凍融環(huán)境下鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結性能

凍融環(huán)境下鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結性能

牛建剛1，郝吉1，李伯瀟2

(1. 內蒙古科技大學 建筑與土木工程學院，內蒙古 包頭 014010；

2. 青島理工大學琴島學院 土木工程系，山東 青島 266106)

摘要：通過對內貼應變片鋼筋的直接拔出試驗，分析凍融作用下粉煤灰摻量對鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能的影響，得出凍融循環(huán)作用對鋼筋與粉煤灰混凝土之間粘結性能的影響規(guī)律。試驗結果表明：鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結強度隨粉煤灰摻量的增加而降低；當粉煤灰摻量一定時，隨著凍融循環(huán)次數的增加，混凝土強度有所下降，鋼筋與粉煤灰混凝土間極限粘結強度降低；當粉煤灰摻量較大，達到40%時，隨凍融次數的增加，鋼筋粉煤灰混凝土試件極限粘結強度的下降幅度明顯減緩，極限粘結強度對應的滑移量增大。表明摻入較多粉煤灰可使試件的凍融損傷現象得到緩解，凍融環(huán)境下鋼筋混凝土的粘結性能得到提高。

關鍵詞：凍融循環(huán)；粉煤灰混凝土；直接拔出試驗；粘結強度；粘結應力分布

Received:2015-07-30

Foundation item： National Natural Science Foundation of China(No. 51368042)

粉煤灰作為混凝土材料中最為常用的一種礦物摻合料，既可以減少水泥用量，降低混凝土的成本，又可以改善混凝土部分工作性能、力學性能和耐久性[1-2]，能夠更好地滿足實際工程的需求。

在寒冷環(huán)境下的混凝土結構會受到凍融侵蝕，凍融作用會使混凝土劣化[3]，劣化后的混凝土與鋼筋間的粘結性能將受到影響[4-6]。在影響混凝土結構破壞的因素中，凍融侵蝕對于混凝土結構的破壞程度較大，凍融損傷嚴重時會導致結構失效[7-9]。鋼筋與混凝土間的粘結性能是影響混凝土構件正常使用性能的重要因素之一[10-14]，在混凝土工程中合理利用粉煤灰是否能夠發(fā)揮其在凍融環(huán)境中改善鋼筋與混凝土之間的粘結性能尚不明確。Arezoumandi等[15]研究了粉煤灰摻量大于50%的混凝土試件與鋼筋的粘結性能，Costel等[16]對高溫養(yǎng)護的粉煤灰混凝土試件的粘結性能開展了試驗分析。胡曉鵬等[17]分析了粉煤灰摻量對直接拔出試件與梁式試件中鋼筋與粉煤灰混凝土粘結性能的影響，冀曉東等[10]研究了凍融循環(huán)作用后鋼筋與混凝土的粘結性能，而關于凍融環(huán)境下鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能方面可供參考的試驗與分析并不多，凍融作用與粉煤灰摻量對鋼筋混凝土間粘結性能的影響有待深入研究。

通過對鋼筋粉煤灰混凝土試件的快速凍融試驗和鋼筋直接拔出試驗，得出凍融環(huán)境下鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結規(guī)律，分析凍融循環(huán)作用對鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結性能的影響，以便為鋼筋混凝土結構工程的可靠度分析和耐久性設計提供參考，并為以后鋼筋與粉煤灰混凝土之間粘結性能分析提供參考。

1試驗概況

1.1　試驗材料

取混凝土結構中使用較多的C30到C40的混凝土進行試驗，對實際工程有一定參考價值。直接拔出試驗考慮凍融循環(huán)次數以及粉煤灰摻量對粘結性能的影響，粉煤灰摻量分別為0%、10%、20%、30%和40%，其中，對粉煤灰摻量為0%、20%及40%的3組試件進行凍融循環(huán)作用，凍融次數為0、25、50、75、100次。

水泥采用包鋼綜合企業(yè)(集團)公司水泥廠生產的“草原牌”PO42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰選用鄂爾多斯市達旗電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，細度、需水量比、燒失量分別為0.26、93.3%、0.13；細骨料選用普通河砂，其粒徑小于5 mm，含泥量小于2%，細度模數、級配等各項性能指標均合格；普通粗骨料：碎石粒徑不大于20 mm，含泥量、細度模數、級配等各項性能指標合格；拌和用水采用城市普通自來水，外加劑采用萘系B3減水劑，以及AH-1型引氣劑。試驗中粉煤灰混凝土的基本參數如表1。

