套筒内锈蚀钢筋与灌浆料黏结性能试验研究

杜永峰 张天允 李虎

摘 要：为了研究钢筋锈蚀对灌浆套筒接头连接性能的影响，通过对20个进行人工锈蚀的试件开展拉拔试验，获得灌浆套筒内不同直径的钢筋在不同锈蚀率情况下的破坏形态、锚 固内部钢筋应变和荷载滑移曲线.对比分析不同直径钢筋在不同锈蚀率情况下的黏结应力分布曲线、相对滑移曲线和不同锚固位置处的黏结滑移曲线.通过试验结果和理论分析，发现随着锈蚀率的增加，钢筋的抗拔能力均有不同程度的衰减，当锈蚀率达到12%时，灌浆套筒内钢筋的抗拔能力降低约50%;分析得出灌浆套筒内锈蚀钢筋的黏结应力衰减机理;建立钢筋锈蚀前后黏结锚固位置函数模型，并确定参数取值;建立钢筋锈蚀前后与灌浆料间考虑黏结锚 固位置函数的黏结滑移本构关系，为锈蚀前后钢筋与灌浆料的有限元分析提供参考依据.

关键词：锈蚀;灌浆套筒;黏结滑移曲线;黏结锚固位置函数;黏结滑移本构关系中图分类号：TU375  文献标志码：A

Experimental Study on Bonding Performance of Corroded Steel Bars and Grout in Sleeve

DU Yongfeng1，2，ZHANG Tianyun1?，LI Hu1

（1.Institute of Earthquake Protection and Disastermitigation，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China;2.International Research Base on Seismicmitigation and Isolation of Gansu Province，

Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract：In order to study the influence of the corrosion of steel bars on the connection performance of grouting sleeve joints， a pull-out test was carried out on 20 specimens subjected to artificial corrosion.The test obtained the failuremodes of the steel bars of different diameters in the grouting sleeves under different corrosion rates， the strain of the anchoring internal steel bars vs the load slip curves.The bond stress distribution curves， relative slip curves， and bond-slip curves at different anchorage positions with different diameter steel bars under different corrosion rates are compared and analyzed.Through the test results and theoretical analysis， it is found that as the corrosion rate increases， the pull-out ability of the steel bars is attenuated to varying degrees.When the corrosion rate reaches12%， the pull-out ability of the steel bars in the grouting sleeve is reduced by about 50%.The bond stress attenua-tionmechanismof corroded steel bars in the grouting sleeve is obtained.A functionmodel of the bonding and anchor-ing position of the steel bars before and after corrosion is established， and the parameter values are determined.The bond-slip constitutive relationship between the steel bars before and after corrosion and the groutingmaterial is es-tablished considering the bond and anchor position function， which provides a reference for the finite element analy-sis of steel bars and the groutingmaterial before and after corrosion.

Key words：corrosion;grouting sleeve;bond-slip curve;bond-anchor position functionmodel;bond-slip consti-tutive relationship

灌漿套筒作为装配式混凝土结构中钢筋断开处 重要的连接构件，其连接性能决定了结构整体的安 全性[1].混凝土接缝处采用密封材料填充，结构经过长期服役后，因热胀冷缩导致其与混凝土的交界面发生破坏，致使灌浆套筒接头暴露于空气中.灌浆套 筒内钢筋在外部环境影响下易遭到氯盐侵蚀，降低其连接性能，放大外部荷载对结构的影响，降低结构的安全性.

国内外学者对钢筋锈蚀引起的性能退化问题开 展了大量研究，罗小勇等[2]对锈蚀钢筋开展重复拉 伸荷载试验，发现随着锈蚀率的增加，钢筋力学性能退化，变形能力和耗能性能均明显下降.林红威等[3] 研究发现锈胀开裂会导致钢筋混凝土试件黏结疲劳 寿命显著下降.徐善华等[4]研究发现锈蚀钢材的弹性模量、屈服强度和极限强度等力学指标均逐渐减小.方亮等[5]对锈蚀的HRB500钢筋混凝土板进行试 验研究，发现抗弯承载力随锈蚀率增大而减小.郑淏 等[6]对模拟酸雨腐蚀情况下的混凝土短柱开展力学 试验，发现长期腐蚀的试件在耗能能力、承载力和变形能力等方面均表现出不同程度的衰减.黏结滑移关系反映了钢筋与其黏结体之间的黏结锚固力学特性[7]，锈蚀作为导致构件失效的重要因素之一，其程 度大小对构件的黏结滑移性能的好坏有较为显著影 响.文献[8-9]研究了锈蚀钢筋黏结退化规律.文献[10-11]通过有限元分析锈蚀对黏结滑移性能的影 响.文献[12-13]建立了锈蚀钢筋黏结退化理论模型.

