论锈蚀钢筋混凝土.doc

论锈蚀钢筋混凝土 11立题背景与研究意义 混凝土及钢筋混凝土结构以其较强的适应性和低廉的造价而成为目前世界上不可缺少的建筑材料之一。然而由于不良的使用条件、不当的使用方法(公路桥梁路面撒化冰盐)等的影响，因钢筋锈蚀造成钢筋混凝土开裂、承载力降低及结构性能劣化成为混凝土结构中的普遍现象，轻则影响结构的实用性和耐久性，重则导致结构失效。许多与人民生活和工农业生产有关的结构物都是用混凝土或钢筋混凝土建造的，如房屋建筑、公路及铁路桥梁、港口码头及水坝等。钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏，已成为世界各国普遍关注的一大灾害，大量的混凝土结构由于钢筋锈蚀，不得不未锈或拆除，甚至发生倒塌，造成巨大的经济灾害。21钢筋混凝土裂缝间距分析理论 钢筋混凝土构件出现受拉裂缝后，裂缝的数量逐渐增多，间距逐渐减小而宽度加大。由于影响混凝土裂缝发展的因素众多，且混凝土材料的非匀质性及离散型很大，裂缝的开展和分布有一定的随机性，使得都建表明的裂缝状况变异性较大，对其准确认识和分析的难度也大，因此出现了多种不同的观点及计算方法。 (1)粘结滑移理论： 最早提出的粘结一滑移法是从混凝土轴心受拉杆中提出的，其他受力形式的研究是遵循其基本概念加以补充和修正得到。根据滑移理论，当构件的最薄弱截面上出现首批裂缝时，裂缝问距是很大，裂缝截面混凝土退出工作(c=0)，全部轴力由钢筋承担。离第一批裂缝的一段距离之外，混凝土的应力仍维持c=t相应的，钢筋应力和粘结应力也都和裂缝出现之前相同。这一段长度称为粘结长度或应力传递长度，以min表示，可根据平衡条件确定： 在第一批裂缝量测的各min范围内，由于混凝土应力c<t，一般不会再出现裂缝。而在此粘结长度范围之外的个界面都有可能出现第二批裂缝，同样也发生在薄弱截面。如果相邻裂缝的件间距<2min期间混凝土的拉应力必为c<t，一般不会再出现裂缝。可见，相邻裂缝间距的最小值为min,最大值为2min，试件的实际裂缝间距离散性较大，裂缝的间距最终将稳定在(min2min)之间，取平均间距约为： 可以看出，混凝土受拉裂缝的间距主要取决于混凝土的抗拉强度、钢筋的配筋率与直径，以及两者间的平均粘结应力等，通过一系列假定与修正得到受拉裂缝平均间距的修正式为： 式中：k1、k2为试验数据回归分析所得到的参数值，v为钢筋外形影响系数。受弯构件受拉区混凝土裂缝平均间距公式，是参照轴拉构件而建立的，其形式与上式相同，只是式中参数的回归值不同 (2)无滑移法： 与粘结滑移理论不同，无滑移法认为截面配筋率p和钢筋直径d对裂缝间距和宽度的影响较小，并假设裂缝截面在钢筋和混凝土界面处的相对滑移很小，可以忽略，构件表面裂缝的间距随该点保护层厚度(或至钢筋的距离)成正比增大。把构件表面至钢筋的距离c作为影响裂缝间距和宽度的最主要因素。不同截面形式轴拉构件及受弯构件的实验数据回归出的平均裂缝间距计算式 c为构件表面裂缝所在位置至最近的钢筋中心的距离或保护层厚度。 (3)综合理论： 粘结滑移理论与无滑移理论都有一定试验结果支持，但又不能完全解释所有试验现象，且两者计算结果出入很大。粘结滑移理论表明，当配筋率p相同时，钢筋直径越细，裂缝间距越小，裂缝宽度也越小，也即裂缝的分布和开展会密而细，这是控制裂缝宽度的一个重要原则。但上式中，当d/p趋于零时，裂缝间距趋于零，这不符合实际情况。