莫齐伟，商怀帅，徐芹文

(青岛理工大学土木工程学院， 青岛 266033)

0 引言

在影响钢筋混凝土结构耐久性的众多因素当中，钢筋锈蚀是最主要的原因。混凝土中的钢筋发生锈蚀后，由于钢筋与混凝土接触面上锈蚀层的生成，破坏了水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力，降低了钢筋与混凝土接触面的摩擦力；变形钢筋横肋的锈蚀，降低了钢筋表面的机械咬合力；而锈蚀产物体积膨胀导致混凝土保护层的开裂和剥落，则削弱和破坏了钢筋与混凝土的粘结锚固作用，最终影响钢筋混凝土结构的适用性和承载力[1-5]。在服役过程中，钢筋混凝土结构自身会因收缩徐变产生裂缝，而持续荷载的作用会使裂缝数目逐渐增多、裂缝的宽度逐渐增大。周围环境中的氧气、水分等其他腐蚀物质会通过裂缝进入混凝土结构内，加速钢筋的锈蚀，进一步降低结构的承载能力。

目前，国内外学者就钢筋锈蚀与持续荷载对钢筋混凝土结构的影响进行了大量试验研究。易伟建[6]研究了持续荷载作用下混凝土梁内钢筋加速锈蚀后的工作性能，得到了钢筋锈蚀量与混凝土梁挠度、固有频率之间的关系。何世钦[7]通过研究持续荷载和电加速钢筋腐蚀共同作用下梁的抗弯性能，指出在持续荷载和腐蚀的共同作用下，钢筋混凝土梁的极限承载力显著降低。金伟良等[8]通过试验研究发现，梁内纵筋质量锈蚀率受到持续荷载水平的影响，持续荷载越大，平均锈蚀率越大，沿纵向不均匀性也越明显。YOON S等[9]指出钢筋锈蚀率受荷载等级的影响明显，且随着荷载的增大而增大。DU Y G等[10]通过对五根钢筋混凝土梁在锈蚀与荷载作用下结构性能的研究，发现荷载与锈蚀的耦合作用比其单独作用更加破坏梁的承载性能。

但对于锈蚀和持续荷载对钢筋混凝土结构的分析，多数学者以不带裂缝的钢筋混凝土试件为对象开展试验研究[5-11]，未能考虑到实际工程中钢筋混凝土结构大多带有初始裂缝的情况。针对以上问题，本文采用粘结区带裂缝的钢筋混凝土梁式试件，采用贴面外加电流加速锈蚀的方法，分析研究锈蚀与持续荷载作用对钢筋混凝土粘结性能的影响，为钢筋混凝土结构耐久性的研究提供相关理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验选取钢筋混凝土梁式试件来模拟实际中服役结构的钢筋锈蚀过程，考虑到不同的钢筋锈蚀率，设计为0%，1%，3%，5%，锈蚀率以纵筋粘结区为准。试验梁的设计尺寸为：b×h×l=100mm×150mm×550mm，b，h，l分别代表试件的宽、高、长，保护层厚度为40mm，试件由左右两部分组成，通过梁中纵筋相连。为了加速粘结区钢筋的锈蚀，设计选用通电导线一端绑在纵筋粘结区，另一端自由外伸。同时为保证试验准确性，避免因锈蚀产物过于分散导致测量误差，试验中采用PVC管制造了纵筋与混凝土的非粘结区，并用泡沫双面胶密封，纵筋在左右半梁中的粘结长度均为5d(d为纵筋直径)，实际锈蚀长度即为粘结长度。为使梁式试件粘结区带有初始裂缝，试件浇筑前将40mm深、0.2mm厚的薄钢片贴在模具指定位置。试验梁配筋如下：纵筋为114，箍筋为φ6@60。钢筋参数如表1所示，梁式试件构造简图如图1所示。

钢筋参数 表1

图1 梁式试件构造图/mm

1.2 试件制作

混凝土的配合比及强度等级如表2所示，实测混凝土立方体抗压强度均值为32.17MPa。将配合称量完毕的石子、砂和水泥依次倒入混凝土搅拌机中干拌1min，干拌均匀后继续加水拌和3min。搅拌完成后使用模具浇筑混凝土梁式试件，浇筑过程中需夹紧钢铰，防止钢铰之间留有空隙。浇筑后将模具置于振动台振实，用泥刀刮除多余混凝土并抹平表面。24h后试件脱模并立即放入温度(20±2)℃，相对湿度95%以上的标准养护室中养护28d[12]。

