非均勻銹蝕鋼筋-混凝土黏結(jié)性能試驗

吳潔瓊，郭 莉，金 瀏，杜修力

(城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室(北京工業(yè)大學(xué))，北京 100124)

實際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕具有非均勻性[1-2]，即離保護層近的一側(cè)鋼筋銹蝕更嚴(yán)重[3]并存在坑蝕等局部銹蝕現(xiàn)象[4]，已有研究表明鋼筋力學(xué)性能在均勻銹蝕和非均勻銹蝕兩種情況下是不同的[5-6]。另外，結(jié)構(gòu)在服役期間承受彎矩和剪力的共同作用，現(xiàn)有黏結(jié)性能的研究多為拉拔試驗，而拉拔試驗中鋼筋與混凝土的應(yīng)力狀態(tài)與實際工程結(jié)構(gòu)不符[7]。鑒于此，有必要開展非均勻銹蝕鋼筋與混凝土黏結(jié)性能研究的梁式試驗(考慮彎矩和剪力共同作用)。

鋼筋銹蝕產(chǎn)物體積膨脹[8]，對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)膨脹應(yīng)力超過混凝土本身的抗拉能力時混凝土開裂[9]，鋼筋非均勻銹蝕引起的混凝土保護層銹脹開裂特征受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。張白等[10]通過7組不同銹蝕率的中心拉拔試件，討論了試件表面最大銹脹裂縫寬度與質(zhì)量損失率的關(guān)系。Zhang等[11]對自然銹蝕的鋼筋展開研究，提出了混凝土銹脹開裂預(yù)測模型。林紅威等[12]通過電加速銹蝕模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕(質(zhì)量損失率0%～15%)，發(fā)現(xiàn)銹脹裂縫寬度隨鋼筋質(zhì)量損失率的增加近似線性增加。

針對銹蝕鋼筋與混凝土的黏結(jié)強度劣化方面，國內(nèi)外學(xué)者已開展大量研究。Lin等[13]和王朝陽等[14]分別通過梁式試驗和拉拔試驗提出了基于質(zhì)量損失率的相對黏結(jié)強度退化模型。Tondolo[15]通過加速銹蝕后的鋼筋混凝土拉拔試件的試驗研究，發(fā)現(xiàn)鋼筋質(zhì)量損失率在0%～2%范圍內(nèi)，黏結(jié)強度基本保持不變?，F(xiàn)有文獻在研究銹蝕與鋼筋混凝土黏結(jié)性能的關(guān)系時，未就鋼筋局部坑蝕等非均勻銹蝕特征展開分析；且對于實際工程結(jié)構(gòu)，混凝土表面銹脹裂縫寬度較鋼筋質(zhì)量損失率更易獲取，而目前基于混凝土表面銹脹裂縫寬度的相對黏結(jié)強度退化模型有限。

因此，為模擬混凝土中鋼筋非均勻銹蝕以及結(jié)構(gòu)承受彎矩和剪力共同作用的工作狀態(tài)，本文開展了8榀不同質(zhì)量損失率的鋼筋混凝土梁試件的黏結(jié)性能試驗研究，提出了混凝土表面最大銹脹裂縫寬度與鋼筋質(zhì)量損失率的相關(guān)關(guān)系，建立了銹蝕鋼筋與混凝土相對黏結(jié)強度退化模型，并給出了混凝土表面最大銹脹裂縫寬度與相對黏結(jié)強度的關(guān)系式。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

共澆筑8榀相同尺寸和配筋的鋼筋混凝土梁試件，試件尺寸及配筋情況見圖1。試件尺寸為1 500 mm×120 mm×200 mm。受拉鋼筋采用HRB400帶肋鋼筋，直徑為20 mm，屈服強度為454 MPa，極限強度為653 MPa，彈性模量為2.0×105MPa；箍筋采用HPB300光圓鋼筋，直徑為8 mm。梁試件兩側(cè)黏結(jié)區(qū)長度l均取7.5D(D為受拉鋼筋直徑)，即150 mm。非黏結(jié)區(qū)域采用PVC套管實現(xiàn)。在梁的兩端分別設(shè)置長100 mm的凹槽，以測量鋼筋應(yīng)變以及鋼筋與混凝土之間的相對滑移。為了保證在電加速銹蝕過程中僅受拉鋼筋產(chǎn)生銹蝕，在試件澆筑前，對箍筋和架立筋表面涂抹環(huán)氧樹脂進行防銹蝕處理?；炷敛捎肅40商品混凝土，水膠比為0.39，配合比見表1，混凝土28 d立方體抗壓強度為42 MPa。

