AAR與銹蝕對鋼筋-混凝土黏結性能的耦合劣化試驗研究

李鵬飛 張媛 王凱 弓扶元 汪承志

摘要：為研究堿骨料反應（Alkali-Aggregate Reaction，AAR）和銹蝕對鋼筋-混凝土黏結性能影響的損傷機理，試驗制備了一系列不同鋼筋直徑的混凝土拉拔試件，通過測量混凝土的膨脹量、鋼筋銹蝕質量損失以及相應的拉拔試驗，評估不同程度損傷對黏結性能的影響。得到了耦合損傷下堿骨料膨脹和鋼筋銹蝕對黏結性能影響的量化結果，并闡明了黏結性能的劣化規律。結果表明：短期耦合損傷下，AAR凝膠和銹蝕產物填充混凝土孔隙以提高黏結強度；隨著損傷程度加劇，反應產物膨脹應力釋放，黏結強度開始下降。長期耦合損傷作用會嚴重劣化混凝土性能，造成混凝土黏結性能嚴重劣化。研究結果可為鋼筋混凝土工程設計與維護提供參考。

關鍵詞：堿骨料膨脹；鋼筋銹蝕；鋼筋混凝土結構；耦合損傷；黏結性能

中圖法分類號：TV41 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.013

文章編號：1006-0081（2024）02-0080-08

0 引 言

堿骨料反應（Alkali-Aggregate Reaction，AAR）是骨料中的活性硅和混凝土孔隙溶液中的堿性物質的反應，銹蝕是鋼筋和電解質溶液之間接觸面上發生的電化學反應過程，這兩種情況往往同時發生，并形成膨脹性化合物，造成結構內部產生額外應力、裂縫、位移和使機械強度降低，從而導致混凝土結構過早受損而無法滿足結構的耐久性和強度要求³。許多學者對鋼筋-混凝土黏結性能進行了試驗和模型研究。譚妮等通過拉拔試驗研究了AAR膨脹率對鋼筋-混凝土黏結性能的影響。牛荻濤等通過大量試驗研究闡明銹蝕后鋼筋的機械特性和黏結性能退化是導致構件整體力學性能劣化的根本原因。Jiradilok等通過拉拔試驗研究了鋼筋銹蝕后鋼筋混凝土的黏結變化。然而，目前對這兩種損傷的研究成果較為分散，并且對于AAR和鋼筋銹蝕耦合損傷對黏結性能的量化影響結果研究尚未深入探討。本文在參考以往研究的基礎上，設計制備了不同鋼筋直徑的混凝土拉拔試件，以研究不同損傷程度下黏結強度的劣化規律。將膨脹率和銹蝕率作為損傷因子，揭示了鋼筋-混凝土黏結性能的變化規律和劣化機理。

1 試驗方案

1.1 材料性能測試

在試驗中，考慮將不同鋼筋直徑和不同加速損傷時間作為研究參數。試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥（PO 42.5），粗骨料粒徑為5～20 mm不等，細骨料（中砂）的細度模數為3.827，選用高性能聚羧酸減水劑?；炷猎O計強度等級為C30，混凝土配合比見表1。選用國標HRB400帶肋鋼筋，選取同一批鋼筋進行拉伸試驗，獲得鋼筋材料性能，測試結果見表2。

1.2 試件及試驗流程設計

拉拔試件設計為邊長150 mm的標準立方體混凝土試件，試件中心嵌入不同直徑的HRB400帶肋鋼筋，選用12 mm和20 mm兩種直徑鋼筋，鋼筋與混凝土的黏結段長度l為5D（D為鋼筋直徑）。試件兩端非黏結段通過PVC管包裹鋼筋段。試驗共設計并測試80個拉拔試件，試件參數如表3中所示。

