低溫下鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能分析

摘 要：本文研究了不同強度等級的混凝土與螺紋和光圓兩種鋼筋在經(jīng)受低溫循環(huán)作用后的粘結(jié)性能，試驗結(jié)果表明，低溫循環(huán)作用會顯著降低鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能，光圓鋼筋和螺紋鋼筋被拔出時混凝土的破壞形態(tài)不同；隨著混凝土相對動彈性模量的降低，鋼筋被拔出的峰值荷載迅速下降，相同荷載下的滑移值增大；混凝土的相對動彈性模量相同時，螺紋鋼筋與混凝土間脫粘的峰值荷載約為光圓鋼筋的3倍。

關(guān)鍵詞：低溫循環(huán)；鋼筋混凝土；粘結(jié)性能

鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用是二者共同工作的基本前提。它是一種復(fù)雜的相互作用，所受的影響因素眾多，加之試驗技術(shù)方面相對滯后，使得目前有些基本問題還未得到很好的解決，一套充分完整的粘結(jié)性能理論還有待建立。從我國東北地區(qū)來看，混凝土結(jié)構(gòu)破壞的一個主要原因是受到低溫循環(huán)作用。低溫循環(huán)作用不但會使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞、強度明顯降低，還會對混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能產(chǎn)生影響，國內(nèi)外有關(guān)混凝土低溫破壞、銹蝕鋼筋等的單項研究很多，但對于低溫作用下鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的研究報道很少。因此，本文針對低溫循環(huán)作用后，不同強度等級混凝土與鋼筋間的粘結(jié)性能開展試驗研究，為寒冷地區(qū)鋼筋混凝土工程結(jié)構(gòu)的耐久性能設(shè)計以及結(jié)構(gòu)服役過程中的可靠度評估分析提供理論參考。

一、低溫下混凝土的變形

混凝土降溫的過程中，在剛降到℃以下時，其中的部分水會結(jié)冰，混凝土輕微膨脹。在這之后隨溫度的降低而收縮，溫度到-30～-60℃時，體積隨溫度的降低而膨脹的，此后一直到-196℃體積都在收縮?；販貢r的變形曲線與升溫時基本平行（-50～-20℃時收縮，與降溫時稍有不同）。筆者在研究中也得出了近似的結(jié)論，但所不同的是，筆者認為在-25～-70℃時混凝土是膨脹的，并且對比了波特蘭水泥與高爐礦渣水泥在低溫下的變形性能，得出波特蘭水泥在-25～-70℃時的膨脹率更小的結(jié)論。低溫下混凝土的抗壓強度隨著含水率的提高而增大，若混凝土中水分處于飽和狀態(tài)，則抗壓強度提高達80%～150%，劈裂強度提高60%～70%，而在干燥狀態(tài)下即使降溫也不會使混凝土的強度提高。因此這里根據(jù)函數(shù)曲線可以看出：在已知混凝土常溫狀態(tài)下的強度和含水率的情況下可以計算在低溫下的強度。