圖1 試件尺寸及配筋(mm)

表1 混凝土配合比

1.2 試驗過程

混凝土齡期28 d后，8榀鋼筋混凝土梁依次進行通電加速銹蝕、銹脹裂縫測量、黏結(jié)性能測試和鋼筋三維掃描。具體試驗步驟：

1)通電加速銹蝕：采用直流穩(wěn)壓電源進行通電加速銹蝕，見圖2。電源正極與受拉鋼筋相連，電源負極與寬度為10 mm的銅排連接(圖2(a))。受拉鋼筋(正極)與銅排(負極)之間的距離為混凝土保護層厚度(40 mm)。為了形成電解回路并保證空氣能與鋼筋充分接觸[16]，在試件黏結(jié)區(qū)表面外貼海綿并覆蓋塑料膜(圖2(b))，每天定時向海綿噴灑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液。由于銅排寬度小于受拉鋼筋直徑，銅排與鋼筋上各點間距離不同，導(dǎo)致電阻間距和混凝土阻力不同，使得鋼筋表面電流密度不同，從而產(chǎn)生非均勻銹蝕(圖2(c))。為了防止電流密度過大造成鋼筋銹蝕與自然狀態(tài)不符，電流密度取0.3 mA/cm2[17-18]。

圖2 加速銹蝕試驗

本文設(shè)計的4種質(zhì)量損失率見表2，通電時間根據(jù)法拉第定律計算。試件黏結(jié)破壞后，將銹蝕段(150 mm)鋼筋取出，進行酸洗、稱重，得到鋼筋的實際質(zhì)量損失率ρ為

表2 梁試件試驗參數(shù)

(1)

式中m0為鋼筋未銹蝕時的質(zhì)量，mt為銹蝕鋼筋除銹后的質(zhì)量。

2)銹脹裂縫測量：試件達到設(shè)計質(zhì)量損失率后停止通電，采用圖3所示的裂縫測寬儀(HC-CK103)測量梁試件黏結(jié)區(qū)底面混凝土表面的銹脹裂縫寬度。

圖3 混凝土表面銹脹裂縫觀測

3)黏結(jié)性能測試：采用電液伺服加載機對梁試件進行三點彎曲加載，見圖4。加載速率為0.5 mm/min。為了使鋼筋在梁的一端被拔出，在試件另一端采用與受拉鋼筋相匹配的三片式錨具將受拉鋼筋錨固。在梁試件上的2個凹槽處對受拉鋼筋分別粘貼2個鋼筋應(yīng)變片；在試件的錨固端、自由端和兩個凹槽處，分別布置位移計1、2、4、5以測得鋼筋與混凝土之間的相對滑移，在梁跨中底部布置位移計(即位移計3)以測得加載過程中梁試件的跨中位移。假設(shè)黏結(jié)應(yīng)力在黏結(jié)區(qū)內(nèi)均勻分布[19]，則平均黏結(jié)應(yīng)力計算公式為

圖4 三點彎曲加載示意(mm)

(2)

式中：τ為黏結(jié)區(qū)的平均黏結(jié)應(yīng)力；P為鋼筋拉拔力，由式(3)計算得出[19]；D為受拉鋼筋直徑；l為黏結(jié)區(qū)長度。

P=σA

(3)

式中：σ為鋼筋應(yīng)力，當(dāng)鋼筋處于線彈性階段時，σ=εE(ε為鋼筋應(yīng)變；E為鋼筋彈性模量)；A為受拉鋼筋橫截面面積。試件加載時，受拉鋼筋處于線彈性階段，ε取試件凹槽處4個鋼筋應(yīng)變片所測數(shù)據(jù)的平均值。

