锈蚀钢筋与混凝土的粘结性能研究

杨松荣，孙友态

杨松荣，孙友态（浙江博宇建筑有限公司浙江舟山316000）

【摘要】钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性劣化的主要原因之一。锈蚀使钢筋与混凝土的粘结性能发生退化，严重地降低了钢筋在混凝土结构中的作用，甚至导致混凝土结构的坍塌破坏。研究锈蚀钢筋粘结性能的退化规律对于已建混凝土结构的耐久性评估具有重要的意义。该文在既有研究的基础上，通过锈蚀钢筋粘结性能试验，对锈蚀钢筋的力学性能和粘结性能的退化规律进行研究。

【关键词】钢筋；锈蚀；粘结性能；耐久性

Corrosionofsteelandconcretepropertiesofthebonded

YangSong-rong，SunYou-tai

(ZhejiangBoYuBuildingCo.,Ltd.ZhoushanZhejiang316000)

【Abstract】Corrosionofreinforcedconcretestructuresiscausedbydeteriorationofthedurabilityofoneofthemainreasons.Corrosionofthereinforcementandtheadhesivepropertiesofconcretedegradation,seriouslyreducingthereinforcedconcretestructureintherole,andevenleadtothecollapseofthedestructionofconcretestructures.StudyonBondBehaviorofCorrodedReinforcedforthedegradationofthelawhasbeenbuilttoassessthedurabilityofconcretestructuresisofgreatsignificance.Inthispaper,theexistingresearchonthebasisofthebondbehaviorofcorrodedreinforcedthroughexperimentsonthemechanicalpropertiesofsteelcorrosionanddegradationoftheperformancebondtostudylaw.

【Keywords】reinforcement;corrosion;bondbehavior;durability

1.概述混凝土中钢筋锈蚀是十分普遍的现象，尤其是在沿海地区、工业污染地区钢筋锈蚀问题更为突出。如今钢筋锈蚀已被公认为混凝土结构耐久性劣化最主要的原因，不少国家为此遭受了巨大的经济损失。混凝土中锈蚀钢筋的粘结性能随锈蚀率的变化而变化，并与多种其它因素有关。钢筋与混凝土之间的传力是通过它们之间的粘结作用完成的，粘结性能的好坏直接影响到钢筋的锚固性能和混凝土裂缝的开展，良好的粘结性能使钢筋在一定的传递长度（锚固长度）内达到屈服强度且留有余地，对于确保结构的安全有着十分重要的意义。混凝土中钢筋锈蚀对结构性能的影响除了表现为钢筋截面削弱外，更重要的是锈蚀产物对钢筋与混凝土粘结性能的影响。钢筋锈蚀破坏了钢筋与混凝土之间原有的状态，使它们之间的粘结性能发生改变，这种粘结性能的变化是十分复杂的，它不仅与锈蚀程度密切相关，而且与钢筋种类、混凝土保护层厚度等因素也有着密切的关系。锈蚀钢筋粘结性能的变化对构件的受力性能产生很大的影响，严重时甚至使结构丧失承载力而破坏。因此深入研究锈蚀钢筋的粘结性能，找出其退化规律，对于钢筋混凝土耐久性评估和结构的维修加固都有着重要的意义。

2.钢筋与混凝土的粘结机理一般认为钢筋与混凝土之间的粘结力由三部分组成：(1)混凝土中的水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力。它取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。(2)钢筋与混凝土接触面上的摩擦力。它取决于混凝土发生收缩和荷载作用等引起的径向压力，以及二者间的摩擦系数等。(3)钢筋表面粗糙不平产生的机械咬合力，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力。机械咬合力的极限值受混凝土的抗剪强度控制。实际上钢筋与混凝土的粘结机理相当复杂，对于不同类型钢筋，粘结机理不尽相同，它们表现出来的粘结性能也不同；对于后张法PC结构，由于锚具、管道及管道灌浆的存在，预应力钢筋的粘结机理和粘结破坏形式不同于普通钢筋混凝土结构；对于锈蚀钢筋，其粘结性能和粘结机理与未锈蚀钢筋也有很大差别。

