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【摘 要】碳化是造成混凝土结构耐久性损伤的主要因素之一，对混凝土力学性能产生很大影响。钢筋混凝土结构能够正常工作是基于钢筋与混凝土二者的粘结作用。碳化改变了混凝土自身性能，从而导致钢筋混凝土结构粘结性能下降。然而，目前针对钢筋与碳化混凝土粘结性能的理论数据和试验研究还很匮乏，本论文通过对未碳化和完全碳化后不同混凝土强度等级的光圆钢筋混凝土进行单调拔出试验，得到了未碳化和完全碳化的光圆钢筋混凝土在三种强度等级下峰值粘结应力的变化规律。
【关键词】钢筋混凝土；未碳化；完全碳化；单调荷载；粘结-滑移曲线
1.引言
钢筋与混凝土之间的粘结是这两种性能不同的材料共同受力、协同工作的基础，混凝土的碳化过程是一个非常复杂的物理化学过程，碳化会引起材料自身性能的改变，从而改变结构本身的力学性能。目前，碳化后钢筋混凝土结构抗震性能的研究还很少，国内外仅有很少部分的学者进行过相关研究。
混凝土的碳化导致混凝土自身性能的改变，使混凝土结构延性降低，这方面成为钢筋混凝土抗震性能的研究课题，是现代钢筋混凝土结构理论中较为活跃的课题之一，国内外学者就此进行了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果[1]。混凝土的碳化造成建筑物耐久性问题，究其原因是因为混凝土碳化会引起混凝土内部钢筋锈蚀，使得混凝土遭到严重破坏，从而导致混凝土力学性能的改变[2]。
根据大量的调查[3]结果表明：由于混凝土结构碳化，使得工程上的建筑遭到了破坏或降低了建筑物的使用年限，这造成了间接或直接的经济损失。开展碳化后单调荷载作用下钢筋混凝土结构的粘结滑移性能的试验研究，可以进一步完善既有钢筋混凝土结构理论，对混凝土结构工程的防灾减灾具有重大的理论意义和工程价值。
2.试验设计
2.1 粘结机理
本文试验采用的是光圆钢筋，光圆钢筋与混凝土二者之间的粘结主要是依靠三方面，混凝土与钢筋表面处的化学胶着力、混凝土与钢筋接触部位的摩擦力以及由于光圆钢筋表面可能有凹凸不平所产生的机械咬合作用，根据以往试验表明，光圆钢筋与混凝土的粘结强度在钢筋产生滑动前是由化学胶着力提供，当钢筋滑动以后，化学胶着力逐渐丧失，粘结强度则由摩擦力和部分机械咬合力提供。
2.2 试件设计
本试验共制作24个试件，分别为6个测定粘结-滑移的试件和18个100mm×100mm×100mm的用于测定不同强度下未碳化和完全碳化后混凝土强度的伴随试块，混凝土设计强度等级为C20、C30、C40。试件制作采用的水泥是生产标号为42.5的秦岭牌的普通硅酸盐水泥；粗骨料为连续粒级的山碎石，最大骨料直径为12mm；沙子为天然河沙（中砂），含泥量不大于2%；拌和水为自来水。测定粘结性能的试件如图1所示，尺寸为100mm×100mm×140mm，中部粘结钢筋为光圆钢筋，光圆钢筋采用II级钢，实测其屈服强度415Mpa，钢筋长度为350mm，直径为16mm，加载端为与试验设备连接做上丝处理，上丝长度为60mm，粘结长度为5d=80mm，两端加PVC管并加泡沫胶堵实以保证粘结长度。为防止试件的劈裂破坏，试块当中浇筑有钢筋笼，纵筋采用 ，箍筋采用 。混凝土的配合比分别为C20（水泥：砂：石：水=1：2.81：2.60：0.65）、C30（水泥：砂：石：水=1：2.63：2.63：0.60）、C40（水泥：砂：石：水=1：2.17：2.65：0.50）。未碳化和完全碳化混凝土的抗压和抗拉强度采用《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）[3]中所规定的混凝土劈拉强度试验方法，测量的数据参见下表1。
表1 未碳化和完全碳化立方体伴随试块抗压和抗拉强度
未碳化 立方体抗压强度（Mpa） 立方体抗拉强度（Mpa） 完全碳化（Mpa） 立方体抗
压强度
（Mpa） 立方体抗
拉强度
（Mpa）
C20 25.238 1.249 C20 34.675 0.753
C30 35.055 1.741 C30 44.111 1.122
C40 47.310 1.971 C40 53.232 1.490
2.3 碳化試验
