劉家慧， 劉立新

(鄭州大學綜合設計研究院有限公司， 鄭州 450002)

0 概述

CRB600H鋼筋又稱CRB600H高延性冷軋帶肋鋼筋，是我國近年來研制開發(fā)的新型小直徑帶肋高強鋼筋，其生產(chǎn)工藝的特點是對熱軋低碳盤條鋼筋進行冷軋后增加了控溫回火熱處理過程，既提高了鋼筋的強度又能使鋼筋保持較好的延性，并可規(guī)?；a(chǎn)，保證鋼筋質量。與傳統(tǒng)冷軋帶肋鋼筋相比，CRB600H鋼筋有明顯的屈服點，強度和伸長率指標均有顯著提高，是冷軋帶肋鋼筋的更新產(chǎn)品，已列入新修訂的國家鋼材產(chǎn)品標準《冷軋帶肋鋼筋》(GB/T 13788—2017)[1]。CRB600H鋼筋的直徑規(guī)格為5～12mm，外形(月牙紋)與熱軋帶肋鋼筋相同，其調直、彎曲等加工性能也與小直徑熱軋帶肋鋼筋基本相同，主要以盤卷形式供貨。表1為CRB600H鋼筋的力學性能指標[1]，相關技術標準規(guī)定在工程應用中材料分項系數(shù)取γs=1.25，抗拉強度設計值取fy=430N/mm2，高于HRB400鋼筋(fy=360N/mm2)，略低于HRB500鋼筋(fy=435N/mm2)，在受彎構件計算中可考慮塑性內力重分布[2-3]。

CRB600H鋼筋力學性能指標 表1

CRB600H鋼筋生產(chǎn)過程中不需要添加合金元素，可節(jié)省珍貴的合金資源；經(jīng)耗能評估，CRB600H鋼筋生產(chǎn)過程的總耗能與小直徑HRB400鋼筋相比，每噸產(chǎn)品總耗能可減少9.7kg標準煤；與小直徑HRB500鋼筋相比，每噸產(chǎn)品總耗能可減少12.4kg標準煤，符合節(jié)能環(huán)保的技術經(jīng)濟政策[4-5]。由于CRB600H鋼筋可節(jié)省合金資源和能源，成本相對較低，而強度提高較多，作為小直徑高強鋼筋的補充產(chǎn)品，可用于梁、柱箍筋和剪力墻的分布鋼筋，尤其是用于混凝土板類構件的受力鋼筋和構造鋼筋可明顯減少鋼筋用量，從而降低造價，取得較好的社會效益和經(jīng)濟效益，目前已在國內多個省市的工程中使用，均取得了節(jié)約鋼材、節(jié)省鋼筋費用的效果。

通過對CRB600H鋼筋施工現(xiàn)場的調查，發(fā)現(xiàn)鋼筋在調直、加工或安裝后由于各種因素的影響，存在混凝土不能及時澆筑的情況，雖采取了一定防銹措施，但因鋼筋在現(xiàn)場暴露時間較長，仍會發(fā)生表面銹蝕的現(xiàn)象。有關研究表明，鋼筋銹蝕后的強度、伸長率以及與混凝土的黏結強度有一定降低，并可能影響構件的受力性能。文獻[6]將鋼筋在弱酸溶液浸泡發(fā)生不同程度銹蝕后進行的試驗表明，輕微銹蝕對鋼筋強度不會產(chǎn)生太大影響，但隨著銹蝕率(截面面積或單位長度重量減小百分率)的增大，鋼筋的強度和伸長率均有所降低；文獻[7-8]對混凝土梁中的鋼筋進行快速銹蝕后的抗彎試驗表明，當銹蝕率增大到一定程度后，由于鋼筋的有效截面面積減小以及與混凝土的黏結強度下降，導致梁的抗彎承載力下降并容易產(chǎn)生開裂；文獻[9-10]分別對熱軋變形鋼筋與混凝土的黏結性能進行了綜述和試驗研究，也表明銹蝕率增大到一定程度后，鋼筋與混凝土的黏結強度和黏結剛度均有所降低。

