钢筋锈蚀对混凝土梁破坏模式影响的试验研究＊

卫 军，张 萌，董荣珍，李 沛，余志武

（中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙 410075）

在严酷的服役条件下，特别是暴露于海洋环境及严寒地区的除冰盐环境中，混凝土结构中的钢筋锈蚀往往难以避免.钢筋锈蚀将导致混凝土梁承载性能的劣化.已有许多学者开展了钢筋锈蚀对混凝土梁正截面受弯承载性能影响的研究，建立了考虑钢筋有效截面积的减少和力学性能的退化、保护层锈胀剥落及粘结性能的退化等因素的锈蚀混凝土梁正截面受弯承载力计算模型.而锈蚀混凝土梁的弯剪区受力复杂，钢筋锈蚀对混凝土梁受剪性能的影响机理更为复杂，也有一些学者进行了锈蚀混凝土梁斜截面受剪性能的理论和试验研究[1－3]，结果表明，箍筋锈蚀率、纵筋锈蚀率、粘结性能退化程度及剪跨比是控制锈蚀混凝土梁受剪性能退化的主要因素，Higgins、徐善华学者分别提出了各自的锈蚀混凝土梁受剪承载力计算模型.

尽管目前人们对锈蚀混凝土梁的受弯及受剪性能退化规律有了一定的认识，但是研究深度不够，主要侧重在钢筋锈蚀对构件的承载力的影响方面.基于这种局面，本文开展了箍筋和纵筋锈蚀的混凝土梁破坏模式及综合承载性能的试验研究，以更加深入地揭示钢筋锈蚀对混凝土梁构件的抗剪性能的影响规律.

1 试验概况

1.1 试件设计

为了研究弯剪区纵筋及箍筋锈蚀对混凝土梁的受弯及受剪承载性能退化的影响，参照我国原来规范GB 50010－2002《混凝土结构设计规范》[4]进行了试件的配筋设计，最后在试验结果分析阶段又按照现行规范《混凝土结构设计规范》GB 50010－2010[5]进行了设计复核.由于本文研究的重点是弯剪区的承载性能，这里按照强弯弱剪设计原则（即钢筋未锈蚀时，最终为斜截面抗剪破坏）进行.设计了两种剪跨比和两种箍筋间距的4组21根钢筋混凝土梁试件，每组由1根不锈蚀的对比梁试件和若干根不同程度锈蚀的混凝土梁试件组成，具体设计参数如表1所示.设计混凝土强度等级为C30，试件制作时预留混凝土标准立方体试块自然养护28d，实测的混凝土立方体抗压强度为49.8MPa，纵筋的混凝土保护层厚度为25mm，纵筋采用公称直径为20mm的HRB335级钢筋，实测屈服强度为355MPa，架立筋及箍筋分别采用公称直径为10mm及6mm的HPB235级钢筋，实测屈服强度为275MPa，试件的配筋如图1所示.

表1 试件设计参数Tab.1 Design parameters of test specimens

1.2 混凝土内钢筋的锈蚀

图1 试件配筋示意图（mm）Fig.1 Details of the beam specimen（mm）

采用半干法通电的方式进行纵筋和箍筋的快速锈蚀，如图2所示.首先将浇筑成型的试件置于质量百分比为5%NaCl溶液中浸泡1个月，使试件内混凝土充分饱和并具备良好的导电性能；然后设定直流电源的电流密度icorr＝0.2mA／cm2，采用施加直流电进行试件内钢筋的快速通电锈蚀.纵筋及箍筋的锈蚀程度按照法拉第定律估算的通电时间和试件表面的锈胀裂缝宽度进行双重控制.试件内真实的钢筋锈蚀程度，需要根据静载试验完成后将试件破开取出钢筋，按照标准试验方法[6]进行酸洗、称重，计算得出钢筋锈蚀率进行评价，结果见表2.

表2 试验结果Tab.2 Summary of experimental responses

1.3 锈蚀混凝土梁的加载

锈蚀达到预定程度后，依据GB／T 50152－92《混凝土结构试验方法标准》[7]规定的程序，对试件进行两点对称加载的静载试验，试验装置及测点布置如图3所示.其中a为剪跨，对于λ＝2和λ＝3的试件，a分别取为570mm和855mm.试件预载后，以10kN为一加载等级进行分级加载，当荷载接近试件破坏荷载时，则以5kN为加载等级.加载间隔不少于10min，在试件接近破坏时不少于15min.当压力传感器指示荷载不再增加时，即认为荷载水平达到试件的破坏荷载.

