不同钢筋与混凝土粘结性能的研究进展.pdf
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1、 不同钢筋与混凝土粘结性能的研究进展 孔纲 ,张强 ,车淳山 ,郑菁菁 ,林志坚 ( 1 华南理工大学材料学院,广东 广州5 1 0 6 4 0;2 海峡两岸防护新材料联合研究院 ,福建 厦门3 6 1 0 2 4 ; 3 厦门产业技术研究院,福建 厦门3 6 1 0 2 4 ) 摘 要 钢筋与混凝土之间的粘结性能影响其综合性能, 综述 了不同钢筋与混凝 土之间的粘结性能, 着重分析 了不同钢筋与混凝土之 间不 同粘结强度 的影响因素 , 指出了各种钢筋与混凝土粘结存在 的问题 。提 出开发耐蚀性 和粘结性能俱佳的新型钢筋是 未来的重点研究方向。 关键词 钢筋;混凝土;粘结强度 ;研 究进展
2、中图分类号T G 1 7 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 1 5 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 5 0 0 4 0 前言 大气中的二氧化碳会透过混凝 土的缝隙扩散到钢 筋表面附近 , 与混凝土中的氢氧化钙反应 , 使钢筋加速 腐蚀 。当钢筋混凝土处于滨海或海洋环境 中时 , 由于 海水 中的氯化物含量高 , 会 透过混凝 土扩散到钢筋表 面使其产生腐蚀。钢筋的腐蚀可能造成混凝土的开裂 剥落 , 使混凝土结构恶化 , 甚至倒塌。 目前 , 对于钢筋 方 面的防护, 除了对钢筋进行电化学保护外 , 各种耐蚀 钢筋也不断面世 , 如镀锌 钢筋、 环氧树脂 钢筋、 纤维
3、增 强复合塑料 ( F R P ) 钢筋 以及不锈钢钢筋等。 钢筋和混凝土能够结合在一起共 同发挥最佳综合 性能, 主要是 由于两者 间有 良好 的粘结力 。粘结 问题 不仅关系到钢筋搭接 、 锚 固、 延伸等工程 实践 问题 , 还 涉及到许多的理论问题 如剪切破坏 、 裂缝 宽度等。因 此不 同腐蚀环境下选择钢 筋种类 时, 必须充分考虑不 同类型钢筋与混凝土之 间粘结性能。以下综述了不 同 钢筋与混凝土之间的粘结性能的研究进展。 1 不同钢筋与混凝土之间的粘结性能 1 1 镀锌钢筋 镀锌能够有效地减小钢筋在混凝 土中的腐蚀 j , 收稿 日期 基金项 目 通信作者 2 01 31l一27
4、 国际铅锌研究组织资助项 目( I L Z R O I Z A C N 2 0 1 2 1 2 ) ; 中央高校基本科研业务费项 目 ( 2 0 1 2 Z M 0 0 1 1 ) ; 广东省教育部产学研结合项 目( 2 0 1 2 B 0 9 1 1 0 0 3 1 2 ) 资助 孑 L 纲( 1 9 7 1一) , 博士, 研究员, 主要研究方 向为金属材料表面腐蚀与防护 , 电话: 0 2 0 8 5 5 1 1 5 4 0, E- ma i l :k o n g g a n g s c u t e d u c n 同时使钢筋混凝土之间的粘结行为发生 了变化。 钢筋镀锌对 其与混凝 土
5、间粘结 强度 的影 响有争 议 : 早期研究认为当镀锌钢筋浸入湿水泥时, 产生的氢 气会扩散至水泥浆 中产生孔 隙 ; 镀锌钢筋的腐蚀产 物不能填充混凝土 中因氢气产生 的孔 隙, 因而两者之 间的粘结强度变小 ; 也有认为腐蚀产物会填充孔隙 , 镀锌钢筋与混凝土之间的粘结强度和普通碳钢相差不 大 ; 至今尚没有足够的证 据能够说明镀锌 钢筋与混 凝土粘结强度因为氢气的产生而减小了 J 。 混凝土的固化时间对粘结强度有 明显影 响 : 光 滑 镀锌钢筋固化时间为 7 d和 1 4 d时的粘结强度显著低 于碳钢钢筋 , 而 固化 2 8 d时 , 镀锌钢筋 的极 限粘结强度 为 1 3 5 MP
6、 a , 普通钢筋 的极 限粘结强度为 1 3 2 MP a , 二者相差不大 _ 5 ; 固化 5 8 d时, 镀锌钢筋 的粘结强度 比普通钢筋高 5 l 5 J 。 在普通强度的混凝土中, 镀锌钢筋的粘结强度 比普 通碳钢钢筋只减小了 4 , 可忽略不计 ; 在高强度混凝土 中, 镀锌钢筋的粘结强度 比碳钢钢筋平均减小了 1 3 _ 8 j 。 腐蚀对粘结强度有 一定的影响 J : 镀锌钢筋 和普 通带肋钢筋经过 1 4 d的加速腐蚀 后 , 镀锌钢筋 的粘结 强度减小了 1 8 0 , 普通碳钢钢筋的粘结强度 减小了 2 5 8 , 这是 因为锌腐蚀产物 的体 积变化 比普通碳钢 的小,
