靜載下腐蝕后鋼纖維混凝土粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

王海超，王飛飛，孫芳寧，張風(fēng)風(fēng)，高淑玲

（1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.青島工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，山東 青島 266300；3.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近海結(jié)構(gòu)工程和地下空間結(jié)構(gòu)日趨增多.由于結(jié)構(gòu)處于不同程度的腐蝕環(huán)境，這就對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性提出更高的要求.鋼纖維混凝土由于鋼纖維的加入改善了混凝土基體的力學(xué)性能和抗腐蝕能力，同時(shí)也提高了鋼筋與鋼纖維混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度.定量描述鋼纖維對(duì)混凝土粘結(jié)性能影響的文獻(xiàn)報(bào)道，目前尚不多見(jiàn).

鋼筋銹蝕后會(huì)使得混凝土的粘結(jié)性能降低[1]，由于鋼纖維的加入，能有效地防止鋼筋的進(jìn)一步銹蝕，同時(shí)增強(qiáng)了混凝土與帶肋鋼筋的機(jī)械咬合力，對(duì)提高其粘結(jié)強(qiáng)度具有重要影響，應(yīng)用鋼纖維混凝土與腐蝕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，研究其腐蝕后的粘結(jié)性能具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值.因此，本文通過(guò)制作的鋼纖維混凝土梁式粘結(jié)試件，針對(duì)不同鋼纖維混凝土強(qiáng)度等級(jí)、不同鋼纖維體積率、不同鋼筋銹蝕率以及不同的靜力加載水平等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究腐蝕后鋼筋與鋼纖維混凝土粘結(jié)強(qiáng)度之間的關(guān)系.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件及制作

本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用四點(diǎn)彎梁式試件[2-3]測(cè)試鋼纖維混凝土的粘結(jié)性能[4]，如圖1所示：試件尺寸100mm×100mm×400mm，加載段長(zhǎng)2=350m.支座端和鋼筋加載端各有一無(wú)粘結(jié)段，用PVC管將鋼筋和鋼纖維混凝土隔離，且用環(huán)氧紗布包裹內(nèi)部鋼筋[5]（如圖2），中間粘結(jié)段長(zhǎng)度為3=60mm.

圖1 粘結(jié)試驗(yàn)梁（mm）Fig.1 Adhesion testbeams

考慮的影響因素為試驗(yàn)梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋的銹蝕率、鋼纖維體積率.每個(gè)因素取3個(gè)水平，根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，取混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40、C50；鋼纖維體積率為0%、1.0%、1.5%；鋼筋的銹蝕率為0%、3.0%、5.0%.使用HRB335鋼筋，直徑 =12mm，屈服強(qiáng)度417MPa，極限強(qiáng)度635MPa，鋼纖維采用剪切型鋼纖維（彎鉤形），圓形截面，長(zhǎng)度為40mm，直徑為0.3mm，抗拉強(qiáng)度大于600N/mm2.

混凝土基體材料采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、普通中砂、普通碎石，最大粒徑10～25mm；聚羧酸高效減水劑；由于腐蝕和靜動(dòng)載試驗(yàn)有許多不確定性，因此試件的數(shù)量要比實(shí)際需要多20%.混凝土配合比設(shè)計(jì)如下.C30：水泥252，粉煤灰168，水181，砂子666，石子999，減水劑10.5；C40：水泥240，粉煤灰240，水168，砂子630，石子985，減水劑10.56；C50：水泥300，粉煤灰180，水168，砂子622，石子1 015，減水劑 10.42.其單位（kg/m-3）.

圖2 裹環(huán)氧紗布的鋼筋Fig.2 Wrapped in gauze reinforced epoxy

1.2 鋼筋加速腐蝕方法

通過(guò)電化學(xué)腐蝕方法來(lái)加速鋼筋的銹蝕[6]，試驗(yàn)中采用恒直流電源，將試驗(yàn)梁的縱向鋼筋與電源正極相連，不銹鋼板與電源負(fù)極相連[7]，構(gòu)成電化學(xué)腐蝕電路.

鋼纖維在混凝土中是隨機(jī)亂向分布的，其尖銳性和較大的比表面積，在溶有氯離子的含水腐蝕環(huán)境中，由于其電位低于鋼筋，因此將首先發(fā)生腐蝕，可以起到保護(hù)鋼筋的作用；當(dāng)把鋼筋作為陽(yáng)極接通直流電時(shí)，鋼筋和鋼纖維都有一定的腐蝕發(fā)生，實(shí)驗(yàn)表明，與沒(méi)有摻加鋼纖維的試件比較，其鋼筋的腐蝕程度有所降低.

