system: [SYSTEM]

user: 4. 锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究 钢筋锈蚀后粘结性能的退化是关系到钢筋与混凝土两者之间能否保持原有共同作用的重要问题，目前的研究多集中在：锈蚀程度对粘结性能的影响、锈蚀钢筋与混凝土粘结力的计算等方面。 4.1. 影响粘结强度的因素 研究 [ 8 ] [ 9 ] [ 23 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] 表明，影响锈蚀钢筋与混凝土之间粘结强度的主要因素是锈蚀率。除此之外，钢筋种类、保护层厚度、箍筋、混凝土强度等因素对粘结强度都有一定的影响。 4.1.1. 锈蚀率 混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀，就会在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，其体积比原本未锈蚀的钢筋体积要大得多，因锈蚀产物最终形式不同而已，一般可达到原来体积的2~4倍。而在锈蚀率较小时，钢筋锈蚀产物的膨胀作用增大了混凝土对钢筋的约束力，钢筋与混凝土之间的摩擦系数因钢筋表面(尤其是光圆钢筋)锈蚀变得凸凹不平也略有增大，因此粘结强度随着锈蚀量的增大而增大，在锈胀开裂前，高于未锈钢筋 [ 6 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] 。文献 [ 34 ] 研究得到：对于拔出构件，锈蚀率小于1%时对粘结有益，之后随着锈蚀率的增加粘结强度降低；对于梁式构件，锈蚀率小于0.5%时粘结强度增大，之后缓慢下降，但在锈蚀率不大于5%时，仍高于钢筋未锈时的粘结强度。而文献 [ 37 ] 则通过梁式试验发现，对于轻微锈蚀(η < 3%)的钢筋其粘结强度较未锈蚀钢筋略微增加，但幅度有限；当锈蚀程度进一步增加(3% ≤ η < 4%)，粘结强度增长迅速；当锈蚀率增大到一定程度后(η ≥ 4%)，钢筋与混凝土之间的粘结强度呈下降趋势。试验结果 [ 9 ] 表明，光圆钢筋无箍筋试件在轻微腐蚀情况下，最大粘结强度可为未锈蚀时的2.5倍。文献 [ 30 ] 研究表明，对锈蚀量小于6%的试件达到滑移粘结强度后，仍具有一段较明显的劈裂段，而锈蚀量大于6%的试件由于钢筋变形肋受到严重锈蚀，达到滑移粘结强度后无明显的劈裂段。文献 [ 38 ] 试验发现，当试件达到极限粘结强度，锈蚀率对钢筋加载、自由端的相对滑移有着较大的影响，例如平均锈蚀率为3.46%的试件自由端平均滑移量比未锈蚀试件的减少了35%，平均锈蚀率为3.46%和14.83%的试件最大加载值比未锈蚀试件组的分别减少了17%和50%。 4.1.2. 钢筋种类 由于光圆钢筋与变形钢筋锈蚀后粘结机理不同，在轻微锈蚀情况下，光圆钢筋与混凝土粘结强度有较大幅度的提高，而变形钢筋粘结强度增长的幅度明显低于光圆钢筋 [ 9 ] [ 23 ] [ 39 ] 。文献 [ 40 ] 通过试验对不同种类锈蚀钢筋进行微观分析发现：带肋钢筋锈坑大而深且呈局部分布，光圆钢筋锈坑小而浅且分布相对均匀，相同条件下的带肋钢筋要比光圆钢筋更易受腐蚀，如HRB335级钢筋平均锈蚀率约是HPB235级钢筋的1.74倍。钢筋直径的增大使极限荷载随着增大，而相同锈胀裂缝宽度对不同直径的钢筋所释放的能量不同，这就造成了不同钢筋直径的试件粘结性能存在一定差别，但程度不大 [ 30 ] 。 4.1.3. 保护层厚度 混凝土对钢筋的约束程度与混凝土保护层有直接的关系，混凝土约束程度越小，钢筋锈蚀引起的膨胀力就越容易使混凝土胀裂，从而使粘结性能退化 [ 30 ] 。文献 [ 6 ] 结合规范提出在任何情况下，混凝土最小保护层厚度不小于15 mm，混凝土保护层厚度应不小于钢筋直径，应重视预应力钢筋锈蚀的危害性，先张法的保护层厚度不宜小于20 mm。