混凝土水灰比、各组分含量以及强度等级 表2

1.3 试验分组

试验共制作了4组尺寸与配筋如图1所示的梁式试件，试件分组及变量如表3所示。其中A-1组为参考组，研究钢筋混凝土梁式试件的粘结滑移本构关系、极限承载力、极限滑移量；B，C，D组研究钢筋在不同锈蚀率条件下，持续荷载等级对混凝土梁式试件粘结性能的影响。

试件分组及变量 表3

1.4 试验方法

1.4.1 钢筋加速锈蚀方法

本次试验中，钢筋加速锈蚀选用贴面加速锈蚀[13-17]的方法，具体操作步骤为：梁式试件纵筋粘结区缠绑导线并引出作为电化学反应的阳极，如图2所示；纵筋粘结区对应的梁式试件外侧区域用不锈钢网缠绕一圈，不锈钢网外再用海绵包裹，并引出导线作为电化学反应的阴极，最后再用保鲜膜包裹最外侧，起到保水作用，如图3所示；试验中将质量分数为5%的NaCl溶液注入海绵作为电化学反应中的电解液。为了在纵筋通电锈蚀时防止电流强度损失，与纵筋接触的箍筋底部和纵筋外伸段均用涂抹环氧树脂胶的方法处理[18]。采用通电加速锈蚀时，按照锈蚀纵筋的表面积，通以2mA/cm2[11]的电流计算每根纵筋的电流强度。通电时间按照法拉第定律计算，粘结区纵筋通过换算表面积计算，并按照试验的总体设计加以调整。达到预定通电时间之后，破解梁式试件后取出纵筋，观察纵筋粘结区表面的锈蚀情况。依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[19]切割粘结区并分段取样，酸洗后计算纵筋粘结区实际锈蚀率。

图2 阳极外接导线

图3 试件贴面加速锈蚀

1.4.2 持续荷载施加方式

试验开始前，先用液压千斤顶对A-1组中3块梁式试件的极限荷载进行测量，如图4所示，测量后取平均值作为本次试验中梁式试件的极限荷载值。试验测得混凝土梁式试件的极限荷载值为32.18kN，因此极限荷载的25%，45%，65%对应值分别为8.05，14.48，20.92kN。施加持续荷载时采用图5所示的方法，加载装置中下部的梁式试件倒置，上部的梁式试件通过中间的分配梁叠放在下部梁上，两块梁式试件互为作用力与反作用力的方式受力；持续荷载通过千斤顶施加在反力梁的跨中处，反力梁通过加载架把荷载传递给梁式试件，持续荷载施加到目标值后，拧紧反力梁下端的螺母，整个持续荷载施加过程进行完毕。

图4 极限荷载的测量

图5 持续荷载加载装置

1.4.3 弯曲粘结试验

混凝土梁式试件在电加速锈蚀与持续荷载作用下，经过设计通电时间达到理论锈蚀率后，需要进行弯曲粘结试验，测得其极限滑移值与钢筋混凝土粘结强度值，并观察梁式试件在加载后的破坏形态与裂缝发展情况，弯曲粘结试验加载装置如图6所示。开始时液压千斤顶对梁式试件施加的荷载增量为每级2kN，荷载施加至26.7kN后，荷载增量变为每级1.5kN，并在30s内将每级荷载施加完毕。在每级荷载施加完毕后，需等待1min使相对滑移达到稳定状态，梁式试件加载端与自由端钢筋与混凝土的相对滑移通过位移计测量。

图6 弯曲粘结试验加载装置

2 试验结果与分析

2.1 裂缝发展形态与宽度

本试验中钢筋混凝土梁式试件的破坏形式均为混凝土劈裂破坏，并且劈裂破坏仅出现在梁式试件的左右某一半梁中。在整个加载过程中，梁式试件上初始裂缝的宽度随着施加荷载的不断提高而增加，裂缝形态发展为与纵筋平行方向成45°的斜向裂缝，并逐渐向梁式试件上部受力点位置开裂，最终裂缝延伸至受力点并发生劈裂破坏。梁式试件裂缝发展形态如图7(a)所示。使用ZBL-F800裂缝综合测试仪对所有梁式试件的裂缝宽度进行测量，测量位置如图7(b)，(c)所示，其中位置1为裂缝发展的末端，位置2为裂缝发展的中端，位置3为裂缝发展的初端，位置4为试件底部裂缝发展的中端。其中A-2组典型梁式试件的裂缝测量图如图8所示。相同纵筋粘结区锈蚀率(3%)、不同持载等级、相同持载等级(45%)、不同纵筋粘结区锈蚀率下梁式试件裂缝平均宽度如表4、表5所示。

