锈蚀钢筋对混凝土构件粘结强度的影响

【摘 要】 目前在混凝土结构的施工过程中，人们更多的采用科学的混凝土施工工艺和有效的施工措施来预防混凝土产生有害裂缝，而忽视了由于钢筋锈蚀造成的混凝土粘结性能的退化。锈蚀对钢筋与混凝土粘结性能的影响已成为混凝土结构耐久性的重要内容，本文通过钢筋混凝土结构梁式实验的研究，探讨了混凝土结构试件表面锈胀裂缝宽度和钢筋锈蚀率对极限粘结强度的影响规律。通过传统的梁式实验，证明了钢筋混凝土梁表面纵向裂缝的产生与否及其宽度大小，并不是影响配箍构件粘结性能的本质因素，它与粘结强度的相关性均不显著，而锈蚀率对粘结性能有着重要影响，极限粘结强度随锈蚀率增加先增大后减小，然而，锈蚀率低于5%时不会低于未锈蚀钢筋混凝土构件的粘结强度。

【关键词】 钢筋混凝土；钢筋锈蚀；粘结强度；锈蚀率

1 引言

钢筋混凝土结构在北京施工的项目中占有80%的比例，由于钢筋混凝土结构理论已经非常成熟，绝大多数施工企业在编制施工方案时对混凝土的有害裂缝都会采取专门的解决方案来避免。比如，温控后浇带的设置；屋面温控筋的绑扎；以及考虑季节影响的雨季施工方案或者冬季施工方案等。但是，对于钢筋工程，施工企业会把重点放在抗震锚固长度；钢筋搭接长度以及配箍加密区等涉及抗震、受力安全的内容上，而忽视了由于钢筋长期暴露在室外环境下而遭受锈蚀，从而影响结构构件的耐久性。笔者在2006年刚参加工作时，龙冠润景项目8号楼正在结构施工，2007年交付使用，在使用一年后，首层7-9轴顶板的框架梁、板产生了宽度不均纵向顺筋裂缝，起初，根据总承包企业北京城建十公司的项目部人员分析，开裂的原因是由于此施工流水段混凝土早在2006年3月份施工时，由于天气回暖，在浇筑完C30混凝土时，没有及时采用保温措施，而混凝土的配方采用了冬季施工的配方，在混凝土里添加了一定比例的早强剂和减水剂，并且春天天气干燥，混凝土表面失水过快造成的混凝土的开裂，最后我公司采用化学压力灌浆法，向裂缝里注入了环氧树脂进行了结构补强。2007年6月1日开工的龙冠置业大厦吸取了龙冠润景项目的教训， 08年3月份，在搅拌站没有改变冬季施工配方的条件下，严格按照冬季混凝土浇筑方案执行，在混凝土浇筑完毕并收面完成后及时覆盖保温棉被。但是，09年交付使用半年内，又发现龙冠置业大厦B座二层顶板、三层顶板相继出现顺筋纵向裂缝，事情发生后，我单位聘请了专家会同我公司总工来到现场进行勘察取样。经过分析得出的结论是：二层、三层顶板梁、板钢筋经历了08年雪天，在此期间，项目部停工放假，这两个施工段的钢筋暴露在外，雪水对在外的钢筋产生严重的锈蚀，由于复工时项目部对锈蚀的钢筋没有除锈就浇筑混凝土，加之这两段的梁板在当时施工时保护层厚度处理的不好，拆模后还有漏筋现象发生，造成在日后使用中锈蚀钢筋将混凝土保护层胀裂，混凝土对钢筋的约束力大大减少，同时钢筋与混凝土间的锈蚀物变的很疏松，化学胶着力完全丧失，两种材料间的摩擦系数减少，最终导致钢筋强度还未充分发挥，便在梁、板上产生了大量的顺筋裂缝，影响了结构的安全使用。与此同时，我公司工程部在总工的带领下，翻阅相关文献，委托昌平建筑工程中心实验室做了梁式实验，通过一系列的数据研究了锈蚀钢筋与混凝土粘结性能之间的关系。

2 梁式试验验证锈蚀率是影响钢筋与混凝土粘结性能的直接因素

传统意义上，人们都简单地将锈胀裂缝视同为影响钢筋与混凝土粘结性能的主要因素。但是，在专家和公司总工的指导下，我公司委托昌平建筑工程中心实验室所做的梁式实验所得到的数据，证明了锈蚀率是影响粘结性能的主要因素，为了模拟钢筋混凝土结构的锈蚀环境，实验室工作人员采用电快速锈蚀法，这种方法比较符合钢筋锈蚀情况。

2.1 试件的制作与电化学腐蚀

2.1.1 试件的制作

在实验室中制作试件，试件由两部分组成，梁底部由左右对称的两根通过贯穿腹中的被测钢筋连接在一起，每部分的钢筋粘结长度为10d，其余部分套PVC套管，并将PVC套管两端密封，防止浇注混凝土时产生的浆体流入管内，试验梁的尺寸为b×h=150×240，试验梁的保护层厚度为25 mm ，梁中间上部的凹陷区用于固定载入的钢铰，一共制作了六根试验梁。

2.1.2所用材料

（1） 水泥：河北燕新建材有限公司生产的钻牌复合硅酸盐水泥（pc32.5）

（2） 砂：采用昌平区张各庄砂场采挖的河砂

（3） 石子：采用昌平砂石厂的卵石，粒径5-20mm

（4） 纵筋：HRB335 圆20；箍筋：HPB235 圆8；混凝土配合比：水泥：砂：石子：水=1：0.87：2.04：0.45，抗压强度fcu=38.3Mpa，二级钢圆20的钢筋屈服强度为390Mpa，极限抗拉强度为602Mpa。