4)鋼筋三維掃描：試件黏結(jié)破壞后，將梁試件黏結(jié)區(qū)銹蝕鋼筋取出并除銹，采用工業(yè)級高精度三維掃描儀對銹蝕鋼筋進行掃描，得到銹蝕鋼筋的三維圖像，并將圖像導(dǎo)入Geomagic Wrap軟件中生成三維模型，測量銹坑參數(shù)(銹坑長度、寬度和深度)。

2 結(jié)果及討論

2.1 加載過程及破壞模式

本文不同銹蝕程度的鋼筋混凝土梁的應(yīng)變-位移曲線差別不大。以A0組梁試件為例，見圖5。在加載初期，跨中位移較小，受拉鋼筋應(yīng)變迅速增加；隨著加載的繼續(xù)，當(dāng)跨中位移達到1.2 mm左右時，鋼筋應(yīng)變增加的速度變緩；繼續(xù)加載至跨中位移達到約6.6 mm時，試件發(fā)生黏結(jié)破壞，鋼筋應(yīng)變顯著降低。不同銹蝕程度的鋼筋混凝土梁試件破壞過程相似，且黏結(jié)破壞模式基本一致。以A2-1試件為例，見圖6。當(dāng)試件加載至約45%峰值荷載時，鋼筋與混凝土未發(fā)生相對滑移；隨著荷載繼續(xù)增加至約70%峰值荷載時，鋼筋和混凝土之間開始發(fā)生相對滑動，黏結(jié)區(qū)梁側(cè)面混凝土表面出現(xiàn)斜裂縫；當(dāng)外荷載逐漸增大至峰值荷載，斜裂縫逐漸變寬，受拉鋼筋連同周圍混凝土被拔出，試件發(fā)生黏結(jié)破壞。

圖5 應(yīng)變-位移曲線

圖6 破壞模式

2.2 銹脹裂縫

在通電加速銹蝕之前，所有梁試件的混凝土表面未出現(xiàn)裂縫；通電加速銹蝕5 d后，所有梁試件黏結(jié)區(qū)底面的混凝土表面出現(xiàn)第一條清晰可見的銹脹裂縫(寬度約為0.06 mm)；隨著通電時間的增加，銹脹裂縫長度和寬度不斷增加。不同質(zhì)量損失率的梁試件黏結(jié)區(qū)底面混凝土表面的銹脹裂縫分布情況見圖7。

圖7 梁試件黏結(jié)區(qū)底面銹脹裂縫(mm)

由圖7可知，當(dāng)質(zhì)量損失率為2.6%(A1-1)時，混凝土表面僅出現(xiàn)一條銹脹裂縫；當(dāng)質(zhì)量損失率從3.0%(A1-2)增加到6.2%(A2-2)時，混凝土表面出現(xiàn)2～3條銹脹裂縫；當(dāng)質(zhì)量損失率增加到8.3%(A3-2)和10.3%(A3-1)時，混凝土表面多條銹脹裂縫相互連接在一起，且混凝土保護層發(fā)生局部剝落。此外，當(dāng)質(zhì)量損失率從2.6%增加到10.3%時，混凝土表面最大銹脹裂縫寬度從0.09 mm增加到1.66 mm，即最大銹脹裂縫寬度隨鋼筋質(zhì)量損失率的增加而顯著增大。

最大銹脹裂縫寬度與鋼筋質(zhì)量損失率的關(guān)系曲線見圖8，圖中R2為擬合曲線與試驗點的擬合優(yōu)度。可見，混凝土表面最大銹脹裂縫寬度隨質(zhì)量損失率的增加近似呈對數(shù)增長，計算公式為

ρ=0.03ln(19wmax)

(4)

式中ρ為質(zhì)量損失率，wmax為混凝土表面最大銹脹裂縫寬度。

圖8還給出了式(4)計算值與文獻[13,19]試驗值的對比，其中文獻[13,19]的試驗研究中鋼筋均發(fā)生非均勻銹蝕。式(4)計算值與文獻[13]試驗值吻合良好。然而，式(4)計算值比文獻[19]試驗值偏高，這主要是由于文獻[19]中箍筋發(fā)生了銹蝕而式(4)是基于本文箍筋未銹蝕情況得到的。此外，考慮到安全性問題，通過試件表面最大銹脹裂縫寬度預(yù)測鋼筋的質(zhì)量損失率時，對上述模型乘以1.5倍的安全系數(shù)[20]為宜。