试验表明，当d/p很大时，裂缝间距趋近于某个常数，该数值与保护层c和钢筋净间距有关，基于这些原因，将两种方法结合起来，既考虑考虑构件表面至钢筋的距离对裂缝宽度的影响，又计入粘结一滑移的d/p的贡献，修正后得到裂缝平均间距的计算式为： 试验表明裂缝间距还与钢筋类型密切相关，我国现有设计规范给出裂缝平均间距计算公式： 式中：d、p分别为钢筋直径和纵筋配筋率。K1、k2、cf分别为构件表面至钢筋的距离影响系数、d/p影响系数、构件内力状态系数，它们是根据各自实验数据回归分析得到的参数值。22粘结机理及试验方法 221粘结机理 钢筋和混凝土构成一种组合结构材料的基本条件是二者之间有可靠的粘结和锚固。这种粘结作用使钢筋和混凝土在交界面处实现应力传递，从而建立起结构承载所必需的工作应力。钢筋和混凝土之间的粘结力由3个部分组成 (1)混凝土中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，其抗剪极限值取决于水泥的性质和钢筋表面的粗糙程度。当钢筋受力后有较大变形、发生局部滑移后，粘着力就丧失了； (2)周围钢筋混凝土对钢筋的摩阻力，当混凝土的粘着力破坏后发挥作用。它取决于混凝土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压应力，以及二者间的摩擦系数等； (3)钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用，即混凝土对钢筋表面斜向压力的纵向分力。其极限值受混凝土的抗剪强度控制。 事实上，粘结力的这三个部分都与钢筋表面的粗糙度和锈蚀程度密切相关,在试验中很难单独测量或严格区分。而且在钢筋的不同受力阶段，随着钢筋滑移的发展，荷载(应力)的加卸等各部分粘结作用也有变化。光面钢筋与混凝土的粘结机理： 光面钢筋与混凝土的粘结强度在钢筋滑动前取决于化学胶着力，滑动后则主要取决于摩擦力。光面钢筋的粘结破坏属于剪切型破坏。光面钢筋与混凝土的粘结较低，滑移较大，粘结性能较差。光面钢筋从混凝土中被拔出的过程为：试件开始受力后，钢筋与混凝土界面上丌始受剪，化学胶着力为其主要作用，此时界面上无滑移；随着拉力的增大，从加载端开始胶着力逐渐丧失，摩擦力开始起主要作用，滑移逐渐增大：粘结应力达到峰值后，滑移急剧增大，此时嵌入钢筋表面凹陷处的混凝土被陆续剪碎抹平，摩擦力不断减小；破坏时，拔出的钢筋表面与其周围混凝土表面沾满了砂浆和铁锈粉末，并有明显的纵向摩擦痕迹。 变形钢筋与混凝土的粘结机理： 变形钢筋与混凝土的粘结性能和光面钢筋有很大差别，虽然胶着力和摩擦力仍然存在，但变形钢筋的粘结强度主要取决于钢筋表面凸出的肋和混凝土的机械咬合力，因此变形钢筋极大的改善了与混凝土间的粘结作用。初加荷载时，和光面钢筋一样，胶着力在起作用，随着荷载的增大，胶着力破坏后的钢筋开始滑动，这时肋对混凝土产生的斜向挤压力以及钢筋与周围混凝土间的摩擦力构成了滑动阻力。斜向挤压力沿钢筋的轴向分力使肋与肋之间的混凝土犹如一个伸臂梁在受弯和受剪，在剪应力和纵向拉应力的作用下，横肋处的混凝土将产生内部斜裂缝。斜向挤压力的径向分力则使外围混凝土犹如承受内压力的管壁，产生环向拉应力，当环向拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土中就会产生径向裂缝。当其发展到构件表面时，就形成纵向劈裂裂缝。 根据钢筋的锈蚀程度不同，下边分三个不同阶段来探讨构件的粘结性能： (1)轻微锈蚀构件，表现为混凝土构件没有发生沿纵筋方向的疏松开裂， 或裂缝宽度小于05mm。试验结果表明在此阶段，粘结强度随着锈蚀率增大而增大。