浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2020, 54(5): 843-850 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.05.001

土木工程、交通工程

锈蚀不锈钢筋与混凝土黏结性能退化

王海龙,, 吴远建, 凌佳燕, 孙晓燕,

Bond degradation between corroded stainless steel bar and concrete

WANG Hai-long,, WU Yuan-jian, LING Jia-yan, SUN Xiao-yan,

通讯作者: 孙晓燕，女，副教授. orcid.org/0000-0003-0708-9565. E-mail： selina@zju.edu.cn

收稿日期: 2019-04-25  

Received: 2019-04-25  

作者简介 About authors

王海龙（1974—），男，教授，从事混凝土材料与结构研究.orcid.org/0000-0003-0805-7151.E-mail：hlwang@zju.edu.cn , E-mail：hlwang@zju.edu.cn

摘要

通过不同锈蚀率下不锈钢筋混凝土试件的中心拉拔试验，分析锈蚀率、锈胀裂缝宽度对不锈钢筋/混凝土黏结性能退化的影响规律，分别基于质量锈蚀率和表面裂缝宽度建立不锈钢筋与混凝土黏结强度的预测公式，并与普通钢筋混凝土黏结性能进行对比分析. 研究结果表明：类似普通钢筋混凝土黏结退化规律，锈蚀不锈钢筋黏结强度随锈蚀率增大呈先增后减趋势，但拐点锈蚀率较普通钢筋更大；不锈钢局部坑蚀具有较强的随机性，使得锈胀裂缝宽度与锈蚀率的关系较为离散，与基于锈蚀率的黏结退化模型相比，基于表面锈胀裂缝宽度的模型可以更好地预测不锈钢筋与混凝土黏结强度的退化规律，工程实用性更强；在相同锈蚀程度下，不锈钢筋黏结强度退化程度较普通钢筋小，现有的普通钢筋黏结退化模型可以用于不锈钢黏结强度的预测，具有一定的安全保证.

关键词： 不锈钢筋混凝土 ; 黏结强度 ; 退化 ; 锈蚀率 ; 裂缝宽度

Abstract

The direct pullout tests under different corrosion rates were conducted to evaluate the bond performance between the corroded stainless steel bar and the concrete. The influences of corrosion rate and surface crack width on the bond degradation were analyzed, and then predictive formulas of bond strength between the stainless steel bar and the concrete were given respectively based on the corrosion rate and the surface crack width. The differences of bond properties between ordinary and stainless steel reinforced concretes were compared. Test results show that the bond strength between corroded stainless steel bar and concrete increases firstly and then decreases as the increase of corrosion rate, which is similar to that of the ordinary reinforced concrete, however the critical corrosion rate of stainless steel affecting the bond strength is higher than that of ordinary reinforcement. Pitting corrosion has strong randomness, which leads to the discrete relationship between the corrosion crack width and corrosion rate. Compared with the model based on the corrosion rate, the predictive model based on the surface crack width has a better agreement with the test results, and is of better practicability. The degradation amount of bond strength of stainless steel reinforced concrete is smaller than that of ordinary reinforced concrete at a same corrosion degree. The existing bond degradation model of ordinary reinforced concrete can be used to descript the stainless steel reinforced concrete directly and has a certain safety stock.

Keywords： stainless steel reinforced concrete ; bond strength ; degradation ; corrosion rate ; crack width

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本文引用格式

王海龙, 吴远建, 凌佳燕, 孙晓燕. 锈蚀不锈钢筋与混凝土黏结性能退化. 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(5): 843-850 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.05.001

WANG Hai-long, WU Yuan-jian, LING Jia-yan, SUN Xiao-yan. Bond degradation between corroded stainless steel bar and concrete. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(5): 843-850 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.05.001

钢筋与混凝土之间的黏结是保证钢筋与混凝土这2种力学性能有巨大差异的材料能够协同工作的基本前提. 在复杂恶劣的服役环境中，混凝土中的钢筋不可避免会发生锈蚀，现有研究结果表明，在钢筋锈蚀后，其与混凝土的黏结性能存在先增后减的趋势[1]. 当钢筋锈蚀率较低时，表面锈层膨胀使钢筋与混凝土之间握裹力增大，黏结性能增强；当钢筋锈蚀率较大时，混凝土保护层开裂、钢筋肋锈蚀损伤和锈蚀产物充当润滑剂等因素共同影响使得钢筋黏结性能降低，最终导致结构失效.

