銹蝕鋼絞線與混凝土的黏結(jié)性能

劉云雁，范穎芳，李秋超

（大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

242起預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)力筋失效事件中，環(huán)境侵蝕造成的銹蝕事件達(dá)23%［1］.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)因其復(fù)雜的力學(xué)特性，極易遭受外界環(huán)境的侵蝕影響，誘發(fā)鋼筋腐蝕.中國(guó)海岸線綿長(zhǎng)，鹽堿地分布廣泛，冬季除冰鹽大量使用，氯鹽環(huán)境侵蝕十分普遍.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼絞線與混凝土間的黏結(jié)性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究［2-5］，提高混凝土強(qiáng)度、增大保護(hù)層厚度、降低相對(duì)錨固長(zhǎng)度、摻加不同特性纖維復(fù)合材料均有利于提高黏結(jié)強(qiáng)度，且鋼絞線的根數(shù)［6］、表面粗糙度［7］、養(yǎng)護(hù)齡期［8］及溫度［9］等同樣對(duì)其性能有一定影響.此外，黏結(jié)性能對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的有效預(yù)應(yīng)力傳遞等影響較關(guān)鍵.Vázquez-Herrero等［10-12］研究了有效預(yù)應(yīng)力在輕質(zhì)混凝土及不同強(qiáng)度混凝土中的傳遞長(zhǎng)度、鋼絞線的滑移程度及黏結(jié)強(qiáng)度.在此基礎(chǔ)上，部分學(xué)者開(kāi)展了氯鹽環(huán)境下鋼絞線混凝土的黏結(jié)性能研究.Li等［13］建立了銹蝕鋼絞線極限黏結(jié)強(qiáng)度退化系數(shù)與銹脹裂縫寬度的關(guān)系，未分析銹蝕率的劣化影響.Wang等［14］建立了長(zhǎng)黏結(jié)鋼絞線混凝土黏結(jié)強(qiáng)度隨銹蝕率的衰減規(guī)律.劉云雁等［15］、Wang等［16］研究了彎曲荷載作用下銹蝕鋼絞線的黏結(jié)滑移行為.目前，氯鹽環(huán)境下普通鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能研究較全面［17］，銹蝕鋼絞線與混凝土黏結(jié)性能的劣化研究仍然有限，亟須深入開(kāi)展.

本文對(duì)54個(gè)鋼絞線混凝土試件開(kāi)展了濕鹽砂加速腐蝕及中心拔出試驗(yàn)，研究了銹蝕率（ρ）、黏結(jié)長(zhǎng)度（Lf）、箍筋及碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）條帶加固等因素對(duì)鋼絞線混凝土黏結(jié)性能的影響，進(jìn)而分析了氯鹽環(huán)境下鋼絞線混凝土的黏結(jié)破壞機(jī)制.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

小野田P·O 42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥；大沙河中砂；粒徑5～25 mm青碎石.混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，其配合比見(jiàn)表1.鋼絞線為?15.2有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線；箍筋為HPB300級(jí)?8.0光圓鋼筋；CFRP布厚0.167 mm.鋼絞線、箍筋、CFRP布的抗拉強(qiáng)度分別為1 860、270、3 494 MPa，彈性模量分別為195、210、240 GPa.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

1.2 試件制備

試件澆筑前，在模具兩端安裝聚氯乙烯（PVC）套管設(shè)置無(wú)黏結(jié)區(qū)，以減小拉拔試驗(yàn)中混凝土的局部擠壓現(xiàn)象.澆筑尺寸分別為150 mm×150 mm×200 mm、150 mm×150 mm×280 mm、150 mm×150 mm×360 mm的鋼絞線混凝土試件各18個(gè)，其相應(yīng)的黏結(jié)長(zhǎng)度Lf分別為80、160、240 mm.同尺寸18個(gè)試件中包括無(wú)箍筋（M）組、配箍筋（MSS）組、CFRP條帶加固（MCS）組各6個(gè).試件命名制度為：M 80-X，M表示無(wú)箍筋組，80表示黏結(jié)長(zhǎng)度80 mm，X＝0、1、2、3、4、5（X＝0的試件為對(duì)照組試件，其余分別對(duì)應(yīng)腐蝕時(shí)間12、21、33、62、85 d）；其他類推.鋼絞線混凝土試件構(gòu)造見(jiàn)圖1.

