【正文】 anism in reality. 中文譯文：約束和無約束的鋼筋對(duì)裂縫寬度的影響收稿日期：2010年1月14 納稿日期：2010年12月14日 線上發(fā)表時(shí)間：2010年1月23日摘 要本報(bào)告公布了局限約束和自由的變形對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度116毫米鋼筋的表面腐蝕程度和裂紋影響的比較結(jié)果。腐蝕是氯化物污染的混凝土的誘導(dǎo)和外加直流電流的引起的。調(diào)查的主要參數(shù)有鋼筋剝離，保護(hù)層厚度，鋼筋直徑，腐蝕程度和表面裂縫寬度。結(jié)果表明了裂縫寬度和粘結(jié)強(qiáng)度之間的潛在關(guān)系。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在圍箍筋處發(fā)現(xiàn)表面裂紋的地方粘結(jié)強(qiáng)度增加，而無側(cè)限的樣本中沒有觀察到粘結(jié)強(qiáng)度增加。關(guān)鍵詞： 粘結(jié)；腐蝕；螺紋鋼；保護(hù)層 ；裂縫寬度 ；混凝土引 言在世界各地，鋼筋的腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的惡化的重要原因。在未腐蝕的結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)使鋼筋混凝土處于有利狀態(tài)。然而，當(dāng)鋼鐵的腐蝕發(fā)生時(shí)，會(huì)對(duì)這種積極性能產(chǎn)生不利影響。這是由于鋼表面形成了腐蝕產(chǎn)物，從而影響了鋼和混凝土之間的粘結(jié)。鋼筋混凝土惡化是由鋼筋和形成的膨脹腐蝕產(chǎn)物造成的局部損失。這種情況的惡化在許多方面影響結(jié)構(gòu)。膨脹產(chǎn)品的產(chǎn)生造成混凝土的拉應(yīng)力，這可能會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂和剝落的。這種開裂可導(dǎo)致更嚴(yán)重的惡化和進(jìn)一步的腐蝕。它也可以導(dǎo)致在混凝土保護(hù)層的強(qiáng)度和剛度的損失。腐蝕產(chǎn)物也可以影響混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)強(qiáng)度。最終腐蝕減少鋼筋截面面積，影響鋼筋的延展性和承載能力，從而最終影響結(jié)構(gòu)適用性和結(jié)構(gòu)承載力[12，25]。以往的研究調(diào)查腐蝕對(duì)粘結(jié)的影響[25，7，12，20，2325??，27，29]，提出了數(shù)據(jù)模型[4，6，9，10，18，19 24，29]。本研究主要研究腐蝕（鋼材質(zhì)量損失）水平或電流密度程度（腐蝕電流在加速測(cè)試中的應(yīng)用）和裂縫寬度之間的關(guān)系，或粘結(jié)強(qiáng)度和腐蝕程度之間的關(guān)系。其他研究已調(diào)查的銹蝕力學(xué)性能[1，11]和摩擦特性[13]。然而，很少有人研究都集中在裂縫寬度與粘結(jié)[23，26，28]之間的關(guān)系上，此參數(shù)易與實(shí)際結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。加強(qiáng)鋼筋的腐蝕導(dǎo)致生成鐵氧化物，它的體積大于原鋼材。這種擴(kuò)張?jiān)斐芍車幕炷羶?nèi)的拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂。一旦開裂發(fā)生，混凝土緊箍力就會(huì)損失。這表明粘結(jié)能力的損失可能與縱向裂縫寬度有關(guān)[12]。然而，以混凝土的剝離可以在一定程度上抵消粘結(jié)力的損失。最新研究主要與剝離樣本有關(guān)。本文報(bào)道的一項(xiàng)研究比較了有側(cè)限和無側(cè)限樣本的粘結(jié)力損失。梁端樣本[28]被選定為這項(xiàng)研究的研究對(duì)象。這種撤去偏心或“梁端”模式樣本以一個(gè)典型的簡(jiǎn)支梁錨固區(qū)的粘結(jié)長(zhǎng)度支撐。樣本的矩形截面投在縱向鋼筋的各處，如圖1。