侧向压力影响下锈蚀钢筋混凝土粘结性能研究

侧向压力影响下锈蚀钢筋混凝土粘结性能研究简介：钢筋的锈蚀使其与混凝土的粘结性能发生退化，从而使混凝土构件的结构性能产生退化，严重影响钢筋混凝土结构的安全和正常使用。研究锈蚀后钢筋与混凝土粘结性能的退化规律，有助于对在役结构进行鉴定和耐久性分析，对钢筋混凝土结构的耐久性设计也具有一定的指导意义。目前钢筋混凝土粘结试验主要有两种：拔出和梁式粘结试验。但两者都有其自身的局限性：拔出试验机理过于简单，梁式试验复杂且成本较高。对此本文设计了一套加载装置，通过对拔出试件施加侧向压力模拟了梁端受力状态，研究了侧向压力和锈蚀程度对钢筋混凝土粘结性能的影响规律，并对其机理进行分析。结果显示该方法与梁式粘结试验结果较为一致。关键字：锈蚀，钢筋混凝土，拔出试验，粘结，侧向压力1.引言钢筋与混凝土之间的粘结是钢筋混凝土结构承载受力的前提。评价结构的粘结性能，需要拟定相应的粘结试验方法。但拟定试验方法的困难，不仅在于粘结性能受到很多因素的影响，而且由于粘结问题的复杂性，往往一种方法并不足以全面反映钢筋粘结性能的优劣[1]。目前，典型的钢筋混凝土粘结试验基本可以分为两种类型[2][5]：拔出和梁式粘结试验。两种试验都有其自身的局限性：（1）拔出试验[3][4]的试件制作及试验装置比较简单，试验结果便于分析，但在拔出试验中，钢筋受拉，其周围混凝土受压，试件中没有剪力和弯矩作用，与实际结构构件的受力状态不符；（2）为了克服拔出试验的缺点，可以采用梁式粘结试验[5][6]，但梁式试验试件尺寸较大，制作成本较高，且试验较为复杂。基于上述问题，本文根据梁的受力特征，通过特殊的加载装置对锈蚀拔出试件施加侧向压力，观察了侧向压力和锈蚀程度对试件粘结性能的影响，并对其机理进行分析，为进一步完善钢筋混凝土粘结试验方法打下基础。2.试验研究方案2.1试验材料钢筋：试验钢筋直径采用14；箍筋采用6；水泥：32.5普通硅酸盐水泥；细骨料：天然中砂；粗骨料：碎石最大粒径不大于14mm表2-1混凝土配合比（重量比）Table2-1ConcreteMixProportion(WeightProportion)水泥砂石子水设计强度实际强度12.083.310.62C20C232.2试件设计在拔出试验的基础上，对试件施加侧向压力，并考虑锈蚀程度因素制作两种拔出试件。其一，直接对试件进行拔出试验；其二，设计了一套特殊的加载装置，利用荷载传感器和反力架对部分试件施加侧向压力，以此模拟支座反力作用。试件具体设计见图1，其中钢筋锚固长度取120mm，侧向压力处于距离自由端40-80mm区段。此外，为了得到锚固段内钢筋与混凝土间的粘结应力，试验采用内贴片钢筋。其加工制作步骤为：（1）将预贴片钢筋先由轴线剖成两半，然后经铣床精密加工开槽，槽孔尺寸2.5mm×5mm（合拢后出线孔为5mm×5mm）；（2）槽内先用502胶水贴电阻应变片，然后用环氧树脂将槽孔填满，合并钢筋后用钢丝将整根钢筋扎紧合拢确保粘结可靠。浇筑试件前去除钢丝，并用丙酮将钢筋表面的环氧树脂洗净。2.2试验目的在长锚拔出试验的基础上，通过特殊的加载装置对锈蚀拔出试件施加侧向压力模拟梁的受力状态。根据试验结果分析侧向压力和锈蚀程度对钢筋混凝土粘结性能的影响；对其机理进行分析，为进一步完善钢筋混凝土粘结试验方法打下基础。3.试验结果讨论破坏形态为了表述方便，用CY代表施加侧向压力试件，C代表无侧向压力试件。C试件的破坏形式主要为劈裂破坏，一般在荷载上升至最大值的80%-90%时，混凝土保护层一侧靠近加载端会出现劈裂裂缝，并随荷载继续增大迅速贯穿粘结段，约束作用释放使得粘结作用开始下降；CY试件主要破坏形式为拔出破坏，没有明显的劈裂点，粘结作用发展较为充分，破坏时裂缝较C要细，一般不贯穿整个粘结段。下图以未锈和锈蚀未裂试件为例，比较了相同锈蚀程度下CY、C两种试件的破坏形态。3.3粘结应力分布（1）CY试件粘结峰值要远大于C试件，这一点在文献[8]对比梁式试件和拔出试件时也有叙述；由于缺少横向约束作用，C试件初加载时自由端出现粘结作用较早，未锈和锈蚀未裂试件在15—20KN就开始存在；而CY试件自由端一般在25—30KN时，粘结中段才开始表现出粘结作用；（2）CY试件锚固段粘结发展充分，峰值现象明显且靠近自由端；除自由端峰值外，CY试件在靠近在锚固中段出现粘结应力的另一个相对峰值点（小于自由端峰值），该峰值点位于距离自由端60mm左右且偏向加载端，这个区间处于于侧向力施加的区域（距离自由端40—80mm处。），即CY试件粘结应力在呈明显双峰值分布，而C试件的粘结应力分布更趋于均匀，这就验证了梁式试验在支座处由于支座反力和弯矩的存在会出现峰值点的观点[6][8]。