商懷帥,李樹(shù)良,張 程,胡 濱,鄭 素,張慢慢
(1 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 青島 266033;2 中鐵二十四局集團(tuán)有限公司軌道交通分公司, 上海 200071)
對(duì)于停建、緩建的鋼筋混凝土工程來(lái)講,由于受環(huán)境因素影響,裸露在混凝土外部的鋼筋不可避免發(fā)生銹蝕現(xiàn)象,銹蝕后的鋼筋截面會(huì)減小,在承受相同荷載作用下,銹蝕鋼筋實(shí)際承受應(yīng)力有較大變化;且受銹蝕影響,鋼筋和混凝土之間的極限粘結(jié)應(yīng)力也發(fā)生變化,如果項(xiàng)目復(fù)工時(shí)對(duì)于這些銹蝕問(wèn)題不加處理,必定會(huì)影響到整個(gè)工程的質(zhì)量。目前,鋼筋銹蝕產(chǎn)生的種種危害已經(jīng)引起世界各國(guó)研究者的關(guān)注[1]。張白等[2]通過(guò)試驗(yàn)研究得出:當(dāng)銹蝕率小于2.22%時(shí),鋼筋和混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力隨著銹蝕率的增加而增大;但當(dāng)銹蝕率超過(guò)3.46%時(shí),鋼筋和混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力出現(xiàn)明顯衰退。張勇君等[3]提出了停建、緩建工程在復(fù)工前鋼筋除銹處理的重要性和應(yīng)該采取的除銹措施。陳嘉帥等[4]通過(guò)對(duì)除銹劑除銹后的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn),研究了鋼筋的力學(xué)性能退化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)鋼筋的名義屈服極限強(qiáng)度退化速率隨鋼筋直徑變化不敏感,隨銹蝕率的增大呈線性退化關(guān)系。戴兵等[5]研究表明,隨著荷載的增大,粘結(jié)應(yīng)力的峰值有向自由端漂移的趨勢(shì)。
因此,對(duì)于停建、緩建的鋼筋混凝土工程,復(fù)工前需要對(duì)外露的鋼筋進(jìn)行除銹處理,以保證鋼筋表面無(wú)銹蝕和油污等非正?,F(xiàn)象。目前,工程常見(jiàn)的除銹方法有除銹劑浸泡、角磨機(jī)打磨、拋丸、噴砂、化學(xué)試劑除銹等,不同除銹方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)各有不同[6]。目前,對(duì)使用不同方法除銹后鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能影響的試驗(yàn)研究相對(duì)較少,因此對(duì)不同除銹方法的除銹效果和對(duì)鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能影響的研究是十分必要的。本文選取3種工程上常見(jiàn)的除銹方法(角磨機(jī)除銹、除銹劑除銹和拋丸機(jī)除銹)對(duì)不同銹蝕程度的鋼筋進(jìn)行除銹,然后對(duì)除銹后鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析除銹方法對(duì)除銹后鋼筋和混凝土粘結(jié)性能的影響。
混凝土配合比 表2
鋼筋選用HRB400熱軋帶肋鋼筋,直徑分別為14,18mm,每根長(zhǎng)度約600mm。在鋼筋除銹前分別測(cè)量每根鋼筋的內(nèi)外徑、肋高和肋間距等外形參數(shù),并計(jì)算其平均值,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
生銹前鋼筋外形參數(shù)/mm 表1
本試驗(yàn)采用青島某公司生產(chǎn)的預(yù)拌混凝土,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。預(yù)拌混凝土中水泥采用P·O 42.5級(jí)水泥;細(xì)骨料為級(jí)配良好的Ⅱ區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù)為2.8;粗骨料采用5~25mm連續(xù)級(jí)配的嶗山碎石;此外還添加了礦粉、粉煤灰和聚羧酸減水劑,具體配合比如表2所示。
