锈蚀钢筋与混凝土黏结性能试验研究.pdf

2 0 1 0 年 第 4期 (总 第 2 4 6 期 ) Nu mb e r4i n2 0l 0 ( To t a l No 2 4 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATE RI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 4 0 2 4 锈蚀钢筋与混凝土黏结性能试验研究 宋力 1 ，曲福来 。 ，赵顺波 。 ( 1 黄河水利科学研究院，河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ；2 水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 4 5 0 0 0 3 3 华北水利水电学院 土木与交通学院， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要： 对锈蚀钢筋和混凝土黏结性能进行了试验研究， 其中考虑了钢筋锈蚀率和水灰比的影响。试验采用 1 0 0 m m立方体试块， 其内 部埋设直径为 6 mm的光圆钢筋 。 将试块部 分浸在氯离子溶液中并采用 电解方法加速钢筋锈蚀 。 锈蚀之后 ， 通过拉拔试验得到锈蚀试件的 黏结一 滑移曲线。结果表明： 混凝土中的钢筋发生锈蚀、 体积膨胀 ， 通常会在混凝土表面产生裂缝； 拔出试验试件典型的破坏现象为黏结劈 裂破坏； 锈蚀钢筋与混凝土之间的黏结力随着水灰比的增大而减小， 锈蚀程度大的钢筋黏结力降低。 关键词： 黏结一 滑移；锈蚀钢筋；混凝土；锈蚀率 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 7 4 0 2 Ex pe r i me n t a l s t u dy on bond be ha v i o r o f c or r ode d r e i n f or c i ng s t e e l ba r s i n c onc r e t e S O NGL i 一 QUF u - l a i 3 , Z H AO S h u n b o ( 1 Ye l l o wR i v e r I n s t i t u t e o f Hy d r a u l i c Re s e a r c h ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 3 ， C h i n a ； 2 Re s e a r c hCe n t e r o nLe v e e S a f e tya n dDi s a s t e r P r e v e n t i o nMi n i s t r yo f Wa t e r Re s o u r c e s ， Z he n g z h o u4 5 0 0 0 3， Ch i n a； 3 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dC o mmu n i c a t i o n ， No r t hC h i n a Un i v e r s i t yo f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d E l e c t ri c P o w e r ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 1 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： An e x p e r i me n t a l s tudy o n t h e b o n d b e h a v i o r s b e t we e n c o r r o d e d s t e e l b a r s a n d c o n c r e t e wa s c a r r i e d o ut T 1 1 e p a r a me t e r s i n v e s t i g a t e d i n c l u d e c o rro s i o n r a t i o o f s t e e l b a r a n d wa t e r c e me nt r a t i oTh e s pe c i me n wa s c a s t a s c o n c r e t e c u b e wi t h d i me n s i o n o f l O O mm a n d a s t e e l b a r wa s c e n t r a l l y c a s t i n t o i t T he s e s p e c i me n s we r e p a r t i a l i mm e r g e d i n c h l o r i d e s o l u t i o n a nd t h e e l e c t r o l y t ic me t h o d wa s u s e d t o a c c e l e r a t e t h e c o rro s i o n o f s t e e l b a r T h e n t he p u l l o u t t e s t s we r e c o n d u c t e d t o d e t e r m i n e t h