1.3 靜載四點(diǎn)彎試驗(yàn)梁的粘結(jié)試驗(yàn)

采用四點(diǎn)彎曲粘結(jié)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定荷載-滑移曲線(xiàn)，同時(shí)在梁的兩側(cè)粘貼鋼板加固，保證試件鋼筋與混凝土界面發(fā)生粘結(jié)滑移，防止因抗剪承載力不足，構(gòu)件提前發(fā)生剪切破壞[8].

試驗(yàn)中當(dāng)觀(guān)察到試驗(yàn)梁的任意半段鋼筋與鋼纖維混凝土的界面發(fā)生完全的粘結(jié)滑移破壞時(shí)，即認(rèn)為該構(gòu)件已完全破壞.

2 研究與分析

2.1 銹蝕狀況

相同腐蝕條件下，經(jīng)觀(guān)察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知：1）腐蝕120h后，摻加鋼纖維的鋼筋混凝土梁外表面腐蝕現(xiàn)象明顯，而普通鋼筋混凝土梁外表面腐蝕現(xiàn)象不明顯；2）腐蝕120h的鋼纖維混凝土梁外表面銹跡比腐蝕72 h的試驗(yàn)梁嚴(yán)重的多；3）鋼纖維含量越多，試驗(yàn)梁外表面腐蝕現(xiàn)象越明顯.詳見(jiàn)圖3.

2.2 粘結(jié)強(qiáng)度

試件受力圖4，總荷載 作用下鋼筋的應(yīng)力以及鋼筋與鋼纖維混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力，分別表示為：

圖3 鋼纖維混凝土腐蝕72 h后試驗(yàn)梁表觀(guān)現(xiàn)象Fig.3 Corrosion of steel fiber reinforced concretebeamsapparent phenomenon 72h after test

圖4 試件受力分析簡(jiǎn)圖Fig.4 Mechanicalanalysisdiagram of specimen

其中： 為鋼筋的表面積， 為鋼筋的橫截面積.假設(shè) 為鋼筋直徑， 為鋼筋數(shù)量，5為粘結(jié)長(zhǎng)度，得：

由上式計(jì)算粘結(jié)應(yīng)力，結(jié)果匯總見(jiàn)表1.

由表1中的數(shù)值，分析可知：C30混凝土、未銹蝕、鋼纖維摻量為1.5%時(shí)極限強(qiáng)度和粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最高；C40混凝土、平均實(shí)測(cè)銹蝕率2.62%、鋼纖維摻量1%時(shí)滑移量最大；這與定性分析的結(jié)果基本是一致的.

由圖5得：1）空白試件當(dāng)銹蝕率達(dá)到3%時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度最高，5%時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度最低；這與一般銹蝕鋼筋混凝土試件的研究結(jié)論是一致的.2）對(duì)于鋼纖維摻量為1%的粘結(jié)試件，未銹蝕時(shí)其粘結(jié)強(qiáng)度高于空白試件，低于1.5%鋼纖維摻量的試件，這是正常的，主要是抗拉強(qiáng)度的作用；當(dāng)銹蝕率在3%時(shí)，摻鋼纖維的試件比空白試件的粘結(jié)強(qiáng)度低，這可能是鋼纖維在基體中的彈性剛度影響了材料的自然堆積狀態(tài).3）隨著銹蝕率的不斷增加，后期出現(xiàn)裂縫，粘結(jié)強(qiáng)度降低.4）根據(jù)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得摻加鋼纖維的混凝土粘結(jié)強(qiáng)度，隨銹蝕率的增大先降低后增加，這與鋼纖維的銹蝕率有一定關(guān)系.

由表2可以看出：混凝土強(qiáng)度越高、鋼纖維摻量越大，未銹蝕的試件極限荷載越大、粘結(jié)強(qiáng)度高；C40混凝土在較大的銹蝕程度和未摻加鋼纖維的試件滑移量最大.

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總表Tab.1 The test resultsare summarized in table

3 試驗(yàn)研究結(jié)論

摻有鋼纖維的試件粘結(jié)強(qiáng)度高，極限荷載隨鋼纖維體積率的增大而增大，對(duì)滑移量影響也很大；有銹蝕影響的情況下，銹蝕率對(duì)極限荷載和粘結(jié)強(qiáng)度有很大的影響，相同銹蝕情況下，有鋼纖維的試件粘結(jié)強(qiáng)度要大些；鋼纖維的加入，對(duì)提高試件的抗腐蝕性能和粘結(jié)強(qiáng)度是十分有效的.

表2 粘結(jié)滑移因素影響分析Tab.2 Analysisof factorsaffecting the bond-slip

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