鋼筋混凝土試件在標準試驗條件下澆注后固化24 h，脫模并養護在50 ℃±0.5 ℃、相對濕度為95%的標準養護箱中。試件在養護28 d后轉至80 ℃±0.5 ℃的純水中養護24 h，用精度為10 μm的千分尺測量試件的初始長度；再放入80 ℃±0.5 ℃堿骨料箱中浸泡，測量混凝土膨脹變化情況，測量頻次為7 d，直到AAR試驗時間達到150 d。試件的體積膨脹率計算公式為

式中：ε為浸泡在堿溶液中的試件在第t天的AAR體積膨脹率；如圖1所示，l為1—1′ 兩點間第t天AAR膨脹測量長度，l為1—1′兩點間未膨脹測量初始長度，l為2—2′兩點間第t天AAR膨脹測量長度，l為2—2′ 兩點間未膨脹測量初始長度，l為3—3′ 兩點間第t天AAR膨脹測量長度，l為3—3′兩點間未膨脹測量初始長度，單位均為mm。

連接銹蝕拉拔試件形成回路，控制通電電流為0.04 A，開始通電加速鋼筋銹蝕。通電一開始，電流變化明顯，每2 h檢查一次，后期每天檢查一次。通電銹蝕時間達3，7 d和14 d時，取出試件進行拉拔試驗拔出鋼筋，截出黏結段鋼筋進行除銹處理后，用式（2）計算質量損失得到鋼筋銹蝕率。

式中：η為鋼筋銹蝕率；m為黏結段鋼筋初始質量；m為除銹后鋼筋質量。

達到設計損傷時間后，安置試件在萬能試驗機上進行拉拔試驗，設置加載速度保持在2 mm/min進行加載，直至試件出現鋼筋拔出、試件劈裂等現象時停止，記錄相應的試驗損傷情況和試驗極限承載力。通過式（3）計算得到黏結強度?；炷晾卧嚰脑敿毰渲?、試驗流程如圖1所示。

式中：τ為黏結強度;P為極限承載力;d為縱向鋼筋的直徑。

2 單一損傷試驗結果與分析

2.1 AAR對黏結性能的劣化規律

AAR體積膨脹率隨時間變化曲線如圖2所示。在試驗開始前5周內，試件膨脹率隨時間呈線性增大的趨勢，反應初期混凝土 AAR 膨脹較小，此時所有試件均處于自由發展 AAR膨脹狀態，鋼筋約束作用還未有體現。此后，混凝土 AAR 產物的膨脹逐漸受到鋼筋的約束，曲線出現較明顯分歧點，D20 試件的膨脹速率較 D12 試件顯著減小，且鋼筋直徑越大約束作用越強，混凝土膨脹速率也更小。

在80 d左右，膨脹率的增長逐漸平緩，并最終趨于收斂?；炷林械幕钚怨橇虾恳欢?，隨著反應的進行，混凝土中活性骨料逐漸消耗，含量降低。在150 d時，D20試件的膨脹率遠小于D12試件?；炷猎嚰摻钪睆匠叽缭酱?、膨脹率越小，鋼筋對混凝土的AAR膨脹有約束效應。

黏結強度隨AAR反應天數變化的曲線見圖3，黏結強度隨AAR膨脹率變化的曲線如圖4所示。每個數據由兩個試件平均值得出。隨著AAR反應時間的增加，拉拔試件的極限承載力和黏結強度均呈現出先增后減的趨勢。當AAR反應進行到14 d時，反應初期凝膠填充混凝土內部孔隙，并在鋼筋周圍產生預拉伸應力，從而增強混凝土與鋼筋之間的黏結力。因此，極限承載力和黏結強度會處于AAR凝膠的補強階段，極限承載力的變化曲線呈現一個上升的峰值。隨著反應時間的不斷增加，AAR凝膠不斷生成并累積堆疊，同時，這種凝膠體會吸水膨脹并產生膨脹壓力。一旦AAR凝膠產生的膨脹應力超過混凝土的極限抗拉強度，膨脹應力釋放，試件開始出現裂縫并進一步劣化。因此，當膨脹率超過某一臨界值時，黏結強度衰減率會隨著AAR膨脹率的持續增加而增加，此時混凝土性能被劣化。隨后，由于同時受到高溫加固和AAR劣化的影響，黏結強度下降逐漸平緩并趨于收斂。拉拔試驗應力變化示意如圖5所示。

