鋼筋與砌塊專用砌筑砂漿的黏結(jié)錨固性能試驗研究

陳　萌，馬婷婷，張豪劍，劉樂慶

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州　450002)

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鋼筋與砌塊專用砌筑砂漿的黏結(jié)錨固性能試驗研究

陳萌，馬婷婷，張豪劍，劉樂慶

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450002)

摘要:通過36根鋼筋在蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體專用砌筑砂漿中的拉拔試驗，劃分了構(gòu)件拉拔荷載與滑移曲線的5個受力階段;給出了鋼筋未屈服拔出和鋼筋屈服拔出兩種破壞形態(tài)，并分析了豎向正應(yīng)力、砂漿強度等級和鋼筋錨固長度等因素對拉結(jié)鋼筋黏結(jié)錨固性能的影響;通過6根預(yù)貼電阻應(yīng)變片的鋼筋拉拔試驗，量測構(gòu)件的鋼筋應(yīng)變，計算極限荷載下沿錨固長度的平均黏結(jié)應(yīng)力，分別給出專用砌筑砂漿強度等級為Mb5和Mb10的鋼筋界限錨固長度。

關(guān)鍵詞:拉拔試驗專用砌筑砂漿豎向正應(yīng)力錨固長度

蒸壓加氣混凝土砌塊作為一種工程技術(shù)人員普遍接受的墻體材料，廣泛應(yīng)用于房屋建筑和鐵路工程中。近年來，為了推動綠色建筑與節(jié)能建筑的發(fā)展，蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體越來越受到人們的關(guān)注，它采用蒸壓加氣混凝土砌塊和配套專用砂漿，使墻體的傳熱阻能夠滿足綠色建筑和節(jié)能建筑的要求。其保溫層和結(jié)構(gòu)層合為一體，不必擔(dān)心保溫層的使用壽命，且造價低，裝飾性強，較適用于多、高層住宅和公共建筑。目前，已建有蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體的科研項目試點工程，且出臺了相關(guān)地方性標(biāo)準(zhǔn)和圖集，成為當(dāng)前墻體發(fā)展新趨勢［1-4］。

為達到節(jié)能建筑的要求，蒸壓加氣混凝土砌塊采用砌塊專用砌筑砂漿，它不同于普通砌筑砂漿，具有較高的黏結(jié)性能、抗裂性能和(或)一定的保溫隔熱性能。自保溫墻體在工程應(yīng)用中，其與混凝土柱交接面鋼筋的錨固是亟待解決的技術(shù)難點之一，因此，本文擬對鋼筋與砌塊專用砌筑砂漿的黏結(jié)錨固性能展開試驗研究。通過36根鋼筋在蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體水平灰縫中的拉拔試驗，劃分拉拔荷載與滑移曲線的不同工作階段，分析鋼筋的錨固影響因素和錨固破壞形態(tài)，并求得鋼筋在專用砌筑砂漿中的臨界錨固長度，為自保溫墻體的應(yīng)用提供理論依據(jù)［5-7］。

1　試驗方案設(shè)計

參考國內(nèi)外已有的試驗資料，共設(shè)計了9組36個構(gòu)件，考慮了豎向正應(yīng)力、專用砌筑砂漿強度等級和鋼筋錨固長度三種變化因素;在預(yù)貼電阻應(yīng)變片的6個拉拔構(gòu)件中，分析鋼筋黏結(jié)應(yīng)力在拉拔各個受力階段的變化情況，給出鋼筋在砌塊專用砌筑砂漿中的臨界錨固長度［8］。

1. 1構(gòu)件設(shè)計及制作

試驗構(gòu)件中，豎向正應(yīng)力取為0，0. 2，0. 4 MPa;專用砌筑砂漿強度等級取為Mb5和Mb10;并取鋼筋錨固長度為300，400，500 mm。

