锈蚀钢筋混凝土的黏结性能及声发射信号特征分析

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发布时间：2021-09-03

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锈蚀钢筋混凝土的黏结性能及声发射信号特征分析
王磊，夏海龙，易金，范蕾
(1．广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林541004；2．桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004)
摘要钢筋锈蚀对钢筋与混凝土间的黏结性能影响显著，通过对锈蚀率分别为0，0．5％，2％，4％，
6％的5组试件的拉拔试验，结合声发射检测系统，研究了锈蚀钢筋混凝土的黏结破坏过程和声发射信
号特征变化。试验结果表明：对于实验室条件下的加速钢筋锈蚀试验，采用声发射定位技术可以准确地
反映钢筋锈蚀造成混凝土损伤的位置和程度；试件声发射能量随着锈蚀率的增加而减小，根据声发射参
数的变化特征，可将声发射信号划分为与黏结．滑移曲线相对应的4个阶段，分析能量、信号幅值、上升
时间等声发射参数在破坏过程中的变化规律，能较清晰地反映试件黏结性能退化的过程，一定程度上可
以较早地预测试件的破坏。
关键词锈蚀钢筋；声发射；黏结性能；试验
中图分类号TU3l7 9 文献标识码A DOI：10．3969／j．issn．1003—1995．2016．04．35
钢筋和混凝土两种材料能够共同工作、共同承受
荷载的前提条件是二者之间具有良好的黏结性能，黏
结性能的退化和失效必然导致钢筋混凝土结构力学性
能的降低。由各种外界因素引发的钢筋锈蚀问题，对
钢筋和混凝土之间黏结性能影响显著，其影响通常可
以归结为钢筋表面形状及材性改变与混凝土约束条件
变化两个主要方面。多因素叠加使得锈蚀钢筋与混凝
土之间黏结特性分析的困难大增，而目前的研究大多
是从宏观力学性能来分析锈蚀钢筋混凝土界面问黏结
退化问题¨。，缺少对钢筋锈蚀发生，裂缝的产生与扩
展，以及构件受力黏结破坏的过程研究。对锈蚀钢筋
与混凝土界面间黏结退化过程依然缺乏完整而清晰的
了解。声发射技术是近年来被人们广泛利用的一种无
损检测技术，具有可实时动态监测、迅速准确定位损伤
部位等优点，是一种颇具前景的监测技术。本文
采用声发射无损检测技术监测拉拔破坏的全过程，对
不同锈蚀率的钢筋混凝土试件的黏结性能开展试验研
究，研究结果对钢筋混凝土间黏结理论和实际工程的
分析应用具有一定意义。
1 试验
1．1 试验材料
试验采用直径为20 mm的HRB335月牙纹钢筋，
C30混凝土。混凝土采用42．5普通硅酸盐水泥，粗骨
料为最大粒径20 mm的石灰石碎石，并在浇筑混凝土
前清洗干净，细骨料用细度模数为2．5的普通天然河
砂。混凝土28 d实测标准立方体抗压强度为
31．43 MPa。为了在加速锈蚀试验中增加混凝土的导
电能力，本试验采用5％的NaC1溶液作为拌合用水，
混凝土制备配合比见表1。
表1 混凝土配合比设计
收稿日期：2015-11—26；修回日期：2016-0l-15
基金项目：国家自然科学基金(51268009)；广西高校优秀中青年骨干教
师培养工程；广西矿冶与环境科学实验室中心项目
(KH2011ZD007)
作者简介：王磊(1977一)，男，教授，博士。
1．2 试件设计
试件为150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方体
中心埋置钢筋的拉拔试件，为保证试验时钢筋与实际
结构中钢筋的应力状态相近，在钢筋与混凝土接触的
两端用长度为30 mm 的塑科套管将二者隔离作为无
黏结段。试件浇筑完毕后1 d拆模，标准条件下养护
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2016年第4期 5E 磊等：锈蚀钢筋混凝土的黏结性能及声发射信号特征分析 141
0．02
0 0．O3
0．O6
0．47
O．5 0．52
0．57
1．76
2 1．98
2．04
4．21
4 4．10
4．32
5．04
6 5．67
6．47
注；-1- 为极限黏结应力，即试件平均黏结应力的最大值；s 为与极限黏结应力相对应的加载端滑移量；为第i组3个试件的
极限黏结应力平均值(i=1，2，⋯，5)；n 为 l／。，即第i组与锈蚀率0％的试件组的极限黏结应力平均值之比。
加界面处的摩擦系数并增强混凝土对钢筋的约束作
用，使得黏结性能略有提高。
如图4、图5所示，钢筋拉拔试验过程的黏结一滑移
曲线可分为微滑移段、滑移段、劈裂段、下降残余段
4个阶段，且随着锈蚀率的增加，加载端滑移量不断减
少，钢筋拔出所需的荷载也显著减小，由于试件的破坏
均为劈裂破坏，黏结应力达到极限后迅速下降，试件破
坏较为突然。
图4 黏结一滑移曲线
图5 滑移量与锈蚀率的关系曲线
为更好地分析研究锈蚀钢筋与混凝土间的黏结退
化过程，以及拉拔试验的破坏过程，采用声发射测试过
程中获取的累积参数和变化率参数这两个声发射信
号，结合黏结一滑移曲线特征以及试验现象进行综合分
析。如图6所示，声发射能量计数有2个峰值，且钢筋
与混凝土黏结破坏时产生的声发射信号较为连续，根
据声发射信号的变化特点，将整个加载过程划分为与
黏结一滑移曲线相对应的4个阶段。
1)微滑移段：刚开始加载，加载力较小，黏结滑移
尚未到达自由端端部，黏结力主要为化学胶着力。而
此时声发射信号较活跃，可能是来源于试件受压面上
混凝土颗粒被挤碎，以及试验设备在受力后刚度调整
而产生的非黏结滑移特征的干扰信号。
2)滑移段：加载端附近界面开始产生局部脱黏，
钢筋自由端开始出现滑移，化学胶着力逐渐丧失，黏结
力主要为摩擦力和机械咬合力。此阶段声发射信号的
变化很小，声发射释能率较低，可以推断出}昆凝土内部
的微裂缝在缓慢发展，信号主要来源于黏结界面处的
斜裂缝和钢筋变形肋处被压碎的混凝土以及混凝土表
面的微裂缝或原有锈胀裂缝的缓慢增大。
3)劈裂段：混凝土表面开始出现微裂缝或原有的
锈胀裂缝从加载端向自由端快速扩展，黏结界面出现
较大的斜裂缝，且变形钢筋横肋前的混凝土被压碎，声
发射释能率迅速增大，最终试件劈裂破坏，声发射释能
率突然达到峰值，也进一步地说明钢筋和混凝土间的