莫齊偉，商懷帥，徐芹文

(青島理工大學土木工程學院， 青島 266033)

0 引言

在影響鋼筋混凝土結構耐久性的眾多因素當中，鋼筋銹蝕是最主要的原因?；炷林械匿摻畎l(fā)生銹蝕后，由于鋼筋與混凝土接觸面上銹蝕層的生成，破壞了水泥凝膠體與鋼筋表面的化學膠著力，降低了鋼筋與混凝土接觸面的摩擦力；變形鋼筋橫肋的銹蝕，降低了鋼筋表面的機械咬合力；而銹蝕產物體積膨脹導致混凝土保護層的開裂和剝落，則削弱和破壞了鋼筋與混凝土的粘結錨固作用，最終影響鋼筋混凝土結構的適用性和承載力[1-5]。在服役過程中，鋼筋混凝土結構自身會因收縮徐變產生裂縫，而持續(xù)荷載的作用會使裂縫數目逐漸增多、裂縫的寬度逐漸增大。周圍環(huán)境中的氧氣、水分等其他腐蝕物質會通過裂縫進入混凝土結構內，加速鋼筋的銹蝕，進一步降低結構的承載能力。

目前，國內外學者就鋼筋銹蝕與持續(xù)荷載對鋼筋混凝土結構的影響進行了大量試驗研究。易偉建[6]研究了持續(xù)荷載作用下混凝土梁內鋼筋加速銹蝕后的工作性能，得到了鋼筋銹蝕量與混凝土梁撓度、固有頻率之間的關系。何世欽[7]通過研究持續(xù)荷載和電加速鋼筋腐蝕共同作用下梁的抗彎性能，指出在持續(xù)荷載和腐蝕的共同作用下，鋼筋混凝土梁的極限承載力顯著降低。金偉良等[8]通過試驗研究發(fā)現，梁內縱筋質量銹蝕率受到持續(xù)荷載水平的影響，持續(xù)荷載越大，平均銹蝕率越大，沿縱向不均勻性也越明顯。YOON S等[9]指出鋼筋銹蝕率受荷載等級的影響明顯，且隨著荷載的增大而增大。DU Y G等[10]通過對五根鋼筋混凝土梁在銹蝕與荷載作用下結構性能的研究，發(fā)現荷載與銹蝕的耦合作用比其單獨作用更加破壞梁的承載性能。

但對于銹蝕和持續(xù)荷載對鋼筋混凝土結構的分析，多數學者以不帶裂縫的鋼筋混凝土試件為對象開展試驗研究[5-11]，未能考慮到實際工程中鋼筋混凝土結構大多帶有初始裂縫的情況。針對以上問題，本文采用粘結區(qū)帶裂縫的鋼筋混凝土梁式試件，采用貼面外加電流加速銹蝕的方法，分析研究銹蝕與持續(xù)荷載作用對鋼筋混凝土粘結性能的影響，為鋼筋混凝土結構耐久性的研究提供相關理論依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗選取鋼筋混凝土梁式試件來模擬實際中服役結構的鋼筋銹蝕過程，考慮到不同的鋼筋銹蝕率，設計為0%，1%，3%，5%，銹蝕率以縱筋粘結區(qū)為準。試驗梁的設計尺寸為：b×h×l=100mm×150mm×550mm，b，h，l分別代表試件的寬、高、長，保護層厚度為40mm，試件由左右兩部分組成，通過梁中縱筋相連。為了加速粘結區(qū)鋼筋的銹蝕，設計選用通電導線一端綁在縱筋粘結區(qū)，另一端自由外伸。同時為保證試驗準確性，避免因銹蝕產物過于分散導致測量誤差，試驗中采用PVC管制造了縱筋與混凝土的非粘結區(qū)，并用泡沫雙面膠密封，縱筋在左右半梁中的粘結長度均為5d(d為縱筋直徑)，實際銹蝕長度即為粘結長度。為使梁式試件粘結區(qū)帶有初始裂縫，試件澆筑前將40mm深、0.2mm厚的薄鋼片貼在模具指定位置。試驗梁配筋如下：縱筋為114，箍筋為φ6@60。鋼筋參數如表1所示，梁式試件構造簡圖如圖1所示。

鋼筋參數 表1

圖1 梁式試件構造圖/mm

1.2 試件制作

混凝土的配合比及強度等級如表2所示，實測混凝土立方體抗壓強度均值為32.17MPa。將配合稱量完畢的石子、砂和水泥依次倒入混凝土攪拌機中干拌1min，干拌均勻后繼續(xù)加水拌和3min。攪拌完成后使用模具澆筑混凝土梁式試件，澆筑過程中需夾緊鋼鉸，防止鋼鉸之間留有空隙。澆筑后將模具置于振動臺振實，用泥刀刮除多余混凝土并抹平表面。24h后試件脫模并立即放入溫度(20±2)℃，相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28d[12]。