圖8 最大銹脹裂縫寬度與質(zhì)量損失率的關(guān)系

2.3 鋼筋非均勻銹蝕形態(tài)

鋼筋混凝土梁黏結(jié)破壞后，觀察內(nèi)部鋼筋，發(fā)現(xiàn)箍筋幾乎無銹蝕，受拉鋼筋表現(xiàn)出與自然銹蝕近似的非均勻銹蝕形態(tài)：縱截面上存在深淺不一的銹坑；橫截面上離保護層近的一側(cè)鋼筋銹蝕更嚴(yán)重。文獻[21]研究表明，自然狀態(tài)下銹蝕鋼筋的最大銹坑深度是平均銹坑深度的2.5倍。通過三維掃描軟件測試本文鋼筋銹坑的長度、寬度和深度，發(fā)現(xiàn)鋼筋最大銹坑深度是平均銹坑深度的2.3倍?？梢姡疚碾娂铀黉P蝕試驗較好地模擬了鋼筋在自然環(huán)境中的非均勻銹蝕形態(tài)。

2.3.1 銹坑分布

銹蝕鋼筋的三維掃描圖像見圖9，包括離混凝土保護層近側(cè)(a面)和遠側(cè)(b面)的掃描圖像?？梢?，不同質(zhì)量損失率下鋼筋的坑蝕特征顯著不同。當(dāng)質(zhì)量損失率為2.6%和3.0%時，鋼筋a面的銹坑個數(shù)約為10個且銹坑長度較小(< 2 mm)，鋼筋b面幾乎無銹坑。當(dāng)質(zhì)量損失率增加到5.3%和6.2%時，鋼筋a面銹坑數(shù)增加到約15個，且銹坑沿長度方向擴展至相連，這與文獻[5]研究結(jié)果類似；此時鋼筋b面出現(xiàn)銹坑，但坑蝕尺寸較小(約1 mm)。當(dāng)質(zhì)量損失率達到8.3%和10.3%時，鋼筋a面銹坑數(shù)未增加(約15個)，但銹坑長度顯著增大(約20 mm)；且此時鋼筋b面銹坑長度可達5 mm。此外，由圖9可知，本文鋼筋銹坑形態(tài)主要包括半圓球體、旋轉(zhuǎn)拋物體和半橢球體等，這與文獻[22]采用的銹坑簡化模型(半橢球體)類似。

圖9 銹蝕鋼筋三維掃描

2.3.2 銹坑尺寸

鋼筋銹坑總長度、總寬度和總深度的變化情況見圖10。可見，隨著質(zhì)量損失率的增加，銹坑的總長度、總寬度和總深度均呈現(xiàn)增加的趨勢。具體來說，質(zhì)量損失率從2.6%增加到10.3%，銹坑總長度從20.96 mm增加到89.23 mm(增加了68.27 mm)，銹坑總寬度從14.07 mm增加到54.28 mm(增加了40.21 mm)，銹坑總深度從2.08 mm增加到12.06 mm(增加了9.98 mm)，即隨著質(zhì)量損失率的增加，銹坑總長度變化最顯著?；诖?，本文提出了非均勻銹蝕系數(shù)α來表征鋼筋銹蝕的非均勻性，并將其定義為鋼筋銹坑總長度與黏結(jié)區(qū)鋼筋長度的比值。

圖10 銹坑尺寸

非均勻銹蝕系數(shù)α與質(zhì)量損失率的關(guān)系見圖11。當(dāng)擬合優(yōu)度為0.96，兩者關(guān)系式為

圖11 非均勻銹蝕系數(shù)與質(zhì)量損失率的關(guān)系

α=6ρ

(5)

