工程水泥基复合材料与锈蚀钢筋黏结性能研究

李鑫平，车佳玲，刘海峰，王丹; LI Xinping; CHE Jialing; LIU Haifeng; WANG Dan

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李鑫平 ¹
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车佳玲 ^1,2
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刘海峰 ^1,2
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王丹 ¹

1. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750000； 2. 宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心，银川 750021

中图分类号： TU502

最近更新：2025-02-18

DOI：10.11835/j.issn.1000-582X.2025.01.009

摘要

为研究工程水泥基复合材料（ECC）与锈蚀螺纹钢筋的黏结破坏机理，采用中心拉拔试验方法，分析钢筋锈蚀率、黏结锚固长度、钢筋直径和纤维掺量等因素对黏结性能的影响。结果表明，ECC与锈蚀钢筋的黏结应力-滑移曲线可分为微滑移阶段、滑移阶段、破坏阶段和残余阶段，试件破坏类型为剪切拔出破坏；黏结强度随钢筋锈蚀率的增加先增大后减小，存在临界锈蚀率使得黏结性能最好；钢筋锈蚀率为10%时，试件黏结强度随钢筋锚固长度和钢筋直径的增大而减小；随着纤维体积掺量的增加，黏结韧性指数和黏结强度先增大后减小，纤维体积掺量为2%时，纤维的增韧和阻裂效果最明显。

关键词

工程水泥基复合材料; 锈蚀钢筋; 拉拔试验; 黏结强度; 黏结韧性指数

工程水泥基复合材料（engineered cementitious composite, ECC）是一种具有拉伸应变硬化行为且极限拉伸应变超过3%的高性能材料^[

1]，在单调和循环荷载下表现出优异的力学性能和裂缝控制能力^{[参考文献 2

百度学术}2]，正是因为ECC优良的材料性能，在建筑加固修复领域得到了广泛的应用^{[参考文献 3⁃4}3⁃4]。复杂环境下，钢筋混凝土结构内部钢筋在碳化和氯盐侵蚀作用下发生锈蚀，锈蚀产物破坏钢筋与水泥胶体间的化学胶结力，体积膨胀导致混凝土保护层脱落降低了混凝土对钢筋的约束作用，削弱甚至破坏钢筋与混凝土之间的黏结锚固作用，造成结构的破坏^{[参考文献 5⁃6}5⁃6]。为了保证结构的安全性和耐久性，需要对损伤的结构进行加固，在使用ECC加固钢筋锈蚀的混凝土结构时，ECC与锈蚀钢筋间良好的黏结性能是保证加固效果的前提。近年来，国内外学者通过改变纤维体积掺量、锚固长度和配箍率等参数对ECC与钢筋的黏结性能展开一系列试验。刘曙光等^{[参考文献 7

百度学术}7]提出存在最佳纤维体积掺量使得黏结性能最好，黏结强度在一定范围内随保护层厚度的增大而增大。米渊等^{[参考文献 8

百度学术}8]提出黏结强度随着黏结长度的增大而减小，随着配箍率的提高而增大。Chao等^{[参考文献 9

百度学术}9]提出纤维能够有效增强钢筋与基体的黏结强度和控制裂纹宽度，减小变形钢筋与基体的锚固长度。蔡景明等^{[参考文献 10

百度学术}10]分析得出ECC中的纤维可以参与拉伸荷载的传递，使得钢筋与ECC的黏结强度更高。目前，针对ECC与钢筋的黏结性能研究日趋成熟，但对ECC与锈蚀钢筋的黏结性能研究还不够深入。

笔者以银川地区的腾格里沙漠砂为细集料制备ECC，并对其进行了单轴拉伸、单轴压缩力学性能试验和耐久性试验^[

11⁃12]。在此基础上，进一步探究ECC与锈蚀钢筋的黏结性能，通过中心拉拔试验，研究钢筋锈蚀率、黏结锚固长度、钢筋直径和纤维掺量等因素对钢筋与ECC的黏结性能的影响。

1 试验概况

1.1 原材料的力学性能

ECC所用材料分别是普通硅酸盐水泥、腾格里沙漠砂、PVA纤维、粉煤灰、聚羧酸高效减水剂和水，纤维主要参数由厂家提供，如表1所示；钢筋的力学性能，如表2所示；试件同龄期力学性能，如表3所示。