本试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T50082-2009）[4]中的“快速碳化法”，加速碳化试验使用北京数智意隆仪器有限公司生产的CCB-70W混凝土碳化试验箱。环境参数设置为：温度20℃ 3℃、相对湿度70% 5%、CO2浓度20% 3%。将用于测定碳化深度的试件两端面用加热的石蜡密封，防止从两端面进行碳化。然后，把需要碳化的试件和用于测定碳化深度的试件一起放入碳化箱内碳化，对其进行人工快速碳化，为使碳化效果明显，各试件之间至少保持50mm的间距。
2.4 加载装置及加载制度
本实验采用最大量程为10t微机控制电子万能试验机（CMT5105）进行加载试验，拔出钢筋上下均安装位移计以测量加载端与自由端的滑移量，位移计采用与试验机相配套的电子位移计sylvac μs229，直接与电脑相连采集数据，量程为12.5mm，可精确到0.001mm。由于要对试件施加反复荷载，本试验设计并制作了特殊的钢架吊篮以满足试验要求。
图1 试件示意图 图2 加载装置连接图
将钢筋混凝土试件按照图2所示与试验仪器进行连接，将混凝土固定牢固，光圆钢筋连接好之后，按照加载速度为0.2mm/min进行加载，控制位移计行程为12mm时加载结束。
3 结果和讨论
3.1 试验结果
为方便表述，钢筋自由端的滑移S1，钢筋加载端的滑移S2。对试件进行编号，D代表单调荷载，GY代表光圆钢筋，W代表未碳化，C代表完全碳化。 由于试件中加入箍筋作用，6个试件在加载过程中均未发生劈裂破坏。通过试验发现，同一试件的按加载端与
自由端所做的粘结滑移曲线没有明显变化，可近似假定钢筋在整个锚固长度上有相同的滑移量，粘结应力在锚固长度上的平均粘结应力[5]用下式计算：
F为加载设备施加的荷载，由加载设备中的力学传感器录入计算机， 为钢筋的直径，L为粘结锚固长度。
单调荷载粘结试验数据结果汇总见表2，图3和图4分别为未碳化和完全碳化后C20强度钢筋混凝土试件在单调荷载作用下的粘结-滑移曲线。
图3 F-GY-W20粘结滑移曲线 图4 F-GY-C20粘结滑移曲线
3.2 试验结果分析
通过表3.2可以看出，未碳化试件的最大粘结应力比完全碳化后试件的最大粘结应力要大，并且，通过粘结应力下降速率可以看出，混凝土强度等级高的试件，其未碳化和完全碳化后最大粘结应力下降速率比混凝土强度等级低的试件最大粘结应力下降速率较慢，同时，完全碳化后的试件峰值粘结应力分别为未碳化试件的（C20：60.27%）、（C30：64.40%）和（C40：75.45%）。由此可以得知，完全碳化后鋼筋混凝土粘结性能弱于未碳化钢筋混凝土试件的粘结性能。这是因为，碳化使得混凝土材料性能发生改变，碳化后的混凝土抗拉强度比未碳化的混凝土抗拉强度低（见表1），根据文献[6]，钢筋的极限粘结强度与混凝土的抗拉强度大致呈正比的关系。因此，完全碳化后的钢筋混凝土试件粘结性能比未碳化时较差。
表2 单调加载粘结试验结果汇总
4 结束语
完全碳化后的钢筋混凝土，由于碳化使混凝土内部结构发生改变，导致混凝土延性和抗拉强度下降，进而影响钢筋与混凝土的粘结性能，完全碳化后同一强度试件的峰值粘结应力明显小于未碳化试件的峰值粘结应力。并且，强度高的混凝土密实性好、抗碳化性能好，因而强度高的未碳化和完全碳化后钢筋混凝土试件峰值粘结应力明显高于强度低的钢筋混凝土试件，强度低的混凝土试件受碳化影响更加明显，峰值粘结应力衰减速率更快。说明碳化使得钢筋混凝土粘结性能影响较大，在日后预防维护过程中，应该着重注意碳化对结构造成的影响。
参考文献
[1]王传志，滕智明.钢筋混凝土结构理论[M].北京：中国工业建筑出版社，1985.
[2]张誉，蒋利学.混凝土碳化和钢筋锈蚀研究动态[J].福州大学学报，1996（24）：18-24.
[3] GB/T 50081-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[4] GB/T 50082-2009.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[5] Verderame GM， Ricci P， De Carlo G， Manfredi G. Cyclic bond behavior of plain bars. Part I：Experimental investigation[J]. Constr Build Master， 2009，23（12）：3499-511.
