側(cè)向拉力下光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土的粘結(jié)性能*

漢莫德　江　濤　吳智敏

(大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點實驗室　大連　116024)

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側(cè)向拉力下光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土的粘結(jié)性能*

漢莫德江濤吳智敏

(大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點實驗室大連116024)

采用39個立方體拉拔試件進行了試驗，通過測定粘結(jié)強度、殘余粘結(jié)強度和極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量，研究了光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土在不同側(cè)向拉力下的粘結(jié)性能.結(jié)果表明，隨著側(cè)向拉力的增加，相對粘結(jié)強度和殘余粘結(jié)強度降低，而極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量先增大后保持不變.

自密實輕骨料混凝土；光圓鋼筋；粘結(jié)滑移；側(cè)向拉力

0　引　　言

自密實輕骨料混凝土(SCLC)是一種結(jié)合了自密實混凝土和輕骨料混凝土優(yōu)良性能的新型混凝土，它能夠在配筋過于密集的部位自密實成型，從而節(jié)約勞動力，提高混凝土構(gòu)件的施工質(zhì)量，同時具有自重輕的優(yōu)點.配合比、工作性能，以及力學(xué)性能是目前研究自密實輕骨料混凝土的主要內(nèi)容[1]，但對鋼筋與自密實輕骨料混凝土的粘結(jié)性能研究較少.光圓鋼筋是最早應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的增強金屬，其粘結(jié)性能在早期得到廣泛研究.Abrams[2]在試驗中發(fā)現(xiàn)，光圓鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力取決于膠粘力和摩擦力，當(dāng)鋼筋與混凝土之間未產(chǎn)生相對滑移時，膠粘力發(fā)揮主要作用，而當(dāng)鋼筋與混凝土之間發(fā)生相對滑動后，膠粘力消失，鋼筋表面和混凝土之間的摩擦力起主要作用.Navaratnarajah[3]研究了變形鋼筋與普通混凝土在單軸側(cè)向拉力作用下的粘結(jié)性能.試驗結(jié)果顯示，變形鋼筋粘結(jié)強度隨著輔助鋼筋應(yīng)變值的增大而減小.Eibl等[4]通過縱向裂縫寬度研究了單軸側(cè)向拉力對變形鋼筋粘結(jié)強度的影響.研究表明，隨著縱向裂縫寬度的增大，粘結(jié)強度降低.Lindorf等[5]研究了反復(fù)荷載對側(cè)向拉力下變形鋼筋粘結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)縱向裂縫寬度一定時，隨著拉拔荷載循環(huán)次數(shù)的增多，粘結(jié)強度下降，且滑移量上升.Zhang等[6]對光圓鋼筋與普通混凝土在側(cè)向拉力作用下的粘結(jié)性能進行了研究.試驗中，通過電液伺服三軸試驗機施加側(cè)向拉力.結(jié)果表明，隨著側(cè)向拉力的增加，粘結(jié)強度降低，當(dāng)側(cè)向拉力為0.8ft時，粘結(jié)強度降低約54%，而對于滑移量，先增大后保持不變或減小.通過以上總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土在側(cè)向拉力作用下的粘結(jié)性能還未進行研究.因此，文中研究了側(cè)向拉力對光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土的粘結(jié)性能的影響，從而為自密實輕骨料混凝土應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)提供參考.

1　試驗概況

1.1試件制作

試驗采用的拉拔試件見圖1.其中，D為鋼筋直徑.在試件澆筑前，將鋼筋非粘結(jié)段用PVC管套住，并將套管與鋼筋之間的空隙封閉，以防止砂漿流入非粘結(jié)部分.澆筑試件時，混凝土無需振搗，可自密實成型.試件在24 h后拆模并送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室.28 d后，將試件放置試驗室直至進行試驗.

試驗采用800級頁巖陶粒作為粗骨料，天然河沙作為細骨料，頁巖陶粒的參數(shù)見表1.粉煤灰采用一級粉煤灰，水泥采用小野田水泥廠生產(chǎn)的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；減水劑采用Sica公司產(chǎn)生的高效復(fù)合減水劑HRWR 3301.水采用自來水.混凝土設(shè)計強度為C35, 其配合比見表2.鋼筋采用光圓鋼筋，鋼筋直徑為16 mm，屈服強度為310 MPa，彈性模量為210 GPa.