構(gòu)件拉結(jié)鋼筋為φ6 HPB300級鋼筋，鋼筋的屈服強度為341. 8 MPa，極限強度為589. 4 MPa。Mb5強度等級的專用砌筑砂漿抗壓強度為5. 2 MPa，劈裂抗拉強度為0. 817 MPa; Mb10強度等級的專用砌筑砂漿抗壓強度為11. 2 MPa，劈裂抗拉強度為1. 010 MPa。

砌塊尺寸分別為600 mm×300 mm×200 mm和300 mm×300 mm×200 mm。水平灰縫及豎向灰縫的厚度均為15 mm。構(gòu)件尺寸為600 mm×300 mm×630 mm，如圖1所示。設(shè)計構(gòu)件如表1所示，帶*的6個構(gòu)件表面預(yù)貼電阻應(yīng)變片。應(yīng)變片的布置如圖2所示。

圖1試驗構(gòu)件

表1試驗構(gòu)件及試驗結(jié)果

圖2錨固長度400 mm的鋼筋應(yīng)變片布置

1. 2試驗加載及測量

試驗采用的儀器為小型荷載傳感器、千斤頂、BLR-1液壓荷載傳感器、拉拔儀、100 mm位移傳感器和TST3822靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等，試驗加載裝置如圖3所示。構(gòu)件上設(shè)置千斤頂和荷載傳感器以控制豎向正應(yīng)力大小;用拉拔儀和BLR-1液壓荷載傳感器對構(gòu)件進行分級加載;分別在加載端和自由端安裝100 mm位移傳感器測量加載端相對滑移sl和自由端相對滑移sf。鋼筋應(yīng)變、鋼筋加載端及自由端的相對滑移由TST3822靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)。

圖3試驗加載裝置

2　試驗結(jié)果

36根鋼筋在專用砌筑砂漿水平灰縫中的拉拔試驗結(jié)果如表1所示。表中給出了各個構(gòu)件的拉拔極限荷載Fu及構(gòu)件加載端和自由端的相對滑移值sl和sf。

3　荷載滑移曲線分析

圖4為構(gòu)件A6-1的拉拔荷載與滑移曲線，滑移s = ( sf+ sl) /2。

圖4構(gòu)件A6-1的荷載滑移曲線

由圖4可知:鋼筋在專用砌筑砂漿中的受力可分為以下5個階段:

1)加載初期微小滑移段:加載的初始階段，在加載端可以量測到砂漿與鋼筋的相對變形，膠結(jié)滑移逐漸向內(nèi)滲透，自由端滑移尚未發(fā)生。在加載至極限荷載的20%之前，拉拔荷載與滑移曲線處于彈性階段。

2)滑移段:加載至極限拉拔荷載20%左右，自由端發(fā)生滑移。荷載與滑移穩(wěn)定增長，開始呈現(xiàn)非線性狀態(tài)。拉拔鋼筋周圍砂漿中內(nèi)部斜裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，使得滑移比拉拔荷載增長要快。

3)劈裂段:當(dāng)拉拔荷載達到80%極限荷載時，在荷載稍微增加的情況下，滑移出現(xiàn)較大的增長，呈現(xiàn)明顯的非線性狀態(tài)，砂漿中內(nèi)部斜裂縫沿錨固長度充分發(fā)展，滑移的增長加速形成了拉拔荷載與滑移曲線的明顯轉(zhuǎn)折。

4)下降段:達到極限荷載后，拉拔荷載迅速下降，滑移大幅增長，砂漿在極限荷載作用下發(fā)生突然的脆性破壞，強度陡降。

5)殘余段:當(dāng)鋼筋的滑移達到10 mm時，荷載不再下降，而是保持穩(wěn)定的殘余荷載(約40%極限荷載)，直到鋼筋從砂漿中拔出。

4構(gòu)件破壞形態(tài)及錨固影響因素

4. 1構(gòu)件破壞形態(tài)

