銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能研究現(xiàn)狀*

趙 政,蔣德穩(wěn)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 2.淮海工學(xué)院 土木工程學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

0 引言

鋼筋與混凝土間良好的粘結(jié)力是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工作的前提,在荷載作用下可以保證兩者共同受力并協(xié)調(diào)變形[1]。由于碳化、Cl-侵蝕等作用,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕現(xiàn)象已經(jīng)非常普遍,導(dǎo)致兩者之間粘結(jié)性能發(fā)生改變,從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。據(jù)報(bào)道,美國因?yàn)楦鞣N腐蝕原因造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)700億美元/年,其中,在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中由于鋼筋銹蝕造成的損失約占40%[2-3]。因此,研究銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能,對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究具有重大的意義。

1 粘結(jié)退化機(jī)理

鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要由化學(xué)膠著力、摩擦力和機(jī)械咬合力3部分組成[4-5]。光圓鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于摩擦力和與表面狀況相關(guān)的咬合力。輕微銹蝕的光圓鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度比新軋制光圓鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度高。而變形鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于機(jī)械咬合力,縱橫肋可增強(qiáng)鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力,提高鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力。

國內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究表明[6-10],當(dāng)鋼筋銹蝕程度較小、保護(hù)層尚未銹脹開裂時(shí),雖然化學(xué)膠著力破壞,但由于銹蝕產(chǎn)物的膨脹使混凝土對(duì)鋼筋的約束力增強(qiáng),同時(shí)增加了鋼筋表面的粗糙度,因此粘結(jié)強(qiáng)度有所增加;隨著銹蝕量增大,鋼筋表面混凝土保護(hù)層逐漸脹裂,混凝土對(duì)鋼筋的約束作用降低,同時(shí)鋼筋與混凝土表面的摩擦力減小;嚴(yán)重銹蝕時(shí),變形鋼筋的橫肋處大部分銹損,機(jī)械咬合力基本消失,鋼筋強(qiáng)度不能得到充分發(fā)揮,從而降低了混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。

2 粘結(jié)性能研究方法

鋼筋銹蝕后與混凝土間粘結(jié)性能的研究方法主要分為試驗(yàn)方法[9-15]和有限元分析方法[16-19]。

2.1 試驗(yàn)方法

銹蝕鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能試驗(yàn)一般通過3個(gè)途徑獲得試件:大氣環(huán)境中自然暴露[20]、快速銹蝕試驗(yàn)[21]和實(shí)際工程中拆換下來的老構(gòu)件[10,22]。大氣環(huán)境中自然暴露獲取的試件可較好地模擬真實(shí)環(huán)境,但試驗(yàn)周期長而且影響因素復(fù)雜?？焖黉P蝕試驗(yàn)可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到需要的銹蝕深度,但與真實(shí)環(huán)境中的銹蝕構(gòu)件有差別?，F(xiàn)場(chǎng)拆換老構(gòu)件成本高、難度大,且難以確定構(gòu)件損傷的影響因素。國內(nèi)外研究者獲取試件大多是采用室內(nèi)快速銹蝕試驗(yàn)的方法。

目前,測(cè)試粘結(jié)性能的試驗(yàn)方法主要分3種:

(1) 中心拔出試驗(yàn)。試件制作及試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,結(jié)果易于分析。但是不能反映梁中彎矩及剪力共同作用的影響,且試驗(yàn)時(shí)承壓板使混凝土受壓。

(2) 梁式試驗(yàn)。能給出最精確的結(jié)果,但研究的變量多、試件多且裝置復(fù)雜。

(3) 軸拉試驗(yàn)。能量測(cè)裂縫間粘結(jié)力及相對(duì)滑移量大小,模擬鋼筋搭接段的粘結(jié)特性以及混凝土純彎段主裂縫間的粘結(jié)特性,但是對(duì)平衡力較難準(zhǔn)確量測(cè)。

2.2 有限元分析方法

有限元分析方法可以有效分析銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)性能的退化規(guī)律,彌補(bǔ)了試驗(yàn)周期較長、參數(shù)變化有限等不足[19]。鋼筋與混凝土之間粘結(jié)作用的數(shù)值模擬研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展,多采用分離式模型,結(jié)果大多依賴于材料本構(gòu)關(guān)系和粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。但是目前粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系尚不完善,且分離式模型本身還存在缺陷。因此,建立完善的有限元分析模型,并用于數(shù)值模擬,可進(jìn)一步推進(jìn)粘結(jié)性能試驗(yàn)研究。

3 銹蝕后粘結(jié)性能研究

3.1 影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素

鋼筋的銹蝕率是影響銹蝕鋼筋與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素。與普通鋼筋混凝土類似,鋼筋種類及外形、保護(hù)層厚度與鋼筋直徑比值c/d、箍筋、混凝土強(qiáng)度及組成成分等因素對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度也有不同程度的影響。