灌浆料与混凝土的骨料成分不同，两者与钢筋的黏结滑移性能必然存在差异，因锈蚀导致黏结滑 移性能的降低程度同样会有所差别.本文通过内贴 应变片法对灌浆套筒内钢筋锈蚀前后的抗拔力进行研究，采用外加电流对钢筋进行加速锈蚀，对20组 试件开展拉拔试验.主要分析了钢筋与灌浆料的黏 结应力衰减机理，研究钢筋锈蚀前后与灌浆料的黏 结应力分布规律，并建立了黏结锚固位置函数.最后建立考虑黏结锚固位置函数的锈蚀前后钢筋与灌浆 料的黏结滑移本构模型.

1试件制备及测试原理

1.1试件制备

本试验采用与直径为20mm和18mm钢筋相匹 配的灌浆套筒，共 20个.因套筒下半段具有固定钢筋的卡环，可防止套筒注浆时钢筋发生倾斜，所以将 套筒截成两段，取套筒下半段为试验段，下半段套筒长度为100mm和92mm.选取 C20和C18的HRB400 螺纹钢筋各10 根，长度为380mm，螺纹钢筋的弹性模量为2×105mPa，屈服强度为400mPa，两根同直径钢筋为一组用于对比.使两种直径的钢筋达到设定的不同理论锈蚀率，灌浆料中钢筋的锚固长度为4d.灌浆料的弹性模量为35.6 GPa，抗压强度为85mPa.试件相关参数如表1所示.

使用数控机床将钢筋沿轴线方向剖切一分为二，并对每部分螺纹半圆柱钢筋沿原轴心位置进行开槽，开槽尺寸为5mm×2.5mm，合拢后钢筋内部的凹槽尺寸为5mm×5mm.对钢筋开槽部分进行清 洗、打磨、晾干，在钢筋锚固段每隔1.5 cm粘贴应变片，如图1所示.

粘贴应变片后，为防止钢筋锈蚀过程中电解液进入钢筋凹槽内，造成应变片失效，使用环氧树脂将钢筋的两凹槽填满，并合拢钢筋，使用扎丝将钢筋绑 紧，防止环氧树脂流出.静置1d，使凹槽中的环氧树 脂凝固，如图2所示.环氧树脂凝固后将扎丝去除.

为防止试件在拉拔过程中出现局部应力集中破坏现象，在钢筋黏结段下端设置10mmPVC 套管，并 使用石蜡将套管与钢筋的空隙部分灌满，防止灌浆 料进入套管内影响试验精度.待石蜡凝固后，对套筒进行灌浆.试件如图3所示.

1.2 加速钢筋锈蚀试验

套筒灌浆后，为使试验与实际更加贴近，将其养护28d.使用电工胶布将套筒外壁和钢筋裸露部分进行包裹，防止其发生锈蚀.通电前将试件完全浸泡在浓度为3%～5%的NaCl 溶液中72 h.将试件与锈蚀电 源阳极连接，铁棒作为锈蚀阴极，锈蚀过程电流保持 恒定.

通过法拉第定律确定钢筋的锈蚀时间[14].

式中：η为锈蚀率;M为套筒的摩尔质量，取 56 g/mol;i为锈蚀电流密度;t为锈蚀时间;F为法拉第常数;ρ为套筒密度;r为钢筋半径.

达到试验设计锈蚀率后停止通电，锈蚀后试件如图4所示.

1.3 測试原理

本次试验将应变片间隔布置在锚固段钢筋开槽内，确定内部不同位置处钢筋的应变情况，并以此为基础测算出锚固段内的实际黏结应力分布及钢筋与灌浆料的相对滑移量分布.将计算得到的不同位置处黏结应力与相对滑移值进行组合，可得到不同锚 固位置黏结滑移曲线.

