钢筋与再生及普通混凝土黏结性能退化的对比研究.pdf

2 0 1 2 年 第 5 期 (总 第 2 7 1 期 ) Nu mb 5 i n 2 0 1 2 ( T 0 t a 1 No 2 7 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 5 0 0 4 钢筋与再生及普通混凝土黏结性能退化的对比研究 吴亢 。马开宇 ，赵羽习 ( 1 浙江大学 结构工程研究所，浙江 杭州 3 1 0 0 5 8 ； 2 广厦建设集团有限责任公司，浙江 杭州 3 1 0 0 5 8 ) 摘要： 为了研究锈蚀钢筋与再生及普通混凝土的黏结性能退化的差异， 通过电化学方法， 得到了6 种不同钢筋锈蚀率的再生及普通混 凝土试件 ； 采用拔 出试验方法 ， 对比分析 了锈蚀对 2种混凝土试件黏结性 能退化规律的差别。 结果表明 ： 再生混凝 土的相对极 限黏结强度 和黏结刚度均较普通混凝土低； 随着钢筋锈蚀率增加， 两种试件的极限滑移量的差别逐渐增大； 再生混凝土试件开裂时刻较普通混凝土 试件早 ， 且一旦保护层开裂后 ， 再生混凝土的裂缝宽度较普通混凝土稍大。 关键词 ： 再生混凝土 ；钢筋锈蚀 ；黏结 ；退化 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 2 ) 0 5 0 0 1 2 0 4 Com p ar i s on on b ond de gr a di o n of r e i n f or ce d r e c yc l e d an d n or mal c on cr e t e W U Ka n g ， MA Ka i - y u 2 , ZHAO Yu x i ( 1 I n s t i t u t eo f S t r u c tur a l E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n gU n i v e r s it y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ， C h i n a 2 G u a n g s h aC o n s t r u c t i o nG r o u pC o L t d ， H a n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e r e s ul t s o f a n e x p e r i me n t a l s tud y c o mp a rin g b o n d d e g r a d a t i o n o f r e i n f o r c e d r e c y c l e d a nd n o r ma l c o n c r e t e we r e r e p vr t e d Re b a r c o r - r o s i o n we re c o n t r o l l e d b y t h e e l e c t r o c h e mi s t r y a c c e l e r a t e d me tho d t o s i x d e gr e e s b o t h i n r e c y c l e d c o nc r e t e s p e c i m e n s a n d n o r ma l c o n c r e t e o ne s T h e n p ul l o u t t e s t s we r e c o nd u c t e d t o i n v e s t i g a t e t b e e f f e c t o f c o r r o s i o n o n b o n d d e g r a d a t i o n Th e res u l t s i n d i c a t e d t h a t b o t h b o n d s t i f f n e s s a n d rel a t i v e u l t i ma t eb o n d s t r e n g