二、低溫對粘結(jié)性能的影響

低溫循環(huán)對混凝土的性能有重大的影響，低溫下混凝土強度和彈性模量都會調(diào)高，從而使得結(jié)構(gòu)更加偏于安全。但在低溫循環(huán)下，混凝土性能將急劇下降，對結(jié)構(gòu)極為不利。尤其第一次低溫循環(huán)下，混凝土強度降低最大，而此時結(jié)構(gòu)往往不會引起足夠重視，因此對其應(yīng)該予以研究。研究表明混凝土殘余應(yīng)變隨著低溫次數(shù)的增多而不斷增大，在-20℃時其殘余應(yīng)變基本不隨低溫次數(shù)而變化，在-30℃時其變化很小，在-50℃之后其變化基本恒定，隨著低溫循環(huán)次數(shù)的增多，每次殘余應(yīng)變的增量會減小，可以推測在10次低溫循環(huán)之后其殘余應(yīng)變將會很少降低。彈性模量與抗壓強度有幾乎相同的傾向，在水灰比小的情況下，30次循環(huán)左右就顯著下降。在-50℃時，彈性模量下降最快，經(jīng)過一次低溫循環(huán)后下降20%左右，其它溫度下的下降速度要比-50℃時慢。高含水率使得低溫下混凝土的彈性模量和強度都大幅度提高，但回溫后彈性模量下降得也最快，說明高含水率對低溫循環(huán)是極為不利的；空氣的含量也會影響彈性模量，試驗表明混凝土中空氣含量越高，對低溫循環(huán)的破壞抵抗性越強，彈性模量降低得越小。而水灰比的提高有利于低溫下混凝土強度和彈性模量的提高，但在低溫循環(huán)時混凝土的彈性模量會迅速降低。低溫循環(huán)后的混凝土強度是降低的，此時是對結(jié)構(gòu)最不利的，對它的研究是很有必要的。對于飽和狀態(tài)的硅酸鹽水泥混凝土試塊，經(jīng)過12次低溫循環(huán)，其抗壓強度在最低溫度為-30、-70、-170℃時分別降低50%、60%和55%，抗拉強度則分別降低60%、70%和70%。

三、低溫下混凝土與鋼筋粘結(jié)性能分析

隨著混凝土強度提高，試件極限荷載值也增大但不成比例。鋼筋粘結(jié)錨固性能試驗中大致分為三個階段：微滑移、滑移和劈裂。第一階段拉拔力很小，主要是化學(xué)粘結(jié)力起作用，自由端無滑移；第二階段化學(xué)粘結(jié)力破壞，自由端開始滑移，摩擦力和機械咬合力起作用；第三階段是在臨近破壞時，咬合力的橫向分力使試件劈裂?；炷翉姸仍礁?，三段式越明顯，強度越低，曲線越圓滑，分段越不明顯。根據(jù)鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的機理知道，粘結(jié)強度，對于變形鋼筋，是與混凝土的抗拉強度有必然聯(lián)系的。從上面的研究中可以看出在混凝土的強度（包括抗拉、抗壓）隨著混凝土溫度的降低是提高的，尤其是在高含水量的情況下，因此可以推測在低溫下混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能會有所提高。比較潮濕和干燥狀態(tài)下的粘結(jié)強度，證明在潮濕狀態(tài)下混凝土的粘結(jié)強度高于干燥狀態(tài)下的強度，這也同樣驗證了上面的推測。但是，從同一種混凝土在不同溫度下粘結(jié)強度的對比來看，粘結(jié)強度并沒有隨著溫度的降低而提高。同時從表中可以看到，隨著粘結(jié)長度的增加，鋼筋與混凝±之間的粘結(jié)破壞荷載增大，但粘結(jié)應(yīng)力是減小的，這與常溫下混凝±與鋼筋的粘結(jié)性能是一致的。隨著箍筋數(shù)量的增多，鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度是有明顯提高的，這一點與帶肋鋼筋粘結(jié)機理是一致的，即箍筋的加入使混凝土處于三向受力狀態(tài)，抗拉強度得到提高，從而使粘結(jié)強度提高。試驗得出鋼筋直徑越大，極限荷載值越大，但平均粘結(jié)應(yīng)力越小。

四、結(jié)束語

混凝土強度在低溫下會提高，但并不是隨溫度線性變化，抗壓強度在某一溫度達到其最高點，從已有文獻資料中可以看出該點在-100℃左右；混凝土的彈性模量也有相似的趨勢。含水率對混凝土低溫下的強度影響很大，混凝土含水率高則強度提高得多，干燥狀態(tài)下混凝土強度基本不提高，但含水率越高在低溫循環(huán)時對混凝土的破壞也越大。低溫循環(huán)時，混凝土強度和彈性模量均會降低。

參考文獻：

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