2.1光面钢筋。光面钢筋包括光圆钢筋和高强钢丝等，由于它们的表面光滑，因此主要是依靠胶着力和摩擦力来形成粘结力，粘结强度较低，滑移量较大。高强钢丝是通过拉拔工艺制作而成，而光圆钢筋则是轧制而成，相比较而言高强钢丝的表面更为光滑。光面钢筋粘结性能较差，一般均要采用机械措施进行锚固。

2.2变形钢筋。变形钢筋主要是指带肋钢筋，通常按肋的形式可分为3类：（1）月牙纹钢筋，有横肋和纵肋，其特点是横肋的投影呈月牙形且与纵肋不相交。（2）等高肋钢筋，有横肋和纵肋，横肋和纵肋等高且相交，按横肋类型又可分为螺旋纹与人字纹两种。（3）冷轧带肋筋，只有横肋而没有纵肋，月牙形的三面横肋在截面上均匀分布。对于变形钢筋，由于楔入横肋间的混凝土形成咬合齿，产生较大的机械咬合力，因而粘结性能有较大改善。钢筋横肋对混凝土的斜向挤压力沿钢筋轴向的分力使横肋间的混凝土犹如悬臂梁一样受弯受剪，斜向挤压力的径向分力使外围混凝土犹如受内压的管壁而产生环向拉应力。因此，变形钢筋的外围混凝土处于复杂的三向应力状态，剪应力和拉应力使横肋间的混凝土产生内部斜裂缝，而其外围混凝土中的环向拉应力则使钢筋附近的混凝土产生径向裂缝。当混凝土保护层较薄且未配置横向箍筋时，径向裂缝很容易发展到混凝土表面而形成沿钢筋方向的裂缝，最终导致混凝土保护层的劈裂破坏。当混凝土保护层较厚或配置有横向箍筋时径向裂缝的发展受到抑止，混凝土一般不发生劈裂破坏，但随着滑移的增大，横肋间的咬合齿混凝土被挤压破碎或切断，并与钢筋一起从混凝土中被拔出，破坏面是以变形钢筋的外径为直径的一个圆柱面，我们称这种粘结破坏为拔出破坏。

2.3钢绞线。钢绞线是由多股高强钢丝捻绞而成的绳状钢筋，其特点是每一根钢丝都按一定距离（捻距）作螺旋分布，因而钢丝轴线与钢绞线轴线之间形成某一倾角，这对其粘结性能有很大的影响。钢绞线的粘结性能在受力前期接近光圆钢筋，主要依靠胶着力和摩擦力承载。受力后期滑移较大，其粘结作用类似变形钢筋，主要以机械咬合力为主。与变形钢筋不同的是咬合齿是嵌入钢丝之间的连续螺旋状混凝土条，界面上的挤压力方向即为螺旋面的倾角，该角度远小于变形钢筋横肋的倾角，故滑移相对较大，但咬合齿不易被挤碎切断，故在受力后期滑移很大的情况下，粘结力不但未丧失，反而有所增长。由于咬合力引起的锥楔作用，钢绞线的混凝土保护层同样存在环向拉应力，但比变形钢筋的小，当混凝土保护层较薄时也有可能发生纵向劈裂破坏。