(1) 銹蝕程度。對(duì)于中心拔出試件,當(dāng)銹蝕率小于0.5%時(shí)，銹蝕對(duì)粘結(jié)性能有利;當(dāng)銹蝕率小于5%時(shí),銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力并不低于未銹時(shí)的粘結(jié)力;隨后當(dāng)銹蝕率增大時(shí)粘結(jié)性能降低。對(duì)于梁式試驗(yàn),當(dāng)銹蝕率為0.4%時(shí),粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大,提高約1/4;當(dāng)銹蝕程度較大時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度迅速下降,降低的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼筋截面損失的程度[9,23]。此外,影響鋼筋銹蝕的各種因素,如pH、Cl-濃度、混凝土電阻抗等，對(duì)鋼筋銹蝕程度也均有一定程度的影響,其最終也會(huì)影響銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

(2) 鋼筋種類和鋼筋外形。當(dāng)鋼筋微銹時(shí),光圓鋼筋的極限粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)到未銹時(shí)的2～3倍,即使當(dāng)銹蝕率超過了4%時(shí),也可提高40%以上[9,23];變形鋼筋極限粘結(jié)強(qiáng)度增長沒有光圓鋼筋的顯著。鋼筋的外形對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度也有較大的影響。相同情況下,變形鋼筋比光圓鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度高,螺紋鋼筋比月牙鋼筋高。變形鋼筋的肋高越高、肋間距越短，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度相應(yīng)就越高[16,20]。

(3) 保護(hù)層厚度和鋼筋直徑。銹蝕率相近時(shí),c/d值越大,粘結(jié)強(qiáng)度的損失越小[23]。隨著保護(hù)層厚度的增加,外圍混凝土的抗劈裂能力也隨著提高,從而開裂粘結(jié)應(yīng)力和平均極限粘結(jié)應(yīng)力也相應(yīng)提高[24]。鋼筋直徑和銹蝕率相同情況下,c/d值越大,混凝土約束銹蝕鋼筋的作用越強(qiáng),混凝土保護(hù)層具有越強(qiáng)的抵抗銹脹開裂的能力,從而粘結(jié)強(qiáng)度損失也越小。

(4) 箍筋。箍筋可以減緩劈裂裂縫的發(fā)展,提高其極限粘結(jié)強(qiáng)度,并使得鋼筋應(yīng)力分布變得平緩。配置箍筋的銹蝕光圓鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度可提高3～4倍[23]。

(5) 混凝土強(qiáng)度和組成成分。隨著混凝土強(qiáng)度的增加,化學(xué)膠著力和機(jī)械咬合力也增加,極限粘結(jié)強(qiáng)度τu及粘結(jié)應(yīng)力特征值與混凝土抗拉強(qiáng)度ft大致成正比,且達(dá)到極限粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),混凝土強(qiáng)度越高滑移量越小[25]。

(6) 橫向壓應(yīng)力。橫向壓應(yīng)力增大了側(cè)向摩阻力,有利于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力;但是當(dāng)橫向壓應(yīng)力過大時(shí)會(huì)壓壞混凝土保護(hù)層,致使其開裂,從而影響粘結(jié)強(qiáng)度。

(7) 其他因素。影響混凝土的質(zhì)量和強(qiáng)度的其他各種因素,例如坍落度、澆筑質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件、各種擾動(dòng)等,以及鋼筋相對(duì)于混凝土的澆筑方向、鋼筋錨固長度、鋼筋的相對(duì)位置等都會(huì)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有一定的影響。

3.2 銹蝕后粘結(jié)滑移本構(gòu)模型

研究銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵是研究銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。目前,鋼筋混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系以試驗(yàn)研究為主。由于影響因素的繁多,傳力機(jī)理復(fù)雜,得到的試驗(yàn)曲線差異較大,以致不同學(xué)者得出的結(jié)果差別較大。

(1) 西安建筑科技大學(xué)的王林科等[26]對(duì)自然條件下銹蝕的鋼筋混凝土擋風(fēng)支架梁開展了粘結(jié)錨固試驗(yàn)研究。由拉拔試驗(yàn)得到了不同銹蝕程度下光圓鋼筋試件的荷載滑移曲線，并建議采用粘結(jié)力降低系數(shù)βb考慮銹脹裂縫對(duì)粘結(jié)力的影響。

βb=e-2.1w(0.13+0.5c/d)，

(1)