图2 试件的通电加速锈蚀示意图Fig.2 Schematic representation of accelerated corrosion test setup

图3 锈蚀试件的加载示意图（mm）Fig.3 Loading test arrangement（mm）

2 试验现象及结果分析

2.1 试验现象

试件在通电加速锈蚀至预定锈蚀程度的过程中，随着钢筋锈蚀程度的增大，其表面逐渐出现锈胀裂缝.试验过程中不仅在锈蚀试件出现了由于纵筋锈蚀引起的纵向顺筋裂缝，而且出现了由于箍筋锈蚀引起的横向锈胀裂缝，典型构件的锈胀裂缝如图4所示.

图4 典型锈蚀混凝土梁试件的锈胀裂缝分布Fig.4 Crack distribution of corroded reinforced concrete beam specimen

锈蚀混凝土梁试件从开始加载至最终破坏历经了如下3个阶段：

1）荷载水平较低时，试件内未出现受力裂缝；

2）随着荷载的增大，试件跨中纯弯段和靠近支座的弯剪段底部相继出现与纵筋垂直的受拉裂缝，受拉裂缝宽度伴随荷载的增大而向上延伸，弯剪裂缝向加载点延伸；

3）纵筋及箍筋锈蚀率不同的梁，在荷载继续增加后，出现3种不同的破坏现象：（ⅰ）当纵筋及箍筋锈蚀率较小时，试件纯弯段受拉裂缝随着荷载增大而向上延伸，而弯剪裂缝向加载点延伸缓慢或停滞，而荷载继续增大，一条主要受拉裂缝宽度明显增大，并向上延伸，跨中混凝土逐渐被压碎剥落，即梁发生弯曲破坏，如图5（a）所示；（ⅱ）当纵筋及箍筋锈蚀率较大时，纯弯段受拉裂缝向上延伸缓慢或停滞，弯剪裂缝由梁底继续向加载点斜向延伸，逐渐形成临界剪切斜裂缝，荷载继续增大，临界裂缝继续向加载点延伸，宽度继续增大，达到极限荷载时，箍筋屈服甚至被拉断，试件剪压区混凝土开始被压缩，即试件发生剪压破坏，如图5（b）所示；（ⅲ）当纵筋及箍筋锈蚀率更大时，试件弯剪区出现的剪切斜裂缝很快发展至梁顶，临界裂缝将弯剪段梁体斜劈成两半，同时梁底沿纵筋产生劈裂裂缝，保护层剥落，破坏时纵筋滑移明显，而剪压区混凝土并未压碎，本文将这种破坏形态定义为剪切－粘结破坏，如图5（c）所示.

2.2 试验结果分析与讨论

采用上述试验方法，得出的锈蚀混凝土梁试件的试验结果汇总如表2所示.由表2可以看出：

1）对于相同剪跨比、相同纵向配筋率的钢筋混凝土梁构件，纵筋和箍筋的锈蚀会导致其破坏模式发生转变.未锈蚀时发生弯曲破坏的梁，随着纵筋、箍筋锈蚀程度的发展，可能依次出现向剪压、剪切－粘结破坏转变；未锈蚀时发生剪压破坏的梁，随着纵筋、箍筋锈蚀程度的发展，可能出现向剪切－粘结破坏转变；箍筋间距偏大时，钢筋锈蚀较小的情况下破坏形态即发生转变，而箍筋间距120mm的试件则能承受相对较大的钢筋锈蚀程度而不发生破坏形态转变；

图5 典型锈蚀混凝土梁试件的破环现象Fig.5 Failure mold of corroded reinforced concrete beam specimen

2）随着纵筋及箍筋锈蚀率的增大，试件的承载能力显著下降.而在箍筋锈蚀率相同的情况下，随着纵筋锈蚀率的增大（如2（120）4和2（120）5两根梁），试件的受剪承载能力也出现了明显的降低.可见，纵筋锈蚀也会对构件的受剪承载力产生不利影响.

3 锈蚀构件受剪承载力分析

钢筋锈蚀影响钢筋混凝土结构协同工作性能，当承受弯剪荷载时，钢筋因锈蚀而背离其初始状态，同时因钢筋锈蚀使用钢筋混凝土界面状态改变，使得梁构件整体力学行为背离其最初设计状态.

