钢筋是结构的骨架,主要起承载和构造作用。为保证结构受力连续及整体性能,通常需对受力钢筋进行连接,而不同连接方式对钢筋连接的可靠性和受力性能有不同的影响。我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[1]给出常用的钢筋连接方式主要有绑扎连接、焊接连接和机械连接3类。其中绑扎连接应用方便,但需要的锚固长度较长且钢筋直径不能过大,搭接钢筋用量较大; 焊接连接效果较好,但连接的可靠性受焊接质量和施工条件的影响较大; 机械连接的连接质量相对稳定,但对连接设备要求较高且费用昂贵 ^[2]。与现浇施工相比,装配式施工由于质量可靠、绿色施工等优点,在现今结构有着越来越广泛的应用。装配式结构中的钢筋连接区也往往是受力的薄弱环节,因而更需要关注。实际上,无论采用何种连接方式,通过钢筋接头实现间接传力的方式始终比整体钢筋直接传力的方式要差,特别是在遭遇地震、冲击及爆炸等动荷载作用时,钢筋连接区容易成为受力的薄弱区而发生破坏,进而危及结构整体安全。实际工程中,由于钢筋连接区的破坏导致构件出现损伤、断裂甚至整体结构坍塌的事故也时有发生,给人们的财产安全造成巨大损失 ^[3]。因此,需要对钢筋连接区的受力性能及连接可靠性开展深入研究。

　　 关于钢筋接头的连接方式、力学性能、搭接长度及抗拉强度影响因素等,国内外学者Chun等 ^[4]、Hassan等 ^[5]、冯鹏等 ^[6]、叶勇等 ^[7]及张士军等 ^[8]分别从不同的角度开展了研究,并根据其研究结果给出了保障钢筋接头可靠性的建议方法 ^[9]。尽管这些研究对于正确选用合适的钢筋连接技术、提高钢筋连接质量以及降低连接成本等方面具有重要的意义,但上述研究未考虑钢筋连接区所处的环境因素的影响。实际上结构在长期服役过程中,会不同程度地遭受外界腐蚀环境和除冰盐氯化物等的侵蚀,造成钢筋及其连接区发生锈蚀,进而影响结构安全。关于钢筋锈蚀及其导致结构性能劣化问题,已有很多学者开展了相关研究 ^[10]。而专门针对腐蚀环境下钢筋连接区受力性能的相关研究目前还较少,钢筋连接区是整根钢筋传力的薄弱区,在腐蚀环境下的连接可靠性尤为重要。徐港等 ^[11]采用快速电化学锈蚀方法研究了锈蚀对钢筋搭接性能的影响,发现钢筋锈蚀后其搭接承载力明显降低。Apostolopoulos等 ^[12]通过钢筋焊接接头锈蚀后的受力性能和延伸性能进行研究发现,钢筋接头的受拉承载力和延伸性能随锈蚀率的增加呈下降趋势。Tang等 ^[13]也对电化学腐蚀后的钢筋焊接接头的受力性能进行了研究,认为腐蚀环境下焊接钢筋接头受力性能下降的原因可能与焊接过程中产生的应力集中相关。这些研究表明,腐蚀环境下钢筋接头的连接性能存在退化现象,需引起重视。为进一步明确腐蚀环境下钢筋连接区的受力性能,本文针对双面电弧焊、套筒冷挤压和墩粗直螺纹3种连接方式的钢筋接头,研究其经氯盐不同程度腐蚀后的抗拉性能和破坏形态,为钢筋连接件的耐久性设计提供参考。

　　 本试验钢筋连接方式主要涉及焊接连接和机械连接两类,试件分别按《钢筋焊接及验收规程》(JGJ 18—2012) ^[14]和《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107—2016) ^[15]加工制作。钢筋母材统一采用16mm的HRB400螺纹钢,3种钢筋连接件实物图如图1所示。试件设计时双面电弧焊试件焊缝长度为200mm; 套筒冷挤压试件套筒外径为30mm; 墩粗直螺纹试件套筒外径为26mm。