表1　粉煤灰混凝土的基本參數

1.2　試件設計

試件截面尺寸均為150 mm的立方體，配置1根HRB400級鋼筋，長400 mm，鋼筋有效粘結長度為70 mm，無粘結段鋼筋通過PVC套筒隔離，在自由端及加載端分別預留10、240 mm長的鋼筋以固定千分表和施加荷載，試件簡圖如圖1(a)所示。鋼筋預先開槽處理，錨固長度范圍鋼筋槽內粘結5個應變片，應變片將錨固長度劃分為4個區(qū)段，每個區(qū)段長為17.5 mm，測點編號如圖1(b)。因試驗主要研究鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能在凍融循環(huán)作用下的變化規(guī)律，故不考慮鋼筋直徑等對粘結性能的影響，試驗統(tǒng)一使用直徑為14 mm的鋼筋。根據實驗室的實際情況，自行設計加載裝置，符合《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)的規(guī)定，千分表安裝在試件的自由端用以測定鋼筋滑移量，如圖2。凍融試驗使用KDR-V凍融試驗機，符合《混凝土抗凍試驗設備》(JG/T 243)的規(guī)定。凍融溫度控制在(-17±2)℃~(8±2)℃，每次凍融循環(huán)在3~4 h內完成。

圖1　試件設計簡圖Fig.1　Specimen design

圖2　直接拔出試驗加載裝置Fig.2　Loading device of pull-out

2試驗現象及破壞形態(tài)

未經凍融循環(huán)作用的普通混凝土試塊進行直接拔出試驗后，在自由端處的混凝土表面出現2條裂縫，且2條裂縫處于一條直線上，裂縫寬度較大，但并沒有使混凝土完全破壞。粉煤灰摻量為20%時，出現2條夾角大于90°的細小裂縫；當粉煤灰的摻量為40%，試件破壞時，試件的混凝土表面完好，沒有出現裂縫，鋼筋被直接拔出，如圖3。

圖3　不同粉煤灰摻量試件直接拔出試驗破壞現象Fig.3　Pull-out test damage phenomenon of reinforcedconcrete with different content of fly

對試件進行凍融循環(huán)作用后，試件混凝土的表面發(fā)生一定的剝落，受凍融損傷程度隨著凍融循環(huán)次數的增多而愈加明顯。從凍融50次開始，試件表面剝落情況變得更加明顯，而且不同摻量的粉煤灰亦對凍融后試件的破壞有不同程度的影響。當粉煤灰的摻量達到40%時，試件在凍融后表面的損傷現象明顯減小，而少量加入粉煤灰并沒有使試件表面的損壞緩解。

經凍融循環(huán)作用后，未摻粉煤灰的普通混凝土試件經過拔出試驗，試件破壞形態(tài)以拔出破壞為主，試件混凝土表面的裂縫寬度隨著凍融次數的增加而逐漸變小。粉煤灰混凝土試件的破壞形態(tài)與普通混凝土基本一致，隨著凍融循環(huán)次數的增加，混凝土表面裂縫寬度逐漸減少，直至不再出現裂縫，混凝土表面保持完整。

3試驗結果與分析

3.1　鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能

未進行凍融循環(huán)的試件，鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結性能主要受粉煤灰摻量的影響，因此，在進行凍融試驗之前需要分析鋼筋與混凝土間粘結性能受粉煤灰摻量的影響。

(1)

圖4　不同粉煤灰摻量試件粘結強度滑移曲線Fig.4　Curve of bonding strength-slip withdifferent content of fly

加載初期，鋼筋與混凝土間的粘結力主要是由化學膠著力提供，自由端位移較小，幾乎為0，處于微滑階段?；瘜W膠著力破壞后，隨著荷載向自由端發(fā)展，鋼筋與混凝土發(fā)生相對位移，由于混凝土強度會隨摻入粉煤灰的摻入有一定程度的降低，使混凝土對鋼筋的握裹力減小，試件破壞時其極限粘結強度降低。

鋼筋粉煤灰混凝土的極限粘結強度對應的自由端滑移量基本相同，均比未摻粉煤灰試件的自由端滑移量小。粉煤灰摻量為0%、10%、20%和30%的試件在曲線滑移階段較為接近，而粉煤灰摻量為40%的試件的粘結剛度稍有減小，與文獻[17]未凍融條件粉煤灰混凝土與鋼筋的粘結規(guī)律相近。粉煤灰摻入量為10%和20%時，粘結強度在下降段的下降速度較快，在試件承載力達到極限后就會發(fā)生破壞，進入殘余階段，原因在于少量摻入粉煤灰起到改善混凝土內部結構的作用有限，且會降低混凝土基體強度，試件的粘結力在荷載向自由端發(fā)展時會產