試驗構(gòu)件均發(fā)生黏結(jié)錨固破壞，出現(xiàn)了鋼筋未屈服拔出和鋼筋屈服拔出兩種破壞形態(tài)，如圖5和圖6所示。

注:錨固長度300 mm，正應(yīng)力0. 2 MPa，Mb5砂漿。圖5構(gòu)件A5-1未屈服拔出破壞

圖5表明，鋼筋沒有達到屈服強度時即發(fā)生拔出破壞。未達到屈服強度即破壞的主要原因是因為鋼筋的錨固長度較小，砌筑砂漿強度較低，此時，對應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力尚未達到鋼筋的屈服強度，即在鋼筋沒有充分發(fā)揮作用時就被拔出。

圖6表明，鋼筋達到屈服強度后發(fā)生拔出破壞。這是最理想的破壞形態(tài)，即鋼筋在達到屈服強度之后尚未達到極限強度之前，黏結(jié)應(yīng)力達到其極限強度，鋼筋被拔出破壞。這種情況下，既能保證鋼筋的強度充分發(fā)揮，又能保證鋼筋的黏結(jié)充分發(fā)揮作用。

4. 2錨固影響因素

4. 2. 1豎向正應(yīng)力

試驗構(gòu)件豎向正應(yīng)力選取為0，0. 2，0. 4 MPa。由試驗結(jié)果可知，隨著豎向正應(yīng)力的增大，灰縫砂漿與鋼筋的極限黏結(jié)強度逐漸提高。但當(dāng)豎向正應(yīng)力超過某一數(shù)值時，極限黏結(jié)強度的增加作用不明顯。

4. 2. 2砂漿劈裂抗拉強度

光圓鋼筋的黏結(jié)強度和砂漿的劈裂抗拉強度有關(guān)。試驗構(gòu)件的砂漿劈裂抗拉強度變化范圍為0. 817 ～1. 550 MPa。由試驗結(jié)果可知:黏結(jié)強度與專用砂漿的劈裂抗拉強度呈對數(shù)曲線分布，當(dāng)砂漿劈裂抗拉強度＜1. 50 MPa時，黏結(jié)強度增長較快;當(dāng)砂漿劈裂抗拉強度≥1. 50 MPa時，黏結(jié)強度增長速率變緩，逐漸趨于穩(wěn)定［9］。

基于試驗數(shù)據(jù)，回歸得出極限黏結(jié)強度隨專用砂漿劈裂抗拉強度變化的計算公式

式中:τu為鋼筋與專用砌筑砂漿的極限黏結(jié)強度，MPa; fmt為專用砌筑砂漿的劈裂抗拉強度，MPa。

4. 2. 3錨固長度

試驗構(gòu)件的相對錨固長度la/d(錨固長度la與鋼筋直徑d的比值)變化范圍為14～83. 3。隨著相對錨固長度的增大，構(gòu)件極限黏結(jié)強度隨之減小。相對錨固長度從14變化到50時，極限黏結(jié)強度下降速率較快，超過50以后，黏結(jié)強度變化逐漸趨于穩(wěn)定。

5黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長度的分布

黏結(jié)應(yīng)力不能由試驗直接測定。在構(gòu)件A1-1，A1-2，A4-1，A4-2，A8-1和A8-2鋼筋表面粘貼電阻應(yīng)變片，實測各測點的鋼筋應(yīng)變，再計算求出各測點間的平均黏結(jié)應(yīng)力。

在任何一級拉拔荷載作用下，沿錨固長度上任一點的黏結(jié)應(yīng)力與相應(yīng)鋼筋應(yīng)變的變化率成正比關(guān)系。因此，實測沿錨固長度的鋼筋應(yīng)變ε( x)，由式( 2)求出各測點間的平均黏結(jié)應(yīng)力。式中:τi為各測點間的平均黏結(jié)應(yīng)力; Es為鋼筋彈性模量; As為鋼筋面積; d為鋼筋直徑;Δεs為鋼筋應(yīng)變差;Δxi為相鄰應(yīng)變片的測點間距;εj，εj + 1分別為第j，j +1點的鋼筋應(yīng)變; Pj，Pj + 1分別為第j，j + 1點的鋼筋拉力。