圖1 鋼絞線混凝土試件構(gòu)造Fig.1 Structural diagrams of steel strand concrete samples（size：mm）

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 加速腐蝕試驗(yàn)

用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈉溶液拌制含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）約20%的濕鹽砂，將待腐蝕試件豎直埋置其中，鋼絞線接直流電源陽(yáng)極，試件四周環(huán)繞不銹鋼網(wǎng)片接電源陰極，連通電源后進(jìn)行電化學(xué)加速腐蝕.最大電壓小于30 V，初始電流密度為0.3 mA/cm2，并實(shí)時(shí)記錄.試件腐蝕時(shí)間為12、21、33、62、85 d，加速腐蝕試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖2.

圖2 加速腐蝕試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of accelerate corrosion test

1.3.2 中心拔出試驗(yàn)

將鋼絞線混凝土試件置于支座上，鋼絞線依次穿過(guò)帶孔鋼箱、穿心式千斤頂、30 t壓力傳感器，并通過(guò)錨具錨固.鋼絞線自由端安裝位移傳感器，鋼箱內(nèi)鋼絞線上水平安裝搭載位移傳感器及角度傳感器的PVC盤，分別用于測(cè)量鋼絞線自由端滑移值、加載端滑移值及旋轉(zhuǎn)角度，并連接信號(hào)采集系統(tǒng)DH 3817.中心拔出試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖3.其中位移傳感器量程250 mm，精度0.002 mm；角度傳感器量程360°，精度0.005°.試驗(yàn)采用50 t錨桿拉力計(jì)對(duì)鋼絞線進(jìn)行分級(jí)拉拔，荷載等級(jí)10 k N，當(dāng)鋼絞線中心被拔出40 mm或混凝土劈裂破壞時(shí)，停止試驗(yàn)，并對(duì)有黏結(jié)區(qū)域鋼絞線進(jìn)行酸洗除銹并稱重測(cè)長(zhǎng)，根據(jù)鋼絞線的線密度損失確定其實(shí)際質(zhì)量損失率.

圖3 中心拔出試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of central pull-out test

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼絞線混凝土的銹蝕開(kāi)裂特征

濕鹽砂含水率低，使得鋼筋表面濕潤(rùn)且流動(dòng)性水溶液較少，避免了鐵銹溢出，混凝土銹脹開(kāi)裂明顯，與鋼筋銹蝕的自然進(jìn)程較接近.圖4為鋼絞線的典型銹蝕形態(tài).由圖4可見(jiàn)：隨著銹蝕率ρ的增大，鋼絞線表面首先出現(xiàn)微小的點(diǎn)蝕孔，隨后發(fā)展為點(diǎn)蝕坑，再擴(kuò)展為棱錐形、長(zhǎng)橢球形及馬鞍狀蝕坑，并伴隨顯著的纖維狀腐蝕條紋；當(dāng)ρ＞8.00%時(shí)，鋼絞線外表面腐蝕形態(tài)復(fù)雜，條狀蝕坑達(dá)4 mm×70 mm，鋼絲截面積大幅減小.

圖4 鋼絞線的典型銹蝕形態(tài)Fig.4 Typical corrosion morphologies of steel strand

圖5為鋼絞線混凝土典型的銹蝕開(kāi)裂形態(tài).由圖5可見(jiàn)，腐蝕初期，混凝土表面出現(xiàn)紅褐色銹斑，隨后部分試件的混凝土保護(hù)層沿鋼絞線走向均勻開(kāi)裂，伴隨少量紅棕色鐵銹析出.

圖5 鋼絞線混凝土典型的銹蝕開(kāi)裂形態(tài)Fig.5 Typical corrosion cracking morphologies of steel strand concrete

2.2 鋼絞線混凝土的失穩(wěn)模式

中心拔出試驗(yàn)中，鋼絞線均出現(xiàn)正旋滑移現(xiàn)象，即“螺栓效應(yīng)”.當(dāng)銹蝕率ρ＜1.00%時(shí)，鋼絞線拔出后，各試件混凝土均未開(kāi)裂；隨銹蝕率增大，M組試件新增開(kāi)裂程度均高于MCS及MSS組；銹蝕率ρ＞4.66%時(shí)，僅M組試件出現(xiàn)劈裂破壞.由此可見(jiàn)，CFRP條帶及箍筋提供了較強(qiáng)的橫向約束力，有效抑制了混凝土劈裂破壞的發(fā)生.此外，本試驗(yàn)中不同黏結(jié)長(zhǎng)度對(duì)鋼絞線混凝土試件的失穩(wěn)模式影響不明顯.由于本試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，相關(guān)研究有待深入開(kāi)展.