1.3.1不同位置处黏结应力测算原理

大部分学者认为，钢筋与混凝土的相互作用可以等效为两者接触面的剪切作用，但在交界面的剪切作用并非沿着锚固长度均匀分布.当前没有较为直接的方法测量钢筋与混凝土的交界面的黏结应力，主要通过钢筋开槽内贴应变片的方法，得到钢筋应变，经过反算得出钢筋与混凝土黏结应力[15].在灌 浆套筒约束下的灌浆料与钢筋的相互作用，同样可以借 鉴 普 通钢筋与混凝 土 之 间黏 结应力的测量 方法.

取钢筋微段为研究对象，如图5所示.假设钢筋在微段上黏结应力均匀分布，则钢筋微段黏结应力为：

式中：τ为微段黏结应力;Ti为微段钢筋i 点的荷载;A为微段外表面积;σ为测点应力;As为钢筋截面面积;d为钢筋直径;hi为测量点 i 与测量点i+1的间距;Es 为钢筋弹性模量;ε为钢筋应变.

各级荷载作用下计算的微段黏结应力之和等于钢筋加载端荷载 P 与表面积的比值，如下式所示：

当式（3）两边不相等时，根据差值进行微调，即可得到黏结应力分布规律曲线.

1.3.2 不同位置处灌浆料与钢筋之间相对滑移测算原理

钢筋与套筒灌浆料之间的相对滑移是一个相对较新的议题.本文参考国内外学者对钢筋与混凝土 之间相对滑移的研究方法，利用钢筋内贴应变片测得钢筋的应变，从而确定灌浆料的变形，最后通过钢筋与灌浆料的位移差确定相对滑移的分布规律[16].

当选取构件微段时，此微段主要包括钢筋微段、灌浆料微段和灌浆套筒微段，3 种材料包括两类接触面，受力情况复杂，难以准确分析，根据文献[17]进行简化分析，则灌浆料的应变可由微段平衡方程 得到：

2试验过程及试验结果

2.1試验过程

采用土木工程实验室的拉拔机对锈蚀后试件进行拉拔试验，加载速率为2mm/min.钢筋自由端与灌浆料的相对位移使用激光位移计进行监测，加载过程中使用5921采集仪对钢筋内贴应变片进行数据采集，加载过程如图6所示.试验结束后，将钢筋从 灌浆料中拔出，并用盐酸溶液对钢筋进行清洗、称 重，确定锈蚀后钢筋的质量.

2.2试验结果

试验研究发现，由于套筒对灌浆料的约束作用，灌浆料并没有发生劈裂，主要表现为钢筋从灌浆料中滑移拔出，如图7所示，试验结果如表2所示.

假设钢筋在灌浆料中的黏结强度沿锚固方向均 匀分布，平均黏结强度如下所示：

式中：P为荷载;d为直径;l为锚固长度.

筋直径相同时，随着锈蚀率的增加，黏结强度逐渐降低.与未锈蚀钢筋相比，当理论锈蚀率达到3%时，平均黏结应力衰减较为明显，对于直径为20mm和18mm的钢筋，平均 黏 结应力分别 减 少了29.2%和27.4%，造成这种现象的主要原因是由于钢筋与灌浆 料的交界面出现锈蚀物致使有效接触面积减少，平均黏结应力下降.随着锈蚀率的增加，平均黏结应力继续减小，当理论锈蚀率达到12%时，与未锈蚀钢筋相比，直径为20mm和18mm的钢筋平均黏结应力分别下降了52.0%和56.1%.

3黏结应力衰减机理分析

钢筋锈蚀前后，平均黏结应力变化显著，说明钢筋锈蚀产物对黏结应力的影响较大，锈蚀前后钢筋如图9所示.

钢筋与灌浆料黏结锚固应力主要由胶合力、机械咬合力和摩擦力组成.当钢筋未发生锈蚀时，如图9（a）所示，在施加外荷载初期，胶合力起主要作用，钢筋与灌浆料之间不发生滑移.当开始产生微滑时，胶合力失效，摩擦力开始发挥作用.当外力致使钢筋继续滑移时，必须克服钢筋与灌浆料的机械咬合力和两者之间的摩擦力，随着荷载的增加，黏结应力从 加载端逐渐向自由端传递，当黏结应力传递到自由末端后，为了保持外荷载与黏结应力相平衡，各锚固 位置的黏结应力逐渐增加，直至达到极限黏结强度，钢筋从灌浆料中拔出.

