混凝土和钢筋间连接性能受加载速率影响研究

王泽中 张志腾 王喜臣 沈 杰 牟伦船

（中国建筑第八工程局第二建设有限公司，山东 济南 250014）

在建筑结构设计中，混凝土和钢筋之间的连接是至关重要的部分。其连接性能直接关系到整个结构的安全性和持久性，特别是在受到极端载荷条件的情况下。随着建筑结构的发展，越来越多的结构需要在复杂、多变的载荷条件下进行设计，这就需要更加关注不同加载速率对混凝土和钢筋间连接性能影响。

目前，已经有多位学者对混凝土和钢筋的连接性能进行了研究[1-3]，杨淑雁等[4]基于往复荷载下的未锈蚀钢筋混凝土构件的黏结滑移模型，研究了钢筋锈蚀的影响；袁广林等[5]对在不同受热温度、冷却方式和加载制度下的钢筋混凝土黏结性能进行试验，发现这些因素对高温后钢筋混凝土的黏结性能、极限黏结应力、极限滑移有很大的影响；任雪振等[6]研究了高温后混凝土和钢筋之间的黏结性能，发现在经历300℃高温后，与常温时相比，机制砂混凝土与钢筋黏结强度下降速度快。

在现有研究中对不同加载速率的混凝土和钢筋之间连接性能的研究较少，因此该研究制作了钢筋混凝土梁试件，进行不同加载速率的三点弯加载测试，研究结果可以为混凝土和钢筋连接的设计和维护提供重要依据。

1 工程概况

黄河体育中心智慧停车场项目位于济南新旧动能转换起步区崔寨片区，北至凤凰路北延线，南至华河路，西至黄河大道，东至规划路。东区范围占地约21 万m2，黄河体育中心智慧停车场项目总建筑面积约7.76 万m2，其中地上建筑面积约0.54 万m2，地下建筑面积约7.22 万m2，项目包括南车库、北车库、足球场外围车库、4 片足球训练场以及4 栋配套服务用房。

2 试验概况

2.1 试件设计

共使用了16 根具有相同尺寸和钢筋配置的混凝土梁试样，这些试样的尺寸为1600mm（长）×140mm（宽）×300mm（高）。试样的混凝土配合比见表1，经过28 天的养护，立方体抗压强度达到43MPa。选用了不同直径的钢筋作为试件的受压钢筋、箍筋和受拉钢筋。其中，受压钢筋直径为14mm，弹性模量为2.2×105MPa，断裂后相对伸长率为19%。箍筋直径为8mm，弹性模量为2.0×105MPa，断裂后伸长率为30%。受拉钢筋直径为20mm，其极限强度为458MPa，屈服强度为659MPa，弹性模量为2.0×105MPa，断裂后伸长率为25%。为了确保钢筋与混凝土的良好黏结，设置的黏结长度为钢筋直径的7.5 倍，即150mm。试件的非黏结区域位于试件跨中800mm 和试件两端各200mm处，并采用PVC 护套进行保护。此外，在距离试件两端350mm 处，还设置两个凹槽，其尺寸为120mm（长）×140mm（宽）×75mm（高），用于测量钢筋的变形量和与混凝土的滑移值。

表1 混凝土配合比

2.2 试验步骤

将所有混凝土梁分成两组进行试验，详细参数见表2。

表2 试件试验参数

D 组：对8 个混凝土梁试件进行了三点弯曲加载测试，以评估其强度特性。在测试过程中，采用了不同的加载速率，分别是0.5mm/min、5mm/min、30mm/min 和300mm/min，每种加载速率使用2 根梁进行试验。每个梁试件的右端被固定，在左端放置位移传感器，以实时监测混凝土和钢筋之间的相对滑移情况。此外，在每个梁试件的2 个凹槽中都安装了位移传感器，还在受拉钢筋上固定了2 个应变片，可以精确地测量钢筋的变形情况。

在E 组中，针对8 根梁试件中的纵向钢筋进行加速电流锈蚀处理。为提高试验的可靠性和精度，采用外加电流法以加速梁试件中纵向钢筋的锈蚀。为避免箍筋生锈，在梁试件的箍筋表面涂上了环氧树脂。在梁试件左侧黏结区的混凝土表面放置了一块不锈钢板作为阴极，并在不锈钢板上放置一块海绵。每天喷洒2 次5%的NaCl 溶液，以提供试验所需的氧气和水分。该研究采用300µA/cm2的电流密度，以充分模拟真实工程中钢筋的锈蚀情况，并考虑试验周期的问题。在电流施加结束后，将4 根钢筋混凝土梁样品并联在一个电源上以确保电流一致，试验步骤示意图如图1所示。梁试件在电流施加后经过62 天至通电试验结束后，将钢筋混凝土梁试样置于室内（约25℃和55%相对湿度）干燥72h，然后进行静态三点弯曲加载。加载速率、试件数量及位移传感器和应变片的放置与D 组梁试件相同。