生應力集中，鋼筋應變增加，鋼筋與混凝土間的相對位移增加，應力集中區(qū)段的粘結作用減弱，鋼筋與混凝土在錨固段內粘結能力下降速度加快，提前殘余階段；當粉煤灰摻量為30%和40%時，粘結強度在下降段和殘余段的下降趨勢與未摻粉煤灰試件相似，在試件承載能力達到極限后仍能有較高的承載力，破壞后粘結錨固能力較好，不至于出現脆性破壞。

在未摻粉煤灰的試件中，如圖5(a)，其局部粘結應力主要分布在錨固段中部，其粘結應力集中位置并沒有隨著粘結應力的增大而改變位置，說明對于此試件來說，5d的錨固長度滿足錨固要求；在粉煤灰摻入量為10%的試件中，如圖5(b)，由于摻入少量粉煤灰起到能夠使混凝土內部結構變得致密均勻的作用有限，且使基體強度下降，粘結剛度降低，粘結應力峰值位置向自由端移動到區(qū)段4內，并且拉拔荷載越大，粘結應力分布越不均勻；粘結應力集中區(qū)域隨著粉煤灰摻量的增加逐漸由自由端向加載端移動，當粉煤灰摻量為20%~30%時，如圖5(c)、(d)，粘結應力在錨固長度內均勻分布，主要分布于區(qū)段2、3內，即粉煤灰的適量摻入有利于拉拔荷載在錨固段內均勻傳遞以及混凝土與鋼筋間粘結應力的均勻分布，對試件的內部均勻受力起到一定的增強作用；當粉煤灰摻入量為40%時，如圖5(e)，應力分布曲線波峰前移到區(qū)段1，粘結應力在區(qū)段2、3、4內緩慢下降，且保持較高的粘結強度，為鋼筋與混凝土間的粘結強度達到極限后提供一定粘結強度儲備，在極限粘結強度破壞后能夠繼續(xù)承擔一定的荷載。

圖5　不同粉煤灰摻量下試件的粘結錨固關系曲線Fig.5　The curve of bonding-anchoring withdifferent content of fly

3.2　凍融環(huán)境下鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結性能

圖6　凍融環(huán)境下試件的粘結強度滑移曲線Fig.6　The curve of bonding strength-slip after

綜合上述結果可以得出，摻入40%粉煤灰對于混凝土試件在凍融環(huán)境下的粘結性能有一定的增強作用，在試件破壞后能保持較好的粘結性能。

3.2.2凍融循環(huán)對鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結性能的影響對凍融后的鋼筋粉煤灰混凝土試件直接拔出試驗所得試驗數據進行整理，繪制不同粉煤灰摻量混凝土試件的混凝土立方體抗壓強度、試件的極限粘結強度和極限粘結強度對應滑移量在凍融環(huán)境中的變化曲線。

由圖7可知，混凝土抗壓強度隨著凍融次數增多逐漸下降。當凍融循環(huán)超過50次時，下降幅度明顯增大，粉煤灰摻量為0%的混凝土試塊從凍融50~100次，其抗壓強度下降了37.66%，而粉煤灰摻量為40%的混凝土試塊的抗壓強度則下降幅度較為平緩，降低了26.16%，大量摻入粉煤灰使得混凝土抗壓強度的下降幅度得到一定緩解，且在經歷凍融循環(huán)之后，粉煤灰摻量為40%的混凝土立方體抗壓強度要比粉煤灰摻量為20%的混凝土試塊的強度高。凍融次數為100次時，粉煤灰摻量為40%的粉煤灰混凝土試塊的抗壓強度與未摻粉煤灰的混凝土試塊相差不大，均接近于25 MPa。

圖7　凍融環(huán)境下粉煤灰混凝土抗壓強度Fig.7　Compressive strength of fly ash concrete after

圖8　凍融循環(huán)作用下鋼筋粉煤灰混凝土間粘結性能曲線Fig.8　The curve of bonding performance between steel and fly ash concrete after freeze-thaw cycle

由圖8(a)可見，隨著凍融循環(huán)次數的增多，試件破壞時的極限粘結強度逐漸減小，未摻粉煤灰的試件凍融循環(huán)100次時，試件的極限粘結強度比未凍融試件降低8.29 MPa，降幅達47.24%，粉煤灰摻量為20%的試件的極限粘結強度下降趨勢與普通混凝土較為接近，下降幅度達到49.13%；而粉煤灰摻量40%的試件，凍融循環(huán)100次時，試件破壞時其極限粘結強度與未凍融的試件相比，僅下降3.46 MPa，降幅為24.80%。經歷凍融試驗后，粉煤灰摻量為40%的試件其極限粘結強度要比普通混凝土和粉煤灰摻量為20%的試件的強度高，凍融100次時，粉煤灰摻量為40%的試件比普通混凝土試件的極限粘結強度高1.23 MPa，且在凍融環(huán)境下，其極限粘結強度下降趨勢最為平緩。混凝土中摻入40%粉煤灰可以起到密實混凝土、改善內部孔結構，減小基體中自由水的滲透的作用，從而提高試件的抗凍性，有利于提高試件在凍融環(huán)境下的粘結性能。