圖1　光圓鋼筋拉拔試件

1.2試驗裝置

表1　頁巖陶粒輕骨料的物理性能和級配

表2　自密實輕骨料混凝土的配合比　kg·m-3

本次試驗在電液伺服三軸試驗機上完成.該試驗機包含3個獨立的軸，1個豎向和2個水平方向.在本試驗中，水平軸施加側(cè)向拉力，而豎向軸施加拉拔力，見圖2.試驗采用量程為50 kN的荷載傳感器記錄拉拔力，在鋼筋的加載端和自由端上分別安裝2支量程為20 mm、精度為0.001 mm的LVDT以測量鋼筋與混凝土之間的相對滑移.試驗由IMC采集系統(tǒng)自動采集.在施加拉應(yīng)力前，用角磨機打磨試件截面直到露出骨料，然后用丙酮清理打磨后的表面，自然晾干后用JGN建筑結(jié)構(gòu)粘鋼膠將鋼板與處理后的表面粘結(jié)在一起，靜置24 h后進行試驗.在試驗中，水平加載端通過球鉸連接以保證施加側(cè)向應(yīng)力均勻分布， 試件表面粘結(jié)的鋼板與加載板通過8個M8.8的高強螺栓連接.在加載時，先施加側(cè)向拉力到預(yù)期值，再進行拉拔試驗.試驗采用位移控制，加載速率為0.01 mm/s.

圖2　試驗裝置示意圖

2　試驗結(jié)果及分析

2.1工作性能和基本力學(xué)性能

表3給出了新拌SCLC 的工作性能和28 d混凝土的基本力學(xué)參數(shù).為了保證SCLC具有良好的流動性、填充能力以及抗離析性能, 采用流動擴展度試驗，L形槽試驗、V形槽試驗、U形槽試驗以及篩分離析試驗對新拌自密實輕骨料混凝土進行評價.由表3可知，配制的SCLC具有良好的工作性能，能滿足歐洲自密實混凝土規(guī)范EFNARC對2級自密實混凝土工作性能的要求[11].為了進一步驗證輕骨料分布的均勻性，采用試件硬化后切開的截面圖觀察輕骨料分布情況，見圖3.可見，輕骨料沒有出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，分布均勻.

表3　自密實輕骨料混凝土的工作性能和力學(xué)性能

注：T500為混凝土直徑流到500 mm的時間；V-funnel為混凝土通過V形槽的時間；L-box為混凝土通過L形槽之后兩側(cè)高度的比值(h2/h1)；U-box為混凝土通過U形槽之后兩側(cè)高度的差值(Δh)；篩分為通過標(biāo)準(zhǔn)篩的水泥漿質(zhì)量(m1)和倒入標(biāo)準(zhǔn)篩混凝土質(zhì)量(m0)的比值(m1/m0).

圖3　試件截面輕骨料分布

2.2粘結(jié)滑移曲線

本試驗采用的側(cè)向拉應(yīng)力為, 其中為混凝土軸心抗拉強度，共計39個試件，試驗結(jié)果見表4.

在不同的側(cè)向拉力下，所有的試件均發(fā)生拔出破壞，混凝土沒發(fā)生任何破裂.為了分析粘結(jié)滑移曲線在側(cè)向拉力下的本構(gòu)關(guān)系，粘結(jié)應(yīng)力和相對滑移分別由式(1)、式(2)確定.

表4　側(cè)向拉力下SCLC試件的粘結(jié)參數(shù)

式中：F為拉拔力；D為鋼筋直徑；ld為粘結(jié)長度；s為相對滑移；sl為加載端滑移；sf為自由端滑移；l0為粘結(jié)區(qū)域頂端與LVDT固定處間的距離；Es為鋼筋彈性模量.對所測數(shù)據(jù)進行如上處理后，即得到粘結(jié)滑移曲線.

圖4為側(cè)向拉力下SCLC試件的粘結(jié)滑移曲線.由圖4可知，無論側(cè)向拉力是否施加，光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土的粘結(jié)滑移曲線可分為上升段，下降段和殘余段.粘結(jié)應(yīng)力首先隨著滑移的增加而增長直到極限粘結(jié)應(yīng)力，隨后粘結(jié)應(yīng)力緩慢減小至殘余粘結(jié)強度.在不同側(cè)向拉力作用下，粘結(jié)滑移曲線的上升段和下降段表現(xiàn)出不同的特征.光圓鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力主要由化學(xué)膠著力和混凝土收縮對鋼筋的約束作用承擔(dān).由于側(cè)向拉力會抵消部分混凝土收縮對鋼筋的約束作用，粘結(jié)界面的緊密性隨著側(cè)向拉力的增加而降低，因此粘結(jié)滑移曲線上升段和下降段的幅度隨著側(cè)向拉力的增加而變緩.