t ho f r e c y c l e d s p e c i me ns a r el o we rt h a nt h os eo f n o r ma l o n e s Wi t ht h ei n c r e a s i n g r e b a r c o rro s i o n， t h ed i ffe r e n c e o f t h eu l t i ma t e s l i p o f the t wo t y p e s o f s p e c i m e n s be c o m e s l a r g e r I t wa s f o u nd t h at r e c y c l e d s p e c i m e n s c r a c k e a r l i e r t h a n n o r ma l o n e s a n d h a v e l a r g e r c r a c k wi d t h Ke y wor ds ： r e c y c l e d c o nc r e t e； c o rro s i o n； b o n d； d e g r a d a t i o n 0 引言 钢筋与混凝土之间良好的黏结 ， 是钢筋混凝土结构中这两 种材料能协调工作， 并保持结构整体服役性能达到要求的重要 保障。 已有研究 揭示了对于变形钢筋而言， 钢筋肋与 昆 凝土之 间的机械咬合力是其黏结承载力的主要组成部分。 当结构中钢 筋发生锈蚀 以后， 钢筋与混凝土的黏结情况会发生很大变化。 钢筋锈蚀不但会导致钢筋的横截面积减小， 且钢筋混凝土表面 产生 的锈蚀产物 ， 会 改变 钢筋 与混凝土接触面上 的化学胶着力 和摩擦力 ， 锈蚀的钢筋横肋会降低钢筋与混凝土的机械咬合力， 锈蚀产物膨胀产生的劈裂应力引起保护层开裂也会降低混凝 土对钢筋的约束作用， 这些因素的共同作用， 最终会使钢筋与 混凝土 间的黏结性能发生退化 ， 从 而影 响结 构服役性能 。 因此 ， 锈蚀钢筋与混凝土的黏结性能混凝土结构性能研究的重要组 成部分， 也是混凝土结构耐久性的重要研究内容之一。 正因为该问题的如此重要， 近几十年以来， 国内外学者在锈 蚀钢筋和混凝土的黏结问题做了大量的研究工作 ， 主要研究了 锈蚀对钢筋与混凝土黏结极限承载力的影响， 锈蚀钢筋与混凝土黏 结性能退化规律等方面。 大多数研究表明， 对于变形钢筋， 当钢筋 锈蚀率较小时， 钢筋与混凝土的黏结承载力会随着锈蚀率增加略有 提高， 当锈蚀率较大时， 其黏结承载力会随着锈蚀率增加而降低。 收稿 日期 ：2 0 1 1 一 l 1 3 O 基金项 目：浙江省住房与城 乡建设厅项 目( 1 0 1 1 ) 1 2 再生混凝土是指将废弃混凝土块经过破碎 、 清洗 、 分级后 形成的再生骨料， 部分或全部取代天然骨料配制而成的混凝土。 关于再生混凝土与钢筋间的黏结性能 ， 目前的研究主要集中于 未锈蚀试件， 肖建庄 】 、 胡琼 通过试验研究指出再生混凝土与 钢筋间的黏结强度受再生粗骨料取代率和钢筋类型影响较大， C h o i 坝4 发现水灰 比也 有较 大影 响。 对 于锈蚀 钢筋与再生混凝 土的黏结性能， 目前的研究较少， 肖建庄的研究指出再生混凝 土与钢筋之间的黏结强度退化与普通 昆 凝土的黏结性能退化 规律类似， 均有一个先上升后快速下降的过程。 应该看到， 关于 再生混凝土结构与普通混凝土结构黏结性能时变劣化规律的 研究数据不多， 相关工作还有待深入进行。 本研究采用拔 出试验方法 ， 研究再 生混凝土试件 和普 通混 凝土试 件黏结性能 的差异 ， 包括 ： 钢筋锈 蚀对两种混凝土试件 黏结性能的影响和两种混凝土试件的黏结性能退化规律。 本研 究有助于掌握再生混凝土结构黏结性能时变劣化规律， 研究其 与普通混凝土时变规律之间的差异性及其机理， 为再生混凝土 的工程应用提供理论指导。 1 试验设计 1 1 材料 试件浇筑均用 P O 4 2 5级水泥， 砂为普通黄砂， 所采用的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天然骨料与再生骨料的物理性质如表 1 所示。 