混凝土水灰比、各組分含量以及強度等級 表2

1.3 試驗分組

試驗共制作了4組尺寸與配筋如圖1所示的梁式試件，試件分組及變量如表3所示。其中A-1組為參考組，研究鋼筋混凝土梁式試件的粘結滑移本構關系、極限承載力、極限滑移量；B，C，D組研究鋼筋在不同銹蝕率條件下，持續(xù)荷載等級對混凝土梁式試件粘結性能的影響。

試件分組及變量 表3

1.4 試驗方法

1.4.1 鋼筋加速銹蝕方法

本次試驗中，鋼筋加速銹蝕選用貼面加速銹蝕[13-17]的方法，具體操作步驟為：梁式試件縱筋粘結區(qū)纏綁導線并引出作為電化學反應的陽極，如圖2所示；縱筋粘結區(qū)對應的梁式試件外側區(qū)域用不銹鋼網纏繞一圈，不銹鋼網外再用海綿包裹，并引出導線作為電化學反應的陰極，最后再用保鮮膜包裹最外側，起到保水作用，如圖3所示；試驗中將質量分數為5%的NaCl溶液注入海綿作為電化學反應中的電解液。為了在縱筋通電銹蝕時防止電流強度損失，與縱筋接觸的箍筋底部和縱筋外伸段均用涂抹環(huán)氧樹脂膠的方法處理[18]。采用通電加速銹蝕時，按照銹蝕縱筋的表面積，通以2mA/cm2[11]的電流計算每根縱筋的電流強度。通電時間按照法拉第定律計算，粘結區(qū)縱筋通過換算表面積計算，并按照試驗的總體設計加以調整。達到預定通電時間之后，破解梁式試件后取出縱筋，觀察縱筋粘結區(qū)表面的銹蝕情況。依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[19]切割粘結區(qū)并分段取樣，酸洗后計算縱筋粘結區(qū)實際銹蝕率。

圖2 陽極外接導線

圖3 試件貼面加速銹蝕

1.4.2 持續(xù)荷載施加方式

試驗開始前，先用液壓千斤頂對A-1組中3塊梁式試件的極限荷載進行測量，如圖4所示，測量后取平均值作為本次試驗中梁式試件的極限荷載值。試驗測得混凝土梁式試件的極限荷載值為32.18kN，因此極限荷載的25%，45%，65%對應值分別為8.05，14.48，20.92kN。施加持續(xù)荷載時采用圖5所示的方法，加載裝置中下部的梁式試件倒置，上部的梁式試件通過中間的分配梁疊放在下部梁上，兩塊梁式試件互為作用力與反作用力的方式受力；持續(xù)荷載通過千斤頂施加在反力梁的跨中處，反力梁通過加載架把荷載傳遞給梁式試件，持續(xù)荷載施加到目標值后，擰緊反力梁下端的螺母，整個持續(xù)荷載施加過程進行完畢。

圖4 極限荷載的測量

圖5 持續(xù)荷載加載裝置

1.4.3 彎曲粘結試驗

混凝土梁式試件在電加速銹蝕與持續(xù)荷載作用下，經過設計通電時間達到理論銹蝕率后，需要進行彎曲粘結試驗，測得其極限滑移值與鋼筋混凝土粘結強度值，并觀察梁式試件在加載后的破壞形態(tài)與裂縫發(fā)展情況，彎曲粘結試驗加載裝置如圖6所示。開始時液壓千斤頂對梁式試件施加的荷載增量為每級2kN，荷載施加至26.7kN后，荷載增量變?yōu)槊考?.5kN，并在30s內將每級荷載施加完畢。在每級荷載施加完畢后，需等待1min使相對滑移達到穩(wěn)定狀態(tài)，梁式試件加載端與自由端鋼筋與混凝土的相對滑移通過位移計測量。

圖6 彎曲粘結試驗加載裝置

2 試驗結果與分析

2.1 裂縫發(fā)展形態(tài)與寬度

本試驗中鋼筋混凝土梁式試件的破壞形式均為混凝土劈裂破壞，并且劈裂破壞僅出現在梁式試件的左右某一半梁中。在整個加載過程中，梁式試件上初始裂縫的寬度隨著施加荷載的不斷提高而增加，裂縫形態(tài)發(fā)展為與縱筋平行方向成45°的斜向裂縫，并逐漸向梁式試件上部受力點位置開裂，最終裂縫延伸至受力點并發(fā)生劈裂破壞。梁式試件裂縫發(fā)展形態(tài)如圖7(a)所示。使用ZBL-F800裂縫綜合測試儀對所有梁式試件的裂縫寬度進行測量，測量位置如圖7(b)，(c)所示，其中位置1為裂縫發(fā)展的末端，位置2為裂縫發(fā)展的中端，位置3為裂縫發(fā)展的初端，位置4為試件底部裂縫發(fā)展的中端。其中A-2組典型梁式試件的裂縫測量圖如圖8所示。相同縱筋粘結區(qū)銹蝕率(3%)、不同持載等級、相同持載等級(45%)、不同縱筋粘結區(qū)銹蝕率下梁式試件裂縫平均寬度如表4、表5所示。