这可解释为，随着坚硬锈蚀层的增多，钢筋表面越发粗糙不平，这实际上提高了混凝土对钢筋的机械咬合力； (2)严重锈蚀构件，表现为混凝土构件发生沿纵筋方向的疏松开裂，裂缝宽度为0.5mmd2mm，在此阶段，粘结强度随着锈蚀的增大而减小。这主要由以下两个原因造成，首先由于混凝土沿纵向钢筋的疏松开裂导致了混凝土对纵向钢筋的约束程度降低，其次由于钢筋表层状态的改变导致钢筋与混凝土接触面的巨大变化。由于腐蚀造成的表层状态的改变最初的特征是表层粗糙程度的改变，接着是混凝土与钢筋之间强度相对较弱的粘结接触层的发展，最后是变形钢筋表面凸出部分的严重耗损而导致的局部破坏； (3)粘结力几乎丧失构件，保护层出现沿纵筋裂缝后，粘结强度迅速降低，裂缝宽度超过1.52mm后，粘结力基本丧失，其平均粘结强度仅为无纵向裂缝时的3.55.5。此种情况下，钢筋和混凝土之间的粘结强度则可以忽略不计。222试验方法 钢筋混凝土中，钢筋受力后有纵向变形趋势，周围的混凝土对钢筋的纵向变形产生约束作用；这种相互作用在钢筋与混凝土接触面产生的剪应力即为粘结应力。由于钢筋与混凝土变形能力的不同，粘结应力超过一定数值，界面间会发生相对滑移s。钢筋混凝土的粘结问题主要是指及s的问题。由于影响粘结的因素多且界面受力复杂，目前对该问题的研究尚离不开试验。目前的试验，基本可分为 (1)中心拔出试验；(2)梁式试验；(3)长埋长局部粘结一滑移试验。 (1)中心拔出试验 试件常为棱柱体或圆柱体，钢筋埋设在其中心，水平方向浇筑混凝土。试验时，试件的一端支撑在带孔的钢垫板上，实验机夹持外露钢筋端施加拉力，直至钢筋被拔出或屈服。这是最早出现的试验方法，如图2.1所示。 中心拔出试验虽然存在加载端混凝土局部挤压的影响，造成实验结果的失真，但由于试件制作以及试验装置简单，特别是对于钢筋外形特征的变化比较敏感,常用作对钢筋粘结性能进行相对比较的基准。因此，中心拔出试验为大多数研究者所采用。 (2)梁式试验 拔出试验不能反映梁中钢筋锚固区存在弯矩及剪力共同作用的影响，普遍认为用梁式粘结试验得到的粘结强度对设计梁给出最精确的结果。ACI委员会推荐的梁式试验如图2.2所示，它是研究钢筋粘结性能最适当的方法，但研究包含的变量多，需要大量的试件，装置复杂。 (3)钢筋内贴应变片拔出试验 由于其量测粘结滑移的方法独特，而且能研究应力和滑移的关系随锚长的变化，因此专分一类，见图2.3和图2.4。通过量测钢筋及混凝土的应变分布，利用公式(11)间接地求得相对滑移Sx。通过钢筋应力差的变化可求粘结应力。23钢筋锈蚀机理 混凝土中钢筋锈蚀微观机理的研究是认识混凝土锈蚀破坏规律的前提，也是研究混凝土锈蚀尊尚评估方法的基础。231锈蚀机理 铁在空气中，一般在表面形成一层稳定的氧化膜。但是，如果这一层表面氧化膜，存在着缺陷，和水接触之后，铁离子会从缺陷部分溶出，形成局部电池，发生以下反应而生锈。阳极部分：缺陷部分 阴极部分：稳定部分 由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约24倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土粘结力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。232混凝土由于钢筋锈蚀开裂破坏过程 钢筋锈蚀引起混凝土开裂破坏的过程包括自由膨胀阶段、应力产生阶段、裂纹产生阶段、裂缝扩展阶段，如图25(ad)所示。 (1)自由膨胀阶段： 当氯离子侵入，破坏了钢筋表面的钝化膜时，阳极金属铁离子被氧化，并与OH-反应生成氢氧化铁。