綜上，本試驗(yàn)中鋼絞線混凝土典型的失穩(wěn)模式主要有2種：（1）鋼絞線拔出，混凝土未出現(xiàn)開(kāi)裂或出現(xiàn)新增微裂縫及銹脹裂縫二次擴(kuò)張現(xiàn)象，發(fā)生延性破壞，見(jiàn)圖6（a）；（2）鋼絞線拔出，發(fā)生劈裂破壞，見(jiàn)圖6（b）.

圖6 鋼絞線混凝土典型的失穩(wěn)模式Fig.6 Typical failure modes of steel strand concrete

2.3 鋼絞線混凝土的黏結(jié)性能

2.3.1 黏結(jié)-滑移曲線

中心拔出試驗(yàn)中，鋼絞線黏結(jié)應(yīng)力τ沿黏結(jié)長(zhǎng)度Lf變化，其計(jì)算公式見(jiàn)式（1）.

式中：F為拉拔力，N；d為鋼絞線直徑，mm.

鋼絞線混凝土加載端的黏結(jié)-滑移（τ-s）曲線見(jiàn)圖7.由圖7可見(jiàn)：加載初期，對(duì)照組試件的黏結(jié)應(yīng)力逐漸由加載端向自由端傳遞，黏結(jié)-滑移曲線出現(xiàn)局部峰值后進(jìn)入強(qiáng)化段，與徐有鄰等［18］得到的多段線式荷載滑移曲線較相似；與對(duì)照組試件相比，輕微銹蝕試件的黏結(jié)應(yīng)力顯著提高，黏結(jié)-滑移曲線相似，且更為飽滿；銹蝕程度較高試件的黏結(jié)-滑移曲線達(dá)到局部應(yīng)力峰值后驟然降低，并出現(xiàn)脆性破壞特征，與Li等［13］得到的銹脹開(kāi)裂鋼絞線混凝土黏結(jié)-滑移曲線較相似.

圖7 鋼絞線混凝土加載端的黏結(jié)-滑移曲線Fig.7 τ-s curves of corroded steel strand concrete on loaded end

鋼絞線的銹蝕程度顯著影響了鋼絞線混凝土黏結(jié)-滑移曲線的發(fā)展模式，根據(jù)鋼絞線銹蝕程度可將其黏結(jié)-滑移曲線分為兩大類：四階段曲線（無(wú)銹蝕及輕微銹蝕）和兩階段曲線（銹蝕程度較高），其典型曲線見(jiàn)圖8.由圖8（a）可見(jiàn)，鋼絞線黏結(jié)-滑移曲線的四階段為：（1）微上升滑移段（OA段），加載初期鋼絞線滑移較小，達(dá)到初始黏結(jié)強(qiáng)度τ0.25（滑移0.25 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力為初始黏結(jié)強(qiáng)度［19］）時(shí)，鋼絞線與混凝土間化學(xué)膠著力完全喪失；當(dāng)滑移值為0.50～1.00 mm時(shí)達(dá)到局部應(yīng)力峰值τf；（2）微下降段（AB段），達(dá)到局部應(yīng)力峰值后，鋼絞線鋼絲縫間的少量混凝土咬合齒斷裂，黏結(jié)-滑移曲線出現(xiàn)微下降特征；（3）強(qiáng)化段（BC段），該階段黏結(jié)應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，由于鋼絞線鋼絲縫間的混凝土咬合齒螺旋且連續(xù)，提供的機(jī)械咬合力使得黏結(jié)應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定，達(dá)到極限黏結(jié)應(yīng)力τu，咬合齒斷裂；（4）平穩(wěn)下降段（CD段），銹蝕程度較低時(shí)，鋼絞線混凝土滑移艙壁較完整（見(jiàn)圖9（a）），仍可持續(xù)提供摩擦力，使得黏結(jié)滑移曲線緩慢下降并趨于穩(wěn)定.由圖8（b）可見(jiàn)，黏結(jié)-滑移曲線的兩階段為：（1）微上升滑移段（OA′段），該階段與無(wú)銹蝕試件相似；（2）快速下降段（A′C′段），達(dá)到局部應(yīng)力峰值τf后，混凝土咬合齒被切斷并磨碎（見(jiàn)圖9（b）），由于銹蝕裂縫貫通混凝土保護(hù)層，混凝土提供的橫向約束能力及摩擦阻力降低，使得黏結(jié)應(yīng)力持續(xù)下降.