2.2 銹蝕對黏結性能的劣化規律

氯離子引起的鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結構破壞的主要原因。特別是海洋環境下的RC結構更容易遭受高Cl環境的侵害，出現因鋼筋銹蝕引起結構性能劣化的現象。自由態的Cl會通過各種傳輸方式，從外部環境中滲入鋼筋表面，不斷聚集，達到鋼筋的臨界濃度時，鋼筋發生去鈍化反應，銹蝕反應開始發生。銹蝕反應過程中的Cl不會被消耗，因此一旦銹蝕反應開始發生，就會持續發展直至混凝土試件發生銹脹破壞。變形鋼筋與混凝土之間的黏結力主要來源于機械咬合力。銹蝕對結構性能的影響是多方面的。鋼筋銹蝕直接導致鋼筋橫截面積減小，同時，鋼筋表面不平整度加劇，引起應力集中現象，從而降低鋼筋的力學性能，最終使結構承載力下降。鋼筋混凝土拉拔試件的極限承載力隨鋼筋銹蝕通電時間的變化如圖 6所示，極限承載力隨銹蝕率變化如圖 7所示，鋼筋銹蝕試件拉拔試驗應力傳遞示意如圖 8所示。

在銹蝕反應的初期階段，是鋼筋與混凝土之間的黏結強度呈現增強的階段。由于鋼筋表面的銹蝕產物發生體積膨脹，對鋼筋周圍的混凝土產生環向拉應力，從而增加了極限承載力，這主要是因為氧化產物產生了額外的內壓。然而，隨著銹蝕反應的加劇，銹蝕產物增多，鋼筋表面積累的銹蝕產物質地疏松，對鋼筋與混凝土的界面起到分散作用，黏結強度開始下降。加上鋼筋表面橫肋被銹蝕破壞，變形肋形態退化，會使鋼筋與混凝土之間的握裹力下降。此外，銹蝕產物體積增大會產生徑向膨脹力，進一步降低了鋼筋與混凝土的黏結性能。

變形鋼筋發生銹蝕且銹蝕率仍在0.8%以下時，鋼筋與混凝土的黏結強度略有提高。這主要是由于鋼筋與混凝土之間的摩擦力增加。然而，當銹蝕率達到或超過 0.8%時，兩者之間的黏結力開始下降，這是因為鋼筋變形肋與混凝土的咬合面積減小。隨著銹蝕程度的進一步加劇，鋼筋周圍開始出現裂縫，混凝土的剩余抗拉強度逐漸降低。最終，混凝土內部裂縫向混凝土表面擴展，導致混凝土保護層沿著鋼筋方向的銹蝕出現擴展裂縫，嚴重時會使混凝土保護層剝落，影響混凝土結構的正常使用。

3 耦合損傷對黏結性能的劣化規律

Gong等建立了考慮AAR、凍融和鋼筋銹蝕的三重孔隙-力學耦合模型，計算得出結論：在預先存在AAR膨脹的情況下，反應產物會阻止后續鋼筋銹蝕過程引起貫穿性裂縫的發生；相反地，在鋼筋銹蝕首先發生的情況下，遠離銹蝕鋼筋的AAR幾乎不受影響?？紤]到實驗室條件及兩種損傷試驗溫差引起的測量誤差，本研究主要針對在預先存在AAR損傷后的鋼筋銹蝕耦合損傷進行試驗。選擇以AAR膨脹率、鋼筋銹蝕率和拉拔試件的極限承載力作為分析耦合損傷對鋼筋-混凝土黏結性能影響的指標?；贏AR拉拔試件極限承載力變化趨勢，將耦合損傷試驗分為AAR補強階段耦合鋼筋銹蝕和AAR劣化階段耦合鋼筋銹蝕兩種情況進行分析。

