锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的试验研究1

第36卷第4期2002年7月浙　江　大　学　学　报(工学版)Jou rnal of Zhejiang U n iversity (Engineering Science )V o l .36N o .4July 2002收稿日期:2001207215.基金项目:浙江大学曹光彪技科发展基金重点资助项目(223296151023).作者简介:赵羽习(1973-),女,浙江杭州人,博士后,从事结构工程的研究.E 2m ail :hzzyx @ccea .zju .edu .cn锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的试验研究赵羽习,金伟良(浙江大学土木工程系,浙江杭州310027)摘　要:通过对不同锈蚀量的光面钢筋和变形钢筋进行拔出试验,得到了两种钢筋与混凝土的粘结性能随着不同钢筋锈蚀量的变化规律;根据试验结果的统计分析,给出了两种钢筋锈蚀后与混凝土的粘结强度计算公式;最后,还给出了锈蚀钢筋与混凝土的粘结本构关系,可用于具有锈蚀钢筋的混凝土结构的有限元分析.关键词:钢筋混凝土;锈蚀;粘结性能中图分类号:TU 375.5 文献标识码:A 文章编号:10082973X (2002)0420352205Test study on bond behav ior of corroded steel bars andconcreteZHAO Yu 2x i ,J I N W ei 2liang(D ep a rt m en t of C iv il E ng ineering ,Z hej iang U n iversity ,H ang z hou 310027,Ch ina )Abstract :Pu llou t tests w ere carried ou t to study the effect of reinfo rcem en t co rro si on on the bond behavi o r betw een co rroded steel bars and concrete .T he bond strength of p lain bars and concrete in itially increases w ith increasing co rro si on ,then declines.T he tu rn ing po in ts dep end on the crack ing of the concrete cover .T he bond strength of defo rm ed bars and concrete increases w ith co rro si on up to a certain am oun t ,bu t w ith p rogressive increase in co rro si on ,the bond strength decreases ,and the creak ing of concrete cover has no effect on the bond strength .O n the basis of test data ,the bond strength coefficien t recomm ended here ,w h ich can be u sed to easily calcu late the bond strength of co rroded steel bars and concrete .T h is p ap er also gives the bond stress 2sli p relati on sh i p betw een co rroded bars and concrete ,w h ich can be u sed in the fin ite elem en t analysis .Key words :reinfo rced concrete ;co rro si on ;bond behavi o r 埋置在混凝土内的钢筋锈蚀以后,其与周围混凝土的粘结性能会发生变化.较为早期的研究由于受试验条件的限制,提出了钢筋锈蚀对钢筋与混凝土的粘结有利的观点[1,2].而后的进一步研究表明[3,4],随着钢筋锈蚀量的增加,变形钢筋与混凝土的粘结强度较先期略有增加,而后期有较大幅度的衰退.光面钢筋与混凝土的粘结机理与变形钢筋是有本质区别的.当光面钢筋锈蚀以后,其与混凝土的粘结性能也会发生较大的变化.