锈蚀钢筋-混凝土黏结性能退化试验研究

张弘港,赵建锋,彭 昊

(青岛理工大学 土木工程学院,青岛 266525)

钢筋的锈蚀不仅削弱钢筋自身的承载力,而且会破坏工程结构中钢筋与混凝土的共同工作,钢筋与混凝土之间的黏结性能下降,结构的安全性和耐久性都会降低,因此关于锈蚀钢筋混凝土的黏结性能的研究对于结构全寿命性能评估具有十分重要的意义。范颖芳等[1]使用替换构件的方法从现实工程构件中得到20根试件,发现腐蚀后的钢筋与混凝土黏结性能较理论值下降了20%～50%。梁岩等[2]对20个电化学锈蚀的带箍筋的带肋钢筋混凝土试件进行了中心拉拔黏结试验,根据试验数据得出了黏结强度随锈蚀率的变化规律。陈留国等[3]进行了中心拉拔黏结试验,发现无箍筋的带肋钢筋试件的黏结强度随锈蚀率的增大迅速降低,光圆钢筋试件在锈蚀率较小时黏结强度是随锈蚀率增大而增大的,而后黏结强度会随锈蚀程度的增长快速下降。徐港等[4]设计了6根大尺寸配箍试验梁并进行了黏结性能试验,发现极限黏结强度和黏结刚度均随锈蚀率增加,先增大后减小,但锈蚀率小于5%时,与未锈钢筋基本相当。蒋连接等[5]研究了人工气候加速钢筋锈蚀的钢筋偏心布置的黏结试件(以锈胀裂缝宽度衡量)的黏结性能,锈胀未裂试件的黏结强度略有提高,当混凝土保护层锈胀开裂后强度下降。徐亦冬等[6]研究了持荷条件下的锈蚀钢筋与混凝土的黏结性能,发现锈蚀率超过1.3%时黏结性能开始下降,而在钢筋锈蚀和荷载耦合的条件下,黏结强度随着外荷载系数的增加而增加。付瑞佳等[7]进行了不锈钢钢筋与混凝土的黏结试验,存在劈裂、钢筋拔出后混凝土劈裂和钢筋拔出三种破坏形式,黏结强度随着混凝土强度增长也增长,试验还发现大直径钢筋初始黏结应力约为极限黏结应力的0.3倍,劈裂黏结应力约为极限黏结应力的0.8倍。ZHAO等[8]研究发现锈蚀钢筋与普通骨料混凝土以及再生骨料混凝土的黏结性能的影响效果是相似的。可以看出对锈蚀钢筋与混凝土的黏结性能及其退化规律尚无共识。

除了钢筋锈蚀程度,混凝土试件中存在的箍筋等其他因素对黏结性能也有不小的影响。高向玲等[9]基于 Tepfers 受均匀内压作用的厚壁圆筒力学模型,给出了纯混凝土拉拔试件和配箍筋拉拔试件极限黏结强度的计算式。陈留国等[3]发现配箍筋的带肋钢筋有试件在锈蚀率小于7.63 %时黏结强度基本无变化。徐港等[4]还发现混凝土保护层表面锈胀裂缝宽度和钢筋锈蚀率对极限黏结强度及钢筋自由端滑移量的影响轻微。蒋连接等[5]的研究中无箍筋试件的劈裂强度明显小于有箍筋试件,而且下降速度也快很多,箍筋的存在显著提高试件的残余黏结强度,同时黏结滑移略大于无箍筋试件。ZHOU等[10]研究了箍筋锈蚀和循环荷载条件下钢筋混凝土试件的黏结性能,发现箍筋轻微锈蚀可提高黏结性能,随着箍筋腐蚀程度的增加,黏结强度迅速下降,箍筋锈蚀率15%时的黏结性能与无箍筋的情况相当;箍筋腐蚀与循环滑动荷载损伤之间存在明显的耦合,当循环次数和滑移荷载变大时,黏结性能退化严重。HUANG[11]研究了钢筋锈蚀程度与钢筋表面锈蚀面积对钢筋与混凝土之间的黏结性能的影响,发现钢筋表面的局部腐蚀(锈蚀面积小于40%)对黏结强度无显著影响。KANKAM[12]进行了双拉拔试样黏结性能试验,建立了钢筋混凝土结构黏结应力、钢应力与滑移之间的关系式。侯俊青[13]进行了持荷下锈蚀钢筋与混凝土梁式黏结性能试验,发现持荷水平对钢筋的锈蚀形态影响明显,持荷等级在40%～50%对未锈蚀钢筋的黏结强度的增强效果最明显。HASKETT等[14]进行了中心拔出黏结试验,通过总结试验数据得到两段式黏结滑移本构关系式,试验还发现钢筋嵌入长度对黏结强度并无影响。王柏文等[15]研究疲劳和加速锈蚀复合作用对混凝土与钢筋间黏结性能的影响,试件在低循环疲劳荷载多出现劈裂破坏,高循环疲劳荷载多为剪切破坏;单一因素作用时黏结应力分布呈“单峰”,复合作用时应力分布呈“双峰”;复合作用后,极限黏结应力及试件破坏时滑移值都出现了一定程度的降低。林红威等[16]研究了锈胀开裂钢筋混凝土黏结疲劳性能,发现疲劳荷载会使得黏结滑移提早发生但对黏结强度的影响有限。