圖8 典型鋼絞線混凝土黏結(jié)-滑移曲線Fig.8 Typical bond-slip curves of steel strand concrete

圖9 鋼絞線混凝土滑移艙Fig.9 Slip chamber of steel strand concrete

2.3.2 初始黏結(jié)強(qiáng)度τ0.25

鋼絞線混凝土初始黏結(jié)強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系見(jiàn)圖10.由圖10可見(jiàn)：少量銹蝕產(chǎn)物的填充提高了化學(xué)膠著力的強(qiáng)度，初始黏結(jié)強(qiáng)度隨之提高；隨著銹蝕率的增大，銹蝕產(chǎn)物的大量沉積瓦解了水泥石與鋼絞線表面的有效黏接，導(dǎo)致初始黏結(jié)強(qiáng)度降低；隨著黏結(jié)長(zhǎng)度的增大，初始黏結(jié)強(qiáng)度分布范圍由1.17～13.67 MPa（Lf＝80 mm）降 低 至0.68～9.42 MPa（Lf＝160 mm）及0.60～7.71 MPa（Lf＝240 mm），這是因?yàn)殡S黏結(jié)長(zhǎng)度增加，鋼絞線與混凝土間化學(xué)膠著力分布的不均勻性進(jìn)一步增大，導(dǎo)致其初始黏結(jié)強(qiáng)度分布范圍隨之下降；箍筋及CFRP條帶對(duì)鋼絞線混凝土初始黏結(jié)強(qiáng)度的影響不顯著.

圖10 鋼絞線混凝土初始黏結(jié)強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系Fig.10 Relationship betweenτ0.25 and corrosion ratio of steel strand concrete

本試驗(yàn)中約42.6%的試件初始黏結(jié)強(qiáng)度τ0.25均達(dá)到局部黏結(jié)應(yīng)力峰值的60%及以上，隨后鋼絞線發(fā)生快速滑移.因此，研究銹蝕率與初始黏結(jié)強(qiáng)度間的關(guān)系，有助于對(duì)惡劣環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警，具有一定工程實(shí)際意義.

2.3.3 黏結(jié)強(qiáng)度τs

部分學(xué)者采用鋼絞線特征滑移為1.00 mm［2，18］或2.50 mm［19-20］時(shí)對(duì)應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力作為黏結(jié)強(qiáng)度，用以評(píng)價(jià)鋼絞線混凝土的黏結(jié)性能.本文認(rèn)為該方法容易出現(xiàn)誤差，故采用黏結(jié)-滑移曲線局部應(yīng)力峰值τf作為黏結(jié)強(qiáng)度τs.國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究表明，鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)隨著銹蝕率的增加呈先增大后降低的趨勢(shì)，并將該轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的銹蝕率定義為關(guān)鍵銹蝕率［17］.銹蝕率-黏結(jié)強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖11.由圖11可見(jiàn)，黏結(jié)強(qiáng)度τs的變化規(guī)律與初始黏結(jié)強(qiáng)度τ0.25較相似：銹蝕率小于1.50%時(shí)（關(guān)鍵銹蝕率），混凝土機(jī)械咬合齒較完整，有效提供了機(jī)械咬合力，少量銹蝕物質(zhì)的填充使得鋼絞線與混凝土間擠壓力增大，摩擦力增強(qiáng)，黏結(jié)強(qiáng)度隨之提高；隨銹蝕程度增加，混凝土開(kāi)裂，其所提供的環(huán)向約束力減小，大量疏松銹漬的填充不僅降低了混凝土與鋼絞線間的摩擦力，且促進(jìn)了混凝土機(jī)械咬合齒的斷裂，使得黏結(jié)強(qiáng)度大幅衰減；黏結(jié)長(zhǎng)度由80 mm增大至160、240 mm時(shí)，M組試件的最大黏結(jié)強(qiáng)度分別降低7.5%、26.6%，MCS組的最大黏結(jié)強(qiáng)度分別降低22.7%、36.0%，MSS組的最大黏結(jié)強(qiáng)度分別增大16.2%、13.1%；黏結(jié)長(zhǎng)度為160、240 mm時(shí)，MSS組試件的黏結(jié)強(qiáng)度明顯高于M組及MCS組.由此可見(jiàn)，隨黏結(jié)長(zhǎng)度增加，無(wú)箍筋組及CFRP條帶加固組的黏結(jié)性能受到顯著削弱；配置箍筋有效改善了混凝土對(duì)鋼絞線的“握裹力”，促使黏結(jié)強(qiáng)度提高.