本文通过光面钢筋和变形钢筋在混凝土试块中的拔出试验,研究了钢筋锈蚀量对两种钢筋与混凝土的粘结强度的影响,为发展钢筋与混凝土粘结本构关系,进一步了解钢筋混凝土构件力学性能提供必要的基础知识.1　粘结性能试验1.1　试件拔出试件的混凝土材料为425#硅酸盐水泥、中沙和最大粒径小于4c m 的碎石.按C 25要求的混凝土配合比为水泥∶砂∶石∶水=1∶1.8∶3.4∶0.55,测得混凝土28天的立方体抗压强度为22.13M Pa .光面钢筋和变形钢筋分别采用直径为12mm 的 级钢和 级钢,测其强度分别为389M Pa 和427M Pa .试件的具体尺寸和配筋情况如图1所示.光面钢筋用P 表示,从P 1到P 14光面钢筋锈蚀量逐渐增加;而变形钢筋用D 表示,从D 1到D 14变形钢筋锈蚀量逐渐增加.图1　拔出试件(mm )F ig .1　Pu llou t speci m en s (mm )1.2　加载装置本试验根据《水运工程混凝土试验规程(JTJ 270298)》中关于混凝土与钢筋握裹力试验的规定,采用最大量程为5t 的万能试验机进行拔出试验.在拔出钢筋的上下两端各安装两只千分表,以测得两端的钢筋滑移量.具体的拔出试验装置如图2所示.图2　加载装置F ig .2　A pp licati on of pu llou t test1.3　钢筋快速锈蚀本试验采用电化学方法进行梁内钢筋的快速锈蚀.具体方法为:将拔出试件浸泡在5%的N aC l 溶液中若干天后,将连接钢筋的导线与恒定直流电源的阳极相接,而直流电源的阴极则与溶液中的不锈钢相连接,通过N aC l 溶液形成回路,使阳极的钢筋锈蚀.通过控制电流大小和通电时间的长短,根据法拉第定理可以控制拔出钢筋的锈蚀量.2　光面钢筋的拔出试验2.1　试验数据及其优化拟合线表1列出了各光面钢筋拔出试件P 1-P 14的极限粘结强度、极限粘结强度实测值与理论计算无锈试件极限粘结强度之比,以及对应的钢筋锈蚀率和换算后的钢筋锈层厚度.图3显示了钢筋锈蚀对光面钢筋与混凝土粘结性能的影响,纵坐标为各试件的极限粘结强度与理论计算无锈试件极限粘结强度之比,横坐标为钢筋锈层厚度.图中可以看出随着钢筋锈层厚度的增加,光面钢筋与混凝土的极限粘结强度有较大幅度的提高,而一旦构件出现锈胀裂缝以后,粘结强度立即开始降低;在构件出现胀裂前达到光面钢筋与混凝土的极限粘结强度最大值.表1　光面钢筋拔出试验数据T ab .1　Pu llou t test data fo r the p lain bars试件号Σ M Pa ΓΘ %∆ mm P 12.65391.22860.270.0162P 23.23121.00910.290.0174P 35.97132.27050.920.0549P 45.83862.17591.130.0674P 57.41442.81920.780.0466P 68.62533.27961.470.0876P 77.29832.77511.850.1100P 87.96183.02731.500.0893P 99.28873.53181.990.1182P 1010.25743.90021.040.1212P 115.97132.27052.750.1628P 124.84341.84162.430.2024P 133.74871.42544.770.2797P 141.62550.61815.010.2934根据试验数据,经过优化拟合,可以得到本次光面钢筋试件的粘结强度系数:Γ1=0.97+22.05∆,∆≤0.11,5.25-15.28∆,∆>0.11.(1)式中:∆为钢筋锈层厚度,单位为mm .由图3可见,锈蚀以后,光面钢筋与混凝土的粘结力最大值可达到未锈时的3倍以上,这和文献[5]中的观点是一致的.353　第4期赵羽习,等:锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的试验研究图3　钢筋锈蚀对光面钢筋与混凝土粘结的影响F ig.3　Effect of reinfo rcem en t co rro si on on the bondstrengthe of p lain bars and concrete2.2　锈蚀光面钢筋与混凝土的粘结强度系数及其粘结强度 光面钢筋锈蚀以后,钢筋与混凝土粘结力的提高,可以从光面钢筋与混凝土之间的摩擦力和两者之间的径向力来考虑.首先,随着钢筋锈蚀量的增加,钢筋的锈蚀在钢筋表面形成大大小小的蚀坑,从而使光面钢筋的表面状况发生变化,使光面钢筋与混凝土之间的摩擦力大大增加.光面钢筋与混凝土的摩擦系数从未锈到重锈,可以提高2或3倍[5,7].