试件浇筑前对再 生骨料进行预吸水处理， 混凝土配合 比如表 2所示 ， 其中再 生 昆 凝土中再生骨料取代率为 5 0 。 混凝土轴心抗压强度用 1 5 0 mmx l 5 0 m mx l 5 0 r n l n标准立方体试块 ， 试验钢筋直径均为 1 8 T n n l ， 钢筋采用屈服强度为 3 5 7 5 l l V a 的 H R B 3 3 5钢筋。 表 1 天然骨料与再生骨料的物理性质 混凝土 w( 水)c ( 水泥)s ( 砂)N c A ( 天然 R C A ( 再生 立方体抗压 类型 k g k g k g 骨料) 骨料) k g 强度 MP a 1 2试件 本试验试件的制作参照 GB 5 0 1 2 5 2 -9 2 混凝土结构试验 方法标准 ： 钢筋长度为 5 0 0 i r l l Y l ， 试件浇筑时， 试件中无黏结部 分采用硬质的光滑 P V C套管套住钢筋， 套管末端与钢筋之间孑 L 隙用油灰封闭。 试件中预埋一不锈钢片 1 2 0 mmx 3 0 mmx 0 2 i n i n 以便于采用电渗法加速钢筋锈蚀( 参见 2 1 节) ， 如图 1 所示。 系 列 0 0 D为普通混凝土试件 ， 系列 5 0 一 D为再生混凝土试件， 每个 系列有 6 个试件。 钢片 不锈钢 片 图 1 试件尺寸( 单位： mm) f b ) 加速时间内钢筋锈蚀的通电装置示意图 图 2加速锈 蚀装置 图 拔 出试件 千分表 图 3 加载装置 能试验机进行加载， 为了测量拔出试验中钢筋滑移量， 在拔出 试件钢筋 自由端和加载端处分别布置两个千分表， 在加载试验 前先进行预加载， 预加载的大小为估算拔出最大力的 5 。 2 试验方法 3 试验结果与分析 2 1加 速 锈 蚀 采用“ 电渗一 恒电流一 干湿循环” 法 叻口 速钢筋锈蚀。 首先， 采用 电渗方法加速氯离子渗入试件： 将吸水海绵和不锈钢网布置在受拉 钢筋附近； 混凝土中预埋不锈钢片用导线与稳压电流电源正极连接， 不锈钢片用导线与稳压电流电源正极连接， 不锈钢网用导线和电源 负极连接； 用 |5 的Na C 1 溶液充分润湿吸水海绵 2 4 h 开启直流电 源进行通电试验； 通电期间用 5 的Na C 1 溶液充分润湿， 并保持 电压为3 0 v恒定值。 然后， 对试件进行干湿循环： 混凝土中需锈蚀 钢筋用导线与直流电源正极连接， 不锈钢网用导线与电源负极连接， 采用干 3 d ， 湿 4d的循环方案 ， 干态时通电停止， 湿态时通电开 始， 由此获得不同的钢筋锈蚀程度。 试验装置如图2所示。 2 2 加 栽方 法 本试 验采用 的拔 出装 置如图 3所示 。 用 WE 1 0 0型液压万 3 1 试验 结果 表 3中给出了各组试件的钢筋锈蚀率 叼 、最大裂缝宽度 ，平均裂缝宽度 一极限黏结强度和破坏类型。 3 2 破坏 形式 试件0 0 D 0 、 0 0 D 1 和 5 0 一 D一 0 为拔出破坏， 当荷载达到最大 时， 钢筋直接从混凝土中拔出， 钢筋肋间充满混凝土粉末， 5 0 D 0 破坏后钢筋肋间的细小粉末更多， 说明再生混凝土中水泥砂浆 层更脆。 而除此外其余试件均为劈裂破坏 ， 两种混凝土的破坏 形式较为类似。 有所不同的是 ， o 0 D 3试件有部分骨料与水泥 砂浆层剥离 ， 说明骨料与旧砂浆层的黏结力较弱， 再生混凝土 与钢筋间的咬合作用较弱。 3 3 黏 结应 力 滑移 关 系 定义所测自由端滑移和加载端滑移的平均值为平均滑移 s ， 】 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 试 验结果汇总 钢筋 与混凝土 的平均黏结应力 r ( 单位 Ml a ) 按式( 1 ) 得到 ： Jr： _ ( 1 ) Jr = L J r r d s 0l b 式 中： 钢筋所受拉力 ， k N； z 钢筋与混凝土的黏结长度， mm； d 钢筋直径， r n r n 。 图4给出了两种混凝土试件黏结应力一 平均滑移曲线。 图 中可以看出， 两种试件黏结滑移曲线呈现较为相似规律， 但是， 再生混凝土试件的 r s曲线较普通混凝土试件的 r s 曲线平缓。 