2.1.3 锈蚀方法

在浇注6根钢筋混凝土梁时，在每根梁里撒入水泥用量5%的氯化钠，在标准养护条件下养护28天后，将试件放入浓度为5%的氯化钠溶液中浸泡一星期。然后，通过对钢筋施加外部直流电来加速钢筋的锈蚀，每组的两个试件串联，梁的钢筋与电源正极相连，用吸水海绵蘸上5%的氯化钠溶液覆盖在有粘结区段的梁表面，每隔12个小时更换一次海绵，防止水分蒸发，电源开通后，保持电流强度为110mA对钢筋进行锈蚀。

通过通电时间的长短，分别控制6组试件的锈蚀状态，锈蚀分为：未锈蚀、试件已经开始锈蚀但是未产生裂缝、锈胀裂缝0.1mm、锈胀裂缝0.2mm、锈胀裂缝0.3mm、锈胀裂缝0.5mm。

理论的锈蚀量运用法拉第第一电解定律求得，m=kq=0.6944（克/安时）×0.11×24×通电天数。

实际的锈蚀量在加载试验完成后，采用破型试件取出钢筋的粘结区段，先将锈蚀钢筋浸泡于稀释的盐酸中，30分钟后取出放入碱液中，取出后再用清水清洗，之后再放入烘箱中烘干，用钢丝刷仔细刷除钢筋表面的残余砂浆和锈蚀物，然后用0.01g的电子天平秤测量钢筋重量m2，试件制作前对钢筋进行除锈，也用重量为0.01g的天平测量钢筋重量m1， m2- m1则为实际的锈蚀量。

2.1.4 加载方法

加载装置由以下四部分组成

1- 反力架 2-油压千斤顶 3-分配钢梁 4-试验梁

试验力的大小由位于反力架与千斤顶间的拉力传感器通过DH3818-2静态应变仪进行监测，将DH3818-2的应变通道设置平衡后，可以进行加载，每5KN为一级荷载，DH3818-2每显示3个微应变对应1KN的荷载，每级荷载持续5分钟。

2.2 试验的破坏现象

2.2.1 试验梁的破坏形态

6根试验梁的破坏形态均为受弯破坏，出现裂缝的时间也基本一致，也就是说钢筋的锈蚀率并不影响混凝土的开裂荷载，但是，锈蚀过程中发现同一根梁的两肢的锈裂过程存在一定的差别，将左右两肢的平均锈蚀率及裂缝宽度代表整根梁的锈蚀情况，整理实验资料如下：（如表1）

试验梁完成后进行破碎，粘结区段的钢筋锈蚀严重，二级钢肋间包满了混凝土粉末，钢筋经过酸洗后发现表面均有锈痕，但是靠近保护层的一面锈蚀更加严重，这与实际发生的锈蚀现象非常接近。

2.3 试验结果讨论

2.3.1：锈蚀率对于试验梁锈胀宽度的影响

根据2.2.1的试验结果，以锈蚀率为横坐标，以平均最大裂缝宽度为纵坐标，用折线描点的方法绘制两者的关系可以发现，锈胀宽度与锈蚀率没有必然联系，因为6根试验梁的配筋、规格、所用材料等情况完全一致，导致这一现象产生的原因除了试验存在误差外，很可能电化学腐蚀方法使粘结区段的钢筋产生非均匀锈蚀，使钢筋靠近保护层的一侧产生的锈胀力更大，使得裂缝宽度不仅要受锈蚀率的影响，还会受锈蚀力分布的影响。

2.3.2锈蚀对粘结强度的影响

下图为试验梁的计算简图：（如图1）

p/2为施加的外力，钢筋中的力F为沿着粘结长度的钢筋与混凝土界面上的粘结力，上部的钢铰提供大小相等，方向相反的力来平衡，由力和力矩平衡可得：

将h移到等式右边得：

如果用τ表示荷载作用下钢筋与混凝土界面的粘结应力，则：

Ab为钢筋的表面积，如果d为钢筋的直径，Ab=πdl， 则：

其中：b=600mm，a=80mm，d=20mm，l=200mm，h=240-40-50=150mm

由2.2.1的实验数据代入上式得：

以锈蚀率为横坐标，以粘结强度为纵坐标，用描点法绘制两者的关系可以总结出，粘结强度随着锈蚀率的增大逐渐增大，锈蚀率约为3.1%时，达到最大增幅（14.77-12.33）/12.33=19.7%，之后开始下降，但是锈蚀率达到4.7%时，粘结强度让高于12.33Mpa，说明钢筋锈蚀率不超过5%时，粘结强度不会低于未锈蚀水平。

以裂缝宽度为横坐标，以粘结强度为纵坐标，用描点法绘制两者关系可以看出，裂缝宽度对粘结强度的影响没有明显的关系，当试件表面出现0.42 mm裂缝时，粘结强度比未锈蚀的构件还要高，这说明，含箍构件的箍筋对维持纵筋的粘结强度有着积极的作用，它有效的约束了握裹层的混凝土，这种围裹作用不会因为表面的混凝土的锈裂而削弱钢筋与混凝土的粘结强度。

3 结论

通过钢筋混凝土构件梁式实验所得的数据分析，证明了受锈蚀的钢筋混凝土构件裂缝出现和发展以及破坏特征均与正常构件有所差别，但是，影响构件粘结强度的主要因素是钢筋的锈蚀率，粘结强度随锈蚀率的增加先增加后减小，但是锈蚀率在5%以内时，不会低于未锈蚀钢筋的水平，这个实验得出的结论对日后对施工技术管理更具有指导意义，将钢筋的锈蚀作为一个控制重点，避免在日后使用过程中由于钢筋锈蚀而造成不必要的经济损失。

参考文献

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