上述對鋼筋銹蝕后的力學和構件性能的研究主要集中于直徑較大的熱軋帶肋鋼筋，并采用電化學等快速銹蝕的方法，鋼筋銹蝕率較大(2%～10%)；而對CRB600H鋼筋這種經(jīng)過冷軋回火的小直徑(5～12mm)鋼筋，在施工現(xiàn)場暴露較長時間發(fā)生表面銹蝕后的力學和錨固性能的研究尚未見報道。此外CRB600H鋼筋施工前需進行調直，調直后鋼筋的強度、伸長率和重量偏差均有一定變化，《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》(GB 50204—2015)[11]規(guī)定了熱軋盤卷鋼筋調直后伸長率和重量偏差要求，但對CRB600H鋼筋調直前后力學性能和重量偏差比較的試驗也未見報道。本文在前期對CRB600H鋼筋黏結錨固性能研究的基礎上[12-13]，結合工程實際需要，進行了CRB600H鋼筋調直前后、室外暴露30d和120d出現(xiàn)表面銹蝕后的力學和錨固性能試驗研究，提出了相應的處理建議。

1 試件制作和試驗方法

1.1 鋼筋試件

試驗鋼筋采用河南安陽某新材料股份有限公司以盤卷形式供貨的CRB600H鋼筋，公稱直徑分別為6，8，10，12mm，采用無延伸功能的機械調直機調直。鋼筋試件按試驗要求分為5組，鋼筋試件照片見圖1。E組(對照組，圖1(e))為未調直未銹蝕鋼筋，直接在盤卷上按規(guī)定長度截取，用人工敲直后用于試驗； A組(圖1(a))為調直未銹蝕鋼筋，調直后立即按規(guī)定長度截取用于試驗；其余3組鋼筋試件分別放置于室外混凝土地坪上，每周噴水2次使其表面逐漸發(fā)生銹蝕，其中B組(圖1(b))和C組(圖1(c))鋼筋分別在室外暴露30d和120d后用于試驗，D組(圖1(d))鋼筋調直后在室外暴露120d用毛刷或鋼刷清除表面浮銹后用于試驗。

圖1 鋼筋試件

1.2 拔出錨固試件

拔出錨固試件尺寸如圖2(a)所示，分為A，B，C，D，E五組，與鋼筋試件的分組對應；鋼筋直徑d為6～12mm，錨固長度分別為10d，15d和20d，如表2所示；每組36個試件(共180個)，設計混凝土強度等級為C35。鋼筋的直徑和錨固長度按表2參數(shù)確定后，靠近受力端的無錨固段長度取50mm，用膠布纏繞與混凝土隔離；自由段長度不小于50mm，受力段長度不小于500mm。各組鋼筋試件制作完成后分別放入試模(圖2(b))澆筑混凝土，每組錨固試件一次澆筑，每組試件制作6個100mm×100mm×100mm的立方體試塊。各組試件混凝土澆筑完成后進行養(yǎng)護，達到規(guī)定齡期時拆模進行試驗。

圖2 拔出錨固試件

錨固試件參數(shù) 表2

1.3 試驗方法

鋼筋的強度和伸長率試驗按照國家標準《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》(GB/T 228—2002)的規(guī)定進行，各組鋼筋均截取3根長500mm的試件，試件切口應平滑并與長度方向垂直，量測精度不低于0.5mm。先檢驗重量偏差，用同一天平稱重，精度不低于0.5g，其中 B組和C組鋼筋稱重前用稀鹽酸將銹斑清洗干凈，根據(jù)稱重結果計算各組鋼筋與理論重量的偏差，隨后在拉伸試驗機上進行強度和伸長率試驗。由于C組和D組試件均為調直后暴露120d，C組試件進行稱重前需進行除銹處理，與D組(除銹)試件相同，在進行稱重和拉伸試驗時合并為C(D)組。鋼筋試件的拉伸試驗及鋼筋拉斷后的形態(tài)如圖3所示。

圖3 鋼筋拉伸試驗及鋼筋拉斷后的形態(tài)

拔出錨固試驗方法如圖4所示，先在錨固試件加載端和自由端鋼筋上安裝位移計鋼夾片，在試件相應側面的混凝土表面上粘貼硬質木塊，分別在上、下木塊的上表面和下表面粘貼小玻璃片；然后將試件安放于試驗臺座的兩個鋼墊塊上，安裝加載端和自由端位移計；在錨固試件上部鋼夾片兩側安放鋼墊塊，將鋼筋穿過鋼筋拉拔儀中部的圓孔并將拉拔儀放置于鋼墊塊上，用鋼夾片將鋼筋夾緊。試驗時通過拉拔儀的壓力表量測鋼筋承受的拉拔力，讀取加載端和自由端的位移量測鋼筋拔出過程中加載端和自由端的滑移。