本文结合中心拉拔黏结试验和梁式黏结试验的优点,采用半梁式试件,试件内钢筋锈蚀后,进行黏结滑移拉拔试验,得到锈蚀钢筋混凝土的黏结性能,分析了试件黏结发生破坏的过程,根据试验数据分析得到了锈蚀钢筋黏结滑移退化规律。

1 锈蚀钢筋混凝土黏结性能试验

1.1 试件制作

受拉纵筋选用HRB400的带肋钢筋(月牙纹),直径20 mm,材料实验实测屈服强度达到405 MPa,极限强度563 MPa,长度1.5 m,架立筋选用HPB400的光圆钢筋,直径10 mm,长度450 mm,箍筋选用HPB235的光圆钢筋,直径6 mm,两种箍筋形状尺寸如图1所示。

图1 半梁式试件(单位:mm)

混凝土的设计强度等级为C40,混凝土原材料:普通硅酸盐425号水泥、水、15～20 mm的花岗岩碎石、级配良好中砂。混凝土配合比根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)确定,计算得到水胶比0.489,混凝土配合比见表1。

表1 混凝土材料配合比 kg/m3

实测黏结试件同批次混凝土浇筑的立方体的强度为39.6 MPa。

黏结试件采用半梁式的黏结试件,尺寸为500 mm×250 mm×150 mm,试件中设有受拉纵筋1根,纵筋黏结段长度200 mm,受拉纵筋位置见图1,其余非黏结段使用PVC管件将混凝土和钢筋隔开,半梁内含钢筋笼,设有箍筋5道,间距100 mm,架立筋4根,组成钢筋笼,钢筋笼用于避免试件梁体的剪压破坏在黏结破坏前发生,进而影响黏结性能的测量。设计两组试件,一组试件内的钢筋笼各箍筋闭合,另一组试件内的钢筋笼箍筋不闭合,试件尺寸如图1所示。共制作了22个试件,非黏结段钢筋和箍筋表面涂抹环氧树脂来避免锈蚀。试件浇筑完成后,标准养护28 d。

1.2 加速锈蚀

箍筋闭合组试件设置8组锈蚀率工况,分别是钢筋未锈蚀、钢筋锈蚀率1%,2%,3%,5%,7%,9%,12%;箍筋不闭合组试件设置6组锈蚀率工况,分别是钢筋未锈蚀、钢筋锈蚀率1%,2%,3%,5%,7%。黏结试件制作完成后,根据法拉第定律计算出各锈蚀程度的预期时间,参考前人对加速锈蚀的研究[17-19],选用半浸泡通电锈蚀方法,将试件置于电解液中通电,电解液为5%Nacl溶液,为了加速锈蚀时混凝土内部有良好的氯离子侵蚀通道,提前将试件在电解液中浸泡3 d,然后使用直流稳压电源对试件通电,电源恒流输出,电流密度为0.3 mA/cm2,随着通电时间的增加,需要及时对电解池中电解液进行补充,通电到达预设时间后,通电锈蚀结束。