圖4　側(cè)向拉力下SCLC試件的粘結(jié)滑移曲線

2.3粘結(jié)強度τu

圖5　側(cè)向拉力下SCLC試件的

2.4極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量s0

圖6為在側(cè)向拉力作用下，各組試件滑移量s0與平均側(cè)向拉力pm的關(guān)系.由圖6可知，隨著平均側(cè)向拉力從0.05ft增大至0.4ft時，s0線性增大.而當(dāng)平均側(cè)向拉力繼續(xù)增大，s0沒有明顯的變化.這是因為隨著側(cè)拉力的增加，鋼筋受到外部混凝土的約束力被減弱，接觸緊密程度不斷地降低至消失.因此，當(dāng)鋼筋所受的約束力未消失時，s0隨著側(cè)向拉力的增加而增加.當(dāng)側(cè)向拉力持續(xù)增加而使該約束力消失時，鋼筋的粘結(jié)強度主要來自于混凝土界面處的化學(xué)附著力，繼續(xù)增大側(cè)向拉力對s0沒有很大的影響，所有可以認(rèn)為s0保持不變.

圖6　側(cè)向拉力下SCLC試件的s0

2.4殘余強度

當(dāng)荷載達到最大拉拔力之后，粘結(jié)應(yīng)力隨著滑移量的增加逐漸下降至一個穩(wěn)定值，即為殘余強度.從表4可見，與側(cè)向拉力對粘結(jié)強度τu的影響類似，殘余強度τr也隨著側(cè)向拉力增加而減小.為了便于分析，文中采用殘余強度和粘結(jié)強度的比值kr來分析殘余強度的變化.各組試件的kr與平均側(cè)向拉力的關(guān)系見圖7.由圖7可知，kr基本上隨著平均側(cè)向拉力的增加而增加.這是由于側(cè)向拉力對粘結(jié)強度的減弱程度大于殘余強度.

圖7　側(cè)向拉力下SCLC試件的kr

3　結(jié)　　論

1) 當(dāng)無側(cè)向拉力時，光圓鋼筋與自密實輕骨料混凝土的粘結(jié)強度取決于化學(xué)附著力和摩擦力；在側(cè)向拉力作用下，自密實輕骨料混凝土對光圓鋼筋的約束作用被消弱，從而對粘結(jié)參數(shù)產(chǎn)生了很大的影響.

2) 當(dāng)施加側(cè)向拉力時，隨著平均側(cè)向拉力的增加，粘結(jié)強度和殘余強度降低，并且粘結(jié)強度的降低程度大于殘余強度.

3) 當(dāng)施加的平均側(cè)向拉力較小時，極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量隨著平均側(cè)向拉力的增大而上升，而當(dāng)平均側(cè)向拉力增大到一定值之后，極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的滑移量保持不變.

[1]王振軍.自密實輕骨料高性能混凝土的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2004.

[2]ABRAMS D A. Tests of bond between concrete and steel[R]. University of Illinois Bulletin No. 71, University of Illinois Urbana, 2013.

[3]NAVARATNARAJAH V. Influence of tensile release in concrete on transfer bond of reinforcement bars[C]. Proceedings of the International Conference on Bond in Concrete, Paisley, Scotland, 1982.

[4]EIBL J, AKKERMANN J, IDDA K, et al. Ductility of reinforced concrete structures: rotational behaviour of reinforced concrete corners and bond under lateral tension[C]. Comité Euro-International du Béton, Bulletin d’information, 1998.

[5]LINDORF A, LEMNITZER L, CURBACH M. Experimental investigations on bond behaviour of reinforced concrete under transverse tension and repeated loading[J]. Engineering Structures, 2009, 31(7): 1469-1476.

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[7]European Project Group. Specification and guidelines for self-compacting concrete[S]. UK: EFNARC, 2005.

Bond Behavior of Plain Round Bars in Self-compacting Lightweight Concrete Subjected to Lateral Tension

HAN ModeJIANG TaoWU Zhimin

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineeringDalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

A total of 39 pull-out specimens are tested. Through the measurements of bond strength, the residual bond strength, slip at the peak bond stress, the bond behavior between plain round bars and self-compacting lightweight concrete under lateral tension with different ratios are analyzed. The experimental results show that the ultimate and residual bond strengths decrease, but the slip at the peak bond stress first increases and then keeps constant with the increase of the lateral tension.

self-compacting lightweight concrete; plain round bar; bond slip; lateral tension

2016-06-02

TU528

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.029

漢莫德 (1987- ):男, 碩士生, 主要研究領(lǐng)域為鋼筋混凝土粘結(jié)性能

*國家自然科學(xué)基金項目資助(51278082)