圖4 拔出錨固試驗

2 鋼筋重量偏差、強度和伸長率比較

表3列出了各組鋼筋的稱重結果以及實測重量與理論重量的偏差，表中B組和C(D)組鋼筋的銹蝕率為相對A組鋼筋的重量減少百分率?？梢钥闯?，未調直未銹蝕的E組鋼筋實測重量與理論重量也有一定偏差，但均在規(guī)范規(guī)定的最大負偏差限值(-4.0%)以內[2-3]，為鋼筋的軋制偏差；A組、B組和C(D)組與E組鋼筋相比，實測重量均略有減小，但與理論重量相比的最大負偏差為-2.94%(C組直徑12mm鋼筋)，仍可滿足規(guī)范規(guī)定的限值。與調直未銹蝕的A組鋼筋相比，B組、C(D)組鋼筋的銹蝕率總體很小，其中直徑12mm鋼筋的銹蝕率較大，暴露30d和120d的銹蝕率分別為1.54%和1.74%，截面面積的減小值仍在容許范圍內。

鋼筋重量偏差銹蝕率比較 表3

表4為各組鋼筋實測屈服強度fy、極限強度fst和均勻伸長率δgt(最大力下的總伸長率)的比較，圖5表示各組鋼筋屈服強度、極限強度和均勻伸長率的變化情況。從表4和圖5可以看出，與未調直未銹蝕的E組鋼筋相比，調直未銹蝕的A組鋼筋屈服強度有一定增大，暴露30d和120d的B組和C(D)組鋼筋的屈服強度與A組相比略有減小，但變化幅度均不大，各組鋼筋的屈服強度均大于表1中規(guī)定的限值fyk=540N/mm2(圖5(a))；鋼筋的極限強度在調直前后以及暴露30d和120d發(fā)生銹蝕后的變化不大，個別銹蝕鋼筋有所減小，但仍大于規(guī)定的限值fstk=600N/mm2(圖5(b))；從圖5(c)看出，A組鋼筋調直后立即進行拉伸試驗，其伸長率有一定下降，B組和C(D)組鋼筋室外暴露一段時間后雖然發(fā)生銹蝕，其伸長率由于時效又有一定恢復，各組鋼筋的均勻伸長率δgt也均符合≥5%的規(guī)定?？傮w分析表明，CRB600H鋼筋經(jīng)調直以及在室外暴露30d和120d發(fā)生銹蝕后，其強度和伸長率雖有一定波動，但仍能符合規(guī)范要求。

圖5 實測鋼筋強度和均勻伸長率比較

實測鋼筋強度和均勻伸長率比較 表4

3 錨固性能分析比較

拔出錨固試驗表明，CRB600H鋼筋錨固破壞形態(tài)與小直徑熱軋帶肋鋼筋基本相同，隨著相對錨固長度la/d、鋼筋直徑d、保護層厚度c以及混凝土強度的不同，也可分為鋼筋拔出破壞、混凝土劈裂破壞和鋼筋拉斷破壞三種(圖6)。相對錨固長度la/d=10的試件大多發(fā)生鋼筋拔出破壞，少數(shù)試件鋼筋拔出時伴隨發(fā)生混凝土劈裂；la/d=15的試件大多發(fā)生劈裂破壞，部分試件試件混凝土劈裂時伴隨鋼筋被拔出；la/d=20的試件大多發(fā)生劈裂破壞，但有部分試件鋼筋被拉斷，未發(fā)生錨固破壞。

圖6 拔出試驗破壞形態(tài)

圖7為各組鋼筋直徑和錨固長度相同試件的拉拔力黏結滑移曲線，可以看出當拉拔力不大時加載端即產(chǎn)生滑移，滑移值隨著拉拔力的增大而增大；當拉拔力增大到一定值后，自由端才出現(xiàn)滑移，且滑移值增加較慢，臨近破壞時加載端滑移增加迅速，自由端滑移仍遠小于加載端滑移。5組試件的拉拔力黏結滑移曲線具有相同特點，說明CRB600H鋼筋調直以及出現(xiàn)表面銹蝕后，黏結滑移曲線沒有明顯變化。

圖7 典型試件拉拔力黏結滑移曲線

拉拔試件發(fā)生錨固破壞時沿鋼筋表面的最大平均黏結應力τu平均可按下式計算：

τu平均=Fu/πdla

(1)

式中：Fu為錨固破壞時的最大拉拔力；la為錨固長度；d為CRB600H鋼筋的公稱直徑。

有關研究結果表明平均黏結強度與混凝土抗拉強度ft成比例[12-13]，為消除各組錨固試件混凝土強度不同的影響，可采用相對平均黏結強度τu平均/ft來比較各組鋼筋的黏結強度。