e b o n d s t r e n g t h v e r s us s l i p o f s t e e l b a r I t i s p r o v e d t h a t t h e s e v e r e c o rro s i o n o f s t e e l ba r ma y l e a d t o t h e s p l i t t i n g c r a c k s o f c o n c r e t e a n d i n fl ue n c e t h e f a i l u r e mo d e o f s p e c i me n Th e b o n d s p l i t t i ng i s t y p i c a l l y a f a i l u r e mo d e f o r p u l l o u t s p e c i me n s T h e b o n d s t r e n g t h b e t we e n s t e e l b a r a n d c o n c r e t e r i s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f c o n c r e t e s t r e n gth ， b u t r e d u c e s wit h t h e in c r e a s e o f c o r r o s i o n rat i o o f s t e e 1 ba r Ke y wor ds ： b o nd s l i p C u r v e； c o r r o d e d s t e e l b a r ； c o n c r e t e； c o r r o s i o n r a t i o 0 引言 近些年来， 钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀问题得到了较多 的关注， 特别是受海水或盐侵蚀环境中的结构 ， 锈蚀情况更为 严重_l 1 。 钢筋发生锈蚀会使钢筋的截面减小， 发生坑蚀的钢筋截 面减小更多； 另外锈蚀产物体积增大， 使混凝土发生膨胀、 开裂， 甚至保护层的脱落， 使结构中钢筋与混凝土之间的黏结性能的 退化， 从而影响结构的耐久性和安全_2 - 3 1 。目前， 关于锈蚀钢筋对 黏结强度的影响进行了一些研究。 如文献 4 】 对普通水泥和不同 混合水泥在不同养护条件下钢筋锈蚀对黏结性能的影响， 研究 发现湿养护可以使普通水泥和混合水泥的强度提高， 从而提高 其耐久性， 养护不充分的混凝土， 其强度和抗锈蚀能力较低。 另外， 有学者对钢筋种类 、 混凝土保护层厚度及冻融条件等因素影响 钢筋锈蚀方面进行了研究， 认为其对黏结性能影响较大 。 本文通过加速锈蚀试验使混凝土中的钢筋发生锈蚀， 进行 拔出试验得到锈蚀钢筋与混凝土之间的黏结滑移关系， 研究了 钢筋锈蚀率和水灰比对黏结强度的影响规律。为进一步研究锈 蚀后钢筋混凝土构件( 水闸闸墙) 的受力性能分析打下基础。 1 试 验 过 程 1 1 试件设计和制作 本次试验主要考虑 3 种钢筋锈蚀程度和5 种水灰比， 每组试件 6 个， 共制作了 9 0 个黏结滑移试件。黏结试件采用 1 0 0 m i ll 的立 方体试块， 长 5 0 0 to n i 、 直径为6 n n的光圆钢筋布置在试件中心， 钢筋与混凝土黏结部分长 5 0 mm， 其余 5 0 ml n用套管连接， 钢筋 和套管两端用石蜡密封， 以减小拉拔试验时局部应力的影响。 同时 制作边长 1 5 0 1Y tl T l 混凝土立方体抗压试块。 试验中使用粗砂， 石子 粒径为5 2 5 mm， 混凝土配合比及各组试件抗压强度如表 1 所示。 1 2 通 电锈 蚀 采用电化学方法加速混凝土中钢筋的锈蚀。首先， 将试件 部分浸入浓度为5 的氯化钠溶液中， 需要锈蚀的钢筋作为阳极， 不锈钢棒作为阴极， 通以恒定直流电， 形成电解池。在电流的作 用下， 阳极( 钢筋) 释放电子 ， 钢筋表面被氧化成亚铁离子， 达到 锈蚀目的。这种锈蚀混凝土试件方法， 钢筋锈蚀速度快， 其锈蚀 收稿 日期：2 0 0 9 1 l - 1 4 基金项 目：黄河水利科学研究 院基金项 目( H KY J B YW一 2 0 0 8 1 6 ) ； 国家 自然科学基金 ( 5 0 7 7 9 0 1 8 ) 7 4 表 1 混凝土配合比及抗压强度 编号 水泥 ( k g m )砂 ( g g m )石子 ( m )水 ( k g m ) 厶 M P a 程度可以根据法拉第定律按照通电的电流大小、 通电的时间进 行控制。通电锈蚀试验装置示意图如图 1 所示。 图 1 通 电锈蚀试验装置示意图 1 3拔 出试验 拉拔试验 采用加载架在液压式万能试验机上进行 ， 在 钢筋 自由端和滑移端安装位移计 ， 试件的拉力通过荷载传感器采集， 在加载过程中通过 自动数据采集系统记录荷载和位移值， 试验 加载装置如 图 2所示 。 图 2拉拔试 验装 置 2 试验 结果分析 钢筋混凝土试块通电锈蚀后一般会在混凝土表面出现裂缝， 这主要是由于钢筋的腐蚀产物比原钢材占据更大的体积， 对包 围在其周围的混凝土产生径向膨胀力， 当径向膨胀力达到一定 程度时， 会引起混凝土开裂。 但试验发现 ， 由于锈蚀膨胀产生的 裂缝不一定出现在钢筋与混凝土表面距离最近的位置 ， 而是与 昆 凝土表面形成一个角度， 锈蚀产生的裂缝如图 3所示。 