3.1 非锈蚀构件受剪承载力

鉴于受弯构件受剪承载机理的复杂性，目前各国规范斜截面受剪承载力公式相差较大.为了便于分析，我们参照中国规范 GB 50010－2010[5]受剪承载力设计公式的设立模式，考虑纵筋抗剪贡献，通过对本试验及F.J.vecchio，Gonzalez等[8－9]人的相关40组试验结果进行回归，建立非锈蚀试件的受剪承载力计算公式：

式中：λ为剪跨比；ft为混凝土抗拉强度；b为试件截面宽度；h0为试件截面有效高度；ρs为纵筋配筋率；fyv为箍筋屈服强度；ρsv为箍筋配筋率.

该式的计算值与实测值比值的平均值0.994，变异系数0.141，可见公式的准确度基本满足要求.

3.2 锈蚀构件受剪承载力

考虑梁内纵筋及箍筋锈蚀的影响，基于弯剪区的平衡条件，建立锈蚀试件的抗剪承载力计算公式如下：

式中：κs为锈蚀引起的粘结退化系数[10－11]；ηs为纵筋锈蚀率；ηsv为箍筋锈蚀率；其余符号含义同上.

通过对锈蚀钢筋粘结滑移试验数据进行数据分析[12]，钢筋锈蚀程度较小时，对钢筋混凝土界面性能不但不会削弱，反而会增强界面能，使钢筋混凝土结构整体力学行为有所改善，但当钢筋锈蚀程度较大时，即有可能产生粘结滑移问题，相关文献[13]试验研究表明，4%的钢筋锈蚀率是钢筋混凝土界面性能转变的拐点，因此，锈蚀钢筋与混凝土的粘结退化系数κs可按式（3）计算：

式中：ηs以小数形式代入计算，公示拟合结果R2＝0.802，离差σ＝0.09.

为验证式（2）的普遍适用性，采用文献[14]中剪跨比为2，1.5，1.8，2.2的4组共10根不同箍筋锈蚀率、不同纵筋锈蚀率的梁的试验结果对式（2）进行校核.结果可知，式（2）计算值与实测值比值的平均值为1.064，变异系数为0.102.由此表明，式（2）有较好的精度，可以用来推算锈蚀构件的剪切承载能力，作为本研究判断构件破坏转型临界条件的基础.

4 钢筋锈蚀对构件破坏形态的影响

锈蚀混凝土梁的破坏模式受到剪跨比、箍筋锈蚀率、纵筋锈蚀率及锈蚀引起的粘结退化系数等众多因素的影响.鉴于规范要求工程实践中构件的设计应发生剪压破坏，故本文试验及分析中选取λ＝2和λ＝3两组具有控制意义的剪跨比，并主要针对钢筋锈蚀对构件破坏形态的影响展开研究.

4.1 弯曲向剪切破坏的转变

试验研究发现，试件的受弯承载力M与纵筋锈蚀率ηs之间存在较好的相关性.根据本文实验结果及金伟良[15]等人试验结果的回归分析，试件的受弯承载力为：

式中：M0为未锈蚀构件的受弯承载力.式（4）的计算值与实测值比值的平均值为1.007，变异系数为0.052，可见公式的准确度满足要求.显然，试件由弯曲向剪切破坏的转变，实际上是由式（2）确定的受剪承载力Vu与根据梁弯剪跨内平衡条件与弯矩关系确定的受剪承载力V＝M／λh0之间大小关系的转变决定的.故：

式（5）为随纵筋、箍筋锈蚀程度的变化，试件由弯曲破坏向剪切破坏形态的转变界限.

根据式（2），式（4），式（5）可用式（6）具体表示为：

由此可知，当构件实际的抗剪能力大于发生弯曲破坏时所产生的剪切强度即满足式（7（a））时，试件发生弯曲破坏；当构件实际的抗剪能力小于发生弯曲破坏时所产生的剪切强度即满足式（7（b））时，试件发生剪切破坏.

4.2 剪压向剪切－粘结破坏的转变

对于发生剪切破坏的试件，当纵筋与混凝土间的粘结强度不足以保证纵筋和箍筋协同工作时，纵筋粘结失效，在试件破坏阶段，纵筋被缓缓拔出，弯剪段如同机构一样转动，因此，锈蚀纵筋临界粘结强度是剪压破坏向剪切－粘结破坏转变的控制因素.根据本系列研究的有关研究成果，锈蚀纵筋临界粘结强度Tcri的表达式为[12]：

式中，n为纵筋根数；d为纵筋直径；¯τ为纵筋平均极限粘结应力；lm为纵筋有效粘结长度.