圖8(b)為凍融循環(huán)作用下試件的極限粘結強度對應的鋼筋自由端滑移量。對于粉煤灰摻量為0%和20%的試件，滑移量隨凍融次數的增大而減小，分別減小了1.13、0.62 mm；當粉煤灰摻量為40%時，試件最大拉拔荷載對應的滑移量則是隨凍融損傷的加劇而增大的，且增加幅度較大。凍融次數為100次時，不摻粉煤灰的滑移量較未凍融試件下降了65.32%，粉煤灰摻量為20%時，下降了55.36%，而粉煤灰摻量為40%的試件反而上升了73.11%。

圖9　凍融環(huán)境下粉煤灰混凝土試件鋼筋應變錨固關系Fig.9　The curve of steel bar strain-anchoring after

未凍融的試件，如圖5(e)，其粘結應力曲線的峰值位于區(qū)段1內；當凍融次數較少時，如圖9(a)、(b)，鋼筋錨固長度內的粘結應力分布較為均勻，說明試件受凍融循環(huán)作用后，混凝土內部受到凍融損傷，混凝土與鋼筋粘結剛度稍有減小，有利于鋼筋粘結應力向自由端傳遞，使粘結應力在錨固段內均勻分布；隨著凍融次數的增加，如圖9(c)、(d)，粘結應力的峰值逐漸且緩慢的向加載端區(qū)段1內移動，且拉拔荷載越大，粘結應力分布不均勻現象越明顯，原因在于凍融循環(huán)使混凝土孔隙結構損傷加劇，試件所能承受的粘結強度降低，當荷載增加時，加載端鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結作用易破壞，而在區(qū)段2、3、4內仍能保持較高的粘結強度，所以,在加載端鋼筋的應變差較大，在加載端出現了粘結應力峰值。由此可以推斷，當鋼筋粉煤灰混凝土試件由于凍融循環(huán)而產生粘結強度破壞時，錨固段自由端可以繼續(xù)提供一定的粘結強度。

4結論

通過對鋼筋粉煤灰混凝土試件在凍融循環(huán)作用后的直接拔出試驗，得出凍融作用和粉煤灰摻量對鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能的影響，主要結論如下：

1)摻入適量粉煤灰能夠降低鋼筋與混凝土間的粘結剛度，有利于粘結應力在鋼筋錨固段均勻傳遞；試件中粉煤灰摻量越大，粘結強度粘結應力峰值越小。

2)凍融循環(huán)作用次數越多，混凝土立方體抗壓強度、粘結應力峰值越小，但隨粉煤灰摻量的增加，試件粘結性能的凍融損傷有所緩解，相較于普通混凝土試件表現出一定的抗凍性。

3)凍融環(huán)境下，大量摻入粉煤灰，鋼筋混凝土間極限粘結強度下降趨于平緩，且降幅減小，有利于鋼筋與混凝土間的粘結性能，且隨著凍融循環(huán)次數的增加，鋼筋混凝土間極限粘結強度對應的鋼筋自由端位滑移量逐漸增大，在試件破壞之后表現出比普通混凝土更好的粘結性能。

參考文獻：

[1] 汪瀟, 王宇斌, 楊留栓, 等. 高性能大摻量粉煤灰混凝土研究[J]. 硅酸鹽通報, 2013, 32(3): 523-527.

Wang X, Wang Y B, Yang L S, et al. High-performance high-volume fly ash concrete [J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2013, 32(3): 523-527. (in Chinese)

[2] 李伯瀟, 牛建剛, 冉祥富. 鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結性能研究[J]. 廣西大學學報 2014, 39(4): 724-731.

Li B X, Niu J G, Ran X F. Research on bonding properties of fly ash reinforced concrete [J]. Journal of Guangxi University, 2014, 39(4): 724-731. (in Chinese)

[3] Sarker P K, Mcbeath S. Fire endurance of steel reinforced fly ash geopolymer concrete elements [J]. Construction and Building Materials, 2015, 90: 91-98.

[4] Dinakar P, Babu K G, Santhanam M. Durability properties of high volume fly ash self compacting concrete [J]. Cement and Concrete Composites, 2008, 30(10): 880-886.