表5為根據(jù)試驗結果計算的各組發(fā)生錨固破壞(鋼筋拔出破壞或混凝土劈裂破壞)試件的τu平均，τu平均/ft以及混凝土立方體強度fcu和抗拉強度ft。表中試件編號第一個字母表示鋼筋的組別，第二項表示鋼筋直徑，第三項表示相對錨固長度la/d，如A-10-15表示A組鋼筋、公稱直徑d=10mm、相對錨固長度la/d=15的試件，其余類推。圖8為由表5數(shù)據(jù)畫出的部分試件黏結強度隨錨固長度和鋼筋直徑變化的曲線。從表5和圖8可看出各組試件的相對平均黏結強度τu平均/ft雖有一定離散，但總體上隨著相對錨固長度la/d和鋼筋直徑d的增大而減小；還可看出與E組(未調直未銹蝕)鋼筋相比，A組(調直未銹蝕)、B組(調直暴露30d)和D組(調直暴露120d除銹)鋼筋的黏結強度雖然有一定波動但與E組相差較小，而C組(調直暴露120d)鋼筋的黏結強度有明顯降低且波動較大。

表6為A組、B組、C組和D組鋼筋黏結強度與E組鋼筋的比較。從表中可以看出，由于影響鋼筋與混凝土黏結強度的因素較多，各組相對平均黏結強度與E組的比值均有一定波動，但除C組與E組比值的離散系數(shù)較大外，A組、B組和D組與E組比值的離散系數(shù)均較小，且數(shù)值相近。A組與E組比值的平均值為0.989，黏結強度降低約1.1%，說明鋼筋調直過程中橫肋有一定損傷，導致與混凝土的黏結強度降低，但降低程度很小不影響使用。B組與E組比值的平均值為0.971，黏結強度降低接近3%。C組與E組比值的平均值為0.951，黏結強度降低接近5%，且離散系數(shù)較大為0.099，C組與E組黏結強度比值最低為0.725，說明鋼筋調直暴露120d銹蝕后黏結強度降低較明顯，且波動較大，對工程質量會造成一定影響。

D組是調直暴露120d發(fā)生銹蝕(相當C組)鋼筋用毛刷或鋼刷清除表面全部浮銹后再澆筑的試件，黏結強度與E組比值的平均值為0.991，離散系數(shù)為0.059，與A組與E組比值的平均值和離散系數(shù)接近，說明對發(fā)生銹蝕鋼筋采用施工現(xiàn)場常用的毛刷或鋼刷除銹后，基本可消除銹蝕對黏結強度的影響。從圖8(a)中也可看出，隨著錨固長度的增加，各組鋼筋黏結強度的差別逐漸減小，工程中CRB600H鋼筋作為受力鋼筋的錨固長度一般不小于30d[2-3]，因此當由于某種原因造成鋼筋現(xiàn)場暴露時間較長發(fā)生表面銹蝕時，采用常用的方法除銹后可保證施工質量。

粘結錨固強度試驗結果 表5

圖8 黏結強度隨錨固長度和鋼筋直徑的變化

相對平均黏結強度比較 表6

4 結論

通過對調直前后、暴露30d和120d出現(xiàn)銹蝕CRB600H鋼筋的重量偏差、力學和錨固性能的試驗和分析，得到以下結論和建議可供CRB600H鋼筋及其他小直徑的鋼筋在工程應用中參考。

(1)CRB600H鋼筋經(jīng)調直以及在現(xiàn)場正常情況下暴露30d和120d表面發(fā)生銹蝕后，實測重量均略有減小，但重量偏差仍在規(guī)范規(guī)定的限值內，鋼筋屈服強度、極限強度和伸長率雖有一定波動，仍能符合規(guī)范要求。

(2)CRB600H鋼筋調直過程中對橫肋有一定損傷，與混凝土的黏結強度略有降低，但不影響使用；鋼筋正常情況下現(xiàn)場暴露30d表面銹蝕后，與混凝土的黏結強度降低接近3%；暴露120d銹蝕后與混凝土的黏結強度降低接近5%，且波動較大，對工程質量會造成一定影響。

(3)CRB600H鋼筋施工中，由于各種原因造成鋼筋現(xiàn)場暴露時，應采取防銹措施；對現(xiàn)場暴露時間在30d以內發(fā)生輕度銹蝕的鋼筋，可不進行處理；對暴露時間超過30d發(fā)生銹蝕的鋼筋，可采用毛刷或鋼刷除銹消除對黏結強度的影響；當暴露時間超過120d后，建議除銹后尚應對鋼筋的重量偏差和力學性能進行檢測。