圖7和圖8分別給出了構(gòu)件A4-1和A8-1的平均黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長度分布曲線。由圖可知:在錨固長度范圍內(nèi)，黏結(jié)應(yīng)力經(jīng)歷了從0逐漸增大至峰值，再逐漸減小至0的過程，最大應(yīng)力出現(xiàn)在偏加載端附近。當(dāng)拉拔荷載＜3 kN時，黏結(jié)應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在距加載端25 mm處;此后至破壞荷載，黏結(jié)應(yīng)力峰值向自由端移動，出現(xiàn)在距加載端100 mm處;隨著拉拔荷載的增大，應(yīng)力圖形漸趨豐滿，應(yīng)力面積增大，應(yīng)力峰值也逐漸增大。

圖7 A4-1的平均黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長度分布曲線

圖8 A8-1的平均黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長度分布曲線

對專用砂漿強度等級為Mb5的試驗構(gòu)件( A1-1，A1-2，A4-1和A4-2)和砂漿強度等級為Mb10的試驗構(gòu)件( A8-1和A8-2)，由各自的平均黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長度的分布曲線，求出極限荷載下錨固破壞時沿錨固長度變化的平均黏結(jié)應(yīng)力τ—。經(jīng)計算，砂漿強度等級為Mb5的平均黏結(jié)應(yīng)力為0. 95 MPa，砂漿強度等級為Mb10的平均黏結(jié)應(yīng)力為1. 22 MPa。分別代入界限錨固長度計算公式

式中: lcar為界限錨固長度; Fy為鋼筋的屈服荷載，實測為9 659 kN; d為鋼筋的直徑。

由公式( 3)計算求得砂漿強度等級為Mb5的界限錨固長度為540 mm，砂漿強度等級為Mb10的界限錨固長度為420 mm［10］。

6　結(jié)論

1)通過36根鋼筋在蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體專用砌筑砂漿中的拉拔試驗，得出了構(gòu)件拉拔荷載與滑移曲線的5個不同工作階段:微小滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和殘余段。

2)試驗構(gòu)件均發(fā)生黏結(jié)錨固破壞，出現(xiàn)了鋼筋未屈服拔出和鋼筋屈服拔出兩種破壞形態(tài);給出了豎向正應(yīng)力、砂漿強度等級和鋼筋錨固長度等因素對拉結(jié)鋼筋黏結(jié)錨固性能的影響規(guī)律。

3)通過6根預(yù)貼電阻應(yīng)變片的鋼筋拉拔試驗，量測錨固長度范圍的鋼筋應(yīng)變，給出鋼筋與專用砌筑砂漿黏結(jié)應(yīng)力的分布曲線。

4)通過極限荷載下沿錨固長度的平均黏結(jié)應(yīng)力，分別給出砂漿強度等級為Mb5和Mb10的鋼筋界限錨固長度。

參考文獻

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(責(zé)任審編周彥彥)

Experimental research on bonding-anchoring behaviour between special masonry mortar and steel bar for concrete block

CHEN Meng，MA Tingting，ZHANG Haojian，LIU Leqing

( School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450002，China)

Abstract:T he paper carried out pullout tests on 36 steel bars in special masonry mortar for walls of insulating layers and autoclaved aerated concrete blocks．By dividing the loading-displacement curve into five stages，it noticed two types of failure forms - namely pullout before the specimen yields and the other way around，and looked into the influence of stress at normal direction，mortar strength and anchorage length，etc．on the bonding-anchoring behaviour of the specimens．T he pullout tests on six steel bars with strain gauges attached beforehand helped measure any strain change and enabled the calculation of average adhesive stress along the anchorage length under loading limit．On this basis，the paper provided the length limits for M b5 and M b10 mortars．

Key words:Pullout test; Special masonry mortar; Stress at normal direction; Anchorage length

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0152-05

作者簡介:陳萌( 1969—)，女，教授，博士。

基金項目:河南省省級新型墻體材料專項基金項目(豫財建［2012］430號)

收稿日期:2015-08-03;修回日期: 2015-10-17

中圖分類號:TU375

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．36