AAR与锈蚀对钢筋-混凝土黏结性能的耦合劣化试验研究

李鹏飞 张媛 王凯 弓扶元 汪承志

摘要：为研究碱骨料反应（Alkali-Aggregate Reaction，AAR）和锈蚀对钢筋-混凝土黏结性能影响的损伤机理，试验制备了一系列不同钢筋直径的混凝土拉拔试件，通过测量混凝土的膨胀量、钢筋锈蚀质量损失以及相应的拉拔试验，评估不同程度损伤对黏结性能的影响。得到了耦合损伤下碱骨料膨胀和钢筋锈蚀对黏结性能影响的量化结果，并阐明了黏结性能的劣化规律。结果表明：短期耦合损伤下，AAR凝胶和锈蚀产物填充混凝土孔隙以提高黏结强度；随着损伤程度加剧，反应产物膨胀应力释放，黏结强度开始下降。长期耦合损伤作用会严重劣化混凝土性能，造成混凝土黏结性能严重劣化。研究结果可为钢筋混凝土工程设计与维护提供参考。

关键词：碱骨料膨胀；钢筋锈蚀；钢筋混凝土结构；耦合损伤；黏结性能

中图法分类号：TV41 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.013

文章编号：1006-0081（2024）02-0080-08

0 引 言

碱骨料反应（Alkali-Aggregate Reaction，AAR）是骨料中的活性硅和混凝土孔隙溶液中的碱性物质的反应，锈蚀是钢筋和电解质溶液之间接触面上发生的电化学反应过程，这两种情况往往同时发生，并形成膨胀性化合物，造成结构内部产生额外应力、裂缝、位移和使机械强度降低，从而导致混凝土结构过早受损而无法满足结构的耐久性和强度要求³。許多学者对钢筋-混凝土黏结性能进行了试验和模型研究。谭妮等通过拉拔试验研究了AAR膨胀率对钢筋-混凝土黏结性能的影响。牛荻涛等通过大量试验研究阐明锈蚀后钢筋的机械特性和黏结性能退化是导致构件整体力学性能劣化的根本原因。Jiradilok等通过拉拔试验研究了钢筋锈蚀后钢筋混凝土的黏结变化。然而，目前对这两种损伤的研究成果较为分散，并且对于AAR和钢筋锈蚀耦合损伤对黏结性能的量化影响结果研究尚未深入探讨。本文在参考以往研究的基础上，设计制备了不同钢筋直径的混凝土拉拔试件，以研究不同损伤程度下黏结强度的劣化规律。将膨胀率和锈蚀率作为损伤因子，揭示了钢筋-混凝土黏结性能的变化规律和劣化机理。

1 试验方案

1.1 材料性能测试

在试验中，考虑将不同钢筋直径和不同加速损伤时间作为研究参数。试验所用水泥为普通硅酸盐水泥（PO 42.5），粗骨料粒径为5～20 mm不等，细骨料（中砂）的细度模数为3.827，选用高性能聚羧酸减水剂。混凝土设计强度等级为C30，混凝土配合比见表1。选用国标HRB400带肋钢筋，选取同一批钢筋进行拉伸试验，获得钢筋材料性能，测试结果见表2。

1.2 试件及试验流程设计

拉拔试件设计为边长150 mm的标准立方体混凝土试件，试件中心嵌入不同直径的HRB400带肋钢筋，选用12 mm和20 mm两种直径钢筋，钢筋与混凝土的黏结段长度l为5D（D为钢筋直径）。试件两端非黏结段通过PVC管包裹钢筋段。试验共设计并测试80个拉拔试件，试件参数如表3中所示。

钢筋混凝土试件在标准试验条件下浇注后固化24 h，脱模并养护在50 ℃±0.5 ℃、相对湿度为95%的标准养护箱中。试件在养护28 d后转至80 ℃±0.5 ℃的纯水中养护24 h，用精度为10 μm的千分尺测量试件的初始长度；再放入80 ℃±0.5 ℃碱骨料箱中浸泡，测量混凝土膨胀变化情况，测量频次为7 d，直到AAR试验时间达到150 d。试件的体积膨胀率计算公式为

