箍筋约束条件下锈蚀变形钢筋与混凝土黏结性能的研究

2023-05-24曲福来陈永升杨子龙李长永赵顺波

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2023年2期

曲福来, 陈永升, 杨子龙, 李长永, 赵顺波

(1.华北水利水电大学土木与交通学院,河南郑州 450045; 2.河南省生态建材工程国际联合实验室,河南郑州 450045; 3.华北水利水电大学黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心,河南郑州 450046)

钢筋与混凝土之间良好的黏结锚固性能是两者共同工作的基础。变形钢筋与混凝土的黏结力主要由化学胶着力、摩擦力和机械咬合力3部分组成,其中横肋与混凝土之间的机械咬合力起到主要作用[1-2]。钢筋发生锈蚀后不但会影响其与混凝土的黏结性能,还会影响构件或结构的受力性能[3]。

无箍筋中心拉拔试验研究表明[4-6]:锈蚀率较小的变形钢筋与混凝土的黏结强度较高,锈蚀率增大时钢筋与混凝土的黏结强度迅速下降。考虑到实际混凝土结构中配置有箍筋,对箍筋约束下钢筋与混凝土之间黏结性能的研究结果表明[7-9]:箍筋的约束作用可以在一定程度上提高混凝土的黏结强度,但提高作用较小;而箍筋作用区域内对混凝土的约束作用延缓了其纵向裂缝的产生,对改善试件的黏结延性有很大帮助。

钢筋发生锈蚀后,由于锈蚀产物体积膨胀,致使箍筋的约束作用增强,对黏结性能的影响趋于复杂化。FANG C Q等[10]开展了有、无箍筋情况下锈蚀钢筋与混凝土的黏结性能研究,发现有箍筋试件在钢筋锈蚀率低于8%时,混凝土的黏结强度无明显变化,这与无箍筋试件的黏结强度急剧下降差异显著。TONDOLO E[11]的中心拉拔试验结果表明:当钢筋锈蚀率增大到20%时,混凝土的黏结强度提高,比钢筋未锈蚀试件的黏结强度提高了约40%。文献[12]的梁式黏结试验结果表现出不同的规律,即混凝土的黏结强度随着钢筋锈蚀率的增加逐渐减小。

目前,锈蚀率对钢筋与混凝土之间的黏结性能的影响规律尚未统一,已有试验研究的钢筋锈蚀率范围也有限。本文采用带箍筋的中心拉拔试件研究混凝土强度和钢筋锈蚀率对钢筋与混凝土间黏结性能的影响规律。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

为考虑混凝土强度对其黏结性能的影响,本试验设计了C15～C50共8种强度等级的混凝土,每种混凝土分别与4种锈蚀率的钢筋(包含未锈蚀情况)进行组合,共制作32组96个钢筋与混凝土黏结试件(简称为黏结试件)。黏结试件为边长200 mm的立方体,中心配置直径16 mm的HRB500级钢筋,实测钢筋的屈服强度和极限强度分别为577 MPa和724 MPa,黏结长度取80 mm,非黏结段钢筋用PVC套管包裹以消除加载端应力集中的影响。在试件中配置了2道间距为100 mm的矩形箍筋(直径6 mm光圆钢筋),黏结试件的配筋及尺寸如图1所示。

1—混凝土;2—主筋;3—箍筋;4—PVC套管

混凝土制备采用强度等级分别为P·O 32.5和42.5水泥,天然中砂细度模数为2.91、表观密度为2 578 kg/m3、堆积密度为1 440 kg/m3,连续级配碎石的最大粒径为20 mm、堆积密度为1 580 kg/m3。在浇筑黏结试件时,浇筑尺寸为150 mm的混凝土立方体伴随试件,用于测定混凝土的立方体抗压强度fcu和劈裂抗拉强度fts,实测结果见表1。

表1 混凝土的配合比和实测强度

1.2 钢筋锈蚀试验

采用电化学方法对黏结试件的主筋进行通电加速锈蚀[13],为了得到与实际环境接近的锈蚀产物,电流密度控制为0.25 mA/cm2。在通电过程中发现不锈钢棒表面有细小的气泡冒出,溶液逐渐变成黄褐色;随着锈蚀的进行,混凝土试块表面出现细小的顺筋裂缝,该裂缝宽度逐渐变大,同时在混凝土表面产生新的裂缝,如图2所示,在距离液面2 cm左右的混凝土表面出现一圈白色晶体,即出现局部“盐析”现象。

图2 不同钢筋锈蚀率下试件的锈胀裂缝

试验中对比各组试件的锈蚀过程发现,钢筋锈蚀程度随混凝土基体强度的提高而减轻,试件开裂时间随混凝土强度的提高有所延缓。这主要是随着混凝土强度的提高其密实度有所提高,电解质溶液在混凝土内部孔隙中的迁移和扩散速度降低。相同条件下,混凝土基体强度越低,因钢筋锈蚀膨胀所形成的混凝土裂缝数量越多,裂缝的发展也越快。

1.3 拉拔试验

采用中心拉拔试验得到钢筋与混凝土的黏结-滑移曲线,在钢筋加载端布置1个荷载传感器用来测量钢筋与混凝土间的黏结力;在钢筋自由端布置3个位移计,分别测量钢筋和混凝土的位移[14],通过换算得到自由端钢筋相对于混凝土的滑移量,所有试验数据通过静态应变测试系统自动采集。拉拔试验加载时控制加载速度,以7 kN/min的速度缓慢加载,直到钢筋拔出20 mm后停止试验。