鋼筋銹蝕的方法有恒電流加速銹蝕和自然銹蝕兩種方式,吳慶、袁迎曙等[7]的研究表明通過(guò)恒電流加速銹蝕鋼筋的銹蝕產(chǎn)物呈黑色,而自然銹蝕鋼筋的銹蝕產(chǎn)物為紅褐色,故本試驗(yàn)采用自然銹蝕的方式對(duì)鋼筋進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)鋼筋在自然環(huán)境中暴露時(shí)間長(zhǎng)短和灑水頻率的不同區(qū)分出了兩種程度銹蝕,并用鋼筋的平均質(zhì)量損失率ρ表示其平均銹蝕率:
(1)
式中:w0為鋼筋生銹前的質(zhì)量;w1為鋼筋除銹后的質(zhì)量。
根據(jù)銹蝕之前和除銹之后的質(zhì)量分別計(jì)算得出直徑為14mm和18mm鋼筋的兩種程度的平均銹蝕率,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
不同銹蝕程度的鋼筋質(zhì)量變化 表3
分別采用除銹劑、角磨機(jī)和拋丸機(jī)三種方法對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理。除銹劑選用天津某公司生產(chǎn)的除銹劑KS-7003。除銹時(shí)在通風(fēng)良好的地帶將鋼筋完全浸泡在除銹劑中,除銹過(guò)程產(chǎn)生大量刺激性氣體并散發(fā)大量熱量,銹蝕產(chǎn)物溶解在除銹劑中,除銹后的鋼筋表面迅速生成一層致密的銀白色氧化膜,如圖1所示,用水將鋼筋表面殘余的除銹劑沖洗干凈,然后烘干鋼筋表面水分,進(jìn)行稱重記錄。角磨機(jī)選用江蘇某公司生產(chǎn)的S1M-FF03-100A型角磨機(jī),緩慢將鋼筋表面銹蝕產(chǎn)物打磨干凈,除銹過(guò)程中人為控制除銹效果,盡量使每根鋼筋的除銹程度保持一致。除銹后鋼筋表面有銀白色金屬光澤,如圖2所示,然后稱重記錄。拋丸機(jī)除銹委托青島某公司處理,使用履帶式拋丸機(jī)高速拋射的鋼丸對(duì)鋼筋表面進(jìn)行除銹、去氧化皮,如圖3所示,清理完成后可自動(dòng)卸料,過(guò)程較為簡(jiǎn)便、節(jié)省人工,但對(duì)于銹蝕率為1.71%和1.93%的鋼筋除銹不徹底,鋼筋還有少許浮銹,沒(méi)有金屬光澤,除銹效果不如前兩者。除銹前后對(duì)比如圖4所示。
圖1 除銹劑除銹
圖2 角磨機(jī)除銹
圖3 履帶式拋丸機(jī)
圖4 除銹前后對(duì)比
試件截面為150mm×150mm×150mm,使用可拆卸的塑料模具,鋼筋在試件內(nèi)的粘結(jié)長(zhǎng)度為5d(d為鋼筋直徑),放置于模具的中心位置,無(wú)橫向配筋。用PVC管套在鋼筋兩端,并用石蠟密封鋼筋和PVC管之間的空隙,以免澆筑時(shí)水泥砂漿流入管內(nèi)影響粘結(jié)段的長(zhǎng)度,如圖5所示。試件在青島某公司攪拌站室驗(yàn)室制作,澆筑完成1d后拆模,并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d。
試驗(yàn)共制作4組中心拔出試件,分別對(duì)應(yīng)2種鋼筋直徑和2種銹蝕率,每組試件共9個(gè)中心拔出試件,9個(gè)試件中的鋼筋分別采用角磨機(jī)、除銹劑和拋丸機(jī)對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹。中心拔出試件示意圖如圖5所示。
圖5 中心拔出試件示意圖
本試驗(yàn)使用千分表分別測(cè)量鋼筋加載端和自由端的滑移量,使用錨桿式拉拔儀進(jìn)行手動(dòng)加載,采用分級(jí)加載,每加載2kN并穩(wěn)定30s后讀取一次滑移值,直到加載至最大荷載。分別測(cè)量記錄試件加載端和自由端的滑移值、鋼筋混凝土試件的極限粘結(jié)應(yīng)力。
在加載的初始階段,試件表面無(wú)裂縫出現(xiàn),加載端首先出現(xiàn)滑移,自由端無(wú)滑移;隨著荷載的繼續(xù)增大,鋼筋的加載端滑移量逐漸增加,自由端開(kāi)始出現(xiàn)滑移;當(dāng)加載至最大荷載,鋼筋加載端和自由端的滑移量繼續(xù)增加,試件破壞[8]。破壞模式有兩種:一是拔出破壞,混凝土表面無(wú)裂縫(圖6);另一種是劈裂破壞,混凝土表面一般出現(xiàn)1~3條裂縫[9](圖7)。試件裂縫發(fā)展情況和破壞模式見(jiàn)表4和表5。
圖6 拔出破壞
圖7 劈裂破壞
直徑14mm鋼筋試件的試驗(yàn)現(xiàn)象 表4
直徑18mm鋼筋試件的試驗(yàn)現(xiàn)象 表5
2.1.1 鋼筋直徑為14mm的鋼筋混凝土中心拔出試件的破壞模式
使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹的直徑為14mm的鋼筋混凝土中心拔出試件全部發(fā)生拔出破壞,試件表面無(wú)裂縫出現(xiàn),如圖8所示。使用角磨機(jī)除銹的鋼筋直徑為14mm的鋼筋混凝土中心拔出試件表面出現(xiàn)未貫通的細(xì)微裂縫,試件發(fā)生劈裂破壞,如圖9所示。