由于沒有增強(qiáng)下方橫反應(yīng)的鋼筋，試樣提供了一個(gè)80毫米的塑料管，以確保粘結(jié)強(qiáng)度（橫向）壓縮力超過這個(gè)長(zhǎng)度的鋼筋。圖1梁端試樣試驗(yàn)調(diào)查了由3倍直徑厚的保護(hù)層保護(hù)的12和16毫米直徑的鋼筋。重復(fù)測(cè)試有側(cè)限和自由樣本。在密閉的塑料管中有3套6毫米的不銹鋼箍筋從其間穿過，在75毫米中心。這代表了四組不同鋼筋直徑和有側(cè)限/無約束的樣本。以調(diào)查鋼筋規(guī)格，混凝土剝離和裂縫寬度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。配合比設(shè)計(jì)，如表1所示。水泥是I型硅酸鹽水泥，骨料為玄武巖。根據(jù)AS 1141— 2000進(jìn)行粗、細(xì)集料的制備。拌合根據(jù)AS 1141—1994進(jìn)行。測(cè)試前水浴養(yǎng)護(hù)28天。表1混凝土配合比設(shè)計(jì)材料水泥w/c砂10mm集料7mm集料鹽含量塌落度結(jié)果381kg/m3517 kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3140177。25mm為了比較不同的混凝土抗壓強(qiáng)度，粘結(jié)強(qiáng)度，Eq。 公式1已被其他研究者用于正?；辰Y(jié)強(qiáng)度的非腐蝕樣本。 1為40級(jí)混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，exptl為實(shí)驗(yàn)粘結(jié)強(qiáng)度和Fc是實(shí)驗(yàn)抗壓強(qiáng)度。Φ12和Φ16毫米鋼筋的抗拉強(qiáng)度是500兆帕。加速腐蝕已被許多作者用于重現(xiàn)在自然環(huán)境中發(fā)生的腐蝕鋼筋鋼 [2，3，5，6，10，18，20，24，27，28，30]。這些相關(guān)實(shí)驗(yàn)使用外加電流或干濕周期人工風(fēng)化和升高溫度延緩腐蝕時(shí)間，同時(shí)保持惡化機(jī)制處于自然狀態(tài)。采用外加電流的研究使用的電流密度在100μA/cm2與500 mA/cm2之間 [20]。有研究表明，電流密度200μA/cm2與100μA/cm2相比，200的結(jié)果與早期階段的腐蝕更相似 [21]。隨著施加電流密度200μA/cm2被選定為研究使用電流，這在以前的研究中成為電流密度頻譜的低端代表。然而，應(yīng)謹(jǐn)慎應(yīng)用外加電流的加速腐蝕，加速過程并不完全復(fù)制在實(shí)際結(jié)構(gòu)中所涉及的機(jī)制。在加速測(cè)試中不允許違背自然的發(fā)展，并有可能在表面上更均勻腐蝕。腐蝕率也可能會(huì)影響腐蝕的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可能會(huì)形成不同的氧化狀態(tài)，這可能會(huì)影響粘結(jié)強(qiáng)度。鋼筋作為陽極和四個(gè)碳鋼金屬板固定在表面作為陰極。金屬板和混凝土之間放置海綿（用鹽水噴灑）提供足夠的接觸，如圖2。圖2加速腐蝕系統(tǒng)當(dāng)裂縫寬度要求需適應(yīng)特殊鋼筋時(shí)應(yīng)該終止施加外加電流。當(dāng)所有四個(gè)位置出現(xiàn)規(guī)定的裂縫寬度，試樣就會(huì)被拆除撤離測(cè)試。表面裂紋寬度沿鋼筋長(zhǎng)度測(cè)量間隔20mm，從約束（塑料管）末端開始20mm用斷路器光學(xué)顯微鏡測(cè)量。測(cè)量精度為177。從鋼筋表面測(cè)量裂縫寬度，不考慮裂縫實(shí)際方位在何處。粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試通過手動(dòng)操作液壓千斤頂和一個(gè)定制的試驗(yàn)裝置，如圖3所示。加載方案見圖4。長(zhǎng)80毫米的塑料管在末端提供了一個(gè)橫向反應(yīng)的具體部分，以確保粘結(jié)強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)閮?nèi)力（壓力）提高而增加。樣本定位使軸向力，適用于被測(cè)試的鋼筋。給樣本足夠剛性的約束可以確保在加載過程中最小的旋轉(zhuǎn)或扭曲。