摘要通过室内试验研究了冻融循环与锈蚀作用对钢筋混凝土试件界面黏结性能的影响结果表明冻融作用使混凝土表面砂浆脱落骨料露出力学性能下降锈蚀率较低时钢筋混凝土的黏结性能反而增强但锈蚀率较大时其黏结性能较未锈蚀试件有所降低严重的锈蚀会降低钢筋混凝土的黏结性能锈蚀与冻融共同作用导致混凝土强度降低塑性增强钢筋与混凝土之间的黏结性能明显下降随着冻融次数的增加钢筋混凝土的极限抗拉荷载逐渐降低在锈蚀与冻融共同作用下钢筋混凝土试件受拉的初始阶段拉力与位移的关系呈分段线性关系当拉力达到极限荷载后拉力位移曲线出现明显塑性变形特性
关键词水利工程钢筋混凝土锈蚀冻融循环黏结性能
0引言
钢筋混凝土结合了钢筋抗拉强度高与混凝土抗压能力强的优点，且取材方便，造价较低，适用性强，是当前土木工程中应用广泛的建筑材料。但是，钢筋混凝土结构服役环境较为复杂，其力学性能及耐久性容易受到周围环境因素的影响。钢筋混凝土破坏的最重要因素是钢筋锈蚀作用。研究表明：钢筋锈蚀不仅会导致钢筋截面积减小、力学性能下降，而且会造成混凝土顺筋胀裂、钢筋与混凝土之间黏结力衰退等现象。我国北方地区冻害严重，在冻融循环作用下服役的钢筋混凝土结构由于冻融作用而导致耐久性降低，达不到设计寿命。根据全国32个大型混凝土坝、40多个中小型水工建筑物水工结构耐久性调查[1]，22%的大型工程，21%的中小型工程都存在冻融循环破坏等严重问题。这些隐患将诱发混凝土开裂、界面黏结强度降低等问题，致使钢筋混凝土结构严重受损，其安全性以及耐久性受到影响。目前国内外关于钢筋混凝土在锈蚀作用、冻融作用下的耐久性研究成果已经非常丰富，主要集中在钢筋锈蚀机理[2⁃3]、锈蚀后钢筋力学性能[4]、钢筋锈蚀后钢筋与混凝土之间黏结性能[5⁃6]、混凝土冻融破坏机理[7⁃9]、混凝土的抗冻性及抗冻措施[10]等方面，但大多数研究只针对冻融循环或钢筋锈蚀单一因素作用对钢筋混凝土耐久性的影响。关于冻融循环与钢筋锈蚀共同作用下钢筋混凝土力学性能及耐久性的研究涉及不多。赵炜等[11]研究了冻融损伤对内部钢筋锈蚀程度和锈蚀速率的影响，结果表明冻融损伤对混凝土内部钢筋锈蚀影响较大，钢筋的锈蚀速率随着冻融循环次数和氯离子侵蚀龄期的增加而增加;胡孔亮等[12]研究了冻融循环和氯盐侵蚀作用下钢筋与混凝土的黏结性能及黏结性能退化规律;王轩昂[13]开展了考虑冻融和箍筋锈蚀影响的钢筋混凝土黏结性能试验研究，研究了锈蚀率、冻融次数以及箍筋间距耦合作用下钢筋与混凝土之间黏结强度和滑移量变化规律;B.DIAO等[14⁃15]研究了锈蚀、冻融循环、持续荷载共同作用对钢筋混凝土梁力学性能的影响，发现冻融、锈蚀耦合作用造成的力学性能的劣化比单一因素更加显著;Z.D.WANG等[16]研究了冻融循环与氯盐侵蚀对钢筋混凝土内钢筋锈蚀的影响，但没有研究其界面黏结性能。总体来说，关于冻融与锈蚀共同作用对钢筋混凝土耐久性的影响研究仍相对比较缺乏。笔者通过室内试验，研究了冻融循环以及锈蚀作用对钢筋混凝土的抗拉性能的影响，为钢筋混凝土结构耐久性设计提供理论依据。
1试验概况
1.1试验设计