当钢筋的锈蚀率达到3%时，由图9（b）可以明显看出，发生锈蚀的部位为钢筋的外肋，在外加荷载初期，胶合力起主要作用，因钢筋外肋产生的疏松锈蚀层，削弱了钢筋外肋与灌浆料的胶合力，致使黏结应力从加载端传递到自由端的时间缩短.胶合力失效后，摩擦力和机械咬合力开始发挥作用，因钢筋外肋锈蚀导致外肋与灌浆料之间的有效接触面积降低，机械咬合力减小，致使极限拉拔力降低.

当钢筋的锈蚀率达到 6%时，由图9（c）可以明显看出，钢筋的外肋已经基本锈蚀，仅少许外肋根部保 留完好.在外加荷载初期，胶合力起主要作用，但因 外肋表面布满锈蚀产物，外肋与灌浆料之间的胶合力基本丧失.随着荷载的增加，机械咬合力和摩擦力开始发挥作用，因钢筋外肋基本由疏松的锈蚀产物 代替，钢筋与灌浆料的机械咬合力大大降低，极限拉 拔力进一步降低.

当钢筋的锈蚀率达到 9%时，由图9（d）可以明显看出，钢筋外肋已经完全锈蚀，且在钢筋外肋部位出 现锈坑，锈蚀逐渐向无外肋部位发展.在外加荷载初 期，胶合力起主要作用，但因外肋表面布满疏松锈蚀层，外肋与灌浆料之间的胶合力完全丧失.随着荷载的增加，机械咬合力和摩擦力开始发挥作用，因钢筋外肋完全发生锈蚀，钢筋与灌浆料的机械咬合力进一步降低，极限拉拔力继续下降.

当钢筋的锈蚀率达到12%时，由图9（e）可以明显看出，钢筋的外壁完全发生锈蚀，钢筋与灌浆料之 间遍布了钢筋的锈蚀产物.在外加荷载初期，胶合力起主要作用，因外肋已经被完全锈蚀，且钢筋外壁也 发生锈蚀，致使钢筋整体与灌浆料的胶合力大大降低.随着荷载的增加，机械咬合力和摩擦力开始发挥作用，因钢筋无外肋部分表面的锈蚀产物增加，大大降低了灌浆料与钢筋的机械咬合力和摩擦力，极限 拉拔力损失近 50%.

4试验结果分析

4.1黏结应力沿锚固长度分布规律

图10为各典型试件钢筋在不同荷载下应变沿锚固长度变化情况，由图10可以明显看出，当荷载较小时，钢筋加载端的应变明显大于钢筋自由端，随着荷载的增加，钢筋的应变逐渐向自由端传递.图11为不同位置处黏结应力的分布情况，由图11可以看出，锈蚀试件与未锈蚀试件的黏结应力分布相似，试件的自由端和加载端的黏结应力为零，在试件内部黏结应力变化较大.加载初期，靠近加载端的黏结应力率先增大，随着荷载的逐渐增加，黏结应力向自由端传递，自由端的应力逐渐变大，表现为曲线由加载端逐渐向自由端鼓起.

4.2 相对滑移分布计算

锚固长度内灌浆料与钢筋的相对滑移曲线如图12所示.由图12可以看出，当钢筋未锈蚀时，自由端 滑移明显滞后于加载端，随着锈蚀率的增加，此种滞后现象逐渐减少.钢筋未发生锈蚀时，当构件达到荷 载峰值时，滑移量突然增加，表明此时发生黏结破坏，随着锈蚀率的增加，滑移量突然增加的现象逐渐 消失，产生这种现象的主要原因是锈蚀物对钢筋与灌浆料的黏结性能进行了削弱，降低了锚固能力.