[5] 趙羽習. 鋼筋混凝土粘結性能和耐久性的研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2001.

Wang Y T, Jiang F X, Zhao T J, et al. Bond properties of CFRP-high performance concrete subjected to freeze-thaw cycles [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2015, 37(2): 85-91. (in Chinese)

[7] 徐港, 李運攀, 潘琪, 等. 鹽凍環(huán)境下鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2014, 36(3): 86-91.

Xu G, Li Y P, Pan Q, et al. Experimental analysis on flexural performance of reinforced concrete beam in salt-frost environment [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2014, 36(3): 86-91. (in Chinese)

[8] 張燕. 凍融循環(huán)和氯鹽腐蝕作用下鋼筋與混凝土粘結錨固性能的試驗研究[D]. 揚州: 揚州大學, 2007.

[9] Hanjari K Z, Utgenannt P, Lundgren K. Experimental study of the material and bond properties of frost-damaged concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2011, 41(3): 244-254.

[10] 冀曉東, 宋玉普. 凍融循環(huán)后光圓鋼筋與混凝土粘結性能退化機理研究[J]. 建筑結構學報, 2011, 32(1): 70-74.

Jiao X D, Song Y P. Mechanism of bond degradation between concrete and plain steel bar after freezing and thawing [J]. Journal of Building Structures, 2011, 32(1): 70-74.

[11] Khalaf J, Huang Z H, Fan M Z. Analysis of bond-slip between concrete and steel bar in fire [J]. Computers & Structures, 2016, 162: 1-15.

[12] Diab A M, Elyamany H E, Hussein M A, et al. Bond behavior and assessment of design ultimate bond stress of normal and high strength concrete [J]. Alexandria Engineering Journal, 2014, 53(2): 355-371.

[13] Al-Mahmoud F, Mechling J M, Shaban M. Bond strength of different strengthening systems -concrete elements under freeze-thaw cycles and salt water immersion exposure [J]. Construction and Building Materials, 2014, 70: 399-409.

[14] Gambarova P G, Rosati G. Bonding and splitting in reinforced concrete: test results on bar pull-out [J]. Materials and Structures, 1996, 29(189): 267-276.

[15] Arezoumandi M, Wolfe M H, Volz J S. A comparative study of the bond strength of reinforcing steel in high-volume fly ash concrete and conventional concrete [J]. Construction and Building Materials, 2013,40: 919-924.

[16] Costel A, Foster S J . Bond strength between blended slag and Class F fly ash geopolymer concrete with steel reinforcement [J]. Cement and Concrete Research, 2015, 72: 48-53.

[17] 胡曉鵬, 牛荻濤, 張永利. 粉煤灰混凝土黏結性能試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2013, 34(1):139-146.

Hu X P, Niu D T, Zhang Y L. Experimental research on bonding performance of reinforcement and fly ash concrete [J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(1): 139-146. (in Chinese)

(編輯郭飛)

Author brief：Niu Jiangang(1976-), professor, PhD, main research interest:durability of concrete & building reliability,(E-mail) niujiangang@imust.edu.cn.

Bonding properties between reinforcement and fly ash concrete under freeze-thaw cycle

Niu Jiangang1，Hao Ji1，Li Boxiao2

( 1. School of Architecture and Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and

Technology,Baotou 014010, P. R. China;2. Department of Civil Engineering, Qingdao Technological

University Qindao College, Qingdao 266106, P. R. China)

Abstract:The effect of freeze-thaw cycle to the bonding performance between steel bar and fly ash concrete was analysed through pull-out test to steel bars attached strain gages inside. The results of pull-out test under different number of freeze-thaw cycle show that the bonding strength between steel bar and concrete decrease as the content of fly ash increasing; when the content of fly ash stay the same, with the number of freeze-thaw cycle increasing, the concrete compressive strength decline, and the bonding strength decrease; as the fly ash replacement rate stay 40%, with the number of freeze-thaw cycle increasing, the ultimate bonding strength decreased speed reduce, and the free end displacement corresponding to the ultimate bonding strength increase, which shows that mixed with a large number of fly ash can remit the freeze-thaw damage phenomenon, the bonding performance of reinforced concrete specimens under freeze-thaw environment is improved.

Key words:freeze-thaw cycle; fly ash concrete; pull-out test; bonding strength; bonding stress distributing

作者簡介：牛建剛(1976-)，男，教授，博士，主要從事混凝土耐久性及建筑可靠度研究，(E-mail) niujiangang@imust.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(51368042)

收稿日期：2015-07-30

中圖分類號：TU375

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2015)06-0007-08

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.002