图7 裂缝发展形态与位置

不同持载等级下试件裂缝平均宽度表4

不同纵筋粘结区锈蚀率下试件裂缝平均宽度 表5

由表4可以看出，在相同锈蚀率条件下，梁式试件的裂缝宽度受到持载等级的影响，随着持载等级的提高，试件各位置的裂缝宽度也不断增大。由表5可得，在相同持载等级条件下，梁式试件的裂缝宽度受到纵筋粘结区锈蚀率的影响，纵筋粘结区锈蚀率越大，试件各位置的裂缝宽度也不断增大。

2.2 粘结强度计算

本试验中梁式试件的受力计算简图如图9所示。

图9 受力计算简图/mm

梁式试件中纵筋的粘结力F可由静力平衡关系得出：

(1)

式中：P为试验中施加的荷载值，N；h为平衡关系中的力臂，mm；L为施加荷载作用点与试件支座位置的水平距离。

纵筋粘结区的平均粘结应力τ为：

(2)

式中：d为钢筋直径，mm；l为纵筋粘结区长度，mm。

利用加载装置对遭受电加速锈蚀与持续荷载后的梁式试件进行弯曲粘结试验，梁式试件的极限荷载与粘结强度值如表6所示。

由表6数据可以看出，梁式试件在电加速锈蚀与持续荷载条件作用后，极限荷载值与钢筋混凝土粘结强度比参考梁式试件都有所减小。在相同持载等级下，梁式试件的粘结强度值随着钢筋锈蚀率的提高而减小，例如：25%持载等级作用下的梁式试件组(B-2，B-3，B-4)中，锈蚀率为5%梁式试件(B-4)、锈蚀率为3%梁式试件(B-3)的粘结强度值，分别为锈蚀率为1%梁式试件(B-2)粘结强度值的92.65%和96.54%。此外，在相同锈蚀率条件下，梁式试件的粘结强度值随着持载等级的提高而不断减小，例如：5%锈蚀率条件下的梁式试件组(A-4，B-4，C-4，D-4)中，持载等级为65%梁式试件(D-4)、持载等级为45%梁式试件(C-4)、持载等级为25%梁式试件(B-4)的粘结强度值，分别为持载等级为0%梁式试件(A-4)粘结强度值的91.66%，94.81%和99.55%。

梁式试件的极限荷载值与粘结强度值 表6

2.3 粘结应力-滑移曲线

电加速锈蚀与持续荷载作用后，对混凝土梁式试件进行弯曲粘结试验，记录每级荷载对应的滑移量，并绘制梁式试件的粘结应力-滑移曲线。其中65%持载等级条件下梁式试件的粘结应力-滑移曲线如图10所示。从图中曲线对比可以看出，梁式试件的加载端滑移普遍都大于自由端滑移，并且在相同持载等级的条件下，随着纵筋锈蚀率的提高，梁式试件加载端与自由端的滑移也逐渐增大。粘结强度方面，在相同持载等级条件下，梁式试件的粘结强度与纵筋锈蚀率成反比关系，即粘结强度随着纵筋锈蚀率的提高而降低。此外，持续荷载的试验条件并没有改变粘结应力-滑移曲线的走势。就加载端来说，梁式试件加载端的滑移在荷载施加的瞬间便产生，并随着荷载的增加而增加；就自由端来说，遭受65%持载等级的梁式试件自由端滑移在达到极限荷载的20%～40%时产生。

图10 65%持载等级下梁试件的粘结-滑移曲线

图11为5%纵筋锈蚀率条件下梁式试件的粘结应力-滑移曲线。除上述梁式试件的加载端滑移普遍都大于自由端滑移规律外，从图中曲线对比还可以看出，在相同纵筋锈蚀率条件下，梁式试件加载端与自由端的滑移量随着持载等级的提高而增大。粘结强度方面，梁式试件的粘结强度与持载等级也成反比关系，即梁式试件的持载等级越高，粘结强度就越小。就梁式试件自由端产生滑移的先后顺序来说，遭受高等级持续荷载的梁式试件自由端产生滑移的时间比遭受低等级持续荷载的梁式试件要早。

图11 5%纵筋锈蚀率下梁试件的粘结-滑移曲线

3 结论

(1)锈蚀与持续荷载的提高会降低钢筋与混凝土之间的粘结强度，并且锈蚀程度越高、持载等级越高，粘结强度就越低。

(2)混凝土梁式试件发生破坏时产生的裂缝宽度，受锈蚀与持载等级条件的影响，试件持载等级越高、纵筋锈蚀率越大，裂缝宽度就越大。

(3)弯曲粘结试验中，梁式试件加载端滑移普遍大于自由端滑移，且滑移量随着梁式试件的持载等级与纵筋锈蚀率的提高而增大。