3.1 AAR補強階段耦合鋼筋銹蝕

氯化物會嚴重引起鋼筋混凝土結構的鋼筋銹蝕損傷。氯化物可滲透到混凝土中，并隨時間的推移逐漸到達鋼筋表面。在存在水分和氧氣的情況下，鋼筋-混凝土界面上的氯化物會導致鋼筋表面鈍化膜的局部損壞和出現銹蝕反應。因此，混凝土的傳輸特性對嵌入其中的鋼筋的銹蝕反應起始時間起著關鍵作用。圖9，10顯示了AAR膨脹14 d耦合鋼筋銹蝕的拉拔試件極限承載力在不同階段及隨銹蝕率變化的曲線。圖11，12顯示了AAR膨脹28 d耦合鋼筋銹蝕的拉拔試件極限承載力在不同階段及隨銹蝕率變化的曲線。圖中的灰色曲線為銹蝕損傷極限承載力的衰減曲線，用于對比分析耦合損傷衰減曲線。

膨脹反應進行到14 d和28 d的試件，均處于增強黏結強度的階段。AAR凝膠產物填充混凝土內部孔隙，使混凝土更加致密，減緩了氯離子等腐蝕介質在混凝土和鋼筋界面的積累速度，從而減緩鋼筋的銹蝕反應速度，一定程度上減緩黏結強度的衰減速度。隨著銹蝕反應的加劇，銹蝕產物體積增大，對周圍混凝土施加壓力，導致混凝土內部產生裂縫，膨脹應力得以釋放，黏結強度開始下降。拉拔試驗應力分布情況見圖13。在耦合試驗中，需要綜合考慮AAR凝膠吸水膨脹產生的應力和銹蝕產物的體積膨脹。一旦復合環向應力超過混凝土的極限拉應力，混凝土保護層會出現膨脹開裂，應力能量被釋放，徑向壓力會有突變，黏結力開始下降。銹蝕產物會增加鋼筋與混凝土之間的摩擦力，增加混凝土保護層對鋼筋的握裹力。

3.2 AAR劣化階段耦合鋼筋銹蝕

如圖14，15為AAR反應進行45 d后耦合鋼筋銹蝕的拉拔試件極限承載力在不同階段及隨銹蝕率的變化曲線，圖16，17為AAR反應進行150 d后耦合鋼筋銹蝕的拉拔試件極限承載力在不同階段及隨銹蝕率的變化曲線。

當AAR反應進行到45 d和150 d時，混凝土內部出現裂縫，材料性能受到嚴重損傷。在耦合短期銹蝕損傷階段，銹蝕產物會首先遷移并填充AAR裂縫和內部孔隙，這個階段的拉拔試驗極限承載力明顯升高。鋼筋表面的銹蝕產物體積膨脹會對周圍的混凝土產生膨脹應力，進而加速膨脹裂縫的擴展。在兩種應力的協同作用下，進一步造成結構性能損傷。

預先存在的AAR裂縫會為氯離子等腐蝕介質提供傳輸通道，從而提高氯離子的傳輸速率，進一步增加鋼筋的銹蝕率。隨著銹蝕程度的增大，銹蝕產物會積聚并體積膨脹，將膨脹應力傳遞向混凝土，導致裂縫進一步擴展，黏結強度進一步劣化。同時，長期存在的AAR凝膠也會降低鋼筋表面環境的堿性，并降低氯離子臨界濃度，加快銹蝕反應啟動時間。裂縫的存在削弱了混凝土對鋼筋的約束作用。銹蝕產物是結構疏松的氧化物，會在鋼筋和混凝土之間形成疏松的隔離層，改變接觸面積，進一步削弱混凝土的約束作用。

在Maekawa等的研究中指出，AAR劣化階段裂縫開展的機械應力各向異性會影響混凝土孔隙壓力和混凝土滲透率。一旦AAR反應引起混凝土內部裂縫產生，混凝土內部孔隙物質如鐵銹和AAR凝膠可遷移到孔隙及裂縫空間，并產生相當大的垂直于裂縫平面的幾何各向異性壓力。

