锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究现状*

赵 政,蒋德稳

(1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院,江苏 徐州 221116; 2.淮海工学院 土木工程学院,江苏 连云港 222005)

0 引言

钢筋与混凝土间良好的粘结力是钢筋混凝土结构工作的前提,在荷载作用下可以保证两者共同受力并协调变形[1]。由于碳化、Cl-侵蚀等作用,钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀现象已经非常普遍,导致两者之间粘结性能发生改变,从而影响结构的耐久性。据报道,美国因为各种腐蚀原因造成的经济损失达700亿美元/年,其中,在钢筋混凝土结构中由于钢筋锈蚀造成的损失约占40%[2-3]。因此,研究锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能,对于钢筋混凝土结构的耐久性研究具有重大的意义。

1 粘结退化机理

钢筋与混凝土之间的粘结力主要由化学胶着力、摩擦力和机械咬合力3部分组成[4-5]。光圆钢筋的粘结强度主要取决于摩擦力和与表面状况相关的咬合力。轻微锈蚀的光圆钢筋粘结强度比新轧制光圆钢筋的粘结强度高。而变形钢筋的粘结强度主要取决于机械咬合力,纵横肋可增强钢筋与混凝土之间的机械咬合力,提高钢筋与混凝土间的粘结力。

国内外相关试验研究表明[6-10],当钢筋锈蚀程度较小、保护层尚未锈胀开裂时,虽然化学胶着力破坏,但由于锈蚀产物的膨胀使混凝土对钢筋的约束力增强,同时增加了钢筋表面的粗糙度,因此粘结强度有所增加;随着锈蚀量增大,钢筋表面混凝土保护层逐渐胀裂,混凝土对钢筋的约束作用降低,同时钢筋与混凝土表面的摩擦力减小;严重锈蚀时,变形钢筋的横肋处大部分锈损,机械咬合力基本消失,钢筋强度不能得到充分发挥,从而降低了混凝土结构的承载能力。

2 粘结性能研究方法

钢筋锈蚀后与混凝土间粘结性能的研究方法主要分为试验方法[9-15]和有限元分析方法[16-19]。

2.1 试验方法

锈蚀钢筋与混凝土间粘结性能试验一般通过3个途径获得试件:大气环境中自然暴露[20]、快速锈蚀试验[21]和实际工程中拆换下来的老构件[10,22]。大气环境中自然暴露获取的试件可较好地模拟真实环境,但试验周期长而且影响因素复杂。快速锈蚀试验可以在较短的时间内达到需要的锈蚀深度,但与真实环境中的锈蚀构件有差别。现场拆换老构件成本高、难度大,且难以确定构件损伤的影响因素。国内外研究者获取试件大多是采用室内快速锈蚀试验的方法。

目前,测试粘结性能的试验方法主要分3种:

(1) 中心拔出试验。试件制作及试验装置简单,结果易于分析。但是不能反映梁中弯矩及剪力共同作用的影响,且试验时承压板使混凝土受压。

(2) 梁式试验。能给出最精确的结果,但研究的变量多、试件多且装置复杂。

(3) 轴拉试验。能量测裂缝间粘结力及相对滑移量大小,模拟钢筋搭接段的粘结特性以及混凝土纯弯段主裂缝间的粘结特性,但是对平衡力较难准确量测。

2.2 有限元分析方法

有限元分析方法可以有效分析锈蚀钢筋混凝土构件粘结性能的退化规律,弥补了试验周期较长、参数变化有限等不足[19]。钢筋与混凝土之间粘结作用的数值模拟研究已经取得了一定进展,多采用分离式模型,结果大多依赖于材料本构关系和粘结滑移本构关系。但是目前粘结本构关系尚不完善,且分离式模型本身还存在缺陷。因此,建立完善的有限元分析模型,并用于数值模拟,可进一步推进粘结性能试验研究。