通过 拉拔试验发 现 ， 试件 的破坏可 以分为 3种 形态 ： 黏结 劈裂破坏 、 钢筋拔 破坏 和钢筋拉 断破 坏。沿顺 筋方 向开 裂的 锈蚀试件中， 绝大部分( 8 5 ) 钢筋被拔出， 无裂缝的试件 7 0 左右钢筋被拉断。黏结劈裂破坏时， 钢筋被拔出， 混凝土试块沿 顺筋方向开裂， 其位置与锈蚀裂缝的位置相同， 如图4所示 ； 部 分试件由于铁锈的流失， 混凝土试块未出现裂缝 ， 试件破坏时 钢筋被拔出； 个别试件由于钢筋锈蚀程度严重， 钢筋出现不均 匀锈蚀， 导致试件达到极限荷载时， 受拉钢筋被拉断。 图 3 混凝土裂缝 图 4 黏 结劈裂破坏 通过拉拔试验得到了试件的黏结力一 滑移关系曲线 ， 典型的 曲线如图5 所示。从中可以看出黏结力一 滑移曲线发展的规律： 当 拉拔力较小时， 钢筋的自由端无滑移， 随着拉力增大至一定荷载 时， 自由端开始滑移， 初始阶段黏结力与滑移曲线基本呈线性关 系； 随着荷载的进一步增大， 混凝土表面的锈胀裂缝由加载端到自 由端逐渐扩大； 达到峰值后， 由于钢筋锈蚀严重， 荷载下降较快， 滑 移大幅度增加； 当加载端滑移达到一定大小后， 荷载下降缓慢。 滑移 ram 图 5 典型 的黏结 力一 滑移 曲线 不同破坏形态的试件， 其黏结一 滑移曲线有所不同， 如图 6 所示 。在达到极限荷载后 ， 带裂缝试件 由于发生黏结劈 裂 ， 其荷 载下降较快 ； 而无裂缝的试件钢筋被拔出， 混凝土不产生裂缝， 在达到极限荷载后， 钢筋滑移量增加较多 ， 然后荷载逐渐下降。 滑移 tu r n 图 6 裂缝对黏结一 滑移曲线的影响 下转第 7 8页 7 5 众多领域。粉煤灰综合利用主要存在以下问题 ： ( 1 ) 以煤为主的电力工业迅速发展和粉煤灰综合利用相对 落后。 ( 2 ) 在综合利用过程中， 尚存在对环境的某些负面影响， 如 贮灰场和运输车的扬尘污染、提取有用物质后废渣的处理 、 农 用过程中重金属积累及建材制品的放射性问题等。 ( 3 ) 粉煤灰综合利用缺少稳定、 可靠的途径。 ( 4 ) 粉煤灰品质波动大， 资源化程度低， 表现为烧失量和细度 常难达到应用要求； 而粉煤灰出厂价格偏高( 约为6 O 8 0元 t ) ， 又限制了用户的大规模使用。 参考文献 ： 1 刘转年粉煤灰廉价吸附剂资源化利用的现状和对策分析J 】 西安建 筑科技大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 9 ( 5 ) ： 6 9 0 6 9 4 2 韩怀强， 蒋挺大粉煤灰利用技术 M E 京： 化学工业出版社， 2 0 0 1 ： l 2 一l 3 3 韩宝平 固体废物处理与利用 】 北京： 煤炭工业出版社， 2 0 0 2 ： 1 6 2 1 6 4 【 4 】高占国， 华路 ， 郑海金 粉煤灰的理化性质及其资源化的现状与展 望【 J J _ 首都师范大学学报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 1 ) ： 7 0 7 7 【 5 刘巽伯， 沈旦申， 陈以理 ， 等 上海市粉煤灰应用技术手册【 M 上海 ： 上接第 7 5页 本次试验钢筋的锈蚀程度较大 ，通过试验结果可以发现： 随着锈蚀率 的增加 ， 钢筋与混凝土之间的极 限黏结强 度不 断的 降低。这主要是由于随着钢筋锈蚀的增加， 钢筋与混凝土界面 上生成的疏松锈蚀层越来越多 ， 破坏了钢筋表面与水泥胶体之 间的化学胶着力， 降低了钢筋与混凝土之间的摩擦系数。混凝 土强度相同，不同钢筋锈蚀率对试件的黏结一 滑移曲线的影响 如 图 7所示 。 l 盏 强 藤 滑 移 mm 图 7同一强度不同锈蚀率滑移 曲线 试件锈蚀率相同、 强度不同时其黏结一 滑移曲线有所不同， 如图 8所示。混凝土试块受压强度分别为 2 5 5 、 3 1 0 MP a和 4 2 0 MP a ， 其黏结强度分别为： 1 2 1 、 1 3 ： 8 MP a 和 1 5 - 3 MP a 。因 此， 随着混凝土强度的提高， 极限黏结强度也不断的提高。 原因 是相同锈蚀率产生的钢筋锈蚀产物一样， 锈蚀产物体积膨胀引 起钢筋周围混凝土的拉应力相同， 由于强度高的混凝土抗拉强 度较高， 对钢筋的握裹力较强。因而， 钢筋与混凝土之间的摩擦 系数较大， 极限黏结强度随着混凝土强度的增加而提高。 1 l 1 至 骥 好 78 滑移 ram 图 8 混凝土强度对黏结一 滑移曲线的影响 4 同济大学出版社， 1 9 9 5 6 MO L L A MA HMU T O G L U M， Y I L MA Z Y P o t e n t i a l u s e o f fl y a s h a n d b e n t o n i t e m i x t u r e a s l i n e r o r c o v e r a t w a s t e d i s p o s a l a r e a s J E n v i r o n m e n t a l G e o l o g y ， 2 0 0 1 ( 4 O ) ： 1 3 1 6 1 3 2 4 7 】 李方文， 魏先勋， 李彩亭 粉煤灰在环境工程中的应用【 J 污染防治技 木 ， 2 0 0 2 ， 1 5 ( 3 3 ) ： 2 7 3 0 8 贾德义， 郝肖黎 粉煤灰改良重黏土地的研究报告【 J J 粉煤灰综合利 崩 ， 1 9 9 0 ( 1 ) ： 2 8 2 9 9 】 效益分析【 J j 粉煤灰综合利用， 2 0 0 6 ( 3 ) 5 2 -5 3 【 1 0 】 韩怀强， 蒋挺大 粉煤灰利用技术【 M E 