黏结性能试验加载完成以后,取出锚固段锈蚀钢筋,测量钢筋实际锈蚀率。去除钢筋表面附着的混凝土以及部分块状锈蚀产物,对钢筋酸洗除锈,清水洗后干燥称重,得到钢筋实际锈蚀率。

锈蚀率φ的计算式:

(1)

式中:φ为质量锈蚀率;m0为试件钢筋原始质量;m1为试件钢筋锈蚀后剩余的质量。

1.3 试验现象

根据半梁式黏结试件应有的受力特点,设计了1个加载反力架,如图2所示。

图2 黏结加载示意

采用荷载传感器测量外荷载;使用拉线式位移计采集钢筋加载端和自由端滑移量。加载时将试件组装到位,使用锚具适当施加外力使得试件保持水平后,各采集设备数据调零,然后开始正式加载。

试验现象:在试验加载初期,箍筋闭合的试件整体无明显变化,仅钢筋加载端滑移量略有增加;外荷载增长到接近破坏峰值外荷载时,试件上表面保护层开始出现细微裂纹。

外荷载增长到破坏峰值外荷载时,试件钢筋混凝土黏结发生劈裂式破坏,试件上表面黏结段出现裂缝,如图3所示。钢筋黏结失效的同时,半梁式试件的梁体出现剪压破坏导致明显的斜裂缝,支座位置前的混凝土保护层也出现破坏裂缝,即半梁式试件的梁体受弯破坏。

图3 箍筋闭合试件黏结破坏现象

部分实际锈蚀率较高的试件破坏形式为拔出式破坏,试件钢筋混凝土黏结失效后,仅试件上表面原有的锈胀裂缝稍有扩张。钢筋黏结失效的同时,半梁式试件的梁体并未出现剪压破坏。

箍筋不闭合的试件均是试件上表面保护层劈裂式破坏,劈裂式破坏在试件上表面产生很多贯穿试件的裂缝,试件在黏结破坏后,混凝土大幅度剥离,裂缝明显,如图4所示。与箍筋闭合试件不同的是,在黏结破坏的同时试件梁体的剪压破坏并未出现;其中部分试件梁体两侧出现横向裂缝,横向裂缝为锈蚀导致的内部锈胀裂缝在黏结破坏过程中扩展到试件侧面。

图4 箍筋不闭合试件黏结破坏现象

2 锈蚀钢筋混凝土黏结试验结果分析

2.1 平均黏结强度

试验得到的力学性能数据:对钢筋施加的外荷载P;加载端滑移量s1;自由端滑移量s2。

根据外荷载值计算得到平均黏结强度τ:

(2)

式中:P为拔出力;d为受拉钢筋直径;l为锚固段长度。

得到的试验数据见表2。

表2 锈蚀钢筋试件试验数据

比较锈蚀率相近的两组试件试验数据:箍筋闭合的试件黏结破坏峰值平均黏结强度值均大于箍筋不闭合的试件;箍筋闭合的试件的黏结破坏加载端滑移量均大于箍筋不闭合的试件。锈蚀程度较低时(实际锈蚀率小于3%),黏结完全破坏时的峰值平均黏结强度和峰值滑移量稍低,黏结强度差值小于2 MPa;而当锈蚀程度较高时(实际锈蚀率大于3%),黏结完全破坏时的峰值平均黏结强度和峰值滑移量大幅度降低,黏结强度差值大于2 MPa。

2.2 黏结应力-滑移曲线

锈蚀钢筋的黏结应力-滑移曲线如图5所示。

图5 锈蚀钢筋的黏结应力-滑移曲线

1) 黏结应力-滑移曲线。从图5中可以看出,试验得到的箍筋闭合试件黏结应力-滑移曲线一般可分为5段,分别为第一增长段、荷载台阶、第二增长段、破坏段、摩擦段。

第一增长段:黏结强度随加载端滑移量增长而快速增长,直到荷载台阶出现,同时,钢筋加载端滑移量增长量较小,钢筋自由端滑移量基本没有变化,可以认为,此时钢筋与混凝土的黏结并未破坏。