表1 PVA纤维主要参数

Table 1 Main parameters of PVA fiber

纤维名称	长度/mm	直径/µm	极限抗拉强度/MPa	密度/(kL·m^-3)	弹性模量/GPa
PVA	12	40	1 600	1 300	40

表2 钢筋力学性能

Table 2 Mechanical properties of rebars

钢筋型号	直径/mm	屈服强度平均值/MPa	抗拉强度平均值/MPa	伸长率/%
HRB400	10	439	625	24
	12	465	625	22
	14	465	605	25
	16	465	636	24
	18	420	608	24

表3 ECC和混凝土的力学性能

Table 3 Mechanical properties of ECC and concrete

混凝土种类	纤维体积掺量/%	抗压强度 $f_{c u}$ /MPa
E1	2.00	53.25	52.34	53.24
E2	1.75	54.04	54.59	54.80
E3	2.25	49.03	48.36	49.27
C1	—	53.59	54.51	53.89

注： E1、E2、E3分别是3种纤维掺量不同的ECC；C1是普通混凝土。

1.2 试件设计及试验装置

对12组ECC与锈蚀钢筋中心拉拔试件和1组混凝土与锈蚀钢筋的对比试件进行黏结性能试验，每组3个试件，控制变量是钢筋锈蚀率、黏结锚固长度、钢筋直径和纤维掺量，试件主要设计参数，如表4所示。为了保证钢筋黏结锚固长度，试件尺寸分别取为150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×200 mm。钢筋位于试件中心，钢筋黏结锚固长度分别设置为5 d、8 d和12 d，在钢筋锚固区两端埋置PVC套管以消除端部效应并控制锚固长度，试件浇筑前PVC管与钢筋缝隙填充玻璃胶密封，防止浆体进入管内以保证钢筋与混凝土的黏结长度，试件尺寸如图1所示。中心拉拔试验在1 000 kN电液伺服万能试验机上进行，在钢筋自由端和加载端分别对称布置2个LVDT，以测量加载端和自由端钢筋与试件的相对滑移。加载全程采用位移控制加载方式，加载速率为1 mm/min，连续加载直至试件破坏；试验后，取下试件观察钢筋拔出情况及混凝土裂缝展开状况，确定试件的破坏形式及拔出类型，加载装置如图2所示。

表4 试件主要设计参数及结果

Table 4 Design parameters and results of test specimens

试件编号	钢筋直径/mm	锚固长度/mm	理论钢筋锈蚀率/%	实际钢筋锈蚀率/%	极限黏结荷载/kN	极限黏结应力/MPa
E1-5 d12-10	12	60	10	9.95	47.53	21.02
E1-8 d12-10	12	96	10	10.32	62.48	17.27
E1-12 d12-10	12	144	10	10.24	63.56	11.72
E2-5 d12-10	12	60	10	9.68	38.81	17.17
E3-5 d12-10	12	60	10	9.85	37.13	16.42
E1-5 d10-10	10	50	10	9.76	38.65	24.61
E1-5 d14-10	14	70	10	9.68	75.31	18.74
E1-5 d16-10	16	80	10	10.35	50.79	16.50
E1-5 d18-10	18	90	10	10.28	64.10	12.60
E1-5 d12-0	12	60	0	0	48.87	21.61
E1-5 d12-5	12	60	5	5.16	49.78	23.02
E1-5 d12-15	12	60	15	14.79	41.43	18.32
C1-5 d12-10	12	60	10	9.84	43.04	19.02

注： E1-5 d12-10表示E1-黏结锚固长度（5 d）钢筋直径（12 mm）-钢筋理论锈蚀率（10%）；d是钢筋直径。

图1 拉拔试件尺寸（单位：mm）

Fig. 1 Size of specimen (unit: mm)

图2 拉拔试验装置

Fig. 2 Pull experiment device

1.3 加速锈蚀试验方法

钢筋锈蚀采用外加电流加速锈蚀法，根据法拉第定律控制钢筋锈蚀率，预锈蚀钢筋与直流电源正极相连，不锈钢片与直流电源负极相连，氯化钠溶液为传输介质，加速锈蚀钢筋试验装置如图3（a）所示，拉拔试验结束后，将拉拔试件中钢筋取出，截取黏结区段钢筋如图3（b）所示。通电时间t由式（1）计算确定：

t = \frac{z F Δ m}{M I}

，

（1）

式中： $Δ m$ 为钢筋质量损失； $F$ 为法拉第常数（ $F = 96 500 C / m o l$ ）； $z$ 为铁离子电荷数（ $z = 2$ ）； $M$ 为铁的摩尔质量（ $M = 56 g / m o l$ ）； $I$ 为锈蚀电流强度（ $I = 200 μ A / c m^{2}$ ）。

