双轴抗压强度与单双轴抗压极限强度之比，K为不变量应力比。

表2 CDP模型参数

钢筋与混凝土间的相互作用可视作混凝土与钢筋的挤压作用和粘结-滑移作用。通过在钢筋混凝土界面插入垂直钢筋方向(法向)和平行钢筋方向(切向)的Spring2弹簧单元来分别模拟钢筋挤压和粘结-滑移作用。

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平行钢筋方向上：法向变形较小，因此该方向的弹簧刚度取与混凝土刚度同数量级的数值。

垂直钢筋方向上：采用弹簧的力-位移关系表征粘结性能。具体做法为：由拉拔试验获得平均粘结强度-滑移值数据，乘以数值模拟中每个弹簧单元对应的实体单元表面积，并结合文献[23]提出的粘结位置函数，得到不同粘结位置Spring2弹簧单元的切向作用力与滑移值关系，按式(3)求取。

F(s，x)=τ(s)·Ai·φ(x)

(3)

(4)

式中，F(s，x)为不同滑移量、不同粘结位置的弹簧拉力；τ(s)为固定滑移量对应的平均粘结强度；Ai为弹簧连接的单元面积；φ(x)为位置函数；x为粘结位置；s为滑移量；L为粘结段长度。

三维拉拔有限元模型如图5所示。对照试验与数值模拟各锈蚀条件下的粘结-滑移曲线，验证本次模型的准确性，如图6所示。

图5 拉拔计算模型

图6 保护层厚65 mm的粘结滑移曲线对比

4 结果及分析

4.1 试件破坏模式

试验中，各工况试件出现的破坏模式总计有3种：①保护层脱落破坏；②拔出破坏(产生裂缝)；③拔出破坏(不产生裂缝)。

(1)保护层脱落破坏

试件拔出过程中，随着拉力增加，表面逐渐出现少量裂缝，拉力达到最大值后，钢筋周围出现大量裂缝，继续拔出，两条斜向裂缝迅速扩展贯通保护层，导致保护层脱落破坏，如图7所示。

图7 试件保护层脱落

这种破坏模式出现在保护层厚度为20 mm的试件中。产生的原因是：拔出过程中主筋横肋对混凝土的挤压作用产生劈裂裂缝，结合内部的锈胀裂缝不断扩展，同时由于保护层厚度较小，很快扩展至保护层表面，引起保护层脱落。

试件拔出过程中，随着拉力增加，试件表面裂缝逐渐增多，拉力达到最大值后，裂缝宽度和长度明显增大，后趋于稳定，直至钢筋完全拔出，如图8所示。

图8 试件拔出破坏(产生裂缝)

绝大多数试件(保护层30～50 mm)都是这种破坏模式。产生的原因是：①保护层厚度较小的试件，锈蚀严重导致横肋与混凝土相互作用削弱，拔出过程中，钢筋对混凝土的压碎剪切程度较低，产生的劈裂裂缝有限；②保护层厚度较大的试件，拔出过程中，钢筋周围混凝土被压碎产生裂缝，但是受到混凝土约束作用，限制裂缝继续扩展。

(3)拔出破坏(不产生裂缝)

试件拔出过程中，试件表面裂缝无明显变化，拉力达到最大值后，仍未出现裂缝，直至钢筋连带着混凝土被拔出，如图9所示。