式中：ε为浸泡在碱溶液中的试件在第t天的AAR体积膨胀率；如图1所示，l为1—1′ 两点间第t天AAR膨胀测量长度，l为1—1′两点间未膨胀测量初始长度，l为2—2′两点间第t天AAR膨胀测量长度，l为2—2′ 两点间未膨胀测量初始长度，l为3—3′ 两点间第t天AAR膨胀测量长度，l为3—3′两点间未膨胀测量初始长度，单位均为mm。

连接锈蚀拉拔试件形成回路，控制通电电流为0.04 A，开始通电加速钢筋锈蚀。通电一开始，电流变化明显，每2 h检查一次，后期每天检查一次。通电锈蚀时间达3，7 d和14 d时，取出试件进行拉拔试验拔出钢筋，截出黏结段钢筋进行除锈处理后，用式（2）计算质量损失得到钢筋锈蚀率。

式中：η为钢筋锈蚀率；m为黏结段钢筋初始质量；m为除锈后钢筋质量。

达到设计损伤时间后，安置试件在万能试验机上进行拉拔试验，设置加载速度保持在2 mm/min进行加载，直至试件出现钢筋拔出、试件劈裂等现象时停止，记录相应的试验损伤情况和试验极限承载力。通过式（3）计算得到黏结强度。混凝土拉拔试件的详细配置、试验流程如图1所示。

式中：τ为黏结强度;P为极限承载力;d为纵向钢筋的直径。

2 单一损伤试验结果与分析

2.1 AAR对黏结性能的劣化规律

AAR体积膨胀率随时间变化曲线如图2所示。在试验开始前5周内，试件膨胀率随时间呈线性增大的趋势，反应初期混凝土 AAR 膨胀较小，此时所有试件均处于自由发展 AAR膨胀状态，钢筋约束作用还未有体现。此后，混凝土 AAR 产物的膨胀逐渐受到钢筋的约束，曲线出现较明显分歧点，D20 试件的膨胀速率较 D12 试件显著减小，且钢筋直径越大约束作用越强，混凝土膨胀速率也更小。

在80 d左右，膨胀率的增长逐渐平缓，并最终趋于收敛。混凝土中的活性骨料含量一定，随着反应的进行，混凝土中活性骨料逐渐消耗，含量降低。在150 d时，D20试件的膨胀率远小于D12试件。混凝土试件钢筋直径尺寸越大、膨胀率越小，钢筋对混凝土的AAR膨胀有约束效应。

黏结强度随AAR反应天数变化的曲线见图3，黏结强度随AAR膨胀率变化的曲线如图4所示。每个数据由两个试件平均值得出。随着AAR反应时间的增加，拉拔试件的极限承载力和黏结强度均呈现出先增后减的趋势。当AAR反应进行到14 d时，反应初期凝胶填充混凝土内部孔隙，并在钢筋周围产生预拉伸应力，从而增强混凝土与钢筋之间的黏结力。因此，极限承载力和黏结强度会处于AAR凝胶的补强阶段，极限承载力的变化曲线呈现一个上升的峰值。随着反应时间的不断增加，AAR凝胶不断生成并累积堆叠，同时，这种凝胶体会吸水膨胀并产生膨胀压力。一旦AAR凝胶产生的膨胀应力超过混凝土的极限抗拉强度，膨胀应力释放，试件开始出现裂缝并进一步劣化。因此，当膨胀率超过某一临界值时，黏结强度衰减率会随着AAR膨胀率的持续增加而增加，此时混凝土性能被劣化。随后，由于同时受到高温加固和AAR劣化的影响，黏结强度下降逐渐平缓并趋于收敛。拉拔試验应力变化示意如图5所示。