圖7 裂縫發(fā)展形態(tài)與位置

不同持載等級下試件裂縫平均寬度表4

不同縱筋粘結區(qū)銹蝕率下試件裂縫平均寬度 表5

由表4可以看出，在相同銹蝕率條件下，梁式試件的裂縫寬度受到持載等級的影響，隨著持載等級的提高，試件各位置的裂縫寬度也不斷增大。由表5可得，在相同持載等級條件下，梁式試件的裂縫寬度受到縱筋粘結區(qū)銹蝕率的影響，縱筋粘結區(qū)銹蝕率越大，試件各位置的裂縫寬度也不斷增大。

2.2 粘結強度計算

本試驗中梁式試件的受力計算簡圖如圖9所示。

圖9 受力計算簡圖/mm

梁式試件中縱筋的粘結力F可由靜力平衡關系得出：

(1)

式中：P為試驗中施加的荷載值，N；h為平衡關系中的力臂，mm；L為施加荷載作用點與試件支座位置的水平距離。

縱筋粘結區(qū)的平均粘結應力τ為：

(2)

式中：d為鋼筋直徑，mm；l為縱筋粘結區(qū)長度，mm。

利用加載裝置對遭受電加速銹蝕與持續(xù)荷載后的梁式試件進行彎曲粘結試驗，梁式試件的極限荷載與粘結強度值如表6所示。

由表6數據可以看出，梁式試件在電加速銹蝕與持續(xù)荷載條件作用后，極限荷載值與鋼筋混凝土粘結強度比參考梁式試件都有所減小。在相同持載等級下，梁式試件的粘結強度值隨著鋼筋銹蝕率的提高而減小，例如：25%持載等級作用下的梁式試件組(B-2，B-3，B-4)中，銹蝕率為5%梁式試件(B-4)、銹蝕率為3%梁式試件(B-3)的粘結強度值，分別為銹蝕率為1%梁式試件(B-2)粘結強度值的92.65%和96.54%。此外，在相同銹蝕率條件下，梁式試件的粘結強度值隨著持載等級的提高而不斷減小，例如：5%銹蝕率條件下的梁式試件組(A-4，B-4，C-4，D-4)中，持載等級為65%梁式試件(D-4)、持載等級為45%梁式試件(C-4)、持載等級為25%梁式試件(B-4)的粘結強度值，分別為持載等級為0%梁式試件(A-4)粘結強度值的91.66%，94.81%和99.55%。

梁式試件的極限荷載值與粘結強度值 表6

2.3 粘結應力-滑移曲線

電加速銹蝕與持續(xù)荷載作用后，對混凝土梁式試件進行彎曲粘結試驗，記錄每級荷載對應的滑移量，并繪制梁式試件的粘結應力-滑移曲線。其中65%持載等級條件下梁式試件的粘結應力-滑移曲線如圖10所示。從圖中曲線對比可以看出，梁式試件的加載端滑移普遍都大于自由端滑移，并且在相同持載等級的條件下，隨著縱筋銹蝕率的提高，梁式試件加載端與自由端的滑移也逐漸增大。粘結強度方面，在相同持載等級條件下，梁式試件的粘結強度與縱筋銹蝕率成反比關系，即粘結強度隨著縱筋銹蝕率的提高而降低。此外，持續(xù)荷載的試驗條件并沒有改變粘結應力-滑移曲線的走勢。就加載端來說，梁式試件加載端的滑移在荷載施加的瞬間便產生，并隨著荷載的增加而增加；就自由端來說，遭受65%持載等級的梁式試件自由端滑移在達到極限荷載的20%～40%時產生。

圖10 65%持載等級下梁試件的粘結-滑移曲線

圖11為5%縱筋銹蝕率條件下梁式試件的粘結應力-滑移曲線。除上述梁式試件的加載端滑移普遍都大于自由端滑移規(guī)律外，從圖中曲線對比還可以看出，在相同縱筋銹蝕率條件下，梁式試件加載端與自由端的滑移量隨著持載等級的提高而增大。粘結強度方面，梁式試件的粘結強度與持載等級也成反比關系，即梁式試件的持載等級越高，粘結強度就越小。就梁式試件自由端產生滑移的先后順序來說，遭受高等級持續(xù)荷載的梁式試件自由端產生滑移的時間比遭受低等級持續(xù)荷載的梁式試件要早。

圖11 5%縱筋銹蝕率下梁試件的粘結-滑移曲線

3 結論

(1)銹蝕與持續(xù)荷載的提高會降低鋼筋與混凝土之間的粘結強度，并且銹蝕程度越高、持載等級越高，粘結強度就越低。

(2)混凝土梁式試件發(fā)生破壞時產生的裂縫寬度，受銹蝕與持載等級條件的影響，試件持載等級越高、縱筋銹蝕率越大，裂縫寬度就越大。

(3)彎曲粘結試驗中，梁式試件加載端滑移普遍大于自由端滑移，且滑移量隨著梁式試件的持載等級與縱筋銹蝕率的提高而增大。