在AAR裂縫開展階段，通常會在混凝土保護層中沿著鋼筋的徑向形成一條或幾條主要的裂縫，使更多的氯離子進入混凝土內部，并加速銹蝕反應發生;而當銹蝕產物沿裂縫遷移并填充時，這個階段的拉拔試驗極限承載力明顯升高。鋼筋表面的銹蝕產物對周圍的混凝土產生膨脹應力，而裂縫前沿被壓縮的混凝土也可能加速裂縫的擴展。這兩種應力的協同作用會進一步造成結構的破壞。此外，裂縫的存在削弱了混凝土保護層對鋼筋的約束作用。銹蝕產物作為疏松的氧化物，一定程度隔離了鋼筋與混凝土，改變了其接觸面積，削弱混凝土的約束作用。

耦合損傷的拉拔試驗中的應力傳遞非常復雜。首先，鋼筋對拉力產生摩擦阻力，隨后拉應力傳遞到混凝土層，應力集中使預先存在的AAR裂縫進一步發展。當鋼筋銹蝕程度增加時，鋼筋銹蝕會破壞橫向鋼筋肋的形態，減少了有效接觸面積和周圍混凝土的完整包裹性。這會導致被銹蝕鋼筋周圍的混凝土出現開裂，最終使混凝土覆蓋層剝落和破壞，進一步劣化了混凝土和鋼筋之間的黏結強度。

4 結 論

本研究旨在探索堿骨料膨脹和鋼筋銹蝕對鋼筋-混凝土黏結性能的耦合損傷機理。通過 AAR損傷和鋼筋銹蝕的耦合損傷試驗及損傷后的拉拔試驗進行分析，研究了不同 AAR 反應階段耦合鋼筋銹蝕下鋼筋-混凝土黏結性能的變化情況。在研究中，以膨脹率和銹蝕率作為量化指標，通過數據分析得到了耦合損傷對鋼筋-混凝土黏結強度的劣化規律，并得出以下結論：

（1）AAR反應和鋼筋銹蝕是兩種相互影響的損傷機制，在耦合作用下會加劇鋼筋與混凝土的黏結性能衰減。

（2）反應初期，AAR凝膠產物吸水產生的膨脹應力、鋼筋銹蝕產物體積膨脹產生的膨脹應力會對周圍混凝土產生環向應力，當這種環向應力小于混凝土本身極限抗拉應力時，會起到補強混凝土黏結強度的作用。

（3）在耦合損傷試驗中，AAR凝膠吸水膨脹產生的應力和銹蝕產物的體積膨脹，一旦復合環向應力大于混凝土的極限拉應力，混凝土保護層膨脹開裂，應力能量釋放，徑向壓力會有突變，使黏結強度開始下降。

（4）預先存在的AAR 裂縫開展會使更多的氯離子進入混凝土內部并加速銹蝕反應發生，當銹蝕產物沿裂縫遷移并填充時，這個階段的拉拔試驗結果出現明顯升高的階段。鋼筋表面的銹蝕產物體積膨脹對周圍的混凝土產生膨脹應力，裂縫前沿被壓縮的混凝土也可能加速裂縫的膨脹，兩種應力協同作用下，黏結強度進一步劣化。

（5）裂縫的存在削弱了混凝土保護層對鋼筋的約束作用，加上銹蝕產物是結構疏松的氧化物，會在鋼筋和混凝土之間形成疏松的隔離層，改變接觸面積，進一步削弱混凝土的約束作用。

綜上所述，本研究為理解堿骨料膨脹和鋼筋銹蝕對鋼筋-混凝土黏結性能的耦合損傷機理提供了試驗依據，可為今后的鋼筋混凝土工程的設計和維護提供參考。

參考文獻：

［1］ CZAPIK P，OWSIAK Z，ZAPA?A-S?AWETA J.Diagnosis of concrete structures distress due to alkali-aggregate reaction［J］.Bulletin of the Polish Academy of Sciences：Technical Sciences，2015， 63（1）：23-29.