不锈钢筋因为具有较好的耐腐蚀性能而逐渐被应用于强腐蚀环境或特别重要的结构中. 墨西哥Yucatan半岛Progresso栈桥长期暴露于炎热潮湿的海洋环境中，不锈钢筋的使用使得其在近70 a的使用过程中没有进行过大的维修[2]；国内深圳西部通道大桥与香港昂船洲大桥同样使用不锈钢筋，预计可以保证大桥至少在120 a内无须大修[3].

虽然不锈钢筋具有较好的耐蚀性能，但是相关研究表明在极端恶劣的环境中，若不锈钢钝化膜遭到破坏并且得不到修复，就不可避免会发生腐蚀[4]，腐蚀会引起不锈钢钢筋力学性能的劣化[5]和不锈钢钢筋混凝土构件服役性能的退化[6]. 有效黏结是保证混凝土结构整体性的必要条件，国内外学者从黏结强度、黏结滑移本构关系、黏结疲劳性能等方面对普通钢筋锈后黏结性能做了很多研究[7-9]，但是针对不锈钢筋/混凝土黏结性能的研究较少，锈蚀不锈钢筋与混凝土的黏结性能的退化规律尚未被掌握，不利于不锈钢钢筋混凝土结构的性能评价与安全评估. 现有的黏结强度计算模型能否直接应用于锈蚀不锈钢筋的黏结强度预测也尚不清楚. 此外，现有黏结强度退化模型多基于锈蚀率和锈层厚度，然而探测在役结构锈蚀率或锈层厚度的难度较大，因此若能基于表面裂缝宽度建立黏结强度预测模型，则模型更具实用性[10]，目前对此的研究也较少. 因此，本研究通过电化学加速锈蚀方法获取不同锈蚀程度的不锈钢筋混凝土试件，基于锈蚀率和表面裂缝宽度探讨不锈钢筋与混凝土的黏结强度退化规律.

1. 试验设计

1.1. 试件设计

拔出试件采用中心拉拔试件，不锈钢筋直径为25 mm，混凝土试件尺寸为250 mm×250 mm×250 mm，黏结区段长度为125 mm，如图1所示. 混凝土为C50普通硅酸盐混凝土，实测轴心抗压强度fc=35.55 N/mm2，为了加速不锈钢筋锈蚀，内掺质量分数为3.5%的氯化钠，混凝土配合比如表1所示. 试验采用新型2205双相型不锈钢筋，此钢筋是在原2205不锈钢基础上调整元素质量分数而特制的具有更高耐蚀性能的双相型不锈钢，其元素质量分数如表2所示，耐蚀性能约为普通碳素钢筋的75倍[5]. 不锈钢筋名义屈服强度为511 MPa，极限抗拉强度为714 MPa，弹性模量为151 GPa，名义屈服强度对应的应变ε0.2=0.005 4，其延性明显高于普通碳素钢. 试件共32个，每4个为一组，各组目标锈蚀率ηt=0、1%、3%、4%、5%、7%、9%、12%，不锈钢筋与大气环境交界处用环氧树脂涂覆以免此处发生局部腐蚀.

图 1

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图 1   中心拔出试件尺寸

Fig.1   Dimensions of pullout specimen


表 1   混凝土配合比

Tab.1  Mix proportions of concrete

材料 ρB/（kg∙m−3） 材料 ρB/（kg∙m−3）
水 220.0 石 1 033.5
水泥 611.6 盐 7.7
砂 486.4 减水剂 2.2

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表 2   新型2205不锈钢元素化学组分

Tab.2  Chemical compositions of novel 2205 stainless steel

元素 wB/% 元素 wB/%
C 0.02 Cr 22.83
Mn 1.36 Ni 6.15
S − Mo 3.21
Si 0.14 − −

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1.2. 加速锈蚀

采用电化学方法对试件内不锈钢筋进行加速锈蚀，具体方法为将养护完毕的拔出试件浸泡在质量分数为3.5%的NaCl溶液中7 d，然后以试件钢筋为阳极，另置一不锈钢棒为阴极接入直流电源形成电解池. 取电流密度为600 μA/cm2，依据法拉第定律计算通电时间，达到目标锈蚀率后取出试件进行拉拔试验，在钢筋拔出后根据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[11]称量统计锈蚀区段实际质量锈蚀率η.