[6] Losberg A. Olssen P A.Bond failure of deformed Reinforcing Bars Based on the Longltudlnal Splitting Effect of the Bars[J].ACI，1979，76（1）：5-18.
【关键词】钢筋混凝土；未碳化；完全碳化；单调荷载；粘结-滑移曲线
1.引言
钢筋与混凝土之间的粘结是这两种性能不同的材料共同受力、协同工作的基础，混凝土的碳化过程是一个非常复杂的物理化学过程，碳化会引起材料自身性能的改变，从而改变结构本身的力学性能。目前，碳化后钢筋混凝土结构抗震性能的研究还很少，国内外仅有很少部分的学者进行过相关研究。
混凝土的碳化导致混凝土自身性能的改变，使混凝土结构延性降低，这方面成为钢筋混凝土抗震性能的研究课题，是现代钢筋混凝土结构理论中较为活跃的课题之一，国内外学者就此进行了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果[1]。混凝土的碳化造成建筑物耐久性问题，究其原因是因为混凝土碳化会引起混凝土内部钢筋锈蚀，使得混凝土遭到严重破坏，从而导致混凝土力学性能的改变[2]。
根据大量的调查[3]结果表明：由于混凝土结构碳化，使得工程上的建筑遭到了破坏或降低了建筑物的使用年限，这造成了间接或直接的经济损失。开展碳化后单调荷载作用下钢筋混凝土结构的粘结滑移性能的试验研究，可以进一步完善既有钢筋混凝土结构理论，对混凝土结构工程的防灾减灾具有重大的理论意义和工程价值。
2.试验设计
2.1 粘结机理
本文试验采用的是光圆钢筋，光圆钢筋与混凝土二者之间的粘结主要是依靠三方面，混凝土与钢筋表面处的化学胶着力、混凝土与钢筋接触部位的摩擦力以及由于光圆钢筋表面可能有凹凸不平所产生的机械咬合作用，根据以往试验表明，光圆钢筋与混凝土的粘结强度在钢筋产生滑动前是由化学胶着力提供，当钢筋滑动以后，化学胶着力逐渐丧失，粘结强度则由摩擦力和部分机械咬合力提供。
2.2 试件设计
本试验共制作24个试件，分别为6个测定粘结-滑移的试件和18个100mm×100mm×100mm的用于测定不同强度下未碳化和完全碳化后混凝土强度的伴随试块，混凝土设计强度等级为C20、C30、C40。试件制作采用的水泥是生产标号为42.5的秦岭牌的普通硅酸盐水泥；粗骨料为连续粒级的山碎石，最大骨料直径为12mm；沙子为天然河沙（中砂），含泥量不大于2%；拌和水为自来水。测定粘结性能的试件如图1所示，尺寸为100mm×100mm×140mm，中部粘结钢筋为光圆钢筋，光圆钢筋采用II级钢，实测其屈服强度415Mpa，钢筋长度为350mm，直径为16mm，加载端为与试验设备连接做上丝处理，上丝长度为60mm，粘结长度为5d=80mm，两端加PVC管并加泡沫胶堵实以保证粘结长度。为防止试件的劈裂破坏，试块当中浇筑有钢筋笼，纵筋采用 ，箍筋采用 。混凝土的配合比分别为C20（水泥：砂：石：水=1：2.81：2.60：0.65）、C30（水泥：砂：石：水=1：2.63：2.63：0.60）、C40（水泥：砂：石：水=1：2.17：2.65：0.50）。未碳化和完全碳化混凝土的抗压和抗拉强度采用《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）[3]中所规定的混凝土劈拉强度试验方法，测量的数据参见下表1。
表1 未碳化和完全碳化立方体伴随试块抗压和抗拉强度
未碳化 立方体抗压强度（Mpa） 立方体抗拉强度（Mpa） 完全碳化（Mpa） 立方体抗
压强度
（Mpa） 立方体抗
拉强度
（Mpa）
C20 25.238 1.249 C20 34.675 0.753
C30 35.055 1.741 C30 44.111 1.122
C40 47.310 1.971 C40 53.232 1.490
2.3 碳化試验
本试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T50082-2009）[4]中的“快速碳化法”，加速碳化试验使用北京数智意隆仪器有限公司生产的CCB-70W混凝土碳化试验箱。环境参数设置为：温度20℃ 3℃、相对湿度70% 5%、CO2浓度20% 3%。将用于测定碳化深度的试件两端面用加热的石蜡密封，防止从两端面进行碳化。然后，把需要碳化的试件和用于测定碳化深度的试件一起放入碳化箱内碳化，对其进行人工快速碳化，为使碳化效果明显，各试件之间至少保持50mm的间距。