基于式(5)，可對某一給定質(zhì)量損失率下的鋼筋銹蝕的非均勻性進行評估。

2.4 黏結(jié)-滑移曲線

加載過程中錨固端滑移(即位移計1)為0 mm，因此位移計5測得的數(shù)據(jù)即為鋼筋與混凝土自由端的相對滑移。不同質(zhì)量損失率下鋼筋與混凝土的黏結(jié)-滑移(自由端滑移)曲線見圖12?？梢娰|(zhì)量損失率對銹蝕鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的形狀影響不大。在加載初期黏結(jié)應(yīng)力不斷增加，但鋼筋與混凝土相對滑移增加并不顯著；當(dāng)黏結(jié)應(yīng)力達到最大，試件發(fā)生黏結(jié)破壞，此時對應(yīng)的峰值滑移為0.08～0.31 mm；繼續(xù)加載時，黏結(jié)應(yīng)力逐漸降低，鋼筋與混凝土相對滑移顯著增加。

圖12 黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

黏結(jié)應(yīng)力與質(zhì)量損失率的關(guān)系見圖13。一方面，銹蝕對試件的黏結(jié)強度(即最大黏結(jié)應(yīng)力)影響顯著，隨著質(zhì)量損失率的增加，黏結(jié)強度顯著降低，相較于未銹蝕試件，質(zhì)量損失率為2.6%、3.0%、5.3%、6.2%、8.3%和10.3%的梁試件黏結(jié)強度分別降低了8%、7%、12%、15%、28%和29%。另一方面，質(zhì)量損失率對試件的殘余黏結(jié)強度也有較大影響，質(zhì)量損失率從0%增加至10.3%，殘余黏結(jié)強度從5.72 MPa降低為2.72 MPa(降低了52.4%)。

圖13 黏結(jié)應(yīng)力與質(zhì)量損失率的關(guān)系

2.5 相對黏結(jié)強度退化模型

鋼筋與混凝土黏結(jié)強度影響因素較多，混凝土強度和保護層厚度等均會對黏結(jié)強度產(chǎn)生顯著影響。因此，本文利用未銹蝕試件的黏結(jié)強度對不同質(zhì)量損失率的黏結(jié)強度進行歸一化處理，即定義相對黏結(jié)強度Rτ為銹蝕鋼筋混凝土黏結(jié)強度與未銹蝕鋼筋混凝土黏結(jié)強度的比值。

2.5.1 基于質(zhì)量損失率的相對黏結(jié)強度退化模型

根據(jù)本文試驗結(jié)果，圖14給出了基于質(zhì)量損失率的相對黏結(jié)強度退化模型，計算公式為

圖14 基于質(zhì)量損失率的相對黏結(jié)強度退化模型

Rτ= e-3ρ

(6)

文獻[23-26]提出的相對黏結(jié)強度退化模型見表3?？梢姡?6)與其他學(xué)者提出的模型在公式形式上具有一致性。式(6)計算值與文獻[14,19,27-32]試驗值的對比見圖15。計算值和文獻[14,19,27-32]試驗值的誤差基本都在30%[33]以內(nèi)，即式(6)可以給出合理的預(yù)測值。

表3 其他學(xué)者提出的相對黏結(jié)強度退化模型

圖15 基于質(zhì)量損失率的相對黏結(jié)強度退化模型驗證

此外，研究表明，混凝土未產(chǎn)生銹脹裂縫之前，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹引起鋼筋與混凝土間摩擦力增加，黏結(jié)強度與未銹蝕試件相比略有提高。但當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)銹脹裂縫后，黏結(jié)強度較未銹蝕試件顯著降低[34]。本文試驗中最小質(zhì)量損失率的試件表面已出現(xiàn)銹脹裂縫，因此，測得的相對黏結(jié)強度均 < 1.0。本文提出的基于質(zhì)量損失率的相對黏結(jié)強度退化模型(式(6))，未考慮銹脹開裂前銹蝕產(chǎn)物體積膨脹對黏結(jié)強度的增強作用。