说明再生混凝土试件黏结刚度较低， 此处黏结刚度 D指黏结应 力变化与滑移变化的比值 。 _ - 5 0 一 D O _ 5 0 一 D一 3 卜 50一 D 一 1 +50一 D一 4 50一 D 一 2 一 50一 D一 5 。 。 s m m s mm ( a ) 普通 混 凝 土黏 结一 滑移 曲线 ( b ) 再 生混 凝 土黏 结一 滑移 曲线 图 4 黏结一 平均滑移曲线 图 5给出了 tr为 1 8 MP a时两种混凝土试件黏结刚度 D 和钢筋锈蚀率 竹之间的关系， 该图更清楚地展示出再生混凝土 试件黏结刚度明显低于普通混凝土的规律。 这可能是由于相比 原生混凝土， 再生混凝土内部存在更多的界面和初始缺陷， 其 弹性模量较小， 抵御变形的能力较差 ， 导致再生混凝土试件中 作用较弱， 因而呈现出钢筋与混凝土黏结刚度较差的特征。 不 过也有研究呲 表明再生混凝土黏结刚度高于普通混凝土， 这可 能是因为再生骨料来源的不确定性。 图 6绘制了钢筋锈蚀率 叼与极限滑移量 s 关系曲线 ， 极 限滑移量s 指达到极限荷载时的平均滑移量。 可以看出， 随着 钢筋锈蚀率增加 ， 极限滑移量呈逐渐减小趋势。 因为当钢筋锈 蚀率较小时 ， 摩擦力的增加增大了钢筋与混凝土之问的黏结 刚度； 而当钢筋锈蚀率较大时， 产生锈胀裂缝后 ， 混凝土对钢 筋的约束作用逐渐减弱 ， 较小的滑移量就能使试件破坏。 两种 混凝土试件有所不同的是 ： 随着钢筋锈蚀率增加， 两种试件的 1 4 ”， 图 5 黏结刚度与钢筋钢筋锈蚀率关系 0 8 0 6 吕 量 o 4 o 2 O 1 2 3 4 5 6 7 图 6 极 限滑移量与钢筋锈蚀率关 系 极限滑移量的差别逐渐增大。 图 6呈现的规律说明随着钢筋 锈蚀率的增加， 与普通混凝土试件相比， 再生混凝土试件中钢 筋与混凝土接触面附近的混凝土对钢筋滑移的约束作用减弱 的程度较大 。 3 4 黏 结应 力退化 规律 图 7给出 了两种 混凝 土试 件 相对 极 限黏 结强 度 随钢 筋 锈蚀率的退化规律 ， 此处相对极限黏结强度 K 为锈蚀试件极 限黏结强度与未锈蚀试件的极限黏结强度之比。 从图中可看 出， 随着钢筋锈蚀率增加， 两种试件的相对极限强度均有先 增加后减小的趋势。 当钢筋锈蚀较小时， 由于锈蚀产物膨胀使 得混凝土对钢筋的横向约束增大， 摩擦力也相应增大 ， 导致 钢筋与混凝土之间的黏结强度有所增加； 当钢筋锈蚀率较大 时， 产生锈胀裂缝后 ， 混凝土保护层对钢筋的横向约束作 用 减小 ， 同时钢筋锈蚀使钢筋肋减小 ， 因而钢筋与混凝土的咬 合作用减 弱 。 2 O 1 6 1 2 0 o 4 O 2 U 2 4 6 8 l o ”， 图 7 相对黏结强度一 钢筋锈蚀率关系 两种试件有所不同的是 ， 当钢筋锈蚀率较大时， 再生混凝 土的相对极限黏结强度比普通混凝土低。 这是因为随着钢筋锈 蚀率增加， 黏结承载力主要有钢筋肋与混凝土的咬合力决定， 而 由于再生混凝土抗压强度较普通混凝土低 ， 混凝土与钢筋肋的 咬合作用相对较弱， 使得再生混凝土相对极限黏结强度低于普 通混凝土 。 本次试验中还发现， 当钢筋锈蚀率较小时， 与普通混凝土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试件相比， 钢筋锈蚀对再生混凝土与钢筋间的黏结强度的影响 作用更大。 这可能是因为钢筋锈蚀率较小时， 摩擦力起主要作用 ， 再生混凝土与微锈钢筋的摩擦力稍强于普通混凝土的情况。 这 与肖建庄【 l 1 的研究结果不一致， 可能是由于再生骨料来源的离 散性使得试验结果有差别， 也可能是由于钢筋锈蚀率较小的数 据点较少 ， 这一规律是否存在还有待论证 。 3 5 钢筋锈蚀率与裂缝宽度 图 8 列 出了 一、 与 叼之间的关 系。 从图 中可以看 出 ， 再 生混凝土试件开裂时的钢筋锈蚀率较普通混凝土小。 再生混凝 土对于其锈裂时刻的影响分两个方面： 一方面由于再生混凝土 密实性差 ， 钢筋锈蚀后锈蚀产物会填充到再生混凝土内部孔隙 中， 会延迟再生混凝土的开裂 ； 另一方面， 由于再生骨料本身强 度较低， 且再生混凝土水泥砂浆及其与骨料的界面更容易存在 损伤和微裂纹， 导致其抗拉强度较低 ， 锈蚀产物产生的劈裂应 力使得再生混凝土更容易开裂。 