腐蚀钢筋与混凝土粘结性能退化规律

张建清

（九州职业技术学院，江苏徐州 221116）

0 引言

钢筋与混凝土的粘结性能是钢筋混凝土结构的基本结构性能之一，钢筋腐蚀后，粘结性能往往遭到退化，从而给结构的承载性能和正常使用性能造成影响。目前，国内外已就腐蚀变形钢筋与混凝土的粘结性能开展了广泛研究[1-10]。然而，受试验条件的限制，较大裂缝宽度的研究进行的较少，因此，本文拟采用内掺氯盐、通电腐蚀的方式获得腐蚀胀裂的短粘结试件，观测其腐蚀特征。然后通过短期拉拔试验观察粘结破坏过程，得到各试件的粘结滑移曲线，藉此探讨腐蚀对普通变形钢筋丝基于短粘结的短期粘结性能的影响。

1 试验研究方案

本文设计了短粘结试件，进行了加速腐蚀，并进行了拉拔实验。

1.1 试件设计制作与腐蚀

试件尺寸如图1所示。

根据该试验共分两组，其中1组试件无腐蚀，另1组试件掺盐8%并进行通电加速腐蚀，腐蚀试块分别按不同的裂缝宽度要求进行不同时长的腐蚀进行，试件编号与个数统计如表1。

图1 钢筋混凝土粘结试件设计

该试验采用通电腐蚀的方法进行钢绞线的腐蚀，当腐蚀锈胀裂缝达到预定的宽度时停止通电。

1.2 加载装置与测试内容

试验装置如图2所示，分别在钢筋自由端、混凝土块体下端面以及钢筋拉拔端适当部位架设位移传感器。

图2 试验装置

表1 钢筋混凝土粘结试件编号

2 粘结滑移曲线

选取锈蚀程度不同的各试件根据实测钢筋混凝土的各个阶段的粘结应力和粘结延性进行汇总和分析，得到各试样的平均粘结应力—自由端滑移曲线，典型曲线如图3所示。

其中：平均粘结应力

图3 腐蚀钢筋混凝土试样的粘结滑移曲线（典型）

式中：F为拉拔力，N；12为钢筋的公称直径，mm；50为粘结段长度，mm。

粘结滑移曲线分析。

（1）钢筋锈蚀程度较低，混凝土保护层没有胀裂时，由于锈蚀产物的形成改变了钢筋表面的粗糙程度，同时锈蚀产物体积的膨胀及锈蚀产物向混凝土空隙的渗透，使钢筋周围局部混凝土密实度提高，混凝土对钢筋约束作用加强，因而在保护层混凝土胀裂前粘结应力均有所提高。

（2）当锈蚀程度逐渐增加，混凝土保护层产生锈胀裂缝后由于混凝土约束作用的逐渐减弱和锈蚀产物产生的类似 “润滑”作用使摩阻力急剧下降，从而表现出极限粘结应力随着锈涨裂缝的开展而逐渐降低趋势。

表2 腐蚀普通钢筋混凝土试件的粘结特征参数

（3）随着裂缝宽度的变大，上升段和下降段都有明显变缓的趋势，裂缝宽度大于1.2mm后，下降段出现了随着裂缝宽度变大，出现较为明显的转折和上升，其原因主要是，随着腐蚀程度的增加，腐蚀产物也在不断增加，钢筋和混凝土之间的胶着力受到了很大的影响，并开始退化，表现为上升段的变缓。当裂缝宽度较大时，达到极限粘结强度后，由于试件本身的腐蚀量导致了混凝土的开裂与拉拔力相比，不如拉拔力强烈和突然，裂缝宽度增长也较少，因此下降也相对缓慢。

3 基于裂缝宽度的粘结滑移特征参数退化规律及预计模型

根据上述粘结滑移曲线，可以用弹性粘结强度、弹性粘结滑移、极限粘结强度、极限粘结滑移、初残余粘结滑移5个粘结特征参数来反映粘结滑移曲线特征。以各试件无锈时的特征参数为基准，分析锈胀试件各特征参数随锈胀裂缝宽度增大而退化的规律，并通过数据拟合建立有关预计模型，各试样粘结特征参数退化规律及预计模型分别见图4和图5。

3.1 极限粘结强度

从表2可以看出，粘结强度的退化规律较为明显，总体上有2个趋势。

第一，在该试验的腐蚀程度范围内，未出现裂缝的腐蚀试样的极限粘结强度有较为明显的增加。出现这种现象的原因是，当腐蚀程度不大时，在化学胶着力被克服以后，腐蚀导致了摩擦作用增强，继而使咬合作用得以快速而充分的发挥，因而使腐蚀试样的极限粘结强度反而有所提高。

第二，就腐蚀试样而言，随腐蚀程度的加重，各试样的极限粘结强度随着纵向裂缝宽度的增大呈线性下降的趋势。出现这种现象的原因是，随腐蚀程度的加重，锈胀裂缝变宽，混凝土对钢绞线的握裹作用随之减弱，极限粘结强度便会下降。

另外，从表2和图4、图5可以看出，纵向裂缝的对极限粘结强度的影响明显大于横向裂缝开展对极限粘结强度的影响。其原因非常明显，极限粘结强度是力筋与混凝土的粘结强度，其退化与纵向裂缝的开展有着更为直接的联系。

3.2 粘结刚度

通过图4和图5可以看出，粘结刚度随腐蚀程度的加剧而减小，且与纵向裂缝宽度呈较好的线性退化趋势。其原因是：弹性阶段的粘结力主要是由化学胶合力提供，而随着腐蚀量的增加，其化学胶合力也受到了较大的损失，因此粘结刚度随之下降。

3.3 极限粘结滑移量

图4 基于纵向裂缝宽度的粘结特征参数退化规律及预计模型

图5 基于横向裂缝宽度的粘结特征参数退化规律及预计模型

从表2可以看出，各试样的极限粘结滑移随着裂缝宽度的增大有明显下降的趋势，但不符合线性退化规律，腐蚀试件粘结延性退化的原因主要是，腐蚀导致的试件开裂降低了摩擦力和咬合力，滑移速度变得更快。

3.4 残余粘结滑移量

各试样残余粘结滑移退化与裂缝宽度的关系并无明显的下降趋势，这说明，试件粘结强度下降到自身极限粘结强度的一半时，其粘结滑移量没有明显的下降。

4 结语

本文通过通电腐蚀的方式获取了腐蚀普通钢筋与混凝土的粘结试件，通过观察实验现象、拉拔试验、函数拟合得到了如下结果。

（1）在钢筋锈蚀程度较低时，试件极限粘结强度有所提高，这主要是由于混凝土约束作用加强使摩阻力增加造成的。但是，当锈蚀程度逐渐增加，混凝土保护层产生锈胀裂缝后，则表现出极限粘结应力随着锈胀裂缝的开展而逐渐降低趋势。

（2）极限粘结强度随裂缝宽度变化为线性退化规律，且纵向裂缝的对极限粘结强度的影响明显大于横向裂缝开展对极限粘结强度的影响。

（3）弹性阶段的粘结力主要是由化学胶合力提供，而随着腐蚀量的增加，其化学胶合力也受到了较大的损失，因此粘结刚度随之下降。

（4）腐蚀导致的试件开裂降低了摩擦力和咬合力，4滑移速度变得更快，极限粘结滑移量随着裂缝宽度的增大有下降趋势。

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