　　 为研究不同腐蚀程度下钢筋连接件锈蚀后的抗拉性能和破坏形态,以腐蚀区域和腐蚀程度为变量对3种连接形式的试件分别进行腐蚀试验。每种连接形式的钢筋连接件均按上述试验变量分为5组(共15组),其中1组为未腐蚀对照组,其余4组按连接区、连接区两端各外延10cm区域分别进行通电腐蚀和氯盐浸泡腐蚀分类,每组3根试件。各钢筋连接件腐蚀工况详情见表1。表中各试件编号均采用“字母-数字”形式,A,B,C依次代表双面电弧焊、套筒冷挤压和墩粗直螺纹连接方式,0,1,2,3,4分别代表未腐蚀、试件连接区进行电化学腐蚀、连接区进行氯盐浸泡腐蚀、连接区两端各延伸10cm范围内进行电化学腐蚀、连接区两端各延伸10cm范围内进行氯盐浸泡腐蚀。

　　 图2给出了钢筋连接件通电锈蚀的示意图。其中,待腐蚀的钢筋接头试件与直流稳压电源电路的正极相连充当腐蚀电路的阳极,直径6mm的不锈钢筋与电源的负极相连充当电路的阴极,二者浸没在5%的NaCl溶液(电解液)中形成闭合回路。通电锈蚀开始后,每隔48h对试件进行一次浮锈清除,以免浮锈阻碍锈蚀进行。腐蚀完成后,使用浓度10%盐酸酸洗液对试件进行清洗除锈 ^[16],并对腐蚀前后的试件进行称重记录,计算其质量损伤率。氯盐浸泡自然腐蚀是将待腐蚀试件在5%的NaCl溶液中浸泡一段时间后取出,进行酸洗、称重等。

　　 锈蚀钢筋连接件的质量损失率m_l按下式计算:

　　 $m{}_l=\frac{m{}_0-m{}_1}{m{}_0}\times 100\%(1)$

　　 式中:m₀为试件初始质量,g; m₁为锈蚀试件酸洗后质量,g。

　　 参考实际工程中钢筋锈蚀的程度,初步确定钢筋连接件的质量损失率为10%。根据反映钢筋锈损量和锈蚀时间的法拉第定律,可估算得到通电锈蚀试验中需在0.4A的恒定电流下通电时间约为240h(10d) ^[17]。需要说明的是,为与通电锈蚀的方法进行比较,采用氯盐自然浸泡锈蚀的时间也定为240h。

　　 钢筋连接件锈蚀后,参考《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》(GB/T 228.1—2010) ^[18]进行拉伸试验,根据试验结果记录试件破坏时的抗拉承载力和破坏形态。

　　 图3给出3种钢筋连接件腐蚀前、腐蚀后及酸洗后的外貌形态。通电锈蚀试件的锈迹较集中,钢筋表面被大量墨黑色锈迹(主要为氧化不完全的Fe₃O₄)包围。试件酸洗至表面光亮后可看出,仅对连接区进行通电锈蚀的机械连接件,连接区套筒锈损明显,而且连接区较短的直螺纹连接件甚至可观测到套筒内部的直螺纹; 仅对连接区进行锈蚀的双面电弧焊连接件,除焊接处有锈损外,无其他明显破损现象。钢筋连接区与10cm延伸区一起锈蚀时,延伸区内母材锈损情况比套筒明显,直径明显减小。此外,采用氯盐浸泡自然锈蚀的钢筋连接件,锈损程度不明显,酸洗后试件表面仅有轻微损伤。

　　 对酸洗后试件进行拉伸试验发现,钢筋连接件的破坏形式主要分为钢筋(母材)断裂破坏、连接区断裂及粘结滑移破坏3类,且与钢筋连接件的连接方式相关。图4给出了钢筋连接件不同破坏形态图。