7、 且腐蚀物产生会扩散到混凝土中的孔隙中。 1 2 环氧树脂钢筋 普通钢筋表面涂覆环氧树脂保护层, 其厚度一般 为0 1 5 0 3 0 m m【 10 , 能够有效防止钢筋被腐蚀, 从而 大幅提高工程结构的耐久性 。1 9 7 3年美 国宾夕法尼亚 州的一座桥面板上首先使用 了环氧树 脂钢筋 , 之后北 美有多达 1 O万座建筑使用了约 2 01 0 t 环氧树脂钢 假 护 。 黼 筋 。环氧树脂光滑且不活泼, 使之与混凝土之间的 化学胶着力 、 摩阻力和机械咬合力更小 。 环氧树脂钢筋 中的粘结失效是 由于钢筋和混凝土 之间发生了分离 , 这也证实 了在混凝 土和环氧树脂钢 筋之间几乎没有化
8、学胶着力这一普遍观点 1 3 , 1 4 。 环氧树脂钢筋的粘结强度与钢筋的外形有关。有 肋环氧树脂钢筋的粘结强度比光滑环氧树脂钢筋 的粘 结强度高 4 0 lL l s 1 J , 但仍 比普通有肋钢筋的粘结强度 低 2 5 一 4 2 。因此 , 钢 筋上 的环氧树脂层会使钢筋 与混凝土间的粘结强度大幅降低 。 环氧树脂钢筋 混凝土 的粘结 强度和涂 层厚度 有 关 。涂层厚度增加 , 可以增加环 氧树脂保 护钢筋 的能 力, 但会对粘结强度产生影响。对于 西1 6 m m钢筋, 涂 层厚度增加时粘结强度会减小 , 而对于 1 9 m m钢筋 , 当涂层厚度从 7 6 p m增加到 3 0
9、 0 m时, 对粘结强度的 影响并不明显 。在满足 A S T M A 7 7 5 ( 环氧树脂钢筋 标准规范 ) 的情况下 , 1 9 m m 以上 的钢筋涂层最大厚 度可以从 3 0 0 m增加到 4 2 0 Ix m 。 此外 , 环氧树脂钢筋的粘结强度还与混凝土的强度、 混凝土保护层的厚度有关。环氧树脂钢筋的粘结强度随 着混凝土强度的增加而增加, 和混凝土强度的平方根成 正比 引。混凝土保护层厚度为 3 D( D为钢筋的直径 ) 时, 其平均粘结强度要高于厚度为 2 D的保护层“ 那 J 。 为了弥补 由于环氧树脂涂层而减小 的粘结强度 , 美国混凝 土协会规定有 肋钢筋 的锚 固长度
10、需 要增加 2 0 5 0 , 美国各州公路及运输协会引入一个修正 因子将钢筋的锚 固长度提高 l 5 5 0 _ 2 l I 。一个提 高粘结强度的常用方法是增加混凝土 的保护层厚度 , 但会给钢筋混凝土结构设计带来不便 , 同时也会增加 成本。在环氧树脂中加入其他材料可以提高其粘结强 度 : 加入河砂 , 在钢筋表面形成一层砂子 一 环氧树脂层 , 它和纯环氧树脂层有相 当的耐蚀性 , 同时粘结强度也 大幅提高 , 提高的幅度不仅 和砂子的大小有关 , 还和砂 子与环氧树脂 的用量 比有关 ; 加入粉煤灰可提高粘结 强度 , 粉煤灰和环氧树脂的比为 0 5时效果最好 2 引。 1 3 F
11、R P ( 纤维增强复合塑料) 钢筋 和传统钢筋相比, F R P钢筋质量轻, 强度高, 耐腐 蚀性及耐疲劳性好。由于 F R P钢筋的弹性模 量、 剪切 刚度和抗拉强度与碳 钢钢筋不 同, 故不能按照普通钢 筋的设计规范来进行 F R P钢筋混凝土的设计。F R P钢 筋的粘结性能与许多因素有关 。 ( 1 ) 钢筋的类型F R P钢筋按成分可 以分为碳纤 维增强复合塑料钢筋( C F R P ) 、 玻璃纤维增强复合塑料 钢筋( G F R P ) 、 芳香烃聚酰胺纤维增强复合塑料钢筋 ( A F R P ) 、 玄武 岩纤 维增强 复合塑料 钢筋 ( B F R P) 等。 其 中, G
12、 F R P钢筋和 C F R P钢筋的粘结强 度相似 , 是相 同表面状况普 通钢筋 的 7 2 ; A F R P钢筋和 HF R P ( 玻 璃纤维和碳纤维 ) 钢筋的粘结强度只有 G F R P钢筋 的 8 5 一 8 0 l 2 。拉拔 试验表 明, G F R P钢筋 的粘 结性 能明显低于 B F R P钢筋 , 且 G F R P钢筋在粘结破坏时滑 移量较小 。 ( 2 ) 钢筋的表面形状光滑 F R P钢筋的粘结强度 是变形 F R P钢筋粘结强度 的 1 0 2 O , 为了和混凝 土之间获得足够的粘结强 度 , F R P钢筋 表面肋的高度 至少为 0 7 5 r f l