2.4 加载装置及加载制度
本实验采用最大量程为10t微机控制电子万能试验机（CMT5105）进行加载试验，拔出钢筋上下均安装位移计以测量加载端与自由端的滑移量，位移计采用与试验机相配套的电子位移计sylvac μs229，直接与电脑相连采集数据，量程为12.5mm，可精确到0.001mm。由于要对试件施加反复荷载，本试验设计并制作了特殊的钢架吊篮以满足试验要求。
图1 试件示意图 图2 加载装置连接图
将钢筋混凝土试件按照图2所示与试验仪器进行连接，将混凝土固定牢固，光圆钢筋连接好之后，按照加载速度为0.2mm/min进行加载，控制位移计行程为12mm时加载结束。
3 结果和讨论
3.1 试验结果
为方便表述，钢筋自由端的滑移S1，钢筋加载端的滑移S2。对试件进行编号，D代表单调荷载，GY代表光圆钢筋，W代表未碳化，C代表完全碳化。 由于试件中加入箍筋作用，6个试件在加载过程中均未发生劈裂破坏。通过试验发现，同一试件的按加载端与
自由端所做的粘结滑移曲线没有明显变化，可近似假定钢筋在整个锚固长度上有相同的滑移量，粘结应力在锚固长度上的平均粘结应力[5]用下式计算：
F为加载设备施加的荷载，由加载设备中的力学传感器录入计算机， 为钢筋的直径，L为粘结锚固长度。
单调荷载粘结试验数据结果汇总见表2，图3和图4分别为未碳化和完全碳化后C20强度钢筋混凝土试件在单调荷载作用下的粘结-滑移曲线。
图3 F-GY-W20粘结滑移曲线 图4 F-GY-C20粘结滑移曲线
3.2 试验结果分析
通过表3.2可以看出，未碳化试件的最大粘结应力比完全碳化后试件的最大粘结应力要大，并且，通过粘结应力下降速率可以看出，混凝土强度等级高的试件，其未碳化和完全碳化后最大粘结应力下降速率比混凝土强度等级低的试件最大粘结应力下降速率较慢，同时，完全碳化后的试件峰值粘结应力分别为未碳化试件的（C20：60.27%）、（C30：64.40%）和（C40：75.45%）。由此可以得知，完全碳化后鋼筋混凝土粘结性能弱于未碳化钢筋混凝土试件的粘结性能。这是因为，碳化使得混凝土材料性能发生改变，碳化后的混凝土抗拉强度比未碳化的混凝土抗拉强度低（见表1），根据文献[6]，钢筋的极限粘结强度与混凝土的抗拉强度大致呈正比的关系。因此，完全碳化后的钢筋混凝土试件粘结性能比未碳化时较差。
表2 单调加载粘结试验结果汇总
4 结束语
完全碳化后的钢筋混凝土，由于碳化使混凝土内部结构发生改变，导致混凝土延性和抗拉强度下降，进而影响钢筋与混凝土的粘结性能，完全碳化后同一强度试件的峰值粘结应力明显小于未碳化试件的峰值粘结应力。并且，强度高的混凝土密实性好、抗碳化性能好，因而强度高的未碳化和完全碳化后钢筋混凝土试件峰值粘结应力明显高于强度低的钢筋混凝土试件，强度低的混凝土试件受碳化影响更加明显，峰值粘结应力衰减速率更快。说明碳化使得钢筋混凝土粘结性能影响较大，在日后预防维护过程中，应该着重注意碳化对结构造成的影响。
参考文献
[1]王传志，滕智明.钢筋混凝土结构理论[M].北京：中国工业建筑出版社，1985.
[2]张誉，蒋利学.混凝土碳化和钢筋锈蚀研究动态[J].福州大学学报，1996（24）：18-24.
[3] GB/T 50081-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[4] GB/T 50082-2009.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[5] Verderame GM， Ricci P， De Carlo G， Manfredi G. Cyclic bond behavior of plain bars. Part I：Experimental investigation[J]. Constr Build Master， 2009，23（12）：3499-511.
[6] Losberg A. Olssen P A.Bond failure of deformed Reinforcing Bars Based on the Longltudlnal Splitting Effect of the Bars[J].ACI，1979，76（1）：5-18.