2.2 锈蚀对黏结性能的劣化规律

氯离子引起的钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要原因。特别是海洋环境下的RC结构更容易遭受高Cl环境的侵害，出现因钢筋锈蚀引起结构性能劣化的现象。自由态的Cl会通过各种传输方式，从外部环境中渗入钢筋表面，不断聚集，达到钢筋的临界浓度时，钢筋发生去钝化反应，锈蚀反应开始发生。锈蚀反应过程中的Cl不会被消耗，因此一旦锈蚀反应开始发生，就会持续发展直至混凝土试件发生锈胀破坏。变形钢筋与混凝土之间的黏结力主要来源于机械咬合力。锈蚀对结构性能的影响是多方面的。钢筋锈蚀直接导致钢筋横截面积减小，同时，钢筋表面不平整度加剧，引起应力集中现象，从而降低钢筋的力学性能，最终使结构承载力下降。钢筋混凝土拉拔试件的极限承载力随钢筋锈蚀通电时间的变化如图 6所示，极限承载力随锈蚀率变化如图 7所示，钢筋锈蚀试件拉拔试验应力传递示意如图 8所示。

在锈蚀反应的初期阶段，是钢筋与混凝土之间的黏结强度呈现增强的阶段。由于钢筋表面的锈蚀产物发生体积膨胀，对钢筋周围的混凝土产生环向拉应力，从而增加了极限承载力，这主要是因为氧化产物产生了额外的内压。然而，随着锈蚀反应的加剧，锈蚀产物增多，钢筋表面积累的锈蚀产物质地疏松，对钢筋与混凝土的界面起到分散作用，黏结强度开始下降。加上钢筋表面横肋被锈蚀破坏，变形肋形态退化，会使钢筋与混凝土之间的握裹力下降。此外，锈蚀产物体积增大会产生径向膨胀力，进一步降低了钢筋与混凝土的黏结性能。

变形钢筋发生锈蚀且锈蚀率仍在0.8%以下时，钢筋与混凝土的黏结强度略有提高。这主要是由于钢筋与混凝土之间的摩擦力增加。然而，当锈蚀率达到或超过 0.8%时，两者之间的黏结力开始下降，这是因为钢筋变形肋与混凝土的咬合面积减小。随着锈蚀程度的进一步加剧，钢筋周围开始出现裂缝，混凝土的剩余抗拉强度逐渐降低。最终，混凝土内部裂缝向混凝土表面扩展，导致混凝土保护层沿着钢筋方向的锈蚀出现扩展裂缝，严重时会使混凝土保护层剥落，影响混凝土结构的正常使用。

3 耦合损伤对黏结性能的劣化规律

Gong等建立了考虑AAR、冻融和钢筋锈蚀的三重孔隙-力学耦合模型，计算得出结论：在预先存在AAR膨胀的情况下，反应产物会阻止后续钢筋锈蚀过程引起贯穿性裂缝的发生；相反地，在钢筋锈蚀首先发生的情况下，远离锈蚀钢筋的AAR几乎不受影响。考虑到实验室条件及两种损伤试验温差引起的测量误差，本研究主要针对在预先存在AAR损伤后的钢筋锈蚀耦合损伤进行试验。选择以AAR膨胀率、钢筋锈蚀率和拉拔试件的极限承载力作为分析耦合损伤对钢筋-混凝土黏结性能影响的指标。基于AAR拉拔试件极限承载力变化趋势，将耦合损伤试验分为AAR补强阶段耦合钢筋锈蚀和AAR劣化阶段耦合钢筋锈蚀两种情况进行分析。

3.1 AAR补强阶段耦合钢筋锈蚀

氯化物会严重引起钢筋混凝土结构的钢筋锈蚀损伤。氯化物可渗透到混凝土中，并随时间的推移逐渐到达钢筋表面。在存在水分和氧气的情况下，钢筋-混凝土界面上的氯化物会导致钢筋表面钝化膜的局部损坏和出现锈蚀反应。因此，混凝土的传输特性对嵌入其中的钢筋的锈蚀反应起始时间起着关键作用。图9，10显示了AAR膨胀14 d耦合钢筋锈蚀的拉拔试件极限承载力在不同阶段及随锈蚀率变化的曲线。图11，12显示了AAR膨胀28 d耦合钢筋锈蚀的拉拔试件极限承载力在不同阶段及随锈蚀率变化的曲线。图中的灰色曲线为锈蚀损伤极限承载力的衰减曲线，用于对比分析耦合损伤衰减曲线。