13、 m 。有肋 F R P钢筋粘 结强度一般为 普通有肋钢筋 的4 0 1 0 0 _ 2 6 J , 有肋 G F R P钢筋的最 大粘结强度高于表面经过砂子处理的 G F R P钢筋 2 。 ( 3 ) 使用温度 F R P钢筋 的纵 向和横 向热膨胀系 数不 同。纵向热膨胀系数取决于纤维 , 比混 凝土的要 低 , 有时候甚至是负的( 如 G F R P) , 横向热膨胀系数主 要取决于表面树脂 , 是混凝土的 31 0倍。因此 , 热波 动会导致横 向热膨胀 系数与混凝土不匹配 , 使 粘结 恶 化甚至混凝土破裂 。F R P钢筋混凝 土加热到 7 0 后在室温下拉拔 , 由于温度的影
14、响, 其粘结强度减小 了 1 6 l 2 。G F R P钢筋长期在 2 08 0。 ( = 内粘结强度有 变化 : 在 6 0时 , 4 8个月内, 平均粘结强度减小不明 显 ; 在 8 O c I = 时 , 8个月时 6 8 m m和 1 6 mm钢筋粘结强 度最大减小值分别为 1 0 和 1 4 _ 3 。 ( 4 ) 混凝土的强度G F R P的粘结强度随着混凝土 抗压强度的增加而增加 , 但粘结强度 的增长率 比传统 的钢筋的小 。当混凝土的抗压强度相对低时 , F R P 的粘结强度 和混凝土强度成 比例 , 但是 当混凝 土的抗 压强度高于 3 0 MP a 时 , 这种关系不
15、明显 。 ( 5 ) 横向钢筋从 A C I 规范 4 4 0 1 R一 0 6中可知 , 横 向钢筋的出现不影响 F R P钢筋与混凝土之间的粘结 强度。大量试验表明 , 横 向钢筋 的出现还使得 F R P钢 筋与混凝土之间的粘结强度提高了 l 0 一1 5 _ 3 。 ( 6 ) 钢筋直径和形态钢筋直径越大, 粘结强度越 小 , 方形钢筋的粘结强度大于圆形钢筋的。 1 4 不锈钢钢筋 不锈钢钢筋在高氯的环境下仍然能保持钝化状态 , 用不锈钢钢筋代替普通钢筋可 以提高结构 的耐久性。 C C E S 0 1 2 0 0 4规定 : 在特别严重 的腐蚀环境下 , 要求确 保百年以上年限的特殊
16、重要工程 , 可选用不锈钢钢筋 。 常用的不锈钢钢筋可 以分为奥 氏体不锈 钢、 铁素 体不锈钢、 马氏体不锈钢、 双相钢和沉淀硬化型钢 , 目 謦 N o 5 M a y 2 o l4 前 , 最常用的是奥 氏体不锈 钢和双相钢。奥 氏体 不锈 钢是铬 镍系不锈钢, 是单一的奥氏体组织 , 常用型号 有 3 0 4型、 3 1 6型等。双相不锈钢是有奥氏体和铁素体 两相混合组织为基体的不锈钢, 具有更高的抗腐蚀能 力 , 更 能 抵 抗 氯 离 子 的攻 击 , 常用 型 号是 2 2 0 5型。 4 0 5 , 4 3 0型铁素体不锈钢在高氯环境中耐蚀性能差 , 应 用受到限制。 虽然不锈
17、钢钢筋耐蚀性优 良, 但价格昂贵, 限制了其 使用。为了降低其成本, 研究的低镍系列奥 氏体不锈钢 具有 良好的耐蚀性 ; 也有用不锈钢包覆钢筋来代替不 锈钢钢筋 , 对低碳钢筋 、 镀锌钢筋 、 3 0 4型不锈钢包覆的 钢筋 以及环氧树脂涂刷的低碳钢筋进行了长达 7年的研 究 , 结果表明用不锈钢包覆的钢筋的耐久性最好 。 目前 , 不锈钢钢筋的研 究热点均基于混凝 土中的 腐蚀行为及机理 , 对其在混凝土 中的粘结行 为研究很 少 。不锈钢钢筋混凝土的粘结强度低于普通钢筋混凝 土的粘结强度 , 即不锈钢 的粘结锚 固长度要 大于普 通 钢筋混凝土的锚 固长度 。这也是不锈钢钢筋在大规 模
18、应用之前需要重点研究的内容之一。 2 结语 镀锌钢筋 、 环氧树脂钢筋 、 F R P钢筋及不锈 钢钢筋 在混凝土中均显现出良好的耐蚀性 , 但镀锌钢筋现场弯 曲性能不佳 , 影响现场施工, 环氧树脂钢筋表面容易遭受 机械损伤而加速腐蚀, F R P筋的耐温性差 、 弹性模量低 , 不锈钢钢筋的价格高。值得一提的是, 与普通钢筋相比, 这些新型钢筋与混凝土的粘结强度均有所减小。 随着技术的进步及对钢筋要求 的提高 , 将会有更 多新型的钢筋 出现, 而耐蚀性 能与粘结性 能俱佳 的新 型钢筋 , 如热浸锌合金环氧复合涂层钢筋等将是 以后 研究开发的重点方 向之一。 参考文献 1 陈锦虹, 周明