图 8中的现象说明后者的影响 大于前者。 张智成 15 研究也发现 ： 同样环境下， 试件开裂前再生 混凝土较原生混凝土试件中的锈蚀电流密度大， 锈蚀速率较快。 这也可以很好地解释本试验中再生混凝土先于原生混凝土试 件锈裂的原因。 不过， 由于本试验中再生混凝土强度等级比普通 混凝土的低， 也有可能导致再生混凝土比普通混凝土早开裂， 相 关原因和机理有待核实。 随着钢筋锈蚀率的增加 ， 两种混凝土试件裂缝宽度都呈现 有逐渐增长的趋势； 再生混凝土的裂缝宽度大于普通混凝土。 这 是因为再生混凝土试件先开裂， 一旦混凝土保护层开裂后 ， 环境 中的侵蚀因子就会通过裂缝直接进入混凝土腐蚀钢筋， 也会大 大增加混凝土中钢筋的锈蚀速率 ， 混凝土保护层中的裂缝更容 易开展与发展。 当钢筋锈蚀率较大时， 图 8 显示再生混凝土裂缝宽度小于 普通混凝土。 这可能是因为当混凝土保护层裂缝贯穿整个混凝 土保护层厚度 ， 并开展到一定宽度时， 环境中的侵蚀因子可很 容易直接接触到钢筋， 同时锈蚀产物会从裂缝中溶出到液体； 在这样的情况下， 由两种混凝土自身特点而引起混凝土表面开 裂情况的差别被削弱。 不过， 仍需要指出的是， 由于钢筋锈蚀率 较大的数据点较少， 也可能是试验误差或离散性造成的， 仍需 进一步研究。 2 0 1 6 目 1 2 ： 0 8 0 4 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 t ” 。 ( a )最大裂缝宽度一 钢筋锈蚀率曲线 ( b ) 平均裂缝宽度一 钢筋锈蚀率曲线 图 8 裂缝宽度与钢筋锈蚀 率关系图 4结 论 本试验通过电化学方法， 得到了6种不同钢筋锈蚀率的普 通混凝土试件和再生混凝土试件进行对比， 并采用拔出试验方 法 ， 研究了两种混凝土试件的黏结性能， 得到如下结论 ： ( 1 ) 两种混凝土试件的极限滑移量都会随着钢筋锈蚀率增 加而减小 ， 但两种试件的极限滑移量的差别会逐渐增大； 再生 混凝土的黏结刚度较普通混凝土低。 ( 2 ) 随着钢筋锈蚀率增加， 两种试件的相对极限强度均有 先增加后减小的趋势。 再生混凝土的相对极限黏结强度均较普 通混凝 土低 。 ( 3 ) 随着钢筋锈蚀率的增加 ， 两种混凝土试件裂缝宽度都 呈现有逐渐增长的趋势。 再生混凝土试件开裂时刻较普通混凝 土试件早 ， 并且当保护层开裂后， 再生混凝土的裂缝宽度较普 通混凝土稍大 。 参考文献： 1 王传志， 滕智明 钢筋混凝土结构原理 M 北京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 8 5 2 袁迎曙， 余索， 贾福萍锈蚀钢筋混凝士 工业建筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 1 ) ： 4 7 5 0 ， 3 潘振华， 牛荻涛 ， 王庆霖 锈蚀率与极限黏结强度关系的试验研究【 J 】 工业建筑， 2 0 0 0 ( 5 ) ： 1 0 1 2 4 赵羽习， 金伟良 锈蚀钢筋与混凝土黏结性能的试验研究f J 1 _ 浙江大 学学报： 工学版 ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 8 - 1 2 5 A L S U L AI MA N I G J ， K AL E E MU L L A H M， B A S U NB UL I A， e t a 1 I n f l u e n e e o f c o r r o s i o n a n d c r a c k i n g o n b o n d b e h a v i o r a n d s t r e n g t h o f r e i n - f o r c e d c o n c r e t e m e m b e r s J A C I S t r u c t u r alJ o u r n a l ， 1 9 9 0 ， 8 7 Q) ： 2 2 0 - 2 3 1 6 F