膨胀反应进行到14 d和28 d的试件，均处于增强黏结强度的阶段。AAR凝胶产物填充混凝土内部孔隙，使混凝土更加致密，减缓了氯离子等腐蚀介质在混凝土和钢筋界面的积累速度，从而减缓钢筋的锈蚀反应速度，一定程度上减缓黏结强度的衰减速度。随着锈蚀反应的加剧，锈蚀产物体积增大，对周围混凝土施加压力，导致混凝土内部产生裂缝，膨胀应力得以释放，黏结强度开始下降。拉拔试验应力分布情况见图13。在耦合试验中，需要综合考虑AAR凝胶吸水膨胀产生的应力和锈蚀产物的体积膨胀。一旦复合环向应力超过混凝土的极限拉应力，混凝土保护层会出现膨胀开裂，应力能量被释放，径向压力会有突变，黏结力开始下降。锈蚀产物会增加钢筋与混凝土之间的摩擦力，增加混凝土保护层对钢筋的握裹力。

3.2 AAR劣化阶段耦合钢筋锈蚀

如图14，15为AAR反应进行45 d后耦合钢筋锈蚀的拉拔试件极限承载力在不同阶段及随锈蚀率的变化曲线，图16，17为AAR反应进行150 d后耦合钢筋锈蚀的拉拔试件极限承载力在不同阶段及随锈蚀率的变化曲线。

当AAR反应进行到45 d和150 d时，混凝土内部出现裂缝，材料性能受到严重损伤。在耦合短期锈蚀损伤阶段，锈蚀产物会首先迁移并填充AAR裂缝和内部孔隙，这个阶段的拉拔试验极限承载力明显升高。钢筋表面的锈蚀产物体积膨胀会对周围的混凝土产生膨胀应力，进而加速膨胀裂缝的扩展。在两种应力的协同作用下，进一步造成结构性能损伤。

預先存在的AAR裂缝会为氯离子等腐蚀介质提供传输通道，从而提高氯离子的传输速率，进一步增加钢筋的锈蚀率。随着锈蚀程度的增大，锈蚀产物会积聚并体积膨胀，将膨胀应力传递向混凝土，导致裂缝进一步扩展，黏结强度进一步劣化。同时，长期存在的AAR凝胶也会降低钢筋表面环境的碱性，并降低氯离子临界浓度，加快锈蚀反应启动时间。裂缝的存在削弱了混凝土对钢筋的约束作用。锈蚀产物是结构疏松的氧化物，会在钢筋和混凝土之间形成疏松的隔离层，改变接触面积，进一步削弱混凝土的约束作用。

在Maekawa等的研究中指出，AAR劣化阶段裂缝开展的机械应力各向异性会影响混凝土孔隙压力和混凝土渗透率。一旦AAR反应引起混凝土内部裂缝产生，混凝土内部孔隙物质如铁锈和AAR凝胶可迁移到孔隙及裂缝空间，并产生相当大的垂直于裂缝平面的几何各向异性压力。

在AAR裂缝开展阶段，通常会在混凝土保护层中沿着钢筋的径向形成一条或几条主要的裂缝，使更多的氯离子进入混凝土内部，并加速锈蚀反应发生;而当锈蚀产物沿裂缝迁移并填充时，这个阶段的拉拔试验极限承载力明显升高。钢筋表面的锈蚀产物对周围的混凝土产生膨胀应力，而裂缝前沿被压缩的混凝土也可能加速裂缝的扩展。这两种应力的协同作用会进一步造成结构的破坏。此外，裂缝的存在削弱了混凝土保护层对钢筋的约束作用。锈蚀产物作为疏松的氧化物，一定程度隔离了钢筋与混凝土，改变了其接触面积，削弱混凝土的约束作用。