　　 对于未进行腐蚀处理的A-0,B-0,C-0组对比试件,破坏形式均为连接区外钢筋(母材)的拉断破坏,钢筋断口均为劈裂式塑性断口破坏,如图4(a)所示。当腐蚀程度较小时,试件也会发生钢筋断裂破坏,如双面电弧焊连接的A-2,A-3,A-4组、套筒冷挤压的B-2,B-3,B-4组以及墩粗直螺纹连接的C-2,C-4组试件,断口处颈缩现象不明显,断裂位置大约距连接区边缘40～80mm。双面电弧焊连接的A-1组试件在焊缝边缘处发生断裂,这与焊缝边缘处的应力集中和腐蚀效应叠加有关,如图4(b)所示。随着腐蚀程度的增加,连接件会出现钢筋完好而连接区破坏的现象。如套筒冷挤压连接的B-1组试件发生钢筋粘结滑移破坏(图4(c)),这是因为连接区套筒和钢筋母材锈蚀后,二者间的挤压咬合力下降,因而在拉伸试验中出现相对滑移。此外,通电腐蚀也会使套筒内螺纹锈蚀破坏,降低了套筒和钢筋间的咬合作用,套筒与钢筋间挤压力减小,造成套筒断裂破坏。图4(d)为墩粗直螺纹连接的C-1,C-3组试件,由于连接区套筒被腐蚀贯穿并造成内部螺纹受损,导致发生了套筒断裂破坏。表明腐蚀一定程度上降低了连接区的受力性能,应在耐久性设计中考虑这一影响。

　　 图5给出了不同腐蚀条件下3种钢筋连接件的平均质量损失率。需要说明的是,由于钢筋连接件连接区长度不同,腐蚀区域也存在差异,为方便对比不同工况下各锈蚀连接件的锈蚀程度,图中统一采用单位长度平均质量损失率表示各试件质量损失情况。

　　 比较图5(a),(b)可知,仅在连接区进行腐蚀时,钢筋连接件的平均质量损失率明显大于连接区和延伸区(两端10cm范围)共同腐蚀的情况,这是由于钢筋连接区的平均直径明显大于延伸区,因而相同条件下连接区的腐蚀要比延伸区的腐蚀严重,因而采用单位长度上的平均质量损失率进行表征时,两种腐蚀工况在数值上差异明显。通电和氯盐浸泡两种腐蚀方法相比,前者的腐蚀程度明显严重,但不同连接方式钢筋连接件腐蚀程度的变化规律基本一致。

　　 由图5还可以看出,双面电弧焊连接件的平均质量损失率最小; 墩粗直螺纹连接件的平均质量损失率最大,特别是仅对连接区进行电化学腐蚀时,其单位长度质量损失率高达3.27%,远超相同条件下套筒冷挤压连接试件0.79%和双面电弧焊连接试件0.36%的腐蚀率。从锈蚀程度上看,双面电弧焊连接件的抗腐蚀性能优于其他两种机械连接方式。主要是不同连接方式使得连接区截面尺寸不同,平均直径较大的双面电弧焊连接件连接区通过的电流密度较小,因而腐蚀程度较另两种连接方式小。此外,NaCl腐蚀液更易进入套筒连接区的内外壁,导致直螺纹和冷挤压连接方式比焊接方式锈蚀程度深。这里需要特别指出的是,尽管双面电弧焊钢筋连接方式锈损率最低,但当锈蚀率达到一定程度后,由于焊接应力和腐蚀效应的双重作用,连接件易在焊缝边缘处发生断裂破坏。

　　 为表征钢筋连接件锈蚀后的连接性能变化,图6给出了电化学腐蚀方案下各组连接件平均抗拉破坏强度与其平均质量损失率(即锈蚀率)间的关系曲线。需要说明的是,由于不同连接方式的钢筋连接件腐蚀后的破坏形态有钢筋拉断、套筒粘结-滑移及套筒断裂,因而图6中的破坏强度统一为试件抗拉承载力与连接件等效破坏截面平均值之比。