荷载台阶阶段:平均黏结强度值停止增加,但加载端滑移量仍然在增加,同时自由端滑移量并未增加,即此时钢筋黏结并未完全破坏。结合黏结试件拔出的钢筋表面混凝土覆盖情况,如图6所示,靠近加载端的钢筋肋的肋间的钢筋表面仅在钢筋肋前有混凝土残留,而靠近自由端的钢筋肋间基本被残余的混凝土填满,同时自由端滑移量并未增加,即此时钢筋黏结并未完全破坏。

图6 钢筋黏结段混凝土残留

第二增长段:平均黏结强度继续增长,但较第一增长段降低,结合拔出试件的钢筋表面混凝土覆盖情况(图6),自由端滑移量不变,黏结并未完全破坏。

破坏段:当平均黏结强度值达到黏结破坏峰值强度时,加载端滑移量突然增大,平均黏结强度值突降,同时钢筋自由端滑移量也突然增大,即钢筋全部黏结都失效,此时钢筋混凝土的黏结完全破坏。

摩擦段:混凝土黏结完全破坏,钢筋与混凝土之间仅剩摩擦力,平均黏结强度值随滑移量的增长而缓慢下降。

2) 锈蚀率相当的试件曲线对比。锈蚀程度较低时,两组试件的黏结应力-滑移曲线基本相同,在黏结破坏过程中,闭合的箍筋能够使得黏结性能得到强化;闭合的箍筋强化了梁体的协同工作能力,使得黏结破坏时梁体受到的弯矩和剪力更大,导致梁体在不能与主筋协同工作后出现剪压破坏。

锈蚀程度较高时,锈蚀率相当的箍筋不闭合试件与箍筋闭合试件的黏结应力-滑移曲线相差较大,未出现荷载台阶时钢筋与混凝土的黏结就完全破坏。在曲线摩擦段,箍筋不闭合试件由所受摩擦力计算得到的平均黏结强度仅为1 MPa左右,远小于箍筋闭合试件由所受摩擦力计算得到的平均黏结强度为3～5 MPa。

2.3 不同锈蚀率的黏结应力-滑移曲线对比

分别取两组试件各预期锈蚀率曲线一条,得到两组试件不同锈蚀率钢筋黏结应力-滑移曲线对比图,如图7所示。

图7 不同锈蚀率钢筋的黏结应力-滑移曲线

由图7可以看出:

1) 箍筋闭合试件。随着锈蚀率的上升,黏结应力-滑移曲线呈现由5段逐渐退化为4段的趋势;试件钢筋混凝土黏结破坏的峰值强度和峰值滑移量稍有下降,半梁式试件整体仍能承担较大的外荷载,如未锈蚀的箍筋闭合试件的钢筋混凝土的黏结完全破坏时外荷载为163 kN,而预期锈蚀率为7%的箍筋闭合试件的钢筋混凝土的黏结完全破坏的外荷载为153 kN,相当于未锈蚀试件的93.9%。

2) 箍筋不闭合试件。锈蚀率较低的试件,试件黏结应力-滑移曲线出现退化,试件混凝土受到钢筋锈蚀破坏不明显;混凝土表面未出现裂缝,半梁式试件整体协同工作的能力在下降,但仍能承担一定的外荷载,如未锈蚀的箍筋不闭合试件的钢筋混凝土的黏结完全破坏时外荷载为153 kN,预期锈蚀率为2%的箍筋不闭合试件的钢筋混凝土的黏结完全破坏时外荷载为142 kN,相当于未锈蚀试件的92.8%。

锈蚀率较高的试件,试件黏结应力-滑移曲线出现明显变化,黏结应力-滑移曲线逐渐退化成4段,甚至3段;试件混凝土被钢筋锈胀裂缝破坏严重,混凝土表面出现裂缝,梁体承担外荷载能力大幅下降,如预期锈蚀率为7%的箍筋不闭合试件的钢筋混凝土的黏结完全破坏时,外荷载为84 kN,仅为未锈蚀试件的55.96%,加载过程中试件很快就丧失协同工作能力。

3 锈蚀钢筋与混凝土黏结性能退化

为分析前文黏结试验得到的数据,定义下面的退化系数:

(3)

(4)

式中:ατx(αsx)为锈蚀钢筋混凝土黏结强度(加载端滑移)退化系数;τx(sx)为锈蚀钢筋混凝土黏结破坏强度(加载端滑移);τ0(s0)为未锈蚀钢筋混凝土黏结破坏强度(加载端滑移)。

3.1 黏结强度退化规律

图8、图9分别为箍筋不闭合组和箍筋闭合组的试件黏结性能退化情况。

图8 箍筋不闭合组锈蚀钢筋与混凝土黏结强度退化

图9 箍筋闭合组锈蚀钢筋与混凝土黏结强度退化

根据图8,使用软件Origin拟合得到箍筋不闭合组的试件黏结强度退化规律:

ατk=1-8.227φ

(5)

根据图9,使用软件Origin拟合得到箍筋闭合组的试件黏结强度退化规律:

ατb=1-2.889φ

(6)

由式(5)(6)可知,箍筋闭合表达式中自变量φ之前的常数为2.889,而箍筋不闭合表达式中自变量φ之前的常数为8.227,即箍筋不闭合试件的黏结强度退化速率比箍筋闭合试件的黏结强度退化速率更快,如预期锈蚀率1%的两组试件的黏结强度之比为91.6%,预期锈蚀率5%的两组试件的黏结强度之比就下降到70.9%。即混凝土试件内配箍筋能让锈蚀钢筋混凝土黏结性能的退化速度减缓。

3.2 加载端黏结滑移退化规律

图10、图11分别为箍筋不闭合组和箍筋闭合组试件的黏结加载端滑移退化情况。

图10 箍筋不闭合组锈蚀钢筋混凝土黏结加载端滑移退化

图11 箍筋闭合组锈蚀钢筋混凝土黏结加载端滑移退化

根据图10,使用软件Origin拟合得到箍筋不闭合组的试件黏结滑移退化规律:

αsk=1-21.57φ(0≤φ≤4.64%)

(7)

根据图11,使用软件Origin拟合得到箍筋闭合组的试件黏结滑移退化规律:

αsb=1-8.15φ(0≤φ≤12.27%)

(8)

对比两组试件的锈蚀钢筋与混凝土黏结滑移退化规律,箍筋闭合表达式中自变量之前的常数为8.15,而箍筋不闭合表达式中自变量之前的常数为21.57,试件混凝土内有闭合箍筋可以降低由钢筋锈蚀导致的钢筋与混凝土的黏结滑移退化的速度,降低试件因黏结失效发生脆性破坏的风险。

根据式(7)给出的黏结滑移退化表达式,锈蚀率超过12.27%时,计算得到黏结滑移退化系数小于零,即试件钢筋与混凝土不能协同工作,可认为实际工程结构在钢筋锈蚀率超过12.27%时,工程结构的钢筋混凝土黏结失效,钢筋与混凝土之间只有摩擦力。

4 结论

1) 半梁式黏结试验现象:锈蚀率较低的箍筋闭合的试件为劈裂式破坏,同时试件梁体出现明显的剪压破坏,锈蚀率较高的试件为拔出式破坏;箍筋不闭合的试件黏结破坏时梁体仅出现黏结劈裂破坏,而试件梁体受弯破坏并不明显。

2) 得到了锈蚀钢筋混凝土的黏结性能数据,锈蚀率相近的箍筋闭合组试件的黏结强度和滑移性能均强于箍筋不闭合组试件,闭合的箍筋能够强化试件黏结性能。

3) 得到了黏结性能试验数据,并分析得到锈蚀钢筋与混凝土黏结强度退化规律、锈蚀钢筋与混凝土黏结滑移退化规律,试件混凝土内有闭合箍筋能降低锈蚀钢筋混凝土的黏结强度退化速率。随着锈蚀率的增长,黏结性能差距还将扩大,钢筋锈蚀得越严重,试件混凝土内有闭合箍筋对黏结强度的增强作用越大。

4) 根据文中对黏结性能退化规律的分析,可认为工程结构的钢筋锈蚀率超过12.27%时,黏结破坏,钢筋与混凝土之间只有摩擦力。