圖3拉出測(cè)試，16毫米鋼筋不承壓圖4加載示意圖。注：只測(cè)試顯示棒3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論加速腐蝕階段后，檢查每個(gè)樣本的裂縫的位置，平均裂縫寬度和最大裂縫寬度（）。雖然每個(gè)鋼筋樣本都有平均目標(biāo)裂縫寬度，但是裂縫寬度的變化在觀察前拉出測(cè)試。這是由于腐蝕和開裂是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，裂縫是以不同的速度傳播的。因此，當(dāng)個(gè)別鋼筋被拉斷的時(shí)候，一旦目標(biāo)裂縫寬度已經(jīng)達(dá)到，腐蝕和裂紋在一定程度上繼續(xù)擴(kuò)展，直到所有的鋼筋已達(dá)到目標(biāo)的裂縫寬度，再終止試驗(yàn)進(jìn)行。這產(chǎn)生了一系列的最大裂縫和終止測(cè)試時(shí)的平均裂縫寬度數(shù)據(jù)。視覺檢測(cè)的樣本顯示了三個(gè)階段的裂解過程。初始裂縫發(fā)生在很短的時(shí)間內(nèi)，通常在幾天之內(nèi)產(chǎn)生。在此之后，大多數(shù)裂縫以一個(gè)恒定的速度增長(zhǎng)，直到34周后首次開裂，他們達(dá)到1毫米。裂縫達(dá)到了1毫米后，它們的增長(zhǎng)速度非常緩慢，甚至一些裂縫一點(diǎn)都不增加。側(cè)限和自由的樣本表面裂紋往往發(fā)生在側(cè)面（如對(duì)側(cè)的頂部或底部），并沿鋼筋方向發(fā)展。一般情況下無側(cè)限的樣本只有僅有的一部分裂縫，而自由的樣本裂縫的發(fā)展卻十分常見，觀察到的裂縫垂直對(duì)齊下邊，垂直向下側(cè)相鄰的鏈接，如圖5。圖5典型裂紋模式在拉出測(cè)試時(shí)最常見的側(cè)限和自由的故障是剝離失敗，這是由于隨著在荷載作用下腐蝕的擴(kuò)大形成裂縫，最終導(dǎo)致右上角/邊緣剝落，如圖6。但是一些側(cè)限的樣本，存在第二種破壞模式，在側(cè)墻對(duì)角線出現(xiàn)裂縫，如圖7。在腐蝕階段，這些裂縫的出現(xiàn)與觀察到的垂直裂縫如上面報(bào)道的，并不相關(guān)。圖6拉出后縱向開裂圖7角開裂后拉出鋼筋最初（預(yù)制）由12％的鹽酸溶液清洗，然后在蒸餾水清洗，另外蒸餾水洗滌之前由氫氧化鈣溶液中和。銹蝕鋼筋拉出來測(cè)試之后，以同樣的方式進(jìn)行清洗，并再次稱重。使用下列公式確定的腐蝕程度其中G0是鋼筋腐蝕前的初始重量，G是最終去除腐蝕產(chǎn)物后的測(cè)試后的鋼筋重量，g0是每單位長(zhǎng)度的鋼筋重量（），l是嵌入式的鍵長(zhǎng)。圖8和圖9顯示有不同程度的腐蝕鋼筋。多數(shù)表現(xiàn)出可見的凹陷，類似的實(shí)際結(jié)構(gòu)，如圖9。然而，少數(shù)其他鋼筋表現(xiàn)出顯著的整體部分損失，更均勻的腐蝕水平，如圖8，這可能是一個(gè)加速方法的功能。圖8 12毫米鋼筋腐蝕、約30％的質(zhì)量損失圖9 16毫米鋼筋腐蝕、約15％的質(zhì)量損失圖10顯示了16毫米的鋼筋粘結(jié)應(yīng)力與平均裂縫寬度的變化。圖 11為12毫米的鋼筋的。圖12和圖13顯示的最大裂縫寬度的數(shù)據(jù)。圖10 16毫米的鋼筋平均裂縫寬度、粘結(jié)應(yīng)力圖11 12毫米的鋼筋平均裂縫寬度、粘結(jié)應(yīng)力圖12 16毫米的鋼筋最大裂縫寬度、粘結(jié)應(yīng)力圖13 12毫米的鋼筋最大裂縫寬度、粘結(jié)應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示12毫米箍筋樣本的初始粘結(jié)強(qiáng)度增加，這與其他作者[12，15]的結(jié)論相同。，但是，裂縫寬度減少了粘結(jié)應(yīng)力。12mm鋼筋與箍筋粘結(jié)力從控制值到最大粘結(jié)應(yīng)力粘結(jié)應(yīng)力增加25%粘結(jié)力。16毫米的樣本增加約14％。其他研究[17，24，25]報(bào)道的觀察結(jié)果，由于約束在這些實(shí)驗(yàn)中得到的粘結(jié)應(yīng)力有10%到60％增強(qiáng)。然而，裝卸裝置和保護(hù)層都不盡相同。