3 锈蚀后粘结性能研究

3.1 影响粘结强度的因素

钢筋的锈蚀率是影响锈蚀钢筋与混凝土之间粘结强度的主要因素。与普通钢筋混凝土类似,钢筋种类及外形、保护层厚度与钢筋直径比值c/d、箍筋、混凝土强度及组成成分等因素对粘结强度也有不同程度的影响。

(1) 锈蚀程度。对于中心拔出试件,当锈蚀率小于0.5%时，锈蚀对粘结性能有利;当锈蚀率小于5%时,锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结力并不低于未锈时的粘结力;随后当锈蚀率增大时粘结性能降低。对于梁式试验,当锈蚀率为0.4%时,粘结强度达到最大,提高约1/4;当锈蚀程度较大时粘结强度迅速下降,降低的程度远远大于钢筋截面损失的程度[9,23]。此外,影响钢筋锈蚀的各种因素,如pH、Cl-浓度、混凝土电阻抗等，对钢筋锈蚀程度也均有一定程度的影响,其最终也会影响锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结强度。

(2) 钢筋种类和钢筋外形。当钢筋微锈时,光圆钢筋的极限粘结强度可达到未锈时的2～3倍,即使当锈蚀率超过了4%时,也可提高40%以上[9,23];变形钢筋极限粘结强度增长没有光圆钢筋的显著。钢筋的外形对粘结强度也有较大的影响。相同情况下,变形钢筋比光圆钢筋粘结强度高,螺纹钢筋比月牙钢筋高。变形钢筋的肋高越高、肋间距越短，钢筋与混凝土之间的粘结强度相应就越高[16,20]。

(3) 保护层厚度和钢筋直径。锈蚀率相近时,c/d值越大,粘结强度的损失越小[23]。随着保护层厚度的增加,外围混凝土的抗劈裂能力也随着提高,从而开裂粘结应力和平均极限粘结应力也相应提高[24]。钢筋直径和锈蚀率相同情况下,c/d值越大,混凝土约束锈蚀钢筋的作用越强,混凝土保护层具有越强的抵抗锈胀开裂的能力,从而粘结强度损失也越小。

(4) 箍筋。箍筋可以减缓劈裂裂缝的发展,提高其极限粘结强度,并使得钢筋应力分布变得平缓。配置箍筋的锈蚀光圆钢筋与混凝土之间的粘结强度可提高3～4倍[23]。

(5) 混凝土强度和组成成分。随着混凝土强度的增加,化学胶着力和机械咬合力也增加,极限粘结强度τu及粘结应力特征值与混凝土抗拉强度ft大致成正比,且达到极限粘结强度时,混凝土强度越高滑移量越小[25]。

(6) 横向压应力。横向压应力增大了侧向摩阻力,有利于钢筋与混凝土之间的粘结力;但是当横向压应力过大时会压坏混凝土保护层,致使其开裂,从而影响粘结强度。

(7) 其他因素。影响混凝土的质量和强度的其他各种因素,例如坍落度、浇筑质量、养护条件、各种扰动等,以及钢筋相对于混凝土的浇筑方向、钢筋锚固长度、钢筋的相对位置等都会对粘结强度有一定的影响。

3.2 锈蚀后粘结滑移本构模型

研究锈蚀钢筋混凝土结构性能的关键是研究锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移本构关系。目前,钢筋混凝土粘结滑移本构关系以试验研究为主。由于影响因素的繁多,传力机理复杂,得到的试验曲线差异较大,以致不同学者得出的结果差别较大。

(1) 西安建筑科技大学的王林科等[26]对自然条件下锈蚀的钢筋混凝土挡风支架梁开展了粘结锚固试验研究。由拉拔试验得到了不同锈蚀程度下光圆钢筋试件的荷载滑移曲线，并建议采用粘结力降低系数βb考虑锈胀裂缝对粘结力的影响。

βb=e-2.1w(0.13+0.5c/d)，

(1)