由于钢筋与混凝土接触的界面上存在微细孔隙，钢筋表面锈蚀时产生的锈蚀产物逐步填充孔隙。如果钢筋锈蚀量小于填充孔隙所需要的锈蚀量时，在周围混凝土中就不会产生任何应力。 (2)应力产生阶段 当钢筋锈蚀量超过填充钢筋与混凝土接触面孔隙所需要的锈蚀量时，则钢筋周围的混凝土界面上产生膨胀压力，此时膨胀压力随着钢筋锈蚀量的增大而增大。 (3)裂纹产生阶段 当钢筋的锈蚀量达到临界锈蚀量，即导致保护层开裂的锈蚀量时锈蚀产物体积增大产生的应力超过混凝土抗拉强度，锈蚀产物周膈混凝土出现裂纹。 (4)裂缝扩展阶段 当应力强度因了大于临界应力强度因予时，混凝土初始裂纹尖端扩展，裂缝逐渐发展，混凝土保护层沿着锈蚀钢筋形成裂缝，这些裂缝称为侵蚀性介质通往钢筋表面的过道，因而加速钢筋锈蚀。若不采取措施，则钢筋的锈蚀会进一步发展直至保护层脱落。 自由膨胀阶段和应力产生阶段取决于钢筋与混凝土接触界面上微细孔隙的大小和钢筋锈蚀量，而微细孔隙的大小与混凝土凝结硬化时的收缩量、混凝土的浇捣质量有关，水泥用量越小、水灰比越小、混凝土密实度越大则微细孔隙越小；钢筋的锈蚀量与锈蚀速度、锈蚀产物的成分有关。裂纹产生阶段取决于钢筋锈蚀量和临界锈蚀量。显然临界锈蚀量和保护层厚度有关。强度较低的普通混凝土且厚度小的保护层的临界锈蚀量相对较小，而高强混凝土且厚度大的保护层则与之相反。裂纹扩展阶段取决于应力强度因子和临界应力强度因子，临界应力强度因子主要与混凝土保护层的抗拉强度和厚度有关，保护层的强度和厚度越小，临界应力强度因子越小。 钢筋锈蚀引起混凝土开裂破坏形态分为顺筋开裂、混凝土角部开裂(脱落)、楔形开裂(脱落)以及混撮土整层剥落等，如图2 6所示。 当钢筋位于角部时，由于垂直裂缝或斜向裂缝的同时向两侧保护层表面发展，最终导致保护层混凝土角部剥落图26b】；当钢筋位于中部时，若钢筋问距较大，斜向裂缝想保护层表面发展，最终导致混凝土保护层楔形剥落【图26c或垂直方向顺筋丌裂【图26a】；若钢筋间距相对保护层较小，垂直裂缝连通，最终导致混凝土整层剥落图26d】；因此混凝土保护层的破坏形态取决于钢筋位置、钢筋间距、保护层厚度以及锈蚀率。233混凝土由于钢筋锈蚀开裂破坏模式 锈蚀钢筋混凝土构件破坏模式取决于钢筋锈蚀的程度。未开裂的锈蚀钢筋混凝土梁与未锈蚀钢筋混凝土受弯构件的破坏模式是类似的，随着荷载增加，跨中弯曲裂缝形成，构件变形增大；钢筋屈服后，弯曲裂缝迅速往上扩展，混凝土受压面积进一步减小，导致受压混凝土压碎。随着锈蚀程度的增大，由于钢筋锈蚀延性的显著降低，这种弯曲破坏逐渐由适筋破坏转化为少筋破坏 根据国外对30根锈蚀钢筋混凝土梁进行试验的研究资料，得到锈蚀钢筋混凝土梁的四种破坏模式： (1)受拉钢筋屈服的弯曲破坏：在受拉钢筋配筋率较低时发生； (2)受压混凝土压碎的弯曲破坏。在受拉及抗剪钢筋配筋率较高时发生； (3)剪切破坏：受拉主筋配筋率较大、混凝土有效截面积较小且箍筋间距较大时发生。 (4)锚固破坏：受拉钢筋锈蚀严重与混凝土之间产生滑移时发生。 随着锈蚀程度的增大，由于截面刚度降低，在很小荷载下构件即出现弯曲裂缝，这些裂缝随荷载的增加而进一步扩展，与钢筋锈蚀胀裂产生的纵向裂缝汇合。此时，由未开裂混凝土部分提供给钢筋以较好的锚固；荷载进一步增加，则未开裂混凝土锚固部分的拔出应力增加，锚固即将失效，最终导致纵筋方向混凝土与钢筋劈裂。这种破坏是由于锈蚀钢筋与混凝土锚固失效所致。对于没有设置抗剪钢筋的混凝土梁来说更容易发生这种破坏。24锈蚀钢筋混凝土梁裂缝分布特点 锈蚀钢筋混凝土构件由于混凝土强度、钢筋强度以及钢筋和混凝土之间的粘结强度的降低，与普通钢筋混凝土构件相比，其裂缝宽度和平均裂缝间距都会增大。