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钢筋与混凝土粘结性能研究进展

发表时间：2021/6/8 来源：《基层建设》2021年第6期作者：李昱旸

[导读] 摘要：钢筋与混凝土能够进行共同作用的一个主要原因是其二者之间具有良好的粘结作用，并且它们的线膨胀系数相近。

        重庆交通大学土木工程学院重庆 400041
        摘要：钢筋与混凝土能够进行共同作用的一个主要原因是其二者之间具有良好的粘结作用，并且它们的线膨胀系数相近。但是粘结是一种复杂的相互作用，影响钢筋与混凝土粘结的因素有很多，在破坏时他们受力复杂，到现在为止没有一套全面完整的规范来概括粘结理论。因此本文结合高等钢筋混凝土书籍与众多文献，对粘结定义、机理以及钢筋锈蚀进行了简要的概括。
        关键词：粘结机理；粘结性能；钢筋锈蚀
        一、引言
        钢筋混凝土的粘结问题在理论上和工程中都具有重要的意义，对于钢筋的锚固、连接等工程问题有很大的帮助。就其原理而言，钢筋与混凝土的粘结作用主要是依靠钢筋与混凝土接触面的粘结应力，这种应力是一种剪应力，当钢筋混凝土结构发生变化时，剪应力会产生变化，当这种应力达到二者所能承受的极限时，混凝土结构就会发生变形或者破坏。但是上述对粘结的描述是一种简化描述，实际的粘结是很复杂的，国内外对其也进行了很详细的分类研究。由于技术限制，最开始的粘结研究并不顺利，但是随着时代的发展，一系列计算机技术的产生，对此问题也取得了突破性进展。上个世纪六十年代，随着计算机有限元技术的产生，粘结问题有了一定的进展，但是和其他领域相对比，这一模块仍然很薄弱，目前为止也没有对钢筋与混凝土粘结问题提出一套完整的理论。
        二、粘结定义[1]及类型
        在学术研究中，对于粘结的定义为：在钢筋混凝土结构中，钢筋受到力的作用将产生变形趋势，为了能够满足钢筋与混凝土二者之间的变形协调共同工作，周围的混凝土会对钢筋产生约束作用，从而在二者间产生剪力效应，这种效应被称之为钢筋与混凝土之间的粘结作用。
        （一）端部锚固粘结
        在这种粘结状态下，钢筋端部的应力为0，受力钢筋在混凝土结构内有一定的锚固长度，在经过这段锚固长度之后，钢筋的应力会达到其设计强度fy，在这种锚固情况下，其粘结应力分布变化大，且粘结应力值比较高。
        这一类的粘结情况有多种类型，包括钢筋的搭接和延伸、支座节点处的锚固等。在连续梁或者悬臂梁中间的支座，其中的纵向受力钢筋在理论上来说，其不受力的截面的钢筋可以进行截断，但是实际上仍需要再多留一段钢筋长度再进行锚固，以满足其锚固粘结需要，以及斜截面抗弯强度等等。而且在搭接这一方面来说，也必须要有一定的搭接长度来保证两根钢筋的拉力会分别依靠混凝土之间的粘结应力进行传递。
        （二）裂缝间的局部粘结
        裂缝间的局部粘结会产生局部粘结应力，它是在两个相邻的开裂截面之间产生的，它使得两个相邻的裂缝之间的混凝土参与受拉，造成裂缝间的应变不均匀。
        其产生的主要过程为：当混凝土构件受拉开裂后，裂缝间的混凝土就会退出工作，钢筋应力会变大，但是由于钢筋与混凝土之间存在粘结，混凝土产生的回缩会受到约束，钢筋又会将一部分拉力传给混凝土。
        三、粘结机理[2]
        粘结机理的研究在20世纪50年代就已经开始了，国外学者通过在钢筋内部埋设应力片以及拔出实验得出了钢筋的应力分布。在后面的研究中，分别有学者提出了变形钢筋的粘结强度与混凝土的皮拉强度有关，并且观测到了拉伸结构的内部裂缝的状态。在我国，徐有邻在1990年首次通过试验得出钢筋与混凝土之间的粘结机理为：钢筋与混凝土之间的粘结力或者抗滑移力由胶结力、摩阻力和机械咬合力三部分组成，并且各自的作用在不同的阶段也是变化的。
        （一）光圆钢筋与混凝土之间的粘结机理
        光圆钢筋与混凝土的粘结作用主要由以下三部分组成[3]：
        1钢筋与混凝土接触面上的胶结力。这种胶结力来自水泥砂浆表面氧化层的渗透以及在水化过程中水泥晶体的生长和硬化。