图3 加速锈蚀装置和锈蚀前后对照

Fig. 3 Accelerated corrosion device and corrosion control

2 黏结滑移机理分析

图4是ECC与锈蚀钢筋的典型黏结应力-滑移曲线，可分为微滑移阶段（OA）、滑移阶段（AB）、破坏阶段（BC）和残余阶段（CD），对照组锈蚀钢筋与混凝土的平均黏结应力-滑移曲线可分为上升阶段（OE），下降阶段（EF）和残余阶段（FG）。

图4 典型黏结应力-滑移曲线

Fig. 4 Typical bond stress-slip curves

1）微滑移阶段（OA）：钢筋开始滑移，锈蚀层结构被挤压破坏，钢筋与ECC间的胶结力减小，此时黏结应力主要取决于机械咬合力和握裹力，黏结应力-滑移曲线基本呈线性上升趋势。

2）滑移阶段（AB）：钢筋周围ECC产生不同程度的径向裂缝，锈蚀产物被挤压密实，钢筋与ECC间咬合齿逐渐被剪断挤压，ECC中的纤维被拔出或拉断，吸收耗散钢筋滑移过程中产生的能量，黏结应力-滑移曲线上升趋势放缓，直至黏结应力到达峰值点（黏结强度）。

3）破坏阶段（BC）：钢筋与周围ECC间的咬合齿基本被破坏，钢筋与ECC的滑移量迅速增大，机械咬合力和摩擦力随之减小，接触界面也逐渐被磨平。试件内部破坏情况如图5所示，试件破坏类型为剪切-拔出破坏，由于ECC中的纤维抑制了混凝土中裂缝的发展，试件表面无明显裂缝。

图5 试件内部破坏情况

Fig. 5 Internal damage of the specimens

4）残余阶段（CD）：钢筋连同螺纹间ECC被缓缓拔出，黏结应力主要取决于拔出界面滑动摩擦力，由于钢筋的拔出界面趋向平滑，残余黏结应力变化较小。

3 影响黏结强度的因素

3.1 钢筋锈蚀率

图6是不同锈蚀率下锈蚀螺纹钢筋与ECC的平均黏结应力-滑移曲线，图7是不同锈蚀率下黏结强度对比。由图可知，当锈蚀率由0增加到5%，试件黏结强度提高了6.5%，残余黏结应力提高了10.37%，钢筋锈蚀率较小时，锈蚀产物体积膨胀，ECC提供的握裹力增强，黏结强度和残余黏结应力提高；当钢筋锈蚀率由5%增加到15%，试件的黏结强度下降了20.04%，残余黏结应力下降了57.91%，锈蚀率继续增大时，螺纹钢筋横肋有效高度减小，黏结应力传递速度加快，机械咬合力减小，黏结强度降低。试件黏结强度和残余黏结应力随钢筋锈蚀率的增加先增大后减小，说明存在钢筋临界锈蚀率使得试件黏结性能最好。

图6 不同锈蚀率下平均黏结应力-滑移曲线

Fig. 6 Bond stress-slip curve under different corrosion rates

图7 不同锈蚀率下黏结强度对比

Fig. 7 bond strength under different corrosion rates

3.2 黏结锚固长度

图8为锈蚀率为10%时，不同锚固长度下平均黏结应力-滑移曲线。由图可知，随着锚固长度的增加，黏结强度减小，锚固长度5 d试件的黏结强度是12 d试件的1.81倍，这归因于黏结应力在黏结锚固区域内沿钢筋方向分布不均匀，随着黏结锚固长度的增加，高应力区长度减小，从而黏结强度减小。