241裂缝的发生、分布和开展的机理 在轴心受拉和受弯构件纯弯区段中，未裂前各截面受拉混凝土应力是大致相同的；当逐渐达到混凝土实际的抗拉强度极限时，构件将处于即将出现裂缝的应力状态，但是由于钢筋混凝土实际抗拉强度是不均匀的，因此第一条裂缝首先出现在混凝土最薄弱截面处，如a-a截面。 在第一条(批)裂缝开展的瞬间，裂缝截面处混凝土的拉应力降低至零，钢筋应力则猛增。原受拉张紧的混凝土分别向a-a截面两边回缩，在裂缝的截面处混凝土和钢筋的表面产生相对滑移，产生变形差，故裂缝一经出现，即具有一定程度的开展。由于混凝土和钢筋间的粘结，混凝土的回缩受到钢筋的约束，因此将随着a-a截面的距离加大，回缩将逐渐减小，即相对滑移减小，此时混凝土仍处在一定程度的张紧状态。裂缝截面处的钢筋应力依靠混凝土和钢筋间的粘结力传递给混凝土，从而使钢筋应力逐渐减小，而混凝土的应力逐渐增加，当达到某一距离处，混凝土和钢筋不再产生相对滑移，又回复到未裂前的情况。 当荷载稍有增加时, 也增大，同时钢筋和混凝土产生滑移的范围也有某些扩大。当混凝土拉应力曲线和混凝土实际抗拉强度曲线相交时，在该截面b-b将产生第二批裂缝由于实际抗拉强度曲线的分布的不均匀性，裂缝2可能在b-b界面的右侧或左侧发生。裂缝在某一截面发生带有偶然性，因此其分布是不均匀、不确定的。 在b-b界面处，当发生第二批裂缝时，又降至O，而在a-a和b-b间或附近，混凝土和钢筋的相对滑移方向一般将改变，即混凝土由朝向b-b转变朝向a-a滑移，而裂缝问混凝土拉应力有所降低并呈某种曲线分布。按类似规律，其余的裂缝将逐个出现，裂缝间距不断改变。但是，随着荷载的继续增加，混凝土和钢筋之间的滑移量以及钢筋间的应力也随之增大，这将导致钢筋直径的减小，混凝土与钢筋间的粘结力降低，此时混凝土内拉应力不再上升至极限抗拉强度t，因而不再产生新的裂缝。一般在荷载超过抗裂强度50或以上时，裂缝间距基本趋于稳定，而裂缝宽度则随着滑移量的增加而增加，另外，有时在短期荷载下裂缝尚未“出齐的构件，在持续荷载若干天后，仍有可能出现新的裂缝。如上所述，随离开裂缝距离的增大而增大。假定两裂缝间的对称分布，则在两裂缝中间的截面处最大，钢筋应力将随离开裂缝距离的增大而减小，即钢筋拉应力沿其长度分布式不均匀的，从力的平衡条件，这使混凝土和钢筋表面间产生粘结应力，如图27c，粘结力则随离开裂缝面距离的加大而增大。因此，裂缝间距的分布既和混凝土的抗拉强度有关，也与混凝土和钢筋间的粘结强度有关。当一个构件所需的配筋量已知，若分别配以根数多而直径小以及根数少而直径大的钢筋，这将会产生不同的裂缝分布情况：直径小的其表面积和截面积之比较小，只需要较小的距离就能通过粘结力使得钢筋拉力差平衡、使重新达到混凝土抗拉强度，进而在使混凝土中出现新的裂缝，即这时裂缝间距要小些；而直径大的则情况相反。同理，当构件的配筋率不同时，配筋率高者，相应的裂缝间距要小些，这是因为受拉混凝土截面较钢筋截面积相对较小，离开裂缝截面不远处就能使混凝土的拉应力重新提高到混凝土抗拉强度而产生新裂缝。另外，钢筋的表面形状，即表面粗糙程度也会影响到裂缝间距的分布，例如同等条件下，光圆钢筋与混凝土机械咬合力较弱，相应的剪应力较小，则裂缝间距相对要大些。包裹钢筋的混凝土面积的大小或保护层厚度，同样也影响着裂缝间距及宽度的分布，因为钢筋对距离自身较远处的混凝土约束较差，因而外表混凝土的回缩较自由，甚至在出现第一批裂缝时可回缩便放松到无应力状态，这样要使混凝土从拉应力较小或零应力状态通过增加荷载，使在某一截面的混凝土啦应力重新增大到混凝土抗拉强度而开裂需要较大的距离，因而裂缝间距还与保护层厚度有关系。 