2.4后张法PC结构中预应力钢筋的粘结机理。在后张法PC结构中，在浇筑混凝土前预先埋置预应力管道，待混凝土达到一定的强度后张拉预应力钢筋并锚固，预应力管道内灌注刚性灌浆材料以达到保护预应力钢筋和传递粘结力的目的。由于预应力钢筋（高强钢丝、钢绞线等）包裹在管道内的灌浆材料中，而不是直接埋在混凝土中，因此预应力钢筋的粘结力是通过浆体和管道间接地传递到混凝土中，即其中不仅包含预应力钢筋与浆体的粘结，而且还包括浆体与管道之间的粘结和管道与混凝土之间的粘结（抽拔橡胶管成孔时无管道，此时为浆体与混凝土之间的粘结）。灌浆材料受到管道的约束作用而处于三向受力状态，这有利于提高预应力钢筋与灌浆材料的粘结性能。对于不同的预应力钢筋，可能发生的粘结破坏形式有所不同，这些粘结破坏形式有：（1）预应力钢筋直接从浆体中拔出。高强钢丝和钢绞线等预应力钢筋与浆体之间的粘结性能较差时，通常容易发生这种形式的粘结破坏。预应力钢筋锈蚀或灌浆不饱满时也容易发生此类破坏。（2）预应力钢筋与浆体一起从管道中拔出。这类破坏是由于浆体与管道之间的粘结作用遭到破坏引起的，当采用铁皮管等光滑的预应力管道时，或灌浆存在空洞等情况下通常会发生此类破坏。（3）预应力钢筋与浆体一起从混凝土中拔出。当采用抽拔橡胶管成孔时发生此类破坏。（4）预应力钢筋、浆体及管道一起从混凝土中拔出。当采用铁皮管等光滑的预应力管道时容易发生此类破坏。此外当管道外表面发生锈蚀时也会发生这种破坏。（5）混凝土劈裂破坏。采用波纹管等作为预应力管道时，波纹管与浆体之间、波纹管与混凝土之间以及预应力钢筋与浆体的粘结强度均较高时，由于波纹管锈蚀物的膨胀作用和楔入波纹管螺旋肋间的混凝土咬合齿产生的径向应力，会使较薄的混凝土保护层发生劈裂破坏，混凝土与管道间的粘结性能下降。

2.5锈蚀钢筋的粘结机理。对于锈蚀钢筋粘结性能的研究，较为一致的结论是：锈蚀率较小时随着锈蚀程度的增加粘结性能有所提高，但锈蚀率达到一定程度后粘结性能开始下降。对于不同类型的钢筋粘结性能的变化规律存在差异，这是由于它们的粘结机理不同，钢筋锈蚀产生的影响也不同的缘故。对于光圆钢筋，粘结力主要是钢筋与混凝土之间的摩擦力，由于摩擦力的大小与径向压力成正比，因此随着锈蚀程度的增加，锈蚀产物膨胀产生的围压能使摩擦力显著增大，从而粘结性能得到提高，只有到锈胀裂缝出现以后粘结力才开始降低。对于变形钢筋，其粘结性能退化主要表现为：（1）变形钢筋的横肋由于锈蚀而部分损耗，这降低了钢筋与混凝土的机械咬合力，在锈蚀较严重的情况下机械咬合作用基本消失。（2）锈蚀产物膨胀在钢筋周围的混凝土产生径向压力,当径向压力达到一定的程度时,会引起混凝土开裂，锈胀开裂导致混凝土对钢筋的约束作用减弱，从而降低了粘结性能。

3.粘结性能试验方法

3.1拉拔试验。拉拔试验可分为拔出试验和拉伸试验，拔出试验一般用来模拟端部锚固粘结，而拉伸试验一般用来模拟缝间粘结。图1拔出试验拔出试验（图1）是最早出现的粘结试验，该试验方法比较简单，通常用以对各种钢筋的粘结性能进行比较。图1a所示为早期采用的拔出试件形式，混凝土试件一般为棱柱体，钢筋埋设在其中心，水平方向浇注混凝土。试验时，试件的一端支撑在带孔的垫板上，试验机夹持外露钢筋一端施加拉力，直至钢筋被拔出或者屈服。上述试件加载端混凝土因受到局部挤压，与结构中钢筋端部附近的应力状态差别较大，影响试验结果的真实性，因此后来改为加载端钢筋与周围混凝土脱空形式（图1b）。变形钢筋采用拔出试验时，试件常因纵向劈裂而破坏，因此只有在试件内设置横向箍筋（图1c），才可能得到变形钢筋被拔出的结果。拉伸试验如图2所示，钢筋埋长一般较长，钢筋应力在中间附近变化很小，因此粘结应力接近于0。

