超低溫凍融循環(huán)下鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能

謝 劍，魏 強(qiáng)，李會(huì)杰

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

超低溫凍融循環(huán)下鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能

謝 劍1,2，魏 強(qiáng)1，李會(huì)杰1

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

借助低溫冰箱和超低溫環(huán)境箱降溫的方式，對(duì)7組21個(gè)試件分別進(jìn)行了不同循環(huán)次數(shù)、不同溫度變化的超低溫凍融循環(huán)．通過對(duì)凍融循環(huán)后試件的中心拔出試驗(yàn)，得到了鋼筋與混凝土的荷載-滑移曲線．結(jié)果表明，在循環(huán)次數(shù)較少的情況下，低溫對(duì)鋼筋與混凝土的荷載-滑移曲線形狀影響不大，但對(duì)兩者的黏結(jié)強(qiáng)度有明顯的降低作用；在凍融循環(huán)中，20～-75,℃溫度段對(duì)鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度降低作用明顯，相比之下，-75～-120,℃溫度段對(duì)鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的后續(xù)降低作用不明顯；隨著循環(huán)次數(shù)的增多，每次循環(huán)對(duì)于鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的降低作用逐漸減弱．

超低溫；凍融循環(huán)；混凝土；鋼筋；黏結(jié)性能

隨著人們探知和活動(dòng)的范圍越來(lái)越廣，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也更多地應(yīng)用在低溫環(huán)境中，而液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)儲(chǔ)罐的泄漏會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土外罐直接遭受超低溫的作用[1-4]．因此，有必要對(duì)超低溫下和超低溫凍融循環(huán)的鋼筋混凝土的黏結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究．國(guó)內(nèi)外的研究表明[5-11]，隨著溫度的降低，鋼筋混凝土的材料強(qiáng)度及兩者的黏結(jié)強(qiáng)度都有較大的提升，但是關(guān)于更不利的超低溫凍融循環(huán)方面，僅有文獻(xiàn)[8]提到經(jīng)10次20～-100,℃的循環(huán)，鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度并不降低．除此之外，尚未發(fā)現(xiàn)其他關(guān)于超低溫凍融循環(huán)下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的研究報(bào)道．另外，考慮到LNG儲(chǔ)罐泄漏為偶然工況，筆者采取較少的循環(huán)次數(shù)，主要研究了凍融溫度和循環(huán)次數(shù)對(duì)鋼筋與混凝土黏結(jié)性能退化的影響規(guī)律，對(duì)評(píng)估溫差較大的嚴(yán)寒地區(qū)或冷庫(kù)等內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及發(fā)生泄漏工況后的LNG儲(chǔ)罐的安全度和剩余壽命有一定的工程意義．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152—92)[12]、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL352—2006)[13]及試驗(yàn)室實(shí)際情況，采用中心拔出試驗(yàn)研究鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能．本試驗(yàn)共分為7組，每組3個(gè)試件，試件尺寸為150,mm×150,mm×150,mm，另預(yù)留試件并在其中心放入測(cè)溫裝置鉑金傳感器作為溫度塊．圖1為試件的幾何尺寸．此外，預(yù)留規(guī)定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊用以測(cè)試混凝土強(qiáng)度．

圖1 試件幾何尺寸(單位：mm)Fig.1 Dimensions of specimen(unit：mm)

各組試件混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C50，混凝土的配合比和實(shí)測(cè)強(qiáng)度見表1．采用直徑為16,mm的HRB400級(jí)變形鋼筋，屈服強(qiáng)度452,MPa，極限強(qiáng)度644,MPa，斷后伸長(zhǎng)率為22%．

表1 混凝土的配合比和實(shí)測(cè)強(qiáng)度Tab.1Mix proportion and compressive strength of concrete

1.2 試件的凍融循環(huán)

1.2.1 降溫設(shè)置

試件養(yǎng)護(hù)完畢后，采用低溫冰箱和超低溫環(huán)境箱進(jìn)行試件的降溫[14]，裝置如圖2所示．試件由室溫到-80,℃采用低溫冰箱降溫，-80,℃以下溫度采用液氮在超低溫環(huán)境箱內(nèi)降溫．溫度塊同試驗(yàn)試件共同降溫，并在箱內(nèi)空間另放入測(cè)溫裝置鉑金傳感器，通過外置的讀數(shù)設(shè)備LU-906M智能調(diào)節(jié)儀顯示內(nèi)部溫度.