實(shí)驗(yàn)技術(shù)的變化，包括較短的嵌入式長(zhǎng)度和較薄的保護(hù)層。粘結(jié)強(qiáng)度，腐蝕程度，鋼筋尺寸，保護(hù)層，節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息和拉伸強(qiáng)度之間的異變由羅德里格斯預(yù)測(cè)等已經(jīng)被詳細(xì)討論。 [28]。分析表明由于側(cè)限提升粘結(jié)力約25％，相應(yīng)的16毫米的鋼筋的粘結(jié)力（2％的部分損失評(píng)估）。相應(yīng)的12毫米側(cè)限鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度被發(fā)現(xiàn)約有35％增加， MPa的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（14和25％以上）是這些值的6070％。這兩組數(shù)據(jù)表明，粘結(jié)強(qiáng)度減小與可見表面裂紋寬度的關(guān)系。粘結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的回歸分析表明它與平均裂縫寬度（不包括未開裂的密閉樣本）成反相關(guān)關(guān)系，如表2。表2裂縫寬度與粘結(jié)強(qiáng)度最佳擬合參數(shù)12mm自由12mm側(cè)限16mm自由16mm側(cè)限平均裂縫寬度R2斜率截距（b）最大裂縫寬度R2斜率截距（b）還有無側(cè)限樣本比承壓樣本更適應(yīng)。無側(cè)限樣本粘結(jié)強(qiáng)度與鋼筋與混凝土的的粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，這符合試驗(yàn)觀測(cè)，它受現(xiàn)在腐蝕水平的影響，這本身會(huì)影響裂縫寬度。側(cè)限承壓鋼筋同時(shí)會(huì)影響粘結(jié)力和裂縫。很明顯（如圖14），對(duì)于腐蝕度小于5％粘結(jié)應(yīng)力的相關(guān)性很好。然而隨著腐蝕程度的增加，就沒有可觀察到的相關(guān)性。在對(duì)比觀測(cè)到的裂縫寬度和粘結(jié)應(yīng)力的關(guān)系時(shí)，得出了一個(gè)合理的相關(guān)性。這種變化的一個(gè)可能是腐蝕初始階段幾乎所有溶解的鐵離子發(fā)生反應(yīng)形成了膨脹腐蝕產(chǎn)物。這種反應(yīng)影響粘結(jié)應(yīng)力和裂紋的形成。然而一旦裂縫形成，鐵離子就可能沿混凝土裂縫分離。由于粘結(jié)已失去，任何鐵離子都可溶解在裂縫中和從混凝土中分離，這直接導(dǎo)致腐蝕程度的增加，但這不影響表面裂紋寬度。內(nèi)裂紋的位置，方向和化學(xué)控制粘結(jié)應(yīng)和腐蝕程度會(huì)影響粘結(jié)了和腐蝕級(jí)別，這將改變樣本與樣本之間的關(guān)系。因此，腐蝕水平高的粘結(jié)應(yīng)力腐蝕程度有很大變化。圖14 12毫米自由鋼筋粘結(jié)應(yīng)力與腐蝕程度與相同腐蝕程度和質(zhì)量損失的側(cè)限樣本相比自由樣本的裂縫寬度明顯較大。這是限制裂縫等級(jí)的隔離樣本直接表現(xiàn)出的結(jié)果，也是預(yù)期結(jié)果。16和12毫米自由鋼筋樣本沒有表現(xiàn)出比側(cè)限鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度強(qiáng)。事實(shí)上與控制樣本相比有裂縫的自由樣本粘結(jié)強(qiáng)度降低。這與其他作者[16，24]研究的裂縫樣本的結(jié)果一致。Fang發(fā)現(xiàn)沒有箍筋的裂縫腐蝕樣本在粘結(jié)強(qiáng)度上有極大的降低，而羅德里格斯觀察到無箍筋高度銹蝕破裂樣本的粘結(jié)強(qiáng)度接近零，而有箍筋高度腐蝕破裂的樣本仍保留3到4兆帕之間的粘結(jié)強(qiáng)度。在未腐蝕樣本中，由于箍筋的緣故粘結(jié)強(qiáng)度的增加10至20％。但是由于未腐蝕鋼筋存在側(cè)限，羅德里格斯和方?jīng)]有觀察到的變化。也許是巧合，因?yàn)樗梢灶A(yù)計(jì)腐蝕產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)的增加，由于周圍鋼筋的隔離和機(jī)械聯(lián)結(jié)使腐蝕產(chǎn)品造成內(nèi)部壓力增加，另外還增加了鋼筋和周圍混凝土之間的粗糙度產(chǎn)生了摩擦。