圖11 銹蝕率-黏結(jié)強(qiáng)度曲線Fig.11 Curves of corrosion ratio versus bonding strength

2.3.4 歸一化黏結(jié)強(qiáng)度R

本文采用歸一化黏結(jié)強(qiáng)度R［17］，即各銹蝕試件黏結(jié)強(qiáng)度τs，i與相應(yīng)對(duì)照組試件黏結(jié)強(qiáng)度τs，0之比，來(lái)評(píng)價(jià)濕鹽砂腐蝕對(duì)鋼絞線與混凝土間黏結(jié)性能的劣化影響.

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析可得R與箍筋間距Sw、黏結(jié)長(zhǎng)度Lf及銹蝕率ρ間的關(guān)系，見(jiàn)式（2）～（5）：

式中：A、B、C表示箍筋間距Sw及黏結(jié)長(zhǎng)度Lf對(duì)R值的影響；常數(shù)項(xiàng)0.74表示其他因素對(duì)R值的影響；通過(guò)截面積等效法將CFRP條帶近似等效為間距155 mm的?8光圓箍筋，無(wú)箍筋試件可認(rèn)為箍筋間距無(wú)限大.

歸一化黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)值及計(jì)算值見(jiàn)圖12.由圖12可見(jiàn)：R的試驗(yàn)值與箍筋間距近似負(fù)相關(guān)，與黏結(jié)長(zhǎng)度近似正相關(guān)；M組試件R的試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差小于10%，吻合較好；MSS組及MCS組中約73%的試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差小于15%，基本吻合；銹蝕率較高時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較離散，不予考慮.

圖12 歸一化黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)值及計(jì)算值Fig.12 Test values and calculated values of normalized bond strength R

由前文可知，本試驗(yàn)黏結(jié)強(qiáng)度隨濕鹽砂腐蝕程度變化的關(guān)鍵銹蝕率約為1.50%，對(duì)應(yīng)的銹蝕裂縫寬度小于0.14 mm，鋼絞線黏結(jié)長(zhǎng)度及相對(duì)箍筋間距對(duì)其影響不明顯.Wang等［14］基于長(zhǎng)黏結(jié)鋼絞線的拉拔試驗(yàn)得到的關(guān)鍵銹蝕率約為6.00%，且裂縫寬度較大，與本文結(jié)果相差較大；Li等［13］對(duì)銹蝕短黏結(jié)鋼絞線進(jìn)行偏心拉拔試驗(yàn)，得到關(guān)鍵銹蝕率所對(duì)應(yīng)的裂縫寬度約為0.10 mm，與本文結(jié)果較相近.關(guān)鍵銹蝕率表征黏結(jié)性能開(kāi)始出現(xiàn)退化的趨勢(shì)，試驗(yàn)方法、試件尺寸、混凝土力學(xué)性能、鋼筋直徑、腐蝕工況等因素均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，相關(guān)研究表明，普通帶肋鋼筋所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵銹蝕率約為0.50%～2.50%［17］，而銹蝕鋼絞線的相關(guān)研究仍未達(dá)成統(tǒng)一定論，亟須深入開(kāi)展.

3 結(jié)論

（1）濕鹽砂腐蝕顯著影響了鋼絞線混凝土的黏結(jié)-滑移曲線發(fā)展規(guī)律.鋼絞線銹蝕率較小時(shí)，其黏結(jié)-滑移曲線主要經(jīng)歷微上升滑移、微下降、強(qiáng)化及平穩(wěn)下降四階段；隨銹蝕率增大，黏結(jié)滑移曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑸仙萍翱焖傧陆祪呻A段.

（2）以關(guān)鍵銹蝕率1.50%為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，初始黏結(jié)強(qiáng)度及黏結(jié)強(qiáng)度隨銹蝕率增大呈先增大后降低趨勢(shì).黏結(jié)長(zhǎng)度由80 mm增大至160、240 mm時(shí)，初始黏結(jié)強(qiáng)度由1.17～13.67 MPa分別下降至0.68～9.42、0.60～7.71 MPa，配箍筋組最大黏結(jié)強(qiáng)度分別增大了16.2%、13.1%，無(wú)箍筋組及CFRP條帶加固組均明顯下降.配置箍筋有效提高了鋼絞線混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，CFRP條帶及箍筋對(duì)初始黏結(jié)強(qiáng)度影響較小，但顯著抑制了混凝土的劈裂破壞.

（3）建立了與箍筋間距、黏結(jié)長(zhǎng)度及鋼絞線銹蝕率有關(guān)的鋼絞線混凝土歸一化黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式，各組試件的計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差均小于15%，吻合較好.