圖2 降溫設(shè)備Fig.2 Cooling device

1.2.2 溫度控制

降溫階段，采用不泡水試件進(jìn)行，且保證每組試件的降溫速率相同．實(shí)際降溫情況見表2，第1組為對(duì)比組，沒有進(jìn)行凍融循環(huán)．

表2 凍融循環(huán)降溫實(shí)際情況Tab.2 Practical situation of freeze-thaw cycles

回溫階段，采取在室內(nèi)空氣中自然回溫的方式．由圖3可知，4,h內(nèi)-170,℃試件可回溫到0,℃以上，為了統(tǒng)一，采用試件至少回溫24,h的標(biāo)準(zhǔn)．回溫圖片見圖4．

1.3 拔出試驗(yàn)加載裝置與加載制度

拔出試驗(yàn)在天津大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成．自行設(shè)計(jì)制做了一套鋼制加載裝置，見圖5．其原理是固定的試驗(yàn)機(jī)上壓板通過鋼骨架將試件的鋼筋部分用螺母固定，而向上移動(dòng)的試驗(yàn)機(jī)下壓板通過反力鋼架對(duì)試件的混凝土部分施加向上的力，由此試件的鋼筋部分與混凝土部分受到相反的力而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終將鋼筋部分從混凝土中拔出，見圖6．

在鋼骨架下部的兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)百分表來(lái)測(cè)定鋼筋加載端與混凝土的滑移量．經(jīng)計(jì)算鋼制加載裝置的剛度夠大，在較低的加載力下產(chǎn)生的變形對(duì)所測(cè)的滑移值影響可以忽略不計(jì)．試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)加載，加載全程采用荷載控制，每級(jí)荷載為5,kN．

圖3 18 ℃環(huán)境中試件回溫曲線Fig.3 Elevated temperature curve of specimen at 18,℃

圖4 試件回溫Fig.4 Temperature comeback of specimen

圖5 加載裝置Fig.5 Loading device

圖6 加載裝置側(cè)視原理示意Fig.6 Side view of schematic diagram for loading device

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

經(jīng)過若干次凍融循環(huán)后，試件表面出現(xiàn)不同程度的溫度裂縫．隨著循環(huán)設(shè)定溫度的降低，溫度裂縫有所增加，但不同試件具體情況有所不同．圖7為試驗(yàn)過程中試件的結(jié)霜現(xiàn)象，圖8為試件表面出現(xiàn)的溫度裂縫．本次試驗(yàn)中，絕大多數(shù)試件發(fā)生劈裂破壞，只有第2組和第7組各有一塊發(fā)生拔出破壞，試件破壞形態(tài)如圖9所示．

圖7 凍融過程試件結(jié)霜現(xiàn)象Fig.7 Frosting of specimen during freeze-thaw cycles

圖8 第5組試件凍融后裂縫Fig.8 Crack of specimen in group 5 after freeze-thaw cycles

2.2 荷載-滑移曲線

各組試件的荷載P和平均滑移S(加載端兩表的平均值)曲線見圖10．從圖10中可以看出：在循環(huán)次數(shù)較低的情況下，即便循環(huán)的最低溫度達(dá)到-160,℃左右的超低溫時(shí)，其荷載-滑移曲線趨勢(shì)不會(huì)出現(xiàn)較大變化．

圖9 試件破壞形式Fig.9 Specimen failure mode

2.3 黏結(jié)強(qiáng)度

各組凍融后鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3．由表3可知，第6組試件在20～-120,℃循環(huán)5次時(shí)，鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度下降了19%．此外，凍融后鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度離散性較大，這主要是由于凍融過程試件自身缺陷效應(yīng)增大以及鋼筋與混凝土黏結(jié)性能對(duì)影響因素較敏感所致．

由第1組、第2組、第3組和第5組共4組數(shù)據(jù)可知：在相同的3次凍融循環(huán)，試件凍融溫度為20～-40,℃、20～-75,℃及20～-120,℃時(shí)，鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度分別下降了6%、13%和14%；由第1組、第4組和第6組共3組數(shù)據(jù)可知，在相同的5次凍融循環(huán)，試件凍融溫度為20～-75,℃和20～-120,℃時(shí)，鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度分別下降了14%和19%．由此可見，當(dāng)試件凍融溫度為20～-75,℃時(shí)，鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度降低程度在3次和5次循環(huán)下僅比20～-120,℃時(shí)稍低，也就是說鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度的降低速率并不隨著凍融溫度的降低呈線性，而是在20～-75,℃低溫范圍內(nèi)降低較快，在-75～-120,℃超低溫范圍內(nèi)降低較慢．這主要是由于混凝土和鋼筋在溫度降低時(shí)體積變化不一致導(dǎo)致的．由文獻(xiàn)[11]可知，在-20～-70,℃范圍內(nèi)混凝土先膨脹后收縮，鋼筋則一直收縮，兩者線膨脹系數(shù)的較大差別將使鋼筋與混凝土在黏結(jié)處出現(xiàn)較大的微滑移，黏結(jié)面產(chǎn)生大量微裂縫和缺陷，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度降低較快；而隨著溫度的降低，鋼筋與混凝土的線膨脹系數(shù)雖有一定的差別，但兩者的變化趨勢(shì)是一致的，在黏結(jié)面處新產(chǎn)生的損傷也是有限的，宏觀上則表現(xiàn)為黏結(jié)強(qiáng)度降低較慢．