式中，w為銹脹裂縫寬度,c為保護(hù)層厚度,d為鋼筋直徑。

只對(duì)光圓鋼筋進(jìn)行了試驗(yàn)研究,而且只考慮了保護(hù)層厚度和銹蝕后裂縫寬度對(duì)粘結(jié)性能的影響。

(2) 浙江大學(xué)的趙羽習(xí)等[9,27]通過6個(gè)內(nèi)貼應(yīng)變片拔出試件試驗(yàn),研究了不同銹蝕程度的光圓、變形鋼筋的粘結(jié)滑移關(guān)系,建立了隨位置變化的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。

(2)

(3)

由于鋼筋未內(nèi)貼應(yīng)變片,所以此本構(gòu)關(guān)系只是局部的粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系。

(3) 中國礦業(yè)大學(xué)的袁迎曙等[28]通過電化學(xué)原理對(duì)14,18,20 mm的3種錨固長度為2.5d(d為鋼筋直徑)的短錨拔出試件進(jìn)行加速銹蝕,得到8種不同銹蝕程度的試件,建立了不同銹蝕程度的粘結(jié)—滑移分析模型。

(4)

把粘結(jié)滑移過程分為微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和殘余段5個(gè)階段。定義了4個(gè)粘結(jié)強(qiáng)度特征值和滑移特征值,在鋼筋銹蝕率對(duì)粘結(jié)滑移關(guān)系的影響中加入了粘結(jié)強(qiáng)度退化系數(shù)和滑移特征值折減系數(shù)。

(4) 同濟(jì)大學(xué)的張偉平等[29]通過內(nèi)貼應(yīng)變片半梁試驗(yàn)研究銹蝕開裂后的鋼筋混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系,提出了考慮銹脹裂縫寬度和錨長變化影響下的平均粘結(jié)應(yīng)力滑移關(guān)系。

τw(sw,x)=ψw(x)τw(sw)，

(5)

式中,ψw(x)是考慮銹脹開裂影響的粘結(jié)錨固位置函數(shù),τw(sw)為考慮銹脹開裂影響的平均粘結(jié)應(yīng)力滑移關(guān)系,參見文獻(xiàn)[30]。

(5) 大連理工大學(xué)的何世欽等[31]通過梁式鋼筋混凝土粘結(jié)試驗(yàn),研究了凍融循環(huán)腐蝕后的鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度退化規(guī)律,提出了粘結(jié)滑移經(jīng)驗(yàn)公式。

(6)

式中：P為總荷載；τb為總荷載作用下鋼筋與混凝土粘結(jié)界面的粘結(jié)應(yīng)力；a1，a2和la為試件尺寸；n為鋼筋數(shù)量；d為鋼筋直徑。

總之,由于影響因素繁多、傳力機(jī)理復(fù)雜,銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的研究尚不完善。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵彩侄鄻?建立的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系(τ—s)大多沒有考慮沿錨長不同位置的差異,得到的試驗(yàn)曲線差異較大,難以得到統(tǒng)一的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型?，F(xiàn)階段仍處于試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和定性分析階段。

3.3 銹蝕后極限粘結(jié)強(qiáng)度

銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的研究在國外開展較早,我國學(xué)者對(duì)銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的研究開始于20世紀(jì)90年代初。到目前為止,銹蝕鋼筋混凝土的極限粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式大多是通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到的。由于所考慮影響因素和試驗(yàn)方法的差異,擬合出的計(jì)算模型有所不同。關(guān)于未銹蝕鋼筋混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度，國內(nèi)外一些規(guī)程和規(guī)范已經(jīng)給出了一些實(shí)用的計(jì)算公式,而銹蝕后鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算沒有實(shí)用的普遍的計(jì)算模型。表1中列出了國內(nèi)外一些學(xué)者給出的鋼筋銹蝕后極限粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算模型。

表1 銹蝕后鋼筋極限粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算模型

國內(nèi)研究大多為變形鋼筋的研究,而光面鋼筋研究較少。上述銹蝕后計(jì)算模型均是在特定試驗(yàn)條件下,由試驗(yàn)回歸分析的方法建立的。由于特定的假設(shè),導(dǎo)致適用范圍具有很大的局限性,并不能揭示粘結(jié)演化的機(jī)理。要提出一個(gè)考慮因素全面、方便易用的模型是有較大難度的。因此,建立一個(gè)考慮影響因素全面且便于應(yīng)用的銹蝕后極限粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算模型成為研究銹蝕鋼筋混凝土的關(guān)鍵問題。

4 結(jié)語

綜上所述,眾多試驗(yàn)研究均表明鋼筋銹蝕后與混凝土的粘結(jié)性能明顯降低,抗力減小,變形增加,這嚴(yán)重影響著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能。但銹蝕鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能退化機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,影響因素較多,是非線性關(guān)系。并且性能研究試驗(yàn)尚缺乏統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法,得到的銹蝕鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系與極限粘結(jié)強(qiáng)度等模型有待進(jìn)一步論證。

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