京： 化学工业出版社， 2 0 0 1 ： 3 O 一 3 5 【 1 1 沈旦申 ， 昌镇恶 粉煤灰优质混凝土【 M 】 上海 ： 上海科技出版社 ， 1 9 9 2： 1 -3 8， 5 2 11 1， 1 4 6 2 2 4 1 2 】 李顺 页 凯， 屠柳青， 张国志粉煤灰混凝土在桥梁工程中的应用 J 】 _ 粉煤 灰综合利用， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 4 4 4 5 【 1 3 】 全北平， 徐宏， 古宏晨， 等 粉煤灰空心微珠的研究与应用进展 J 1 _ I M P化工矿物与加工 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 3 1 - 3 3 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 ： 李少辉( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 在读硕士研究生， 主要从事无机非金 属材料方向。 西安市雁塔路 1 3 号 西安建筑科技大学( 7 1 0 0 5 5 ) 1 5 8 0 2 9 4 6 7 1 l 3结 论 ( 1 ) 由于试块内部钢筋的锈蚀， 体积膨胀， 使得周围混凝土受 拉， 会产生平行于钢筋方向的裂缝， 但裂缝位置不一定垂直于混凝 土试块的表面。另外， 有部分试件混凝土表面未开裂， 这是由于钢 筋锈蚀物发生流失， 钢筋出现不均匀锈蚀， 强度降低较多。 ( 2 ) 黏结试件拉拔时发生的破坏形态包括： 黏结劈裂破坏、 钢筋拔出破坏和钢筋拉断破坏三种。 ( 3 ) 本次试验钢筋的锈蚀程度较大， 出现不均匀锈蚀。通过 分析黏结一 滑移曲线， 可以发现： 极限黏结强度随着混凝土强度 的增大而提高， 随着锈蚀率的增加而降低。同时， 黏结力的大小 与试件是否开裂也有一定关系。 参考文献 ： 1 P E DR O M， T HE O D E R O W B， D E R E K H LI n f l u e n c e o f c a l c i u m n i t r i t e i n h i bi t o r a n d c r a c k wi d t h o n c o r r o s i o n o f s t e e l i n h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o a s i mu l a t e d m a r i n e e n v i r o n me n t J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 3 ) ： 2 4 3 2 5 3 【 2 】 徐港 ， 王青锈蚀钢筋与混凝土黏结性能研究进展f J 】 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： l 3 一 l 6 3 C AB R E R A J G D e t e ri o r a t i o n o f c o n c r e t e d u e t o r e i n f o r c e m e n t s t e e l c o r r o s i o n J C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 1 9 9 6 ( 1 8 ) ： 4 7 - 5 9 4 】S U R Y A V AN S H I A K， S C AN T L E B U RY J D， L Y O N S B C o r r o s i o n o f r e i n f o r c e me n t s t e e l e mb e d d e d i n h i g h wa t e r c e me n t r a t i o c o n c r e t e c o n t a m i n a t e d w i t h c h l o r i d e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 1 9 9 8 ( 2 O ) ： 2 6 3 3 8 1 f 5 1 K HA N D AK E R M， A N WA R H C h l o ri d e i n d u c e d c o r r o s i o n o f r e i n f o r e e m e n t i n v o l c a n i c a s h a n d p u mi c e b a s e d b l e n d e d c o n c r e t e J 1 C e me n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 3 ) ： 3 8 1 3 9 0 6 】 王海超， 何世钦 ， 贡金鑫 冻融循环后腐蚀钢筋与混凝土黏结性能试 验研究 J 1 _混凝土， 2 O 【 ) 7 ( 8 ) ： 1 3 ， l 0 作者简介 ： 单位地址 ： 联 系电话 ： 宋力( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 工程师， 主要从事水闸结构安全评估及 除险加固相关技术的研究。 郑州市顺 页 河路 4 5 号 工程力学研究所抗震研究室( 4 5 0 0 0 3 ) 1 3 9 3 71 0 7 9l 6