圖8 試件表面無(wú)裂縫
圖9 試件表面細(xì)微裂縫
從表4和表5可以看出,除銹方法影響了鋼筋直徑為14mm試件的破壞形式,出現(xiàn)這種情況的原因是角磨機(jī)打磨鋼筋時(shí)使用的鋼絲刷沒(méi)有鋼筋的硬度高,通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)摩擦可以去除鋼筋表面稀松的銹蝕物,而對(duì)鋼筋本材的影響很?。皇褂贸P劑和拋丸機(jī)除銹時(shí),酸液浸泡和鋼丸的高速拋打?qū)︿摻罾吒呦魅踺^大,且對(duì)本材的削弱程度也要大于角磨機(jī)除銹[10]。角磨機(jī)對(duì)鋼筋肋高的削弱程度要小于其余兩種除銹方法,較高的鋼筋肋可以使鋼筋和混凝土之間的機(jī)械咬合力和摩擦力增大[11],進(jìn)而提升試件的粘結(jié)性能。因此使用角磨機(jī)除銹的試件發(fā)生劈裂破壞,而使用其余兩種方法除銹的試件發(fā)生拔出破壞。
2.1.2 鋼筋直徑為18mm的鋼筋混凝土中心拔出試件的破壞模式
使用除銹劑、拋丸機(jī)及角磨機(jī)除銹的鋼筋直徑為18mm的鋼筋混凝土中心拔出試件均發(fā)生劈裂破壞,如圖10所示。這種劈裂式裂縫從鋼筋端表面向三個(gè)方向產(chǎn)生裂縫,通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),有些試件表面出現(xiàn)一條貫通裂縫,也有試件表面的裂縫沒(méi)有貫通,如圖11所示。試件的破壞形式和裂縫發(fā)展情況均類似,說(shuō)明三種除銹方法對(duì)鋼筋直徑為18mm試件的破壞模式影響不大,但與鋼筋直徑為14mm的中心拔出試件相比,隨鋼筋直徑的增大,試件破壞時(shí),表面裂縫的寬度也有相應(yīng)增加[12]。出現(xiàn)這種情況的原因是變形鋼筋肋高并不隨直徑變化而成比例變化,直徑增大時(shí),相對(duì)鋼筋肋高降低,相對(duì)粘結(jié)面積減小,極限粘結(jié)強(qiáng)度降低,致使試件更容易劈裂。大直徑鋼筋試件的絕對(duì)粘結(jié)段長(zhǎng)度較長(zhǎng),粘結(jié)應(yīng)力在鋼筋表面的分布不均勻,破壞時(shí)裂縫寬度較寬;鋼筋直徑增大后,最多出現(xiàn)3條裂縫,由于混凝土對(duì)鋼筋肋的徑向擠壓不均勻,裂縫具有明顯的方向性。
圖10 劈裂破壞
圖11 劈裂破壞的三條裂縫
Lw=150-la
(2)
(3)
SL=SL1-ΔSL
(4)
(5)
式中:Lw為非粘結(jié)段的長(zhǎng)度,mm;ΔSL為鋼筋彈性變形伸長(zhǎng)值,mm;Es為鋼筋的彈性模量,GPa;As為鋼筋的截面面積,mm2;SL為加載端實(shí)際的滑移量,mm;SL1為鋼筋加載端千分表顯示的滑移量,mm;SF為鋼筋自由端千分表顯示的滑移量,mm;S為加載端和自由端的平均滑移量,mm。
中心拔出試驗(yàn)得到了不同條件下鋼筋和混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移量,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表6和表7。
直徑14mm鋼筋極限粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移量 表6
直徑18mm鋼筋極限粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移量 表7
不同銹蝕率的鋼筋在三種除銹方法后部分試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移量曲線如圖12所示。
圖12 不同條件下試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移量曲線(部分)
從表6、表7、圖12中可以看出,除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力隨銹蝕率的增加而降低。隨著銹蝕率的增加,鋼筋直徑為14mm的試件使用角磨機(jī)、除銹劑和拋丸機(jī)除銹后,試件極限粘結(jié)應(yīng)力分別降低2.9%,4.2%和6.7%;同樣,對(duì)于鋼筋直徑為18mm的試件,極限粘結(jié)應(yīng)力分別降低12.2%,8.1%和2.8%,發(fā)現(xiàn)極限粘結(jié)應(yīng)力的下降規(guī)律并不相同,分析原因可能是由于試件數(shù)量有限導(dǎo)致的離散性大。