同理，试件由剪压破坏向剪切－粘结破坏的转变，实际上是由式（2）确定的剪切强度Vu与根据梁弯剪跨内平衡条件与剪力关系确定的剪切强度V＝ηT／λ之间大小关系的转变决定的.根据粘结平衡关系，纵筋粘结强度始终与纵筋内拉力保持平衡，即Tcri＝T.故：

式（9）为随纵筋、箍筋锈蚀程度的变化，试件由剪压破坏向剪切－粘结破坏形态的转变界限.由式（3）可知，ηs≤4%时，混凝土与钢筋的粘结系数大于1且随ηs的增大而增大，故ηs＞4% 考虑时的转变界限.根据式（2）、式（8）、式（9）可用式（10）具体表示为：

由此可知，当构件临界粘结强度大于试件破坏时的纵筋拉力即满足式（11（a））时，试件发生剪压破坏；当构件临界粘结强度小于试件破坏时的纵筋拉力即满足式（11（b））时，试件发生粘结－剪压破坏.

4.3 破坏形态区域

依据上述钢筋锈蚀程度对混凝土梁破坏形态转变的影响分析，分别计算式（6）和式（10），可划分破坏形态区域如图6所示，并同时将本文试验数据见图6中.

由图6可知，不同剪跨比下钢筋锈蚀对混凝土受弯构件破坏模式区域划分有不同影响：

1）纵筋锈蚀率在4%以内时，纵筋锈蚀程度较低，纵筋与混凝土之间的粘结性能略有提高且纵筋具有足够的锚固，故无论λ＝2或λ＝3，随着箍筋锈蚀率的逐渐增大，试件的受剪承载力逐渐降低，可能发生由弯曲破坏向剪压破坏转变；

2）对于λ＝3且S＝120的试件，箍筋锈蚀率较低（如ηsv＜16%）且纵筋锈蚀率也较低时，试件将发生弯曲破坏；随着纵筋锈蚀率的增加，纵筋锈蚀率大于4%时，锈蚀纵筋与混凝土之间的粘结性能逐渐降低，外荷载作用下当纵筋拉力超过锈蚀钢筋与混凝土的临界粘结力时，试件将出现由弯曲破坏向粘结—剪压破坏转变；当箍筋锈蚀率较大（如ηsv＞16%）时，试件的受剪承载力显著退化，并下降至试件正截面受弯破坏对应的极限荷载以下而起控制作用，此时随着纵筋锈蚀程度的增大，试件将出现由剪压破坏向粘结—剪压破坏转变；而由图6（a）和图6（c）可知，相同配筋率下不同配箍率对破坏转型的划分也有影响.

图6 破坏转型分界示意图Fig.6 Damage transformation boundary

3）对于λ＝2的试件，当箍筋锈蚀率ηsv＜20%时，试件可能出现由弯曲破坏向粘结－剪压破坏转变；当箍筋锈蚀率ηsv＞20%时，试件则可能出现由剪压破坏向粘结－剪压破坏转变.

4）试验结果与理论分析得出的破坏形态的分区比较表明，二者吻合较好，可见本文建立的分析模型能较好地反映钢筋锈蚀对试件破坏形态的影响.

需要指出的是，本文试验及分析中主要针对λ＝2和λ＝3的试件展开研究，实际工程中剪跨比变化的条件下，也可以采用类似的方法分析纵筋及箍筋锈蚀对混凝土梁破坏形态的影响.

5 结 论

通过钢筋锈蚀对混凝土梁破坏形态影响的试验和理论研究，本文得出的主要结论如下：

1）试验结果表明，当钢筋锈蚀率较大时，钢筋锈蚀不仅会引起混凝土构件的承载能力的显著下降，而且会导致其破坏形态的转变.在相同剪跨比和相同配筋率的情况下，未锈蚀时发生弯曲破坏的梁，随着纵筋、箍筋锈蚀程度的发展，则可能出现向剪压、剪切－粘结破坏转变.这意味着对于有耐久性要求的混凝土构件，为了防止由于钢筋锈蚀而产生的破坏模式转变，应对构件建立相应的配筋率和配箍率的限定取值.

2）考虑梁内纵筋及箍筋锈蚀的影响，本文首先基于弯剪区的平衡条件建立了锈蚀混凝土梁受剪承载力的计算公式；并据此提出了考虑剪跨比、箍筋及纵筋锈蚀率、粘结退化系数等因素影响的锈蚀混凝土梁的破坏模式转变的分析模型.绘出了基于纵筋锈蚀率、箍筋锈蚀率及剪跨比的梁破坏形态区域分布图，与试验结果对比，吻合较好.借此可根据钢筋锈蚀状态的检测结果，对锈蚀构件的破坏模式等进行估算.

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