4.3黏结滑移关系沿锚固长度的变化

将4.1节和4.2节计算得到的不同位置处黏结应力与相对滑移值进行组合，得到不同锚固位置黏结滑移曲线，如图13所示.由图13可以明显看出，不同 锚固位置的黏结滑移关系是变化的，随着锈蚀率的增加，各锚固位置曲线逐渐趋于平缓，因此通过钢筋内贴应变片考虑不同位置的黏结滑移本构关系是十分必要的.

4.4黏结锚固位置函数

黏结锚固位置函数w（%）是描述不同黏结位置处的锚固刚度，为相对函数.将相同工况下两个试件同一滑移值的黏结应力分布曲线进行归一化处理，取平均值，即可得到黏结锚固位置函数w（%），如图14所示.

由图14可以明显看出，不同直径的钢筋的黏结锚固位置函数变化趋势大体相同.灌浆料与钢筋的黏结锚固刚度在自由端和加载端较小，在锚固内部变化较为明显，黏结锚固刚度主要在0.15～0.9倍锚 固长度内变化.钢筋未锈蚀时，黏结锚固刚度随相对锚固长度变化较大，随着锈蚀率的增加，曲线变化趋势逐渐平缓.

结合黏结锚固位置函数的特点，锚固刚度在锚 固长度的0.15～0.9倍区间内表现为缓慢降低趋势，为了工程中方便使用，建立三折线模型，如图15所示.整个模型由4个控制点组成 ：1点（0，0），2 点（0.15，A1），3 点（0.9，A2），4 点（1，0）.其中A1和A2 与锈蚀率有关.

钢筋直径为18mm时：锈蚀率为0%时，A1=1.37，A2=0.50;锈蚀率为3%时，A1=1.23，A2=0.51;锈蚀率为6%时，A1=1.19，A2=0.69;锈蚀率为9%时，A1=1.17，A2 =0.73;锈蚀率为12%时，A1=1.11，A2=0.76.

4.5 黏结滑移本构关系

钢筋锈蚀前后，不同锚固位置的黏结滑移曲线变化规律大致相同，因此可以借鉴普通混凝土建立的黏结滑移本构关系.通过建立位置函数ψ（x）来表述钢筋在不同锚固位置的刚度变化，最后得到黏结滑移本构关系表达式[18]：

式（9）中的ψ（x）采用4.4节中建立的黏结锚固位置函数模型，由图8试验曲线可以看出，钢筋锈蚀前后的平均黏结滑移曲线大致相同，因此黏结滑移曲 线可采用如下表达式：

式中：τu、su分别为平均黏结滑移曲线峰值黏结应力及峰值滑移量;a、b可通过数据拟合得到，如表3所示.

由表3可以看出，当钢筋未锈蚀时，钢筋的抗拔性能较强，随着锈蚀率的增加，拟合得到的参数a 逐 渐变大，表示平均黏结刚度逐渐减小，锈蚀对黏结滑 移曲线后半段影响较为显著，参数b 表现为离散性.直径为18mm的钢筋未发生锈蚀时，平均黏结刚度强于直径为20mm的钢筋，但随着锈蚀率的增加，平均黏结刚度衰减较快，表现为参数a的变化幅度增加.

5 结论

本文通过钢筋开槽内贴应变片方法，研究了20个灌浆套筒试件在钢筋达到不同锈蚀率情况下的黏 结滑移性能，得出如下结论：

1）锈蚀对钢筋的抗拔性能影响显著，与未锈蚀 试件的平均黏结应力相比，当锈蚀率达到12%时，直径为20mm的钢筋平均黏结应力下降了52.0%，直径为18mm的钢筋平均黏结应力下降了56.1%.

2）分析了灌浆料与钢筋的黏结滑移受力过程，并解释了钢筋锈蚀前后黏结应力退化原因.

3）锈蚀试件与未锈蚀试件的黏结应力沿锚固长度方向分布趋势相似，试件的自由端和加载端的黏 结应力为零，在试件内部黏结应力变化较大.加载初 期，靠近加载端的黏结应力率先增大，随着荷载的逐 渐 增 加，应力向 自由端 传 递，自由端的应力逐 渐变大.

4）提出钢筋锈蚀前后的黏结锚固位置的简化计算模型，并确定了参数取值，建立了考虑黏结锚固位置函数的钢筋与灌浆料的黏结滑移本构关系模型.

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