當(dāng)鋼筋直徑和銹蝕率都相同時(shí),使用角磨機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力最大。鋼筋直徑為14mm的試件,當(dāng)銹蝕率為0.83%時(shí),使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力分別為角磨機(jī)除銹后的67.5%和65.7%;當(dāng)銹蝕率為1.71%時(shí),使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力分別為角磨機(jī)除銹后的66.6%和63.1%。鋼筋直徑為18mm的試件,當(dāng)銹蝕率為0.94%時(shí),使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力分別為角磨機(jī)除銹后的90.3%和87.8%,當(dāng)銹蝕率為1.93%時(shí),使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力分別為角磨機(jī)除銹后的94.5%和97.2%。
從試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出,當(dāng)直徑相同情況下,無(wú)論銹蝕率高低,用三種除銹方法除銹后得出的粘結(jié)應(yīng)力-滑移量(τ-s)曲線形狀基本一致。不同之處在于鋼筋直徑為14mm的試件使用角磨機(jī)除銹后發(fā)生劈裂破壞,而使用另兩種除銹方法的試件發(fā)生拔出破壞。由圖12(a)可看出,發(fā)生拔出破壞試件的τ-s曲線在峰值過(guò)后有明顯的下降段,而發(fā)生劈裂破壞的試件由于破壞很突然,并不能繪制出其τ-s曲線的下降段[14]。發(fā)生拔出破壞的試件在加載初期,滑移量和粘結(jié)應(yīng)力成線性關(guān)系,到峰值荷載后,隨著粘結(jié)應(yīng)力減小,滑移量繼續(xù)增大,施加很小的荷載就有很大的滑移[15];發(fā)生劈裂破壞試件的τ-s曲線基本都成線性關(guān)系,隨著荷載的不斷增加,鋼筋的滑移量也不斷增加;荷載繼續(xù)增加,達(dá)到極限粘結(jié)應(yīng)力,試件發(fā)生脆性劈裂[16]。
隨著銹蝕率的增大,試件中鋼筋的峰值滑移量有增大的趨勢(shì)。鋼筋直徑為14mm的試件,使用角磨機(jī)和拋丸機(jī)除銹后的峰值滑移量隨銹蝕率增大分別增大6.0%和4.5%,使用除銹劑除銹后峰值滑移量未增大;而鋼筋直徑為18mm的試件,使用3種除銹方法后,峰值滑移量隨銹蝕率增大分別增大4.9%,12.2%和8.2%。
當(dāng)鋼筋直徑和銹蝕率都相同時(shí),使用角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量最小。鋼筋直徑為14mm的鋼筋,當(dāng)銹蝕率為0.83%時(shí),角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量分別是除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的70.4%和75.8%;當(dāng)銹蝕率為1.71%時(shí),角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量分別是除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的74.6%和76.8%。鋼筋直徑為18mm的鋼筋,當(dāng)銹蝕率為0.94%時(shí),用除銹劑和拋丸機(jī)除銹后的試件的峰值滑移量相同,角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量分別是除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的83.7%,當(dāng)銹蝕率為1.93%時(shí),角磨機(jī)除銹后試件的峰值滑移量分別是除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件的78.2%和81.1%。
鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力主要由化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩擦力組成,在加載初期,荷載較小,粘結(jié)應(yīng)力主要由化學(xué)膠結(jié)力提供;隨著荷載的增大,化學(xué)膠結(jié)力逐漸喪失,粘結(jié)應(yīng)力主要由機(jī)械咬合力提供[17];荷載不斷增大,沿著鋼筋縱向的劈裂裂縫從試件內(nèi)部發(fā)展到表面,粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大,此時(shí)試件發(fā)生劈裂破壞;當(dāng)鋼筋直徑較小,或鋼筋受到的縱向約束力不足時(shí),鋼筋和混凝土之間的機(jī)械咬合力消失,這時(shí)僅剩少量摩擦力提供粘結(jié),表現(xiàn)為粘結(jié)應(yīng)力急劇下降,滑移值卻大幅增加,試件發(fā)生拔出破壞[18]。