试验采用42.5号普通硅酸盐水泥、普通细河沙制备试件，骨料由大小石子按照6∶4的比例配合而成，最大粒径不超过20mm，钢筋分别采用φ12、φ16mm的HPB235光圆钢筋、HRB235螺纹钢筋。试件尺寸为100mm×100mm×100mm，钢筋锚固长度40mm(图1)，混凝土配合比如表1。
试验设25次冻融循环为一组，分别进行25、50、75、100、125、150次冻融循环，每组制备3个试件，质量损失、钢筋锈蚀率取其平均值，共计42个试件。
1.2试验设备
试验采用单卧式混凝土搅拌机、复合式振动台进行试件制备，用APS3003S⁃3D多路直流稳压稳流电源进行钢筋加速锈蚀试验，用恒温恒湿标准养护箱进行试件养护，用YSHY⁃800D混凝土快速冻融循环试验机进行冻融试验，用DNS300万能试验机进行钢筋混凝土试件的中心拉拔试验。
1.3试验方法
试件养护：根据规范GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，将制备好的试件在制作完成24h后拆模，在标准养护室中养护24d，放入水中(20±2)℃养护4d，水面要高出试件表面(20～30)mm。
钢筋加速锈蚀试验：试件养护28d后取出拆除外露钢筋端部缠绕纱布，并做表面清洁处理，然后将试件放置于浓度为5%的氯化钠溶液中，采用恒稳电流加速锈蚀(图2)。锈蚀结束后采用法拉第定理计算得到各个试件的锈蚀率。
冻融试验：锈蚀试验后，将试件放入快速冻融试验机内进行冻融试验，冻融循环一次的时间为4h左右，其中融化的时间不少于一次冻融循环时间的1/4，25次循环进行一次质量测试。
中心拉拔试验：用DNS300万能试验机对冻融后的试件进行中心拉拔试验，试验采用位移控制法，以分析不同冻融循环次数、不同锈蚀率的试件的抗拉性能。
钢筋酸洗：拉拔试验完成后将混凝土试件破型，清除钢筋表面的混凝土残渣，并用浓度在5%～8%的盐酸溶液浸泡进行酸洗、除锈，之后将钢筋放入氢氧化钠溶液中和钢筋表面残留的盐酸，再将钢筋放入烘烤箱中烘干并称量整段钢筋质量，根据锈蚀前整段钢筋的质量，计算钢筋锈蚀率并与锈蚀试验的锈蚀率进行校核。
2试验结果及分析
2.1冻融循环对钢筋混凝土试件外观及质量的影响
图3给出了同一批试件经历不同冻融循环次数后混凝土的外观变化。可以看出，未冻融试件表面光滑、平整;冻融25次后，试件表面边角处出现少量的蜂窝状小孔洞;冻融50次后，试件表面出现部分砂浆脱落、剥离;冻融75次后，试件表面出现大量砂浆脱落，部分骨料露出;冻融100次后，试件表面砂浆基本脱落，小颗粒骨料大量脱落，大颗粒骨料少量脱落，表面极不平整;冻融125次以上后，试件形状已极不规则，完全被冻坏，基本丧失承载能力。总体来看，随着冻融次数的增加，试件表面由平整逐渐变得粗糙，质量损失逐渐增大，钢筋保护层厚度逐渐降低。