3.4粘结特征值不同锈蚀程度试件分别对应CY、C试件其粘结特征值的比较。由于CY试件劈裂现象不明显，因此只进行极限和残余粘结作用的对比。上图显示CY试件的粘结性能明显优于C试件。不管是极限粘结还是残余粘结作用，CY试件都要远大于C试件。对比文献[8]，作者设计了相同材料，相同锚固长度的梁式试件和拔出试件，其试验结果也显示，由于支座反力和弯矩的存在，梁式与拔出试件基本粘结本构关系之比可达2倍之多。此外两种试件随锈蚀程度的变化趋势也有差别。除残余滑移外，CY试件随锈蚀的增大，其粘结性能下降趋势均要小于C试件。4.机理分析本文所有拔出试件均模拟梁式粘结试件的制作，其受力钢筋一侧保护层较薄，这与普通的拔出试件[9]制作有所区别（中心拔出试件）。因此，在锈蚀程度一定的情况下，影响锈蚀后钢筋混凝土锚固段的粘结性能的主要因素为侧向约束作用；（1）CY（施加侧向压力）试件模拟梁的受力状态，在垂直于拉拔荷载的方向上施加侧向力，就像试件表面增设了一层箍筋，混凝土对钢筋的约束较强，使钢筋与混凝土相对滑动所造成的径向劈裂应力的累积较慢，内裂缝将很难发展到混凝土表面，粘结作用的破坏要快于内裂缝的发展。因此，CY试件一般发生粘结破坏；（2）CY试件锚固区受到侧压力作用，类似于梁式粘结试件的支座反力作用，使得侧向力施加位置和加载端处钢筋与混凝土局部作用增强，所以在外载作用下侧向力处及加载端一侧均出现了粘结刚度峰值，钢筋锈蚀后的粘结刚度退化受到一定程度的保护；（3）此外，CY试件与梁式试件受力相似，在侧向力的作用下（梁式为剪力及弯矩作用下）混凝土对钢筋的约束作用增强，即使在钢筋锈胀开裂后，约束的增强作用也会部分消除开裂所带来约束释放作用。因此，其摩阻力和咬合力退化速度较慢，粘结作用随锈蚀程度的退化也较慢；而C（未有侧向压力）试件受力简单，钢筋受拉，周围混凝土受压，钢筋的受力主要通过粘结作用由加载端向自由端传递。由于缺少横向约束加强，随钢筋锈蚀程度增加，C试件粘结作用的退化速度要明显大于CY试件。5.结论本文通过对比施加和未施加侧向压力拔出试件粘结性能随锈蚀程度的变化规律，分析了侧向压力对试件粘结性能的影响；（1）侧向压力试件其主要破坏形式为拔出破坏，没有明显的劈裂点，粘结作用发展较为充分，破坏时裂缝较未施加侧向压力试件要细，一般不贯穿整个粘结段；而未有侧向力试件主要破坏形式为劈裂破坏；（2）随锈蚀程度的加深，侧向压力试件表现出和梁式试件的相似性：粘结发展较为充分，粘结峰值较高，且随锈蚀的发展其粘结退化速度较慢；（3）侧向压力试件粘结性能表现远优于未施加侧向压力试件，其粘结分布表现出类似于梁式试验的双峰值分布：即除靠近自由端峰值外，在靠近粘结锚固中段出现了粘结应力的另一个相对峰值点（一般小于自由端峰值），该峰值点处于施加侧向压力区段中部距离自由端60mm左右，验证了梁式试验在支座处由于支座反力和弯矩的存在会出现峰值的观点，也显示了本试验结果与梁式试验的一致性。参考文献[1]L.A.LutzandP.Gergely.Mechanicsofbondslipofdeformedbarsinconcrete[J].ACIJournal,V.64,1967(11):711-721.[2]徐港，王青．锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究进展[J]．混凝土，2006（5）：13-16.[3]金伟良，赵羽习．混凝土结构耐久性[M]．北京：科学出版社，2002.[4]陈静，刘西拉．锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移本构模型[J]．四川建筑科学研究，2008（4）：1-7.[5]Almusallam,A.A.,Al-Gahtani,A.S.,Rasheeduzzafar.Effectofreinforcementcorrosiononbondstrength[J].ConstructionandBuildingMaterials.1996,(10):123-129.[6]张誉，蒋利学，张伟平．混凝土结构耐久性概论[M]．上海：上海科学技术出版社，2002.[7]洪小健，张誉．粘结滑移试验中的粘结应力的拟合方法[J]．结构工程师，2000（3）：44-48.[8]向伟．钢筋混凝土梁锈蚀主筋与混凝土粘结性能退化规律与预计模型研究[D]．徐州：中国矿业大学，2007.[9]CongqiFang,KarinLundgren,LiuguoChen,etal.Corrosioninfluenceonbondinreinforcedconcrete[J].CementandConcreteResearch.2004，(34)：2159-2167.