图1 试验步骤示意图

3 试验结果分析

3.1 黏结应力-滑移曲线

图2 是黏结应力-滑移曲线在4 种不同加载速率条件下的变化情况，如图2所示，虽然每个混凝土梁试件通电加速锈蚀的时间相同，都是62d，但是其质量损失率有所不同，总体上在2.7%～8.8%变化，这是因为试验条件方面可能存在一些误差，例如温度、湿度等因素的微小变化可能会影响到试件的锈蚀，从而导致质量损失率的差异。此外，观察不同质量损失率及不同加载速率下的黏结应力-滑移曲线变化情况可知，其图像的变化趋势及形状基本相同，这与现有研究中的结果相吻合。从图2（b）中可以看出，随着加载速率增加，试件的黏结应力增大，这表明加载速率越大，试件的黏结强度和残余黏结强度越大；当质量损失率为4.2%～6.3%时，当加载速率从0.5mm/min 增至300mm/min时，梁试件的残余黏结强度增加幅度为40%。

图2 在4 种不同加载速率条件下黏结应力-滑移曲线的变化

3.2 应变率对黏结性能的影响

图3 是锈蚀钢筋混凝土梁试件在不同应变率下的黏结特性。图3（a）展示了黏结应力-滑移曲线在不同应变率条件下的变化，图3（b）显示了黏结强度和残余黏结强度结果。该试验表明，将加载速度从0.5mm/min 增至300mm/min 对锈蚀钢筋混凝土梁的黏结应力-滑移曲线的变化趋势几乎没有影响。如图3（a）所示，当应变率为10-4s-1～10-1s-1时，在4 种应变率条件下，锈蚀钢筋与混凝土间的黏结应力-滑移曲线的轮廓大致相同。改变应变率（加载速率）不会改变黏结应力-滑移曲线的形状，这是由于黏结应力-滑移曲线可以分为3 个阶段：起始阶段、转变阶段和平稳阶段，曲线的特征主要由混凝土与钢筋的材料和界面特性所决定，而这些特性与加载速率无关，尽管应变率不同，但是不同应变率的钢筋与混凝土的黏结破坏机理是不变的，当钢筋的最大应力达到黏结界面处的最大黏结应力时，混凝土试样的黏结将失效。

从图3（b）可以看出，提高应变率将显著提高钢筋与混凝土的黏结强度。当应变速率从10-4/s 逐渐增至10-1/s 时，梁试件的黏结强度增加了22%，残余黏结强度增加了46%。该结果与现有文献中的研究结果一致，这是由于当混凝土与钢筋发生黏结时，会在其接触面上形成一个薄层称为水化物层。该层是由水化混凝土与钢筋表面化学反应所形成的，提供了主要的黏结力。这种黏结机制在一定程度上依赖于混凝土与钢筋之间的相对运动，即应变。提高应变率会增加混凝土与钢筋接触面的相对运动，从而促进了水化物层的形成，并提高黏结强度。此外，高应变率还能促进混凝土中的水分向钢筋表面扩散，也有助于增强黏结强度。当钢筋与混凝土之间的黏结强度增加时，残余黏结强度也会相应增加。在该研究中，残余黏结强度与黏结强度的比值均保持在0.5 左右。一些学者的研究发现，在不同的应变率下，残余黏结强度和黏结强度的比值为0.3，这是由于钢筋的腐蚀程度具有差异，其试验条件也不同。

图3 应变率对黏结性能的影响

4 结论

该研究制作了钢筋混凝土梁试件，并将其分组进行不同加载速率下的三点弯加载测试，分析了不同加载速率对试件黏结应力-滑移曲线和黏结性能的影响，得到以下2 个结论：1）随着加载速率增加，试件的黏结应力增大，当加载速率从0.5mm/min 增至300mm/min 时，试件的残余黏结强度增加幅度为40%。2）应变率（加载速率）的变化对黏结应力-滑移曲线的形状影响不大，应变率对锈蚀钢筋与混凝土间的黏结性能具有强化作用。当应变率从10-4s-1增至10-1s-1时，梁试件的黏结强度增加了22%，残余黏结强度增加了46%。