图4给出了不同锈蚀率试件经历不同冻融循环次数后的质量损失率(冻融前、后试件的质量差与冻融前质量的比值)。可以看出，所有试件在冻融75次之前，冻融导致混凝土内的裂纹扩展、空隙吸水，但试件表面脱落并不明显，冻融后质量反而增加;冻融75次之后，随着冻融次数增加，试件表面砂浆脱落严重，质量损失明显增加，其中未锈蚀试件质量损失最显著，钢筋锈蚀率为2.8%的质量损失率最小，锈蚀率为5.6%的试件的质量损失率居中。究其原因，主要是锈蚀率较低时，钢筋锈蚀导致体积膨胀，钢筋周围的混凝土更加紧密，致使空隙减小、吸水减少，表面砂浆脱落也有所减少，质量损失率较未锈蚀试件减小;但锈蚀率较大时，锈胀导致钢筋周围混凝土裂纹增加，冻融后表面脱落严重，质量损失增加。
2.2冻融循环及锈蚀作用对钢筋混凝土极限拉拔荷载的影响
极限拉拔荷载是反映钢筋与混凝土黏结性能的直接参数。采用万能试验机，可以直接测出拉拔荷载及对应的位移。图5给出了不同冻融循环次数时光圆钢筋混凝土试件的极限拉拔荷载。可以看出：
1)随着冻融循环次数的增加，钢筋混凝土试件的极限拉拔荷载逐渐下降，当冻融次数达到50次时，试件的极限抗拉荷载已经降低到未冻融时的50%左右，可见冻融循环作用对钢筋混凝土的黏结性能影响很大。
2)锈蚀率为2.8%试件的极限抗拉荷载高于未锈蚀试件，其中未冻融时高达43.9%，这是由于钢筋锈蚀生成的铁锈导致钢筋体积膨胀，产生锈胀力，增大了钢筋与混凝土之间的摩擦力，黏结强度也因此增大。
3)对于锈蚀率为5.6%的试件，未冻融时的极限抗拉荷载介于锈蚀率为0%及2.8%的试件之间。当冻融次数达到150次时，其黏结性能基本完全散失。这是由于冻融循环作用进一步降低了钢筋与混凝土的黏结性能，钢筋与混凝土之间的咬合力下降所致
。2.3冻融循环及锈蚀作用对钢筋混凝土拉力⁃位移曲线的影响
图6给出了3种锈蚀率光圆钢筋混凝土试件经历不同冻融次数后的拉拔力F与位移u的关系曲线，可以看出：
1)在拉拔初始阶段，钢筋与混凝土之间为黏结状态，随着钢筋端位移的增加，拉力与位移之间呈线弹性关系，当拉力荷载达到极限荷载后，随着拉拔位移的继续增加，钢筋与混凝土发生相对滑移，拉力⁃位移曲线出现软化，随着拉拔位移的增加，拉力逐渐减小。
2)冻融次数越多，试件的抗拉极限荷载及峰值位移越小，极限荷载之后荷载⁃位移曲线的塑性越明显，主要原因是冻融次数越多，试件内部的微裂隙越多，试件越松散，导致其脆性减弱、塑性增强。
3)与未锈蚀试件相比，当钢筋锈蚀率较低时(如2.8%及5.6%)，其荷载⁃位移曲线的线性阶段呈现分段直线特性，开始时荷载随位移的增长增加缓慢，但位移超过2mm之后，荷载随位移增长增加迅速。其原因可能是拉拔初期钢筋与混凝土之间的黏结力主要由钢筋锈蚀产生的化学咬合力承担，当荷载继续增加后，钢筋与混凝土之间的黏结力主要由两者之间的摩擦咬合力承担。
2.4冻融作用对钢筋锈蚀的影响
冻融前，试验采用法拉第定理计算得到两组试件的钢筋锈蚀率分别为2.8%和5.6%，采用钢筋酸洗法得到的钢筋锈蚀率分别为2.83%和5.51%，表明两种方法得到的锈蚀率比较接近。为分析冻融循环作用对钢筋锈蚀的影响，对冻融后的试件采用钢筋酸洗法测定不同冻融循环次数后的钢筋锈蚀率。
表2给出了初始锈蚀率为2.8%和5.6%的两组试件在经历不同冻融循环次数后的钢筋锈蚀率。