AN G C ， L UN D G R E N K， C H E N L ， e t a 1 C o r r o s i o n i n fl u e n c e o n b o n d i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4( 1 1 )： 21 5 9 21 6 7 7 C H UN G L， J A Y K I M J ， Y I S B o n d s t r e n g t h p r e d i c t i o n f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e me mb e r s w i t h h i g h l y c o rro d e d r e i n f o r c i n g b a r s J 】 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 8 ， 3 0 ( 7 ) ： 6 0 3 6 1 1 8 A ML E H L， MI R Z A S C o rr o s i o n i n fl u e n c e o n b o n d b e t w e e n s t e e l a n d c o n c r e t e J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 3 ) ： 4 1 5 4 2 3 9 L E E H S ， N O GU C H I T， T I MO S A WA F E v alu i o n o f t h e b o n d p r o p e r - t i e s be t we e n c o n c r e t e a n d r e i n f o r c e me n t a s a f u n c t i o n o f t h e d e g r e e o f r e i n f o r c e me n t c o rr o s i o n J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 8 ) ： 1 3 1 3 1 3 1 8 1 O 夏晋锈蚀钢筋混凝土结构力学J生 能研究 D 】 杭州： 浙江大学， 2 0 0 9 1 1 俏 建庄， 李丕胜， 秦薇 再生混凝土与钢筋问的黏结滑移性能J J J。 同济 大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 ) ： 1 3 1 6 【 1 2 胡琼， 陈伟伟， 邹超英 再生混凝土黏结J性能试验研究 J 1 哈尔滨工业 大学学报， 2 O L O ( 1 2 ) ： 1 8 4 9 1 8 5 4 1 3 C HO I H B， K AN G K I B o n d b e h a v i o u r o f d e f o r me d b a r s e mb e d d e d i n R AG J Ma g a z i n e o fC o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 8 ， 6 0 ( 6 ) ： 3 9 9 4 1 0 1 4 俏 建庄 ， 雷斌 锈蚀钢筋与再生混凝土间黏结性能试验研究【 J J 建筑 结构学报， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 5 8 6 2 1 5 张智成 再生混凝土内部钢筋锈蚀规律研究 D 】 J) l l l ： 浙江大学 ， 2 0I 1 作者简介： 吴亢( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生。 联系地址： 浙江大学建筑工程学院( 3 1 0 0 5 8 ) 联系电话 ： 0 5 7 1 8 8 2 0 8 7 2 6 1 5 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m