图8 不同锚固长度下平均黏结应力-滑移曲线

Fig. 8 Bond stress-slip curve under different anchorage lengths

3.3 钢筋直径

图9为钢筋锈蚀率10%时，不同钢筋直径下平均黏结应力-滑移曲线，图10为试件黏结强度对比图。由图可知，钢筋直径增大，微滑移阶段曲线上升斜率减小，黏结刚度减小。黏结强度和残余黏结应力随钢筋直径的增大明显减小，钢筋直径18 mm与10 mm的试件相比，黏结强度和残余黏结应力分别下降了48.81%和58.06%，这是由于钢筋的相对肋高和肋距随钢筋直径的增大而减小，相对黏结面积也随之减小，使得钢筋与ECC之间的机械咬合力相对较小，黏结强度和残余黏结应力降低。

图9 不同直径下平均黏结应力-滑移曲线

Fig. 9 Bond stress-slip curve under different rebar diameter

图10 不同钢筋直径黏结强度对比

Fig. 10 bond strength under different rebar diameter

3.4 纤维掺量

图11为钢筋锈蚀率10%时，不同纤维掺量下平均黏结应力-滑移曲线对比图。由图可知，黏结强度随纤维体积掺量的增加先增大后减小，纤维体积掺量为2%时，ECC与锈蚀钢筋的黏结强度和残余黏结应力最大。这是因为拉拔过程中黏结应力主要取决于ECC与钢筋的机械咬合力和ECC对钢筋提供的握裹力，纤维体积掺量2%时，ECC的综合力学性能最优^[

13⁃15]。

图11 不同纤维掺量下平均黏结应力-滑移曲线

Fig. 11 Bond stress-slip curve under different fiber content

4 黏结韧性指数

美国材料与试验协会（ASTM）C1018利用能量比值法计算黏结韧性指数^[

16]，文中依据能量比值法并结合ECC与锈蚀钢筋平均黏结应力-滑移曲线的特点，提出适用于ECC与锈蚀螺纹钢筋的黏结韧性指数计算方法，计算公式为

I_{1.0} = \frac{S_{O A B E}}{S_{O A D}}

，

（2）

I_{0.5} = \frac{S_{O A G F}}{S_{O A D}}

，

（3）

式中： $I_{1.0}$ 和 $I_{0.5}$ 分别为达到黏结强度时和黏结强度下降至 50%时，对应的黏结韧性指数，如图12所示， $S_{O A D}$ 为纤维桥接作用开始时对应曲线下的面积（kN·mm）； $S_{O A B E}$ 和 $S_{O A G F}$ 分别为达到黏结强度时和黏结强度下降至 50%时对应曲线下的面积（kN·mm）。

图12 韧性指数定义

Fig. 12 Definitions of toughness indices

表5是黏结韧性指数的计算结果，在钢筋直径、钢筋外形、锈蚀率相同情况下，黏结韧性指数 $I_{1.0}$ 和 $I_{0.5}$ 都随纤维体积掺量的增加先增大后减小，在纤维体积掺量为2%时，黏结韧性指数最高，曲线最饱满，纤维的增韧和阻裂效果最明显。

表5 黏结韧性指数计算结果

Table 5 Calculation results of toughness indices

试件	纤维掺量/%	$S_{O A D}$	$S_{O A B E}$	$S_{O A G F}$	$I_{1.0}$	$I_{0.5}$
E2-5d12-10	1.75	8.36	16.30	40.17	1.95	4.81
E1-5d12-10	2.00	10.35	21.86	63.38	2.18	6.12
E3-5d12-10	2.25	7.28	13.75	28.78	1.89	3.96

5 结论

1）ECC与锈蚀钢筋的典型黏结应力-滑移曲线可分为微滑移阶段、滑移阶段、破坏阶段和残余阶段。纤维的桥接作用大量吸收和耗散滑移过程中产生的能量，抑制了裂缝的发展，试件破坏类型为剪切-拔出破坏。

2）试件黏结强度和残余黏结应力随着钢筋锈蚀率的增加先增大后减小，存在临界钢筋锈蚀率使得锈蚀钢筋与ECC的黏结性能最好。

3）钢筋锈蚀率为10%时，试件黏结强度随钢筋锚固长度和钢筋直径的增大而减小，其中，锚固长度5 d试件的黏结强度是12 d试件的1.81倍。

4）随着纤维体积掺量的增加，黏结韧性指数和黏结强度先增大后减小，纤维体积掺量2%时纤维的增韧和阻裂效果最明显。

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