由第1組、第3組和第4組共3組數(shù)據(jù)可知，試件循環(huán)溫度為20～-75,℃、循環(huán)次數(shù)在3次和5次時(shí)，鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度分別降低13%和14%；由第1組、第5組和第6組數(shù)據(jù)可知，試件循環(huán)溫度為20～-120,℃、循環(huán)次數(shù)在3次和5次時(shí)，鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度分別降低14%和19%．由此可見，前3次的凍融循環(huán)中每次循環(huán)對(duì)鋼筋與混凝土平均黏結(jié)強(qiáng)度的降低程度要明顯大于后2次中每次循環(huán)的作用，也就是說，鋼筋與混凝土平均黏結(jié)強(qiáng)度的降低程度在每次循環(huán)中并不一致，而是隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低的．這主要是因?yàn)樵嚰?nèi)部容易被凍融循環(huán)作用破壞的微觀結(jié)構(gòu)在最初幾次的低溫和超低溫凍融下便已大量破壞．除此之外，試件循環(huán)溫度為20～-120,℃時(shí)，3次循環(huán)對(duì)鋼筋與混凝土平均黏結(jié)強(qiáng)度的降低作用與20～-75,℃時(shí)相差不多，而5次凍融循環(huán)時(shí)，鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度降低程度在試件循環(huán)溫度20～-120,℃時(shí)要比在20～-75,℃時(shí)稍大一些，由此可知，隨著溫度的降低，后續(xù)循環(huán)對(duì)鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度的降低作用會(huì)稍有增加．這主要是因?yàn)閮鋈谶^程中除鋼筋與混凝土線膨脹系數(shù)不同外，混凝土強(qiáng)度的降低也會(huì)影響兩者的黏結(jié)強(qiáng)度．-75～-120,℃范圍內(nèi)，混凝土內(nèi)部原本不受低溫影響的吸附水會(huì)結(jié)冰產(chǎn)生凍脹破壞，使混凝土強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的降低，而這些更微小結(jié)構(gòu)的破壞需要更多的凍融循環(huán)．

圖10 各組試件的荷載-滑移曲線Fig.10 Load vs slip curves of specimen

從表3中還可以看出，鋼筋與混凝土的峰值滑移并不呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，而第7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)在凍融后鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度反而增大，這主要與該組進(jìn)行試驗(yàn)的日期與其他組相比較晚，混凝土強(qiáng)度有所增加，并且混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)本就具有離散性較大的特性有關(guān)．

表3 凍融后鋼筋與混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of bonding behavior between reinforcement and concrete after freeze-thaw cycles

3 結(jié) 論

(1) 在低溫和超低溫下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，鋼筋與混凝土的荷載-滑移曲線形狀基本不變，但黏結(jié)強(qiáng)度能夠降低1/5左右，已經(jīng)達(dá)到了不能忽視的地步．

(2) 在相同的3次或5次循環(huán)，試件循環(huán)溫度為20～-75,℃或20～-120,℃時(shí)，鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度都具有一定程度的下降，且兩者的下降程度相近，即隨著循環(huán)溫度的降低，鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度降低，但在20～-75,℃范圍內(nèi)黏結(jié)強(qiáng)度降低較快，在-75～-120,℃范圍時(shí)降低較慢．

(3) 在試件循環(huán)溫度為相同的20～-75,℃或20～-120,℃、5次凍融循環(huán)時(shí)，鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度的降低在前3次凍融下的平均程度要大于后2次，即后續(xù)循環(huán)對(duì)鋼筋與混凝土平均黏結(jié)強(qiáng)度的降低作用有所減弱．

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Bonding Properties Between Reinforcement and Concrete After Freeze-Thaw Cycles at Extra-Low Temperatures

Xie Jian1,2，Wei Qiang1，Li Huijie1
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

With the cooling system of low-temperature refrigerator and extra-low temperature environment box，freeze-thaw cycles for 7 groups of 21 specimens with different cycle times and at different low or extra-low temperatures were carried out. Through the pull-out test of specimens after freeze-thaw cycles，the load-slip curves between reinforcement and concrete were recorded. The results show that，with fewer cycle times，the tendency of the loadslip curves almost has no changes，but the bonding strength between reinforcement and concrete is reduced significantly；the bonding strength between reinforcement and concrete decreases obviously at 20—-75,℃，while the bonding strength has no obvious follow-up reduction at -75—-120,℃ in freeze-thaw cycles；the reduction of the bonding strength reduces gradually with each cycle.

extra-low temperature；freeze-thaw cycle；concrete；reinforcement；bonding property

TU502

A

0493-2137(2013)11-1012-07

DOI 10.11784/tdxb20131110

2012-06-16；

2012-11-23.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078260)．

謝 劍（1974— ），男，博士，副教授．

謝 劍，xiejian@tju.edu.cn．