3.2粘结强度。粘结强度是表征粘结性能的一个重要的指标，钢筋粘结强度的影响因素主要有钢筋种类和直径、混凝土强度和保护层厚度、粘结长度（埋长）、横向箍筋的设置以及钢筋锈蚀情况等。影响不同种类钢筋的粘结强度的因素如下：(1)变形钢筋。影响变形钢筋粘结强度的主要因素有：混凝土强度、混凝土保护层厚度、粘结长度、钢筋直径和横肋形状、横向箍筋配置情况等。(2)光面钢筋。影响光面钢筋粘结强度的主要因素有混凝土强度、粘结长度、钢筋直径等。(3)钢绞线。影响钢绞线粘结强度的主要因素有混凝土强度、混凝土保护层厚度、钢绞线的粘结长度、钢丝股数等。图2拉伸试验

3.3锈蚀钢绞线粘结性能。对于先张法预应力混凝土结构，预应力钢筋与混凝土的传力与钢筋混凝土结构相同，即依靠预应力钢筋与混凝土之间的粘结作用。对于后张法预应力混凝土结构，预应力钢筋与混凝土的传力方式有所不同，强大的预加力主要是依靠端部的锚具进行传递。但由于锚具端部往往容易出现灌浆空洞，当外部侵蚀物质进入波纹管内，预应力钢筋就会发生锈蚀，甚至锈断。在这种情况下假如端部的管道灌浆饱满部分具有良好的粘结性能，锈断的预应力钢筋能够实现自锚，从而使预应力混凝土构件仍可维持一定的承载力。因此无论是先张法还是后张法预应力混凝土结构，预应力钢筋的粘结性能都是十分重要的。

4.总结钢筋与混凝土的粘结是一种复杂的物理行为，其内在机理决定了粘结性能的优劣，不同种类钢筋的粘结机理不尽相同，所表现出来的粘结性能也有所差别。混凝土中钢筋锈蚀对结构性能的影响除了表现为钢筋截面削弱外，更重要的是锈蚀产物对钢筋与混凝土粘结性能的影响。钢筋锈蚀破坏了钢筋与混凝土之间原有的状态，使它们之间的粘结性能发生改变，这种粘结性能的变化是十分复杂的，它不仅与锈蚀程度密切相关，而且与钢筋种类、混凝土保护层厚度等因素也有着密切的关系。锈蚀钢筋粘结性能的变化对构件的受力性能产生很大的影响，严重时甚至使结构丧失承载力而破坏。因此深入研究锈蚀钢筋的粘结性能，找出其退化规律，对于钢筋混凝土耐久性评估和结构的维修加固都有着重要的意义。混凝土中锈蚀钢筋的粘结性能随锈蚀率的变化而变化，并与多种其它因素有关。目前大部分的研究都是针对光圆钢筋和变形钢筋，关于钢绞线等预应力钢筋的研究却极少。由于混凝土中钢筋锈蚀的随机性、粘结问题本身的复杂性以及试验方法的不同，现有的试验研究结果存在较多差异，许多问题还有待进一步的研究。

参考文献

［1］金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性.北京：科技出版社，2002年9月

［2］牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测.北京：科技出版社，2003年2月

［3］李田，刘西拉.混凝土结构耐久性分析与设计.北京：科学出版社，1999

［4］狄生林.钢筋混凝土握裹应力－滑移关系的试验研究.东南大学土木工程系，1981

［5］宋玉普，赵国潘.钢筋与混凝土间的粘结滑移性能研究.大连理工学院学报，1987（2）

［文章编号］1006-7619（2010）12-21-679

［作者简介］杨松荣(1955.9-),男，工程师，大专，工作单位：浙江博宇建筑有限公司。

孙友态(1964.5-)，男，工程师，大专，工作单位：浙江博宇建筑有限公司。