　　 由图6可看出,随腐蚀程度的加深,连接件的平均抗拉破坏强度总体上呈下降趋势,而且与腐蚀连接件的破坏形态相关。当连接件仅腐蚀连接区时(图6(a)),钢筋连接件的破坏形态随锈蚀程度增加由钢筋(母材)拉断逐步向连接区破坏转变。因此,连接件的平均抗拉破坏强度随锈蚀率的变化曲线呈先平缓后陡降的趋势,曲线陡降主要是由于钢筋连接件在连接区发生了破坏而非钢筋拉断破坏。当连接件的连接区和延伸区(两端各10cm区域)共同腐蚀时(图6(b)),双面电弧焊和套筒冷挤压连接件由于锈损程度较小,连接区的连接能力较好,试件破坏形态均为钢筋拉断,因而平均抗拉破坏强度随锈蚀率的变化曲线相对平缓; 而墩粗直螺纹由于连接区较短导致锈损程度相对严重,在锈蚀率达到一定程度后发生连接区套筒断裂破坏,使得平均抗拉破坏强度随锈蚀率的增大曲线出现陡降趋势。

　　 为进一步表明钢筋连接件平均抗拉破坏强度与其平均质量损失率间的关系,根据图6的曲线变化规律,采用以下表达式来表示二者的关系:

　　 $f{}_{\text{t}}=f{}_{\text{t}0}(1+\alpha m{}_{l^{\prime }}+\beta m{}_{l^{\prime }}{}^2)(2)$

　　 式中:f_t为锈蚀后试件破坏强度值,MPa; f_t0为未腐蚀试件抗拉强度值,MPa; m_l′为试件平均质量损失率,%; α,β为与m_l′相关的系数,根据试验结果可按表2取值。

　　 图6中给出了按式(2)的计算结果,计算结果与试验结果吻合较好。

　　 为明确钢筋连接件锈蚀后的变形能力,本文采用断后伸长率表征试件的延伸性能。图7给出了仅连接区腐蚀工况下,不同连接件锈蚀后的平均伸长率随平均质量损失率(锈蚀率)变化关系。

　　 由图7可看出,未腐蚀前,双面电弧焊、套筒冷挤压和墩粗直螺纹钢筋连接件的断后伸长率分别为13.64%,11.33%和12.67%,具有较好的延伸性能。腐蚀后,各连接件的延伸性能均有明显的退化,且随锈蚀率增加趋于明显。钢筋连接件断后伸长率的降低主要与钢筋连接件锈蚀后的截面削弱以及焊接应力集中有关 ^[19]。由图7还可以看出,双面电弧焊和套筒冷挤压连接件的断后伸长率随锈蚀率增加,其下降速度明显要高于墩粗直螺纹连接件,这表明腐蚀环境下钢筋连接件的连接方式对其伸长率有一定的影响,可根据工程需要采用合适的钢筋连接方式。

　　 (1)氯盐腐蚀环境下,钢筋连接件的连接性能会明显降低,并随腐蚀程度的加深而趋于明显。相同腐蚀环境下,不同连接方式钢筋连接件的抗锈蚀能力不同; 所选取的3种连接方式中,双面电弧焊连接件的抗锈蚀能力最强、套筒冷挤压次之、墩粗直螺纹最弱。

　　 (2)钢筋连接件在氯盐腐蚀环境下主要有钢筋(母材)拉断、连接区断裂及粘结-滑移破坏3类,各破坏形态的发生与连接件锈蚀程度和连接方式相关。套筒冷挤压和墩粗直螺纹连接件在锈蚀率较大时会发生连接区断裂和粘结-滑移破坏; 双面电弧焊由于焊缝处存在应力集中效应,易在腐蚀环境下发生断裂破坏。

　　 (3)氯盐腐蚀环境下钢筋连接件的抗拉性能明显降低,降低程度与连接件受腐蚀程度和破坏形态有关。锈蚀程度较小时,连接件发生钢筋(母材)拉断破坏; 腐蚀程度较大时,连接件在连接区发生断裂和粘结-滑移破坏,抗拉性能明显降低。