對(duì)于鋼筋直徑為14mm的試件,只有用角磨機(jī)除銹后的試件發(fā)生劈裂破壞。原因是角磨機(jī)除銹對(duì)鋼筋表面肋高削弱最小,試件中鋼筋肋間的混凝土齒較厚,機(jī)械咬合力大,粘結(jié)應(yīng)力也大[19],所以試件破壞時(shí)表面產(chǎn)生細(xì)小裂縫。對(duì)于鋼筋直徑為18mm的試件,絕對(duì)粘結(jié)長(zhǎng)度較長(zhǎng),粘結(jié)應(yīng)力在鋼筋表面的分布不均勻,破壞時(shí)的極限粘結(jié)應(yīng)力較鋼筋直徑為14mm的試件低。鋼筋表面月牙紋肋高沿鋼筋圓周變化,徑向擠壓不均勻,使出現(xiàn)的劈裂裂縫有明顯的方向性。銹蝕越嚴(yán)重的鋼筋,表面生成銹蝕產(chǎn)物越多,除銹時(shí)對(duì)鋼筋表面及肋高的削弱越大,導(dǎo)致混凝土和鋼筋相對(duì)粘結(jié)面積減小,極限粘結(jié)應(yīng)力降低。
本文以現(xiàn)有鋼筋混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ),根據(jù)粘結(jié)強(qiáng)度隨不同錨固位置、裂縫間距、保護(hù)層厚度和鋼筋直徑的變化規(guī)律[20-22],用多項(xiàng)式擬合鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系形式簡(jiǎn)單,故本文宜采用多項(xiàng)式(6)來(lái)擬合不同條件下試件的粘結(jié)-滑移曲線。
τ=a+bs+cs2+ds3
(6)
式中:τ為粘結(jié)強(qiáng)度,N/mm2;s為滑移量,mm;其他參數(shù)值見(jiàn)表8。
鋼筋試件粘結(jié)-滑移表達(dá)式(6)中的系數(shù) 表8
通過(guò)對(duì)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析,得到了不同銹蝕程度下鋼筋和混凝土粘結(jié)應(yīng)力-滑移量曲線,如圖13所示。
圖13 鋼筋試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移量曲線的試驗(yàn)值及擬合值對(duì)比
兩種銹蝕程度下,使用除銹劑和拋丸機(jī)除銹的鋼筋直徑為14mm試件發(fā)生拔出破壞,其余的試件均發(fā)生劈裂破壞,所有擬合的曲線在上升段與實(shí)際值相似程度很高。由于發(fā)生拔出破壞的試件達(dá)到極限粘結(jié)應(yīng)力后,粘結(jié)應(yīng)力不會(huì)立即降低,而是隨著滑移量的增大而緩慢降低,采集到的峰值滑移量對(duì)應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力大,用三階多項(xiàng)式擬合時(shí),曲線峰值處相似程度稍有誤差,且曲線下降段有效的數(shù)據(jù)不夠多,故其曲線下降段相似程度則偏差略大。圖13(a)中,鋼筋使用拋丸除銹的試件擬合誤差稍大,原因是夾具和錨具沒(méi)有將試件加載端鋼筋完全夾緊,在加載初始階段,錨具首先被夾具緊固,進(jìn)而使采集到的數(shù)據(jù)失去了有效性。由此可見(jiàn),試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果整體吻合良好,說(shuō)明式(6)可為今后除銹后鋼筋混凝土粘結(jié)性能的研究提供一定理論依據(jù)。
(1)在銹蝕率較小的情況下,不同除銹方法對(duì)鋼筋肋高削弱程度由大到小依次是除銹劑浸泡、拋丸機(jī)除銹、角磨機(jī)除銹。
(2)鋼筋直徑為14mm的試件,角磨機(jī)除銹后試件發(fā)生劈裂破壞;除銹劑和拋丸機(jī)除銹后試件發(fā)生拔出破壞。鋼筋直徑為18mm的試件均發(fā)生劈裂破壞。
(3)當(dāng)銹蝕率在2%以內(nèi)時(shí),隨著銹蝕率的增加,除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力減小,峰值滑移量增大。
(4)三種除銹方法中,角磨機(jī)除銹后試件的極限粘結(jié)應(yīng)力最大,峰值滑移量最小。