1.3. 拉拔试验

在进行拔出试验前，用裂缝观测仪测量试件表面的锈胀裂缝宽度. 采用WAW-2000D型电液伺服试验机对试件进行加载，试验机量程为2 000 kN，试验力示值相对误差≤示值的±1%，试验采用位移加载模式，加载速率为0.2 mm/min. 在加载时，由于试验空间限制，在加载端布置1个百分表式位移计，自由端布置2个百分表式位移计，以避免偏心作用对试验结果的影响. 为了便于更换试件，在加载端钢板预留切槽，具体如图2所示.

图 2

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图 2   拔出试验加载装置

Fig.2   Loading set-up of pullout test


2. 试验结果与分析

2.1. 试验现象

除实际锈蚀率为14.360%的试件由于对侧2条宽度分别为0.31、0.27 mm的裂缝在加载时贯通，发生劈裂拔出破坏以外，其余试件均为劈裂破坏.

在通电锈蚀后，试件产生宽度不一的锈胀裂缝；在进行拔出试验时，随着荷载的增大，锈胀裂缝逐渐扩展，最后当荷载达到极限荷载并持荷一定时间后，试件发生劈裂破坏并发出巨大声响（除锈蚀率近14.000%组），试件通常被劈裂成2~4块. 在劈裂后，可以观察到，除锈胀裂缝外，部分混凝土试件出现若干条次裂缝，这是由于横肋对混凝土的斜向挤压力对混凝土产生楔的作用，当斜向挤压力的径向分量与锈胀裂缝面平行时，混凝土非锈胀面也可能产生裂缝，如图3所示. 如图4为劈裂破坏面细节图，在钢筋拔出后，肋间附着较多压碎混凝土粉末，相邻肋间混凝土有明显磨损痕迹. 劈裂面有成片锈迹，证明破坏沿着锈胀裂缝面发展.

图 3

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图 3   拔出试件典型破坏模式

Fig.3   Typical failure modes of pullout specimens


图 4

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图 4   拔出试件劈裂破坏面细节

Fig.4   Details of splitting failure surface of pullout specimens


2.2. 黏结强度

不锈钢筋与混凝土的黏结应力可以表示为

$\tau = {P / {({\text{π}} dl)}}.$

式中：τ为平均黏结应力，P为加载端荷载，d为钢筋直径，l为黏结长度.

拉拔试验的部分结果如表3所示. 表中，Sm为自由端与加载端的峰值滑移，κp1、κp2分别为基于锈蚀率和表面裂缝宽度的黏结强度衰减系数. 分别以锈蚀率为0%和表面裂缝宽度为0 mm时极限黏结强度平均值 ${\bar \tau _{{\rm{\eta = 0}}}}$、 ${\bar \tau _{{\rm{\omega }} = 0}}$为基础，定义基于锈蚀率和表面裂缝宽度的黏结强度衰减系数：

表 3   锈蚀不锈钢筋拉拔试验部分结果

Tab.3  Partial results of pullout test for corroded stainless steel bar

试件编号 ηt/% ηa/% ω/mm Sm/mm τ/MPa κp1 κp2
自由端 加载端
0-1 0 0 0 0.284 0.953 10.868 1.054 0.996
1-1 1 1.73 0.17 0.421 1.115 12.066 1.170 1.105
3-1 3 3.04 0.05 0.278 1.139 11.460 1.111 1.221
4-1 4 3.98 0.28 0.315 1.446 14.634 1.419 1.169
5-1 5 4.95 0.33 0.342 1.696 8.555 0.829 0.940
7-1 7 5.82 0.19 0.392 1.003 9.219 0.894 0.866
9-1 9 7.47 0.21 0.259 0.813 8.902 0.863 0.731
12-1 12 11.33 0.07 0.454 2.331 13.289 1.288 0.473