式中，w为锈胀裂缝宽度,c为保护层厚度,d为钢筋直径。

只对光圆钢筋进行了试验研究,而且只考虑了保护层厚度和锈蚀后裂缝宽度对粘结性能的影响。

(2) 浙江大学的赵羽习等[9,27]通过6个内贴应变片拔出试件试验,研究了不同锈蚀程度的光圆、变形钢筋的粘结滑移关系,建立了随位置变化的粘结滑移本构关系。

(2)

(3)

由于钢筋未内贴应变片,所以此本构关系只是局部的粘结本构关系。

(3) 中国矿业大学的袁迎曙等[28]通过电化学原理对14,18,20 mm的3种锚固长度为2.5d(d为钢筋直径)的短锚拔出试件进行加速锈蚀,得到8种不同锈蚀程度的试件,建立了不同锈蚀程度的粘结—滑移分析模型。

(4)

把粘结滑移过程分为微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和残余段5个阶段。定义了4个粘结强度特征值和滑移特征值,在钢筋锈蚀率对粘结滑移关系的影响中加入了粘结强度退化系数和滑移特征值折减系数。

(4) 同济大学的张伟平等[29]通过内贴应变片半梁试验研究锈蚀开裂后的钢筋混凝土粘结滑移本构关系,提出了考虑锈胀裂缝宽度和锚长变化影响下的平均粘结应力滑移关系。

τw(sw,x)=ψw(x)τw(sw)，

(5)

式中,ψw(x)是考虑锈胀开裂影响的粘结锚固位置函数,τw(sw)为考虑锈胀开裂影响的平均粘结应力滑移关系,参见文献[30]。

(5) 大连理工大学的何世钦等[31]通过梁式钢筋混凝土粘结试验,研究了冻融循环腐蚀后的钢筋与混凝土之间的粘结强度退化规律,提出了粘结滑移经验公式。

(6)

式中：P为总荷载；τb为总荷载作用下钢筋与混凝土粘结界面的粘结应力；a1，a2和la为试件尺寸；n为钢筋数量；d为钢筋直径。

总之,由于影响因素繁多、传力机理复杂,锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移本构关系的研究尚不完善。试验模型也十分多样,建立的粘结滑移本构关系(τ—s)大多没有考虑沿锚长不同位置的差异,得到的试验曲线差异较大,难以得到统一的粘结滑移本构模型。现阶段仍处于试验统计和定性分析阶段。

3.3 锈蚀后极限粘结强度

锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的研究在国外开展较早,我国学者对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的研究开始于20世纪90年代初。到目前为止,锈蚀钢筋混凝土的极限粘结强度计算公式大多是通过对试验数据回归分析得到的。由于所考虑影响因素和试验方法的差异,拟合出的计算模型有所不同。关于未锈蚀钢筋混凝土间的粘结强度，国内外一些规程和规范已经给出了一些实用的计算公式,而锈蚀后钢筋混凝土粘结强度的计算没有实用的普遍的计算模型。表1中列出了国内外一些学者给出的钢筋锈蚀后极限粘结强度的计算模型。

表1 锈蚀后钢筋极限粘结强度计算模型

国内研究大多为变形钢筋的研究,而光面钢筋研究较少。上述锈蚀后计算模型均是在特定试验条件下,由试验回归分析的方法建立的。由于特定的假设,导致适用范围具有很大的局限性,并不能揭示粘结演化的机理。要提出一个考虑因素全面、方便易用的模型是有较大难度的。因此,建立一个考虑影响因素全面且便于应用的锈蚀后极限粘结应力计算模型成为研究锈蚀钢筋混凝土的关键问题。

4 结语

综上所述,众多试验研究均表明钢筋锈蚀后与混凝土的粘结性能明显降低,抗力减小,变形增加,这严重影响着钢筋混凝土结构构件的性能。但锈蚀钢筋与混凝土间的粘结性能退化机理相当复杂,影响因素较多,是非线性关系。并且性能研究试验尚缺乏统一的试验标准和试验方法,得到的锈蚀钢筋与混凝土间的粘结滑移本构关系与极限粘结强度等模型有待进一步论证。

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