由于铁锈体积大于原钢筋体积,随着钢筋锈蚀量的增加,光面钢筋与混凝土之间的径向压力也会增加,增加的径向压力就是所谓的锈胀力.外围混凝土未被铁锈胀裂之前,锈胀力越大,钢筋与混凝土之间的径向压力就越大.如一旦混凝土保护层胀裂,由于能量的释放,会导致径向压力的突变,使得光面钢筋与混凝土的粘结力开始下降.综上所述,随着光面钢筋锈蚀量的增加,其与混凝土的粘结强度会有所增加,但这种趋势达到外围混凝土出现胀裂时刻就发生了变化,这时钢筋锈蚀量的增加,导致胀裂裂缝的扩大,钢筋与混凝土的粘结强度减小.式(1)给出了本次试验中光面钢筋的粘结强度系数表达式.下面进一步讨论该公式的推广,以适用于其他情况下的光面钢筋.钢筋锈蚀影响光面钢筋与混凝土粘结的直接指标为锈层厚度,无论光面钢筋直径的粗细,相同的锈层厚度对钢筋与混凝土粘结的影响应该是相同的.但是,不同混凝土保护层厚度和钢筋直径会影响构件开裂时间,从而也会影响光面钢筋与混凝土的粘结表达式.根据上述观点,以及光面钢筋拔出试件的试验数据拟合式,锈蚀光面钢筋与混凝土的粘结强度表达式建议为Γp=1+22∆,∆≤∆3,1-15∆+37∆3,∆>∆3.(2)式中:∆为钢筋锈层厚度;∆3为混凝土保护层厚度锈胀开裂时刻的钢筋锈层厚度,可根据几何关系由下式求得[6]:∆3=D0(nΘ3+1-Θ3-1) 2.(3)式中:D0为钢筋原始直径;Θ3为混凝土保护层厚度锈胀开裂时的钢筋锈蚀率[8];n为钢筋锈蚀时的体积膨胀率,通常为2～4[9],本文采用中间值n=3来计算.在求得锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度系数Γp 后,结合未锈钢筋与混凝土的粘结强度,可以给出钢筋在各种锈蚀量情况下与混凝土的粘结强度:Σu=Γ・Σu0.(4)式中:Σu为不同锈蚀量情况下钢筋与混凝土的粘结强度;Σu0为未锈钢筋与混凝土的粘结强度;Γ为锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度系数,光面钢筋按式(2)取Γp,变形钢筋按式(6)取Γp.图4　变形钢筋拔出试件破坏情况F ig.4　Failu re mode of pu llou t tests of defo rm ed bars3　变形钢筋的拔出试验3.1　破坏形式除了一号变形钢筋拔出试件D1在拔出试验过453浙　江　大　学　学　报(工学版) 第36卷　程中是拔出破坏外,另外的变形钢筋拔出试件全是劈裂破坏.钢筋锈蚀量较小的试件,是单面或对面劈裂破坏,见图4(a );随着钢筋锈蚀量的增加,试件在受力之前已经有胀裂裂缝,这样的试件破坏时主要是在胀裂裂缝处劈裂,同时劈裂主裂缝附件还伴随若干较细的次裂缝,见图4(b );当钢筋锈蚀很严重时,试件破坏时混凝土保护层已近剥落,用手就可以掰开混凝土保护层,见图4(c ).3.2　试验数据及其优化拟合线表2列出了各变形钢筋拔出试件D 1-D 14的极限粘结强度、极限粘结强度实测值与理论计算无锈试件极限粘结强度之比,以及对应的钢筋锈蚀率和换算后的钢筋锈层厚度.图5显示了钢筋锈蚀对变形钢筋与混凝土粘结性能的影响,仍取纵坐标为各试件的极限粘结强度与理论计算无锈试件极限粘结强度之比,横坐标为钢筋锈层厚度.从图中可以看出随着钢筋锈蚀量的增加,变形钢筋与混凝土的极限粘结强度在略有提高以后就开始降低.而混凝土保护层的胀裂与否对变形钢筋与混凝土的粘结没有太大的影响.图5　钢筋锈蚀对变形钢筋与混凝土粘结的影响F ig .5　Effect of reinfo rcem en t co rro si on on the bond of defo rm ed bars and concrete表2　变形钢筋拔出试验数据T ab .2　Pu llou t test data fo r the defo rm ed bars 试件号Σ M Pa ΓΘ%∆ mm D 18.92381.07080.120.0072D 29.48791.12240.160.0092D 37.36460.87150.240.0144D 48.45941.00120.320.0192D 58.39300.99400.430.0257D 610.61571.26690.620.0371D 711.34551.34330.810.0484D 89.98541.18251.400.0834D 99.95221.17772.540.1505D 108.59211.01683.750.2209D 118.69731.06004.450.2603D 125.97130.35295.680.3316D 134.64440.66997.500.4343D 141.65870.19689.720.5177根据试验数据,经优化拟合可以得到本次变形钢筋拔出试件的粘结强度系数为Γ2=0.92+7.6∆,∆≤0.05,1.46-2.3∆,∆>0.05.