19、君, 卢锦堂 , 等 热浸镀锌钢筋在混凝土中 的应用前景 J 材料保护, 2 0 0 3 , 3 6 ( 9 ) : 3 6 53 6 7 2 B i r d C E B o n d o f g a l v a n i z e d s t e e l r e i n f o r c e m e n t i n c o n c r e t e J N a t u r e , 1 9 6 2 , 1 9 4: 7 9 8 3 Y e o m a n s S R G al v a n i z e d s t e e l r e i nfo r c e m e n t i n c o n c r e
20、t e M Ox f o r d: El s e v i e r, 2 0 0 4: 11 1一l 4 4 4 Z h a n g XC o r r o s i o n and e l e c t r o c h e m i s t r y o f z i n c M N e w Yo r k: P l e n u m P r e s s ,1 9 9 6: 4 6 34 6 5 5 K a y al i O, Y e o ma n s S R B o n d o f ri b b e d g al v a n i z e d r e i n f o r - c i n g s t e e l
21、 i n c o n c r e t e J C e me n t &C o n c r e t e C o m p o s i t e s , 2 0 0 0 , 2 2 ( 6 ) : 4 5 9 4 6 7 6 D a u n t J P A n i n v e s t i g a t i o n i n t o t h e b o n d s t r e n g t h o f u n d e f o r me d g a l v a n i z e d a n d b l a c k s t e e l r e i nfo r c e me n t i n c o n c r e t
22、 e 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 a s a f u n c t i o n o f c u ri n g t i m e D C a n b e r r a : U n i v e r s i t y o f Ne w S o u t h W ale s 1 9 9 8: 4 54 7 C h e n g A,Hu a n g R,Wu J K,e t a1E ff e c t o f r e b a r c o a t i n g o n c o rro s i o n r e s i s t a n
23、c e a n d b o n d s t r e n gth o f r e i nfo r c e d c o n - c r e t e J C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g Ma t e ri a l s ,2 0 0 5,1 9 ( 5 ) : 4 0 4 4 1 2 Ha ma d B S,J u ma a G KB o n d s t r e n gth o f h o t - d i p g alv a n i z e d h o o k e d b a r s i n n o r ma l s t r e n gth c
24、o n c r e t e s t r u c t u r e s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ,2 0 0 8 , 2 2( 6) : 1 1 661 1 7 7 Ha ma d B S,J u ma a G KB o n d s t r e n gth o f h o t d i p g alv a n i z e d h o o k e d b a r s i n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s t r u c t u r e s J C
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