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$ {\kappa _{\rm{p1}}} = {\tau _{\rm{\eta }}}/{{\overline{\tau}} _{{\rm{\eta }} = 0}}, $

${\kappa _{\rm{p2}}} = {{{\tau _\omega }}/ {{{\overline{\tau}} _{\omega {\rm{ = 0}}}}}}.$

式中：τη、τω分别为实际锈蚀率为η时，表面裂缝宽度为ω时，不锈钢筋/混凝土极限黏结强度.则锈蚀不锈钢筋/混凝土实际黏结强度为

$\tau = {\tau _0} \; {\kappa _{\rm{p}}}.$

式中：τ0、κp为锈蚀率为0%或表面裂缝宽度为0 mm时不锈钢筋/混凝土极限黏结强度、黏结强度衰减系数.

2.3. 黏结滑移曲线

部分锈蚀率典型黏结滑移曲线如图5所示.图中，S为自由端与加载端的滑移. 由于拔出试件几乎全部为劈裂破坏，黏结滑移曲线未测出残余段，可以将黏结滑移曲线分为4个阶段：微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段[12].

图 5

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图 5   不同锈蚀率试件黏结滑移曲线

Fig.5   Bond stress-slip curve of specimens with different corrosion rates


对于锈蚀率较小（η<7.000%）的试件，在加载初期，自由端滑移几乎为零，加载端滑移逐渐向自由端传递，当黏结应力达到极限黏结应力的70.000%时，自由端滑移速度加快. 当黏结滑移曲线达到峰值以后，通常在短暂持载后出现陡降段. 因为当锈蚀率较小时，不锈钢筋肋相对完整，混凝土未开裂或裂缝宽度较小，混凝土与不锈钢筋之间有较强的机械咬合力，一旦肋间混凝土被压碎，试件瞬间卸载，造成曲线突降现象.

对于大锈蚀率（η>7.000%）试件，在加载初期自由端滑移速度明显比低锈率组更快，即随着锈蚀率的增大，微滑移段逐渐降低. 在黏结滑移曲线达到峰值后持荷时间变长，甚至在达到一定锈蚀率后，陡降段消失. 因为不锈钢筋肋锈蚀损伤加重，混凝土开裂导致其与不锈钢筋间机械咬合力降低，钢筋与混凝土间的黏结力中摩擦力占比增大.

3. 不锈钢筋锈蚀对黏结强度的影响

3.1. 锈蚀率对黏结强度的影响

类似普通钢筋黏结退化规律，锈蚀不锈钢筋黏结强度随锈蚀率增大呈先增后减趋势. 不锈钢筋极限黏结强度与锈蚀率关系如图6所示. 通过对试验数据的回归分析，得到基于锈蚀率的不锈钢筋黏结强度退化模型：

图 6

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图 6   黏结强度衰减系数与质量锈蚀率关系

Fig.6   Relationship between coefficient of bond strength drop and corrosion rate


$ {\kappa _{\rm{p1}}} =\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} 1 + 7.4\eta ,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\eta \leqslant 2.655{\text{%}} ;\\ 1.395 - 7.4\eta, \;\;\;\eta > 2.655{\text{%}} . \end{array}} \right. $

当锈蚀率较小时，钢筋锈蚀产物体积膨胀产生锈胀压力，此时混凝土未开裂或裂缝宽度较小，锈胀压力使钢筋与混凝土之间的握裹力增大，导致钢筋黏结强度有所提升. 随着锈蚀率的增大，锈胀压力导致混凝土开裂并使裂缝宽度逐渐增大，此时三方面的因素导致钢筋黏结强度下降：1）混凝土保护层开裂导致握裹力降低；2）锈蚀产物积累成为钢筋和混凝土之间的润滑剂，两者摩擦作用减小；3）钢筋肋不断锈蚀损伤，与混凝土的机械咬合作用降低.