从表2可以看出，冻融循环次数少时，由于冻融主要影响混凝土表面的保护层，对钢筋混凝土界面的影响不大，所以钢筋的锈蚀率变化不大;但是冻融次数较大时，冻融作用对混凝土的破坏作用已经逐渐深入，导致内部出现裂纹，水分逐渐深入裂纹并影响到钢筋混凝土界面，导致钢筋锈蚀率明显增加，与文献[11]得出的结论一致。因此，冻融作用会导致钢筋锈蚀率的增加，加剧界面黏结性能劣化的趋势。
2.5锈蚀及冻融循环作用对钢筋混凝土试件破坏规律的影响
试验研究了直径分别为12、16mm的光圆钢筋、螺纹钢筋试件在拉拔荷载作用下的破坏型式。
1)未冻融、未锈蚀试件：其破坏形态主要有拔出破坏、拉断破坏、劈裂破坏3种，如图7(a)～图7(c)。其中，光圆钢筋混凝土试件因钢筋与混凝土之间的黏结力相对较小，破坏形态基本为拔出破坏，即随着拉拔荷载的增加，当荷载超过钢筋与混凝土之间的黏结力后，钢筋从混凝土中拔出;螺纹钢筋混凝土试件的钢筋与混凝土之间的黏结力特别是机械咬合力较大，其破坏形态既有钢筋拉断破坏，也有劈裂破坏，钢筋直径较小的一般为拉断破坏，钢筋直径较大的一般为劈裂破坏。
2)锈蚀钢筋试件：锈蚀率较高时，钢筋与混凝土之间的咬合力降低，试件破坏以拔出破坏为主，破坏前受拉钢筋端有明显滑移，钢筋周围混凝土出现碎裂，破坏时极限荷载降低，锈蚀率越高，极限荷载降低越明显，试件破坏时未出现明显的劈裂破坏或拉断破坏现象。
3)冻融作用后的钢筋混凝土试件，如图7(d)：峰值荷载后有钢筋拉拔端有明显拔出位移，破坏时钢筋周围混凝土出现发散性裂纹，混凝土强度降低，钢筋与混凝土之间的黏结性能下降，抗拉性能明显降低，拉拔荷载作用下的破坏型式呈现塑性特征。
3结论
1)随着冻融次数的增加，钢筋混凝土表面逐渐出现孔洞、砂浆脱落，直至骨料露出，表面逐渐变粗糙，导致其力学性能下降，锈蚀率对钢筋混凝土冻融后的质量损失率有影响。
2)钢筋混凝土的极限抗拉荷载随着冻融次数的增加逐渐减低，当冻融次数达到50次以后，其极限抗拉荷载下降到未冻融的50%以下。
3)冻融作用会加速钢筋的锈蚀，而钢筋锈蚀对冻融作用后钢筋混凝土的抗拉性能有影响，锈蚀率较低时(2.8%左右)，极限抗拉荷载反而增大，当锈蚀率较大时，极限抗拉荷载较锈蚀前有所降低。
4)锈蚀及冻融作用下，钢筋混凝土试件的拉力⁃位移曲线与普通钢筋混凝土试件基本类似，但初期拉力与位移曲线呈现明显的分段直线特性，当拉力达到极限荷载后，荷载随位移增加而降低，有明显的塑性特性。
5)普通钢筋混凝土试件在拉拔荷载作用下的破坏形态有拔出、拉断、劈裂3种型式;锈蚀作用将使钢筋与混凝土之间的黏结性能下降，冻融作用导致混凝土内微裂缝增多、混凝土强度降低，进一步削弱了钢筋与混凝土之间的黏结性能，拉拔荷载下试件破坏以拔出破坏为主，破坏时塑性特征更明显。——论文作者：董玉文1，余鑫2，秦瑶1，王宗波1
相关期刊推荐：《重庆交通大学学报·自然科学版》是由重庆交通大学主管主办的国内外公开发行的学术性期刊(双月刊)，主要刊登交通运输工程、道路工程、桥梁与隧道工程、水利工程、航道与港口工程、环境工程、材料工程、抗震减灾工程、地质灾害等方面研究成果。设有：道路工程、桥梁及结构工程、港航与建筑工程、交通及汽车工程、管理工程、基础学科等栏目。