2.5.2 基于混凝土表面最大銹脹裂縫寬度的相對黏結(jié)強度退化模型

如2.2節(jié)所述，對于實際工程中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋質(zhì)量損失率和銹蝕特征等較難獲取，而混凝土表面最大銹脹裂縫寬度是鋼筋銹蝕的直觀反應(yīng)且易測量，因此，將2.2節(jié)提出的質(zhì)量損失率與最大銹脹裂縫寬度關(guān)系式(4)，代入到質(zhì)量損失率與相對黏結(jié)強度的關(guān)系式(6)中，得到基于混凝土表面最大銹脹裂縫寬度的相對黏結(jié)強度退化模型為

(7)

利用式(7)，可通過結(jié)構(gòu)表面的損傷特征(銹脹裂縫寬度)對結(jié)構(gòu)的相對黏結(jié)強度進行評估。式(7)計算值與文獻[27,35]試驗值的對比見圖16，其中文獻[27,35]中鋼筋均發(fā)生非均勻銹蝕?？梢园l(fā)現(xiàn)，式(7)計算值與文獻[27]試驗值吻合較好。當(dāng)銹脹裂縫較小時，式(7)計算值與文獻[35]試驗值吻合良好，但當(dāng)銹脹裂縫較大時，式(7)計算值比試驗值偏高，這可能是由于文獻[35]中試件未配置箍筋造成的。另外，圖16還給出了基于歐洲規(guī)范[20]所得的最大銹脹裂縫寬度與相對黏結(jié)強度變化范圍的關(guān)系。可見，最大銹脹裂縫寬度> 0.70 mm時，式(7)計算值與規(guī)范建議值吻合良好，但最大銹脹裂縫寬度較小時(< 0.70 mm)，計算值較規(guī)范建議值偏低，文獻[34]將其歸結(jié)為箍筋的影響。

圖16 基于最大銹脹裂縫寬度的相對黏結(jié)強度退化模型驗證

2.6 鋼筋銹蝕形態(tài)對相對黏結(jié)強度的影響

為了比較不同銹蝕形態(tài)(即鋼筋非均勻銹蝕和均勻銹蝕)對相對黏結(jié)強度的影響，表4給出了文獻[32]中均勻銹蝕試件的試驗數(shù)據(jù)，與本文提出的基于非均勻銹蝕試件相對黏結(jié)強度(式(7))的計算值進行對比，發(fā)現(xiàn)基于非均勻銹蝕公式(7)計算的黏結(jié)強度是均勻銹蝕試件黏結(jié)強度試驗值的85%，即相較于均勻銹蝕，非均勻銹蝕會對鋼筋與混凝土的黏結(jié)強度產(chǎn)生更加不利的影響。

表4 與文獻[32]均勻銹蝕試驗值的對比

3 結(jié) 論

通過8榀不同銹蝕程度(質(zhì)量損失率0%～10.3%)的鋼筋混凝土梁的試驗(通電加速銹蝕、銹脹裂縫測量、黏結(jié)性能測試和鋼筋三維掃描)，研究了非均勻銹蝕對鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的劣化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1)鋼筋銹蝕產(chǎn)物體積膨脹引起混凝土保護層銹脹開裂，當(dāng)質(zhì)量損失率較低(2.6%)時，梁試件表面僅出現(xiàn)一條銹脹裂縫，隨著質(zhì)量損失率的增加，銹脹裂縫的數(shù)量和寬度增加，并逐漸互聯(lián)互通，甚至發(fā)生保護層局部剝落；混凝土表面最大銹脹裂縫寬度隨鋼筋質(zhì)量損失率的增加呈對數(shù)增加。

2)混凝土保護層近側(cè)鋼筋表面的銹坑個數(shù)和尺寸顯著大于保護層遠側(cè)鋼筋表面；鋼筋質(zhì)量損失率增加到10.3%，可引起銹坑總長度、總寬度和總深度分別顯著增加了68.27、40.21、9.98 mm，即相較于銹坑總寬度和總深度，銹坑總長度隨質(zhì)量損失率的增加變化最顯著。

3)基于試驗結(jié)果，建立了非均勻銹蝕鋼筋與混凝土的相對黏結(jié)強度退化模型；結(jié)合鋼筋質(zhì)量損失率與混凝土表面最大銹脹裂縫寬度的關(guān)系，提出了基于混凝土表面最大銹脹裂縫寬度的相對黏結(jié)強度計算模型，并驗證了模型的有效性。