对比基于锈蚀率的普通钢筋黏结强度退化数据及数学模型，如图7所示. 可以发现，普通钢筋黏结强度拐点锈蚀率约为0.500%～1.000%，小于本研究不锈钢拐点锈蚀率2.655%. 当锈蚀率大于3.000%时，普通钢筋95%以上的数据落在不锈钢模型下方，在同等锈蚀率下，不锈钢筋黏结强度退化程度较普通钢筋小，原因是不锈钢锈蚀时沿钢筋纵向表现出较大的不均匀性，发生局部坑蚀，且坑蚀现象随锈蚀率的升高更加严重，如图8所示. 当某处发生严重坑蚀而其他位置锈蚀程度较小时，锈蚀对不锈钢筋黏结退化影响较小. 本研究试验数据94%以上处于普通钢筋黏结退化模型上方，因此使用基于锈蚀率的普通钢筋黏结退化模型预测锈后不锈钢筋残余黏结强度是可行的且有一定安全保证.

图 7

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图 7   基于锈蚀率的黏结退化模型对比

Fig.7   Comparison of degradation model of bond strength based on corrosion rate


图 8

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图 8   不同锈蚀率的不锈钢筋表面形态

Fig.8   Surface of stainless steel bars with different corrosion rates


3.2. 裂缝宽度对黏结强度的影响

在实际工程中检测在役结构中钢筋的质量锈蚀率通常较难，而结构表面裂缝宽度较容易测量，因此基于表面裂缝宽度的黏结退化模型适用性更强，本研究基于表面裂缝宽度探讨不锈钢筋黏结退化模型. 锈蚀不锈钢筋黏结强度衰减系数与表面裂缝宽度关系如图9所示.

图 9

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图 9   黏结强度衰减系数与裂缝宽度关系

Fig.9   Relationship between bond strength degradation coefficient and surface crack width


相关研究[24]表明，混凝土保护层厚度与钢筋直径对基于表面裂缝宽度的黏结退化规律没有太大影响，故本研究基于表面裂缝宽度对不锈钢筋与混凝土的黏结强度进行回归分析，得到黏结强度退化系数与锈蚀裂缝宽度的关系：

$ {\kappa _{\rm{p2}}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} 1,\;\qquad\qquad\qquad\qquad \omega \leqslant 0.133 {\rm{mm}};\\ { 1 - 1.066(\omega - 0.133),\;\;\omega > 0.133 \;{\rm{mm}}}. \end{array}} \right. $

当裂缝宽度ω≤0.133 mm时，裂缝对不锈钢筋黏结强度几乎没有影响. 当裂缝宽度继续增大时，不锈钢筋黏结强度逐渐衰减. 这是由于变形钢筋与混凝土黏结强度主要来源是钢筋肋与混凝土的机械咬合力，裂缝的产生会释放混凝土对钢筋的握裹力. 当裂缝宽度较小时（ω≤0.133 mm），不锈钢筋锈蚀率也较小（η≤4.100%），钢筋肋锈蚀损伤较小，钢筋变形肋与混凝土之间的机械咬合力几乎没有变化，因此当裂缝宽度较小时，裂缝对不锈钢筋的黏结强度几乎没有影响.

如图10所示，对比碳素钢筋与不锈钢筋锈胀裂缝宽度与锈蚀率的关系. 图中，c为混凝土保护层厚度.相关研究表明保护层厚度越大，表面裂缝宽度越大[17]，由图10可以看出，在碳素钢筋保护层厚度最小的情况下，当质量锈蚀率相同时，表面锈胀裂缝宽度依然呈现均匀锈蚀碳钢>非均匀锈蚀碳钢>锈蚀不锈钢的关系，造成这种现象的原因是：对于非均匀锈蚀尤其是坑蚀，锈蚀产物往往更加集中，坑蚀区混凝土的胀裂将受到周围混凝土的约束[26]，导致在相同质量锈蚀率下，不锈钢筋表面锈胀裂缝宽度更小. 如图11所示，均匀锈蚀碳钢试件锈胀裂缝沿锈蚀段全长分布，而坑蚀不锈钢试件锈胀裂缝仅产生在坑蚀区. 徐港等[27]提出，在相同条件下，锈蚀面积比（锈蚀部分表面积与总表面积之比）越大，保护层胀裂所需要的锈蚀率就越小. 均匀锈蚀的锈蚀面积比为1.0，而不锈钢发生坑蚀，锈蚀面积比较小，因此在相同锈蚀率下，不锈钢锈胀裂缝宽度更小，这与本研究结论吻合. 此外，由于不锈钢坑蚀的随机性，试件表面裂缝宽度与锈蚀率关系较为离散，对比基于锈蚀率的黏结退化模型，基于裂缝宽度的黏结退化模型R2更大，拟合效果更好.