尽管裂缝的出现、分布和开展的分散性较大，且影响的因素又很多，但其规律还是可以认识的。如上所述，裂缝的出现与钢筋混凝土抗拉强度有关；裂缝间距的分布又与混凝土和钢筋间的粘结强度、混凝土保护层厚度有关；而裂缝宽度则与裂缝间距、混凝土和钢筋间的滑移量、钢筋应力大小以及荷载长期作用等因素有关。正确认识这些规律，将有助于建立物理概念明确的裂缝宽度计算方法。 随着荷载的不断增加，滑移不断增大，裂缝不断丌展。当两裂缝距离较大时，特别是在变形钢筋的情况下，混凝土和钢筋之间的粘结应力不断增大，因此裂缝间混凝土拉应力重新增大，到一定程度时(即又与混凝土实际抗拉强度曲线相交时)，在两裂缝见可能出现新的裂缝。用变形钢筋的梁，当钢筋屈服后，滑移剧增粘结应力的提高足以使原裂缝附近的又重新提高到混凝土的抗拉强度，因而这种梁在破坏前元裂缝附近还将产生一些汇集到该裂缝的“根状裂缝。 从上可见，裂缝时不断发生的，试验证明，混凝土和钢筋的粘结强度大致和混凝土的抗拉强度成正比，但早期裂缝间距的量测资料验证过混凝土强度对裂缝间距没有显著影响。242裂缝平均间距计算理论 平均裂缝间距公式可根据下列条件确定，即在某一荷载下出现的第l条裂缝离开第2条裂缝应有足够的距离使通过粘结力将混凝土拉应力从第1条裂缝处为零提高至第2条裂缝下为 (1)轴心受拉构件根据以上论述，在第一条裂缝处拉应力为。在第二条裂缝即将出现处，裂缝出现瞬间，混凝土和钢筋仍共同承受拉力，即，取出这段钢筋为隔离体，考虑沿钢筋轴向力平衡有，如图b：而，因此 式中：平均粘结应力，为混凝土开裂应力； 为了计算平均裂缝间距，必须确定平均粘结应力。过去采用拔出试验确定平均粘结强度，认为为常数。代入有： 当构件中钢筋直径相同时，取Ag/S=d/4；对光面钢筋，取a=l，对变形钢筋，取a=1.4，这样得到轴心受拉构件平均裂缝问距公式，它表明与d/u成正比。但这与实验结果是不吻合的。比较以往的试验资料，规范通过对保护层较大的试件量测修正后建议取： 式中：v是考虑钢筋表面状况对平均裂缝间距的修正系数，对光面钢筋，v=1；对变形钢筋，v=0.7；对冷拔钢丝，v=1.25。上式在实用中遇到d/u(20，100)较一致。 (2)受弯构件 早期受弯构件裂缝间距计算理论是依据轴心受拉构件而建立的。在使用荷载作用下，裂缝的间距不随荷载作用时间而变。由于梁内混凝土对钢筋粘结条件的不同：在试验中，作为假想的裂缝已经出现，因此试验时钢筋应力是逐渐增加的，但在梁的实际工作过程中，裂缝的出现使钢筋的应力突然增加，可能产生相当大的冲量，这将削弱甚至破坏裂缝附近的粘结强度，直接引用拔出试验资料得出的公式和实验结果比较有较大的误差。 式中：S为钢筋周长； Wg为裂缝截面处钢筋截面的弹塑性抵抗矩， Wg1为裂缝将出现时钢筋截面的弹塑性抵抗矩，因为，则，得 根据国内外500多根(变形和光面钢筋)梁的试验资料的综合比较，旧有规范推荐采用以下公式： 变形钢筋梁在上式的基础上乘以07的系数，对于不同截面形式的量是通过考虑受拉区混凝土塑性影响系数获得的 (3)环形截面受弯构件，平均裂缝间距建议按下式： s为箍筋间距，在薄壁的环形截面梁内，箍筋对截面削弱的影响较为重要，s取不小于10cm。25裂缝间距影响因素 混凝土的裂缝间距的分布是多因素作用的结果，目前的研究集中于讨论混凝土保护层厚度、d/p、钢筋外形特征以及混凝土抗拉强度，它们都是通过实验数据统计回归得到的。事实上钢筋锈蚀对混凝土裂缝间距分布的影响也是非常显著的。 