1.4 钢筋锈蚀率测试

拉拔试验完成后,将钢筋取出进行锈蚀率的测定。具体步骤为:截取黏结段长度的钢筋,测量其长度;清除钢筋表面的铁锈,用浓度为10%的盐酸溶液进行清洗;用石灰水进行中和,并用清水洗净;将钢筋放入烘箱烘干,称取钢筋质量。钢筋的锈蚀率按下式计算:

(1)

式中:ρ为钢筋锈蚀率;M0为初始钢筋质量;M1为锈蚀后钢筋质量。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

图3展示了拉拔试验中出现的3种试件破坏形态:钢筋拔出破坏、劈裂拔出破坏和钢筋拉断破坏。

图3 试件的破坏形态

由于箍筋的约束作用,大多数试件发生钢筋拔出破坏时,混凝土试件表面无裂缝或无新裂缝出现,钢筋与混凝土发生相对滑移,如图3(a)所示。个别试件发生了劈裂拔出破坏,在加载过程中试件产生顺筋方向的贯穿裂缝,如图3(b)所示,由于箍筋的约束作用,黏结试件混凝土与钢筋没有分离开,相比于钢筋拔出破坏,劈裂拔出破坏出现贯穿裂缝比较突然,试件承受的荷载存在一个陡降的过程。第三种破坏形式为钢筋拉断破坏,按钢筋拉断位置不同分2种情况:一种发生在基体混凝土强度高的试件中,由于箍筋的约束作用,钢筋发生锈蚀后混凝土的黏结强度大幅度提高,钢筋在加载端被拉断,此时试件的黏结强度高于钢筋的极限强度,为非正常破坏;另一种发生在黏结端钢筋局部锈蚀较为严重的试件中,钢筋拉断位置在试件内部,如图3(c)所示。

2.2 黏结-滑移曲线

通过拉拔试验得到箍筋约束下锈蚀变形钢筋与混凝土间的黏结应力与滑移量的关系曲线,图4所示为具有代表性的几条曲线,横坐标s表示钢筋在自由端的滑移量,纵坐标黏结应力τ按下式计算:

图4 不同钢筋锈蚀率、混凝土强度等级时钢筋的黏结-滑移曲线

(2)

式中:F为黏结力;d为钢筋直径;la为钢筋黏结长度。

图4中:除图4(b)和(h)中钢筋锈蚀率分别为4.29%和2.17%的试件发生了劈裂拔出破坏,其余试件为钢筋拔出破坏;发生钢筋拔出破坏的试件的黏结-滑移曲线具有完整的微滑移段、滑移段、下降段和残余段,这与无箍筋中心拉拔试件的脆性破坏有明显的差别;横向箍筋的存在延缓和限制了混凝土劈裂裂缝的发展,试件具有较好的黏结延性;未锈蚀变形钢筋混凝土试件的黏结-滑移曲线在达到最大黏结应力(即黏结强度)时对应的滑移量较大,本试验统计出各组试件在达到黏结强度时滑移量为1.5～2.2 mm,随着基体混凝土强度的增加,黏结强度对应的滑移量变小;变形钢筋发生锈蚀后,在15%锈蚀率范围内黏结强度对应的滑移量有下降的趋势,降低到0.5 mm左右。

2.3 黏结强度变化规律

已有研究表明:变形钢筋与混凝土间的黏结强度受混凝土强度等级的影响,较为常见的是黏结强度与混凝土立方体抗压强度的二次方根[9,15]或劈裂抗拉强度相关[16]。通过比较本试验箍筋约束未锈蚀钢筋试件黏结强度τu与混凝土强度的关系,发现钢筋与混凝土之间的黏结强度与混凝土的劈裂抗拉强度fts的相关性更强,如图5所示。由图5可看出:混凝土的劈裂抗拉强度从1.87 N/mm2增加到3.57 N/mm2时,相应的黏结强度从9.0 N/mm2增加到24.4 N/mm2,有很大幅度提高。

图5 钢筋未锈试件的fts与τu关系

为分析钢筋的锈蚀率对其与混凝土黏结强度的影响,采用图6所示的坐标系,图中横坐标为实测钢筋锈蚀率,纵坐标采用黏结强度与混凝土劈裂抗拉强度的比值,以消除混凝土强度的影响。通过回归分析得到箍筋约束钢筋与混凝土黏结强度τu的表达式为:

图6 钢筋锈蚀率对混凝土黏结强度的影响

τu=(5.894+0.349 5ρ-0.012 3ρ2)fts。

(3)

通过试验数据拟合曲线可以发现:随钢筋锈蚀率的增加,混凝土的黏结强度总体表现出先增后减的规律;当钢筋锈蚀率为14%左右时,混凝土的黏结强度达到最大;钢筋锈蚀率超过28%时,混凝土的黏结强度低于钢筋未锈蚀混凝土的黏结强度。由于箍筋的横向约束作用,锈蚀钢筋与混凝土之间的挤压力有一定程度提高,这有利于提高混凝土的黏结强度。当钢筋锈蚀率为5%时,混凝土的黏结强度较钢筋未锈蚀试件的提高了43%。当钢筋锈蚀比较严重时,钢筋表面的纵横肋逐渐消失,钢筋与混凝土间的机械咬合力减小,混凝土的黏结强度开始降低。由于箍筋的约束作用,混凝土的黏结强度先增后降的转折点对应的钢筋锈蚀率有大幅度的提高,钢筋锈蚀率较大时,混凝土的黏结强度降低较少。由此可见,当钢筋锈蚀率在一定范围内时,箍筋对混凝土的黏结强度的提高作用明显。