图 10

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图 10   锈胀裂缝宽度与质量锈蚀率关系

Fig.10   Relationship between surface crack width and corrosion rate


图 11

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图 11   不同锈蚀形态的裂缝对比

Fig.11   Comparison of crack in different corrosion forms


如图12所示，对比基于表面裂缝宽度的普通钢筋黏结退化数据及模型，对比数据均选用非均匀锈蚀普通钢筋混凝土试件. 可以看出，基于表面裂缝宽度的不锈钢筋黏结退化模型较基于锈蚀率的模型与普通钢筋结果更吻合，因为不锈钢的坑蚀导致在相同裂缝宽度下，不锈钢的质量锈蚀率较碳钢更高，也解释了不锈钢基于锈蚀率模型的拐点锈蚀率比碳钢要大的现象. 当表面裂缝宽度ω≤0.500 mm时，普通钢筋黏结数据大部分落在本研究不锈钢模型稍下方，使用普通钢筋基于缝宽的模型预测不锈钢的黏结强度可行，且略有保守；当表面裂缝宽度ω≥0.500 mm时，普通钢筋黏结数据大多处于不锈钢模型上方，此时使用普通钢筋黏结退化模型预测锈蚀不锈钢黏结强度有一定风险. 由于本试验在裂缝宽度ω≥0.500 mm的数据点仅2个，因此较大裂缝宽度的不锈钢黏结强度退化模型尚待进一步的研究.

图 12

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图 12   基于表面裂缝宽度的黏结退化模型对比

Fig.12   Comparison of degradation model of bond strength based on surface crack width


4. 结　论

（1）随着锈蚀率的增大，不锈钢筋肋锈蚀损伤加重，拔出试验黏结滑移曲线表现为峰值荷载持荷时间变长，在到达一定锈蚀率后甚至出现陡降段消失的现象.

（2）锈蚀不锈钢黏结退化规律与普通钢筋相似，随着锈蚀率的增长，不锈钢黏结强度呈先增后减趋势. 不锈钢筋拐点锈蚀率为2.655%，与普通碳素钢筋的0.5%~1.0%相比较大.

（3）在同等锈蚀率下，不锈钢筋与混凝土之间的黏结性能退化程度较普通钢筋小，使用普通钢筋基于锈蚀率的黏结强度退化模型预测不锈钢的黏结退化可行，且有一定的安全保证.

（4）基于裂缝宽度的黏结退化模型在工程应用上更具实用性，且由于不锈钢坑蚀的随机性，在相同锈蚀率条件下，混凝土表面裂缝宽度可能存在较大差异，基于裂缝宽度的黏结退化模型较基于锈蚀率的模型拟合效果更好，可靠性更强，建议优先使用. 当裂缝宽度ω≤0.133 mm时，裂缝对不锈钢筋黏结强度几乎没有影响，随着裂缝宽度继续增大，不锈钢筋黏结强度逐渐衰减. 原因是当裂缝宽度较小时，不锈钢筋锈蚀率也较小，钢筋肋锈蚀损伤较轻，占黏结强度主要部分的机械咬合力没有减小.

（5）基于裂缝宽度的黏结退化模型较基于锈蚀率的模型与普通钢筋结果更吻合，拟合效果更好，但当裂缝宽度ω≥0.500 mm时，使用普通钢筋基于裂缝宽度的模型预测不锈钢黏结强度具有较大风险. 本试验较大裂缝宽度的不锈钢试件数较少，其黏结强度退化模型尚待进一步的研究.

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