钢筋和混凝土之间的粘结力由化学粘着力或吸附力、摩阻力、机械咬合作用3个部分组成。不论是以粘结一滑移理论为基础的半经验半理论公式(第一类)还是以统计分析方法为基础的经验公式(第二类)。它们都是将钢筋锈蚀以及退化作为一个笼统的统计量来考虑的，如在在第一类公式中，是通过统计量对钢筋直径与配筋率的比值系k2进行调整来考虑；而第二类公式纯粹是建立在试验统计分析基础上的。事实上，粘结力的这三个部分都与钢筋表面的粗糙度和锈蚀程度密切相关在试验中很难单独测量或严格区分。 钢筋与混凝土的粘结是钢筋与混凝土两种材料组成的复合构件共同工作的基本前提，通常所谓的粘结应力是指钢筋与混凝土接触面上的剪应力，实际上钢筋外围混凝土的应力及变形状态要复杂得多。粘结应力使钢筋应力沿长度变化，反之，没有钢筋应力的变化就不存在粘结应力。在承载能力和使用极限状态下，钢筋强度能利用多少主要取决于粘结的有效强度。251锈蚀对粘结性能的影响 混凝土的裂缝间距的分布是多因素作用的结果，目前的研究集中于讨论混凝土保护层厚度、d/p、钢筋外形特征以及混凝土抗拉强度，它们都是通过实验数据统计回归得到的。事实上，钢筋锈蚀对混凝土裂缝间距分布的影响也非常显著： (1)对混凝土，由于钢筋锈蚀产物的体积膨胀(一般可达23倍)，使构件混凝土保护层纵向开裂甚至剥落，导致混凝土有效面积减小。 (2)对钢筋与混凝土之间的粘结作用，钢筋锈蚀率较小时，其表面的粗糙程度有所提高，使得混凝土与钢筋之间的化学吸附力和摩阻力有所提高，使得而在钢筋锈蚀率较大时，在钢筋周围产生了疏松的铁锈层，作为钢筋与混凝土间粘结应力传递的介质是无力的，它降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力，使得钢筋更适于滑移，导致粘结力急剧下降，为了平衡钢筋拉力，将导致粘结长度，增加，从而平均裂缝间距也有较大的增长。 钢筋发生锈蚀的初期(裂胀前)，钢筋锈蚀产物的膨胀作用使混凝土对钢筋的约束力增大，钢筋与混凝土之间的摩擦系数也因钢筋表面(特别是光面钢筋)变得凹凸不平略有增大，因而钢筋与混凝土间的粘结性能反而增强。但随着钢筋锈蚀的进一步发展，将会削弱甚至破坏钢筋与混凝土的粘结锚固作用，最终降低钢筋混凝土构件或结构的承载力和适用性。 锈蚀对光圆钢筋混凝土梁粘结性能的影响机理： 1)在锈蚀率较小的时候，锈蚀使钢筋表面出现锈坑，变得粗糙不平，增大钢筋与混凝土接触面上的摩擦系数；从而使得钢筋与混凝土的粘结力有所提升。 2)酥松的锈蚀产物发生体积膨胀使周围混凝土对钢筋的径向压力增大，且随着径向压力的增大，保护层逐渐胀裂，当胀裂至一定程度后，径向压力将随钢筋锈蚀程度的增加而开始降低；从而使得钢筋与混凝土的粘结力有所降低。 3)钢筋表面出现锈层后，如果钢筋锈蚀率进一步发展，则钢筋与混凝土之间的化学胶着力和咬合力将逐渐遭到破坏，因此，由该部分提供的粘结力将随着锈蚀程度的增加而降低乃至丧失。锈蚀对变形钢筋混凝土梁粘结性能的影响机理： 锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结机理与未锈钢筋大体相似，不同的是锈蚀改变了钢筋受拉前的初始状态，以及影响程度不同，具体包括以下方面：锈蚀改变了钢筋的几何参数，如钢筋直径、肋高度等；钢筋表面状况改变，如摩擦系数，粘着力系数等，变形钢筋横肋的锈损也会降低肋钢筋和混凝土之间的机械咬合力；由于锈蚀产物的体积膨胀，混凝土对钢筋的径向压力以及混凝土保护层的极限剩余约束力发生改变。 