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        2混凝土收缩裹紧钢筋时产生的摩阻力。在混凝土凝固阶段，混凝土会对钢筋产生垂直于摩擦接触面的压应力。
        3钢筋表面的凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合力。对于光圆钢筋，这种咬合力来自于自身的粗糙不平。
        （二）变形钢筋与混凝土之间的粘结机理
        对于变形钢筋，咬合力[3]（粘结力）是由于变形钢筋表面突出的肋与混凝土结合在一起产生的，这种咬合力极大地提高了变形钢筋的粘结强度。在加载的最开始的时候，这种咬合力并不产生效果，当荷载逐渐增大时，钢筋与混凝土之间的胶结力破坏，二者之间产生相对滑移，肋对混凝土的挤压力成了粘结的主要力。
        在上述这种情况中[4]，肋对混凝土的斜向挤压产生了一种楔作用，这种挤压力会沿着径向产生一种环向拉应力。
        这种挤压力会使混凝土逐渐地被挤压在肋的根部，并且越来越密实，最终使混凝土被压碎，外围混凝土同时产生斜裂缝和径向裂缝。在荷载继续增大的时候，这些裂缝也会随之增大，内部的裂缝会朝着混凝土的表面发展，当裂缝达到混凝土构件表面时，构件达到极限拉应变。
        四、国内钢筋锈蚀粘结性能研究进展
        上述简要介绍了粘结定义及机理，接下来[5]本文会对近几年的对粘结性能影响因素的钢筋锈蚀研究进展进行概括性的阐述。
        其主要会从锈蚀钢筋与混凝土的粘结性能、保护层厚度及钢筋位置对锈蚀钢筋与混凝土结性能影响两个方面来概述。筋锈蚀是影响钢筋与混凝土粘结性能最主要的原因之一，在实际的工程中，虽然混凝土能对钢筋起到保护作用，但是这种保护在很多情况下都是有限的，很多情况下，氯离子的侵蚀、混凝土的碳化作用、酸性介质的影响都会造成钢筋锈蚀，锈蚀的铁的化合物在混凝土内造成堆积，改变钢筋混凝土的受力情况，降低粘结能力，最终造成混凝土开裂。
        为了解决这一问题，国内外众多学者对此进行了分析，得出了最佳的试验方法以及锈蚀情况下的粘结性能分析。
        在实验室中，研究钢筋的锈蚀情况是一个漫长的过程，所以为了加速钢筋的锈蚀，实验室中采取了电加速腐蚀方法缩短锈蚀时间，其主要优点有：试验时间相对较短、电流大小容易控制、试验仪器轻巧便于携带、腐蚀率可以计算。
        电加速腐蚀试验方法的主要原理如下：以钢筋为阳极，惰性材料为阴极，（例如混凝土内预埋的碳棒），在直流电的电流作用下加速钢筋的锈蚀。
        五、结语
        随着科技的发展，我们对钢筋与混凝土之间的粘结性能研究越来越系统，从粘结试验到钢筋锈蚀等方面都有了很大的进步，但是不可否认的是还存在很多的问题还没解决。
        参考文献
        [1]郑山锁等,钢筋混凝土粘结滑移研究综述.材料导报,2018.32(23):第4182-4191页.
        [2]王艺霖,钢筋与混凝土粘结性能的若干问题研究,2005,华中科技大学.第64页.
        [3]李国一等,钢筋混凝土粘结滑移研究现状.山西建筑,2017.43(25):第34-36页.
        [4]杜锋,肖建庄与高向玲,钢筋与混凝土间粘结试验方法研究.结构工程师,2006(02):第93-97页.
        [5]蒋德稳与邱洪兴,混凝土结构粘结性能的系统试验方法研究,第七届全国土木工程研究生学术论坛，2009:南京.第1-5页.
        作者简介
        李昱旸（1997-），男，汉族，四川广元人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：凝凝土结构。