［2］ MELCHERS R E.Long-term durability of marine reinforced concrete structures［J］.Journal of Marine Science and Engineering，2020，8（4）：290.

［3］ CHAUBE R，KISHI T，MAEKAWA K.Modelling of concrete performance：Hydration，microstructure and mass transport［M］.Devon：CRC Press，1999.

［4］ 譚妮，聶鼎，李鵬飛.堿-硅酸反應對鋼筋-混凝土粘結強度的影響及計算模型修正［J］.水電能源科學，2020，38（11）：108-112.

［5］ 牛荻濤，盧梅，王慶霖.銹蝕鋼筋混凝土梁正截面受彎承載力計算方法研究［J］.建筑結構，2002，32（10）：14-17.

［6］ JIRADILOK P，WANG Y，NAGAI K，et al.Development of discrete meso-scale bond model for corrosion damage at steel-concrete interface based on tests with/without concrete damage［J］.Construction and Building Materials，2020，236：117615.

［7］ LI P，TAN N，AN X，et al.Restraint effect of reinforcing bar on ASR expansion and deterioration characteristic of the bond behavior［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2020，18（4）：192-210.

［8］ LI P，TAN N，AN X，et al.Effect of multi-directional restraint induced by reinforced steel bars on ASR expansion and bond performance［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2022，20（4）：342-358.

［9］ 徐有鄰，沈文都，汪洪.鋼筋砼粘結錨固性能的試驗研究［J］.建筑結構學報，1994，15（3）：26-37.

［10］ 李鵬飛，劉微，蔣正施.非均勻堿-硅酸反應下RC梁長期膨脹特征研究［J］.人民長江，2023，54（10）：203-208.

［11］ GONG F，TAKAHASHI Y，MAEKAWA K.Strong coupling of freeze-thaw cycles and alkali silica reaction-multi-scale poro-mechanical approach to concrete damages［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2017，15（7）：346-367.

［12］ MAEKAWA K，FUJIYAMA C.Rate-dependent model of structural concrete incorporating kinematics of ambient water subjected to high-cycle loads［J］.Engineering Computations，2013，30（6）：825-841.

［13］ GEBREYOUHANNES E，MAEKAWA K.Nonlinear gel migration in cracked concrete and broken symmetry of corrosion profiles［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2016，14（6）：271-286.

［14］ TAKAHASHI Y，OGAWA S，TANAKA Y，et al.Scale-dependent ASR expansion of concrete and its prediction coupled with silica gel generation and migration［J］.Journal of Advanced Concrete Technology，2016，14（8）：444-463.

（編輯：李 慧）

Experimental study on coupling deterioration of bonding properties

of steel-concrete by AAR and corrosionLI Pengfei，ZHANG Yuan，WANG Kai，GONG Fuyuan，WANG Chengzhi

（1.College of River and Sea，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400047，China； 2.CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100010，China；3. College of Architecture and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

Abstract：In order to study the damage mechanism of Alkali-Aggregate Reaction （AAR） and corrosion on the steel-concrete bond performance，a series of concrete pullout specimens with different bar diameters were prepared，the expansion of concrete and the mass loss of corroded steel bars were measured，and the corresponding pullout tests were conducted，to assess the effect of different degrees of damage on the bond performance. Quantitative results of alkali aggregate expansion and reinforcement corrosion effects on the bond properties under coupled damage were obtained，and the deterioration pattern of bond properties was elucidated. The results showed that under short-term coupling damage，the AAR gel and corrosion products filled the concrete pores to improve the bond strength；with the increase of the degree of damage，the expansion stress of reaction products were released，and the bond strength began to decline；the long-term coupled damage seriously deteriorated the performance of the concrete，resulting in a serious deterioration of the concrete bond performance.The research results can provide a reference for the design and maintenance of reinforced concrete engineering．

Key words：alkali aggregate expansion；corrosion of reinforcing bars；reinforced concrete structure；coupled damage；bonding properties