耦合损伤的拉拔试验中的应力传递非常复杂。首先，钢筋对拉力产生摩擦阻力，随后拉应力传递到混凝土层，应力集中使预先存在的AAR裂缝进一步发展。当钢筋锈蚀程度增加时，钢筋锈蚀会破坏横向钢筋肋的形态，减少了有效接触面积和周围混凝土的完整包裹性。这会导致被锈蚀钢筋周围的混凝土出现开裂，最终使混凝土覆盖层剥落和破坏，进一步劣化了混凝土和钢筋之间的黏结强度。

4 结 论

本研究旨在探索碱骨料膨胀和钢筋锈蚀对钢筋-混凝土黏结性能的耦合损伤机理。通过 AAR损伤和钢筋锈蚀的耦合损伤试验及损伤后的拉拔试验进行分析，研究了不同 AAR 反应阶段耦合钢筋锈蚀下钢筋-混凝土黏结性能的变化情况。在研究中，以膨胀率和锈蚀率作为量化指标，通过数据分析得到了耦合损伤对钢筋-混凝土黏结强度的劣化规律，并得出以下结论：

（1）AAR反应和钢筋锈蚀是两种相互影响的损伤机制，在耦合作用下会加剧钢筋与混凝土的黏结性能衰减。

（2）反应初期，AAR凝胶产物吸水产生的膨胀应力、钢筋锈蚀产物体积膨胀产生的膨胀应力会对周围混凝土产生环向应力，当这种环向应力小于混凝土本身极限抗拉应力时，会起到补强混凝土黏结强度的作用。

（3）在耦合损伤试验中，AAR凝胶吸水膨胀产生的应力和锈蚀产物的体积膨胀，一旦复合环向应力大于混凝土的极限拉应力，混凝土保护层膨胀开裂，应力能量释放，径向压力会有突变，使黏结强度开始下降。

（4）预先存在的AAR 裂缝开展会使更多的氯离子进入混凝土内部并加速锈蚀反应发生，当锈蚀产物沿裂缝迁移并填充时，这个阶段的拉拔试验结果出现明显升高的阶段。钢筋表面的锈蚀产物体积膨胀对周围的混凝土产生膨胀应力，裂缝前沿被压缩的混凝土也可能加速裂缝的膨胀，两种应力协同作用下，黏结强度进一步劣化。

（5）裂缝的存在削弱了混凝土保护层对钢筋的约束作用，加上锈蚀产物是结构疏松的氧化物，会在钢筋和混凝土之间形成疏松的隔离层，改变接触面积，进一步削弱混凝土的约束作用。

综上所述，本研究为理解碱骨料膨胀和钢筋锈蚀对钢筋-混凝土黏结性能的耦合损伤机理提供了试验依据，可为今后的钢筋混凝土工程的设计和维护提供参考。

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（編辑：李 慧）

Experimental study on coupling deterioration of bonding properties

of steel-concrete by AAR and corrosionLI Pengfei，ZHANG Yuan，WANG Kai，GONG Fuyuan，WANG Chengzhi

（1.College of River and Sea，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400047，China； 2.CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100010，China；3. College of Architecture and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

Abstract：In order to study the damage mechanism of Alkali-Aggregate Reaction （AAR） and corrosion on the steel-concrete bond performance，a series of concrete pullout specimens with different bar diameters were prepared，the expansion of concrete and the mass loss of corroded steel bars were measured，and the corresponding pullout tests were conducted，to assess the effect of different degrees of damage on the bond performance. Quantitative results of alkali aggregate expansion and reinforcement corrosion effects on the bond properties under coupled damage were obtained，and the deterioration pattern of bond properties was elucidated. The results showed that under short-term coupling damage，the AAR gel and corrosion products filled the concrete pores to improve the bond strength；with the increase of the degree of damage，the expansion stress of reaction products were released，and the bond strength began to decline；the long-term coupled damage seriously deteriorated the performance of the concrete，resulting in a serious deterioration of the concrete bond performance.The research results can provide a reference for the design and maintenance of reinforced concrete engineering．

Key words：alkali aggregate expansion；corrosion of reinforcing bars；reinforced concrete structure；coupled damage；bonding properties