然而，這些壓力將緩解隨后混凝土的開裂，這將有助于減小裂縫寬度增加粘結(jié)強(qiáng)度。一種可能的假設(shè)是，由于保護(hù)層的保護(hù)，3倍鋼筋直徑，箍筋隔離作用的影響降低的，例如它在未開裂混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度的影響不大。然而，一旦裂縫發(fā)生的隔離區(qū)這對(duì)粘結(jié)有有利影響。這也可能是有保護(hù)層的混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)對(duì)自由樣本有影響。這里給出的數(shù)據(jù)是3倍鋼筋直徑的保護(hù)層和40兆帕的強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度從40至77兆帕。 12和16毫米螺紋鋼的比較。這些都符合無腐蝕控制樣本。 由于腐蝕12和16毫米鋼筋的自由樣本無粘結(jié)應(yīng)力的增加。對(duì)于兩類側(cè)限腐蝕樣本最大的粘結(jié)壓力的初始裂縫?？傮w上12毫米鋼筋與16毫米鋼筋相比有較高的粘結(jié)強(qiáng)度不論裂縫寬度多少。這是不同的故障模式造成的。 16毫米的樣本出現(xiàn)分裂失敗而12毫米的鋼筋粘結(jié)失敗。一旦發(fā)現(xiàn)開裂，由于鋼筋位置（頂部或底部）粘結(jié)強(qiáng)度沒有顯著性差異，如圖15。然而對(duì)于無腐蝕控制樣本底部鑄造鋼筋比頂端鑄造鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度略高。這些發(fā)現(xiàn)在與其他作者[4，11，15，22]一致。由于腐蝕產(chǎn)品填補(bǔ)空隙，頂部鑄造鋼筋下往往有進(jìn)一步腐蝕 [14]，未腐蝕的底部鑄造鋼筋與頂部鑄造鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度顯著改善，這被普遍接受。腐蝕也可以作為“錨”，類似肋骨變形鋼筋，增加負(fù)荷?？偟膩碚f對(duì)于自由和側(cè)限鋼筋，位于頂端的所有位置的鋼筋（腐蝕和未腐蝕）粘結(jié)強(qiáng)度平均值均在1％以內(nèi)。這可能是由于保護(hù)層厚度不同。之前的結(jié)果都是以一倍保護(hù)層厚度得到的。然而，以三倍保護(hù)層，圍繞頂端鑄造鋼筋將取得更大的壓實(shí)。因此，空洞的面積將會(huì)減少，從而腐蝕產(chǎn)物填補(bǔ)這些空隙，粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)減小。圖15 12毫米的頂部和底部位置鋼筋側(cè)限樣本粘結(jié)應(yīng)力與平均裂縫寬度結(jié)論裂縫寬度和粘結(jié)應(yīng)力存在一定關(guān)系。最大裂縫寬度與粘結(jié)應(yīng)力比平均裂縫寬度與粘結(jié)應(yīng)力關(guān)系緊密。在有側(cè)限鋼筋無腐蝕發(fā)生的地方有較高的粘結(jié)強(qiáng)度。隨著裂縫寬度增加粘結(jié)強(qiáng)度顯著降低。在初始開裂時(shí)鋼筋粘結(jié)應(yīng)力會(huì)降低，隨著裂縫增加粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)一步下降。頂級(jí)鑄造鋼筋無腐蝕的樣本顯示更高的粘結(jié)強(qiáng)度。一旦開裂發(fā)生不論頂級(jí)鑄造鋼筋還是低級(jí)鋼筋都不會(huì)發(fā)生變異。相比16mm無腐蝕，相似裂縫的控制樣本12mm的鋼筋顯示出更高的粘結(jié)應(yīng)力。粘結(jié)應(yīng)力和腐蝕程度存在極大的相關(guān)性，觀察到的腐蝕水平低（小于5％）。然而與更高層次的腐蝕沒有相關(guān)性。總的來說，結(jié)果表明最大裂縫寬度和粘結(jié)應(yīng)力之間存在潛在關(guān)系。本文中樣本結(jié)果應(yīng)謹(jǐn)慎分析其變異性，這種異變不僅因?yàn)榧铀俑g和自然腐蝕，也因?yàn)閷?shí)際開裂機(jī)理的復(fù)雜性。 38 / 38