文献 [ 13 ] 研究了在微锈情况下，不同保护层厚度对极限粘结强度的影响，如针对钢筋位于底边角部的试件，保护层厚度为50 mm的试件比保护层厚度为30 mm的试件极限粘结强度提高了13.3%。试验 [ 6 ] [ 41 ] 表明，保护层厚度与钢筋直径的比值c/d越大，保护层致裂锈蚀率越大，致裂时间就越长。 4.1.4. 箍筋 文献 [ 8 ] 指出有箍筋试件达到峰值后混凝土表面出现顺筋裂缝，较细，钢筋被缓慢拔出，试件不完全裂开，而无箍筋试件达到极限粘结强度后会很快发生劈裂破坏，主要原因是箍筋能够约束混凝土横向变形，另外箍筋对纵筋的锈蚀具有一定程度的保护。在腐蚀率不大的情况下，光圆钢筋配箍筋的试件其粘结强度随锈蚀率增大有显著的提高，比起无配箍筋试件，其粘结强度随腐蚀率提高较明显，如腐蚀率为5.2%时，粘结强度是未锈蚀的5.04倍，变形钢筋无配箍试件随锈蚀率增大粘结强度迅速降低，如在锈蚀率为9.02%时粘结强度只有未锈蚀的34%，而在锈蚀率小于7.63%时，变形钢筋配箍筋试件粘结强度基本无变化 [ 9 ] 。文献 [ 42 ] 发现光圆钢筋配箍试件在锈蚀率超过5%时粘结强度仍能增加，而未配箍试件随着锈蚀率逐渐增加，粘结强度先增加而后快速下降，拐点锈蚀率在2%~4%范围内。 目前大部分的研究主要集中于纵向钢筋锈蚀和锈后混凝土构件承载力和粘结退化的问题，对箍筋锈蚀的研究较少，而在混凝土耐久性试验研究和现场检测中发现，混凝土构件中的钢筋锈蚀首先从箍筋开始，且锈蚀程度比纵向钢筋严重，尤其在纵向钢筋与箍筋交汇处，箍筋严重锈蚀甚至锈断 [ 43 ] 。文献 [ 44 ] 则研究了在箍筋腐蚀的影响下钢筋混凝土粘结性能的变化规律，发现箍筋锈蚀率约为5%的时候达到最大粘结应力(7.73 MPa)，而箍筋锈蚀率为15.70%的试件最大粘结应力(4.84 MPa)小于无箍筋时的最大粘结应力(5.85 MPa)。 4.1.5. 混凝土强度 混凝土的水灰比越大，混凝土的强度越低，混凝土中毛细孔就越多，其密实度也就越差，混凝土保护层胀裂时的钢筋锈蚀率也就越小 [ 40 ] [ 45 ] 。文献 [ 46 ] 试验得到混凝土试块受压强度分别为25.5 MPa、31.0 MPa、42.0 MPa时，其对应粘结强度分别为12.1 MPa、13.8 MPa、15.3 MPa，认为强度高的混凝土抗拉强度也较高，对钢筋的握裹力较强，因而增大了钢筋与混凝土之间的摩擦，极限粘结强度随着混凝土强度的增加而提高。文献 [ 26 ] 试验结果表明，在钢筋直径、保护层厚度、锈蚀率近似的情况下，混凝土强度越高，自由端开始滑移时所需的荷载就越大，如混凝土强度分别为84.1 MPa和56.9 MPa，开始滑移时所需的施加荷载分别为84.1 kN和56.9 kN。而文献 [ 33 ] 通过压出试验得出：混凝土强度越高，极限粘结强度的下降速度越小，但混凝土强度对锈蚀率与极限粘结强度的本构关系的影响不大。 4.2. 锈蚀后粘结强度 表1收集整理了我国一些学者关于锈蚀钢筋与混凝土的粘结试验基本概况。由表1可见，试验锈蚀试件多是依靠快速锈蚀获得，原因是快速锈蚀能够在较短时间内达到试验所需的锈蚀程度；粘结试验一般采取拔出试验方法，偏向于研究锈蚀后变形钢筋与混凝土的粘结性能，对光圆钢筋锈蚀后与混凝土粘结性能的研究较少。箍筋作为一个不可忽略的锈蚀钢筋与混凝土粘结性能影响因素，为了使研究更接近于实际工程配置箍筋的情况，多数选择在试验设计中加设箍筋。 目前，对锈蚀钢筋与混凝土粘结强度的计算，尚没有普遍适用的计算模型。表2汇总了一些学者通过试验提出的锈后钢筋混凝土粘结强度的计算公式。 由于表2所列各学者所提出的锈蚀后计算模型均是基于特定的试验条件，通过试验所得数据采用回归分析的方法建立的，这一过程使得适用范围具有很大的局限性，并不能完全揭示出钢筋锈蚀所引起粘结性能退化的机理。考虑到要提出一个全面、简洁、易用的模型具有很大的难度，因此，关于锈蚀后极限粘结性能方面的研究，建立出一个涵盖因素广泛且易于应用的计算模型仍旧是研究锈蚀钢筋混凝土问题的关键，需要长期探究。