(5)3.3　锈蚀变形钢筋与混凝土的粘结强度系数及其粘结强度 钢筋锈蚀会影响变形钢筋与混凝土的粘结,其主要因素之一是和光面钢筋相似的钢筋与混凝土之间摩擦力的变化,这就是在钢筋锈蚀量较小时,变形钢筋与混凝土的粘结强度会略有提高的原因.由于变形钢筋与混凝土的粘结强度主要来源与钢筋变形肋与混凝土的咬合力,因此更为重要的影响因素是钢筋变形肋与混凝土咬合面积的变化.随着钢筋锈蚀量的增加,钢筋变形肋与混凝土的咬合面积越来越小,导致了两者粘结强度的衰退.在构件外围混凝土保护层发生锈胀开裂时刻的前后,钢筋变形肋与混凝土的咬合面积并未发生突变,因此,变形钢筋拔出试件外围混凝土的胀裂与否,并不会产生试件粘结强度的突变.根据以上分析,以及变形钢筋拔出试件试验数据的拟合式,锈蚀变形钢筋与混凝土的粘结强度系数表达式为ΓD =1.00+7.0∆,∆≤0.05,1.46-2.3∆,∆>0.05.(6)求得锈蚀变形钢筋与混凝土的粘结强度系数ΓD 后,利用式(4)就可以求得不同钢筋锈蚀量时变形钢筋与混凝土的粘结强度.4　锈蚀钢筋与混凝土的粘结本构关系钢筋与混凝土粘结本构关系的建立是基于对粘结模型深刻认识基础上的,同时,粘结本构关系的建立,为粘结的进一步研究提供必要的条件.例如,有限元分析可以解决许多试验所无法或很难解决的问题,是分析和研究粘结性能的有力工具,而有限元分析的准确与否,很大程度上取决于钢筋与混凝土粘结本构关系的准确性.钢筋与混凝土粘结本构关系研究的发展已有较长的时间,各国的专家学者提出过不少粘结本构关系表达式.我国的学者针对我国广泛应用的钢材进行了大量试验研究,得到了针对我国钢材的粘结本构关系[7].在已有未锈钢筋与混凝土粘结本构关系研究成果的基础上,根据文献[3,4]及本次试验各种钢筋锈蚀量的Σ2s 曲线形状,建议锈蚀钢筋与混凝土的粘结本构关系为553　第4期赵羽习,等:锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的试验研究Σ(s)=Γ・Σ0(s).(7)式中:Σ(s)为锈蚀钢筋与混凝土的粘结本构关系;Σ0(s)为未锈钢筋与混凝土的粘结本构关系;Γ为锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度系数,光面钢筋按式(2)取Γp,变形钢筋按式(6)取ΓD.5　结　论(1)光面钢筋锈蚀以后,钢筋与混凝土粘结强度有较大幅度地提高,这主要是因为钢筋锈蚀以后钢筋与混凝土之间的径向压力有所提高,且两者之间的摩擦力也有较大地提高.这个上升趋势到使混凝土保护层出现锈胀开裂时刻为止,而后,随着钢筋锈蚀量的增加,光面钢筋与混凝土的粘结强度将有所下降.(2)变形钢筋锈蚀以后,钢筋与混凝土的粘结强度开始略有提高,而后,两者之间的粘结力开始下降,这主要是因为钢筋与混凝土之间的摩擦力有所提高,以及钢筋变形肋与混凝土的咬合面积减小的缘故.(3)通过锈蚀钢筋粘结影响系数以及未锈钢筋与混凝土的粘结强度,可以计算得到锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度.(4)本文还建立了锈蚀钢筋与混凝土的粘结本构关系,发展了钢筋与混凝土的粘结本构关系,也为锈蚀钢筋混凝土结构的有限元分析提供了必要的基本条件.参考文献(References):[1]PEA T T IE K R,PO PE J A.Effect of age of concreteon bond resistance[J].AC I Journa l,Proceed i ngs, 1956,52(6):661-672.[2]KE M P E L,BR EZ N Y F S,UNL ER SPAN J A.Effectof ru st and scale on the bond characteristics of defo rm ed reinfo rcing bars[J].AC I Journa l,Proceed i ngs,1968, 65(9):743-756.[3]A l2SULA I M AN I G J,KAL EE M ULLAN M,BA SUNBUL I A,et a l.Influence of co rro si on and crack ing on bond behavi o r and strength of reinfo rced concrete m em 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