综上所述，钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件的影响主要表现在三个方面：对钢筋，将减小其截面面积，使钢筋力学性能发生改变；对混凝土，由于钢筋锈蚀产物的体积膨胀，使构件混凝土保护层纵向丌裂甚至剥落，导致混凝土有效面积减小；对钢筋与混凝土之间的粘结作用，由于钢筋锈蚀后在钢筋与混凝土的界面上生成疏松的锈蚀层，降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力。这些构件性能的退化将导致钢筋混凝土构件破坏形式发生巨大的变化。252混凝土强度的影响 试验结果表明，当提高混凝土的强度时，它和钢筋的化学粘着力和机械咬合力随之增加，但对摩阻抗滑力的影响不大，同时，混凝土抗拉(裂)强度ft的增大延迟了拔出试件的内裂和劈裂应力，提高了极限粘结强度和粘结刚度253钢筋外形特征的影响 至于肋的外形几何参数，如肋高、肋宽、肋距、肋斜角等都对混凝土的咬合力有一定的影响。但也有试验结果表明幻"，肋的外形变化对钢筋的极限粘结强度值的差别并不大，对滑移值的影响稍大。对不同钢筋外形特征，光面钢筋混凝土梁，当锈蚀率较小时(小于5)时，粘结强度甚至有所增加,导致平均裂缝间距有所减少。当锈蚀率继续增加时，粘结力降低，平均裂缝问距增加；螺纹钢筋混凝土梁，由于钢筋锈蚀后，其有效截面面积、有效截面周长将减小，使得钢筋与混凝土平均粘结应力减小，从而增加了应力传递长度，平均裂缝间距总体趋势是逐渐增大的。254 d/p的影响 钢筋的粘结面积与界面周界长度成正比，而拉力与截面积成正比，二者之比值(4d)反映钢筋的相对粘结面积。直径越大的钢筋，相对粘结面积减小，不利于极限粘结强度。本文包括了18mm、20mm、22mm三种不同直径的钢筋的对比分析。 钢筋的外形特征对粘结强度有明显影响。变形钢筋的粘结强度比光面钢筋高的多。我国试验的变形钢筋的粘结强度约为(2.56.0)MPa，光面钢筋则为(1.53.5)MPa 255保护层的影响 钢筋的混凝土保护层厚度指钢筋外皮至构件表面的最小距离。增大保护层厚度，加强了外围混凝土的抗劈裂能力，显然能提高试件的劈裂应力()和极限粘结强度()。但是，当混凝土保护层的厚度c>(56)d后，试件不再发生劈裂破坏，而是钢筋沿横肋外围切断混凝土而拔出，故粘结强度不再增大。256其他因素的影晌 钢筋埋长： 试件中钢筋埋的越深，则受力后的粘结应力分布越不均匀，试件破坏时的平均粘结强度与实际最大粘结应力的比值越小，故试验粘结强度随埋长(/d)的增加而降低。当钢筋的埋长，/d>5后，平均粘结强度值的折减已不大。 横向箍筋： 梁中如果配有箍筋，可以延缓劈裂裂缝的发展或限制其宽度，阻止劈裂破坏，从而提高粘结强度，无箍和有箍试件的对比试验表明，配箍后粘结强度有所增加，其增值与保护层内的配筋率基本上成正比；配箍对保护后期粘结强度、改善锚筋延性有明显作用。 另外，当钢筋的锚固区有侧向压力作用时，粘结强度也将提高。但侧向压力过大，或有侧向拉力时，反而会使混凝土产生沿钢筋的劈裂。总之，凡是对混凝土的质量和强度有影响的各种因素，如混凝土制作过程中的坍落度、浇捣质量、养护条件、各种扰动等，又如钢筋在构件中的方向是垂直(如梁)，或平行(如柱)于混凝土的浇筑方向、钢筋在截面的顶部或底部、钢筋离构件表面的距离等，都对钢筋和混凝土的粘结性能产生一定的影响。26小结 详细介绍了钢筋混凝土粘结机理，总结了其试验方法。探讨了钢筋锈蚀的基本理论，描述了钢筋锈蚀开裂的破坏过程以及破坏模式，对锈蚀钢筋混凝土梁的裂缝间距分布以及各影响因素进行了详细的描述及分析。 肖礼宝 2013/12/15