水灰比對(duì)裂縫鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響

焦俊婷，許金鼓，丘文濤，陳 勛，嚴(yán)凌靜

(廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建 廈門 361024)

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水灰比對(duì)裂縫鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響

焦俊婷，許金鼓，丘文濤，陳 勛，嚴(yán)凌靜

(廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建 廈門 361024)

針對(duì)大氣環(huán)境和氯鹽侵蝕環(huán)境中帶預(yù)制裂縫鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移性能進(jìn)行研究.通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬亞熱帶沿海地區(qū)工作環(huán)境，對(duì)具有不同水灰比帶初始裂縫梁試件，經(jīng)海水浸泡180d干濕循環(huán)或大氣環(huán)境180d作用下，著重研究水灰比對(duì)鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能影響.結(jié)果表明：在海水腐蝕環(huán)境下峰值滑移，隨著水灰比減小而減?。辉诖髿猸h(huán)境下，峰值滑移隨著水灰比變化規(guī)律不明顯.極限粘結(jié)應(yīng)力隨著水灰比減小而增大.

鋼筋混凝土；粘結(jié)性能；水灰比；氯離子侵蝕；大氣環(huán)境

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般帶工作裂縫，在鹽侵環(huán)境下裂縫加快氯離子的侵蝕速度[1]，導(dǎo)致鋼筋極易發(fā)生銹蝕；在大氣環(huán)境中裂縫存在使得混凝土保護(hù)層厚度減小，易使鋼筋銹蝕.鋼筋銹蝕會(huì)使鋼筋截面面積減小，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間粘結(jié)退化[2]，影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性.因此，研究帶裂縫鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在一定環(huán)境中鋼筋與混凝土粘結(jié)性能是一個(gè)具有實(shí)際意義的重要課題.國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有關(guān)于銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能試驗(yàn)方法，多采用制作及裝置比較簡(jiǎn)單而試驗(yàn)結(jié)果便于分析的中心拔出試驗(yàn)[3-4]，而采用與實(shí)際構(gòu)件受力狀態(tài)符合較好的梁式或半梁式試驗(yàn)方法較少[5-9].有關(guān)帶初始裂縫鋼筋混凝土構(gòu)件在一定腐蝕環(huán)境中鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的研究不多：襲杰等[3]采用中心拔出試驗(yàn)研究得出，帶初始裂縫混凝土試件經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)與氯離子侵蝕后鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度比無(wú)裂縫情況低；許豪文等[4]采用中心拔出試驗(yàn)研究了帶初始裂縫混凝土試件分別經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)與氯離子侵蝕、大氣環(huán)境腐蝕后，鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度受裂縫寬度的影響情況.鋼筋與混凝土粘結(jié)受多因素影響，如環(huán)境、腐蝕方法、裂縫、粘結(jié)長(zhǎng)度、混凝土水灰比、鋼筋直徑和外形等.為真實(shí)了解帶初始裂縫構(gòu)件在氯鹽腐蝕環(huán)境或大氣環(huán)境中鋼筋與混凝土粘結(jié)性能，本文采用梁式試驗(yàn)方法，通過(guò)試驗(yàn)室模擬沿海亞熱帶地區(qū)工作環(huán)境，試驗(yàn)研究了經(jīng)歷海水浸泡180d干濕循環(huán)或在大氣環(huán)境180d不同環(huán)境腐蝕后帶初始裂縫梁試件，旨在研究水灰比對(duì)鋼筋與混凝土粘結(jié)性能退化規(guī)律的影響，為沿海亞熱帶地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及耐久性設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 試件材料

水泥采用中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)42.5；粗骨料使用廈門市生產(chǎn)的粒徑6～14mm玄武巖碎石；細(xì)骨料為廈門市石料廠生成的中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，Ⅱ區(qū)級(jí)配合格；水用自來(lái)水.

試件混凝土按水灰比(w/c)分別為0.60、0.47設(shè)計(jì).鋼筋用HRB335級(jí)螺紋鋼，直徑d=10mm.材料力學(xué)性能見(jiàn)表1.

表1 材料力學(xué)性能

1.2 試件制作及試驗(yàn)過(guò)程

本文鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)采用無(wú)箍筋梁試件，試件尺寸如圖1所示.試件尺寸為100mm×100mm×430mm的鉸梁，鋼筋與混凝土的粘結(jié)長(zhǎng)度l=10d(d表示鋼筋直徑)，在鋼筋與混凝土粘結(jié)段中間預(yù)制不同寬度橫向裂縫，無(wú)粘結(jié)部分用PVC塑料管包裹.梁試件按照水灰比和裂縫寬度不同分2組，每組8個(gè)試件，共16個(gè)試件，試件編號(hào)、水灰比和裂縫寬度見(jiàn)表2.

表2 試件分組、水灰比、裂縫寬度、破壞形式及粘結(jié)強(qiáng)度

環(huán)境類別試件編號(hào)w/c裂縫寬度/mmPmax/kN破壞形式l1/mml2/mmla/mml/mmFmax/kNδm/mmτmax/MPa大氣環(huán)境1-C25-000.600.0039.86局部劈裂175505510545.300.6013.731-C25-050.600.0738.47局部劈裂175505410544.530.4713.501-C25-100.600.1132.86局部劈裂175505010041.080.4413.071-C25-200.600.1938.01局部劈裂175505711041.680.5312.061-C35-000.470.0040.11局部劈裂175475310048.430.4015.421-C35-050.470.0844.56鋼筋屈服175475511051.8515.001-C35-100.470.1233.09局部劈裂17545509643.020.7114.261-C35-200.470.1938.30局部劈裂175455510545.260.5313.72海水環(huán)境2-C25-000.600.0034.26貫通劈裂175475210042.170.7013.422-C25-050.600.0739.60局部劈裂175475710844.460.3813.102-C25-100.600.1235.41局部劈裂175475711039.760.5811.512-C25-200.600.1938.67局部劈裂175476011541.250.6311.422-C35-000.470.0045.30局部劈裂175455511053.540.4915.492-C35-050.470.0643.56局部劈裂175505410850.420.5114.862-C35-100.470.1144.49局部劈裂175505711548.780.2613.502-C35-200.470.2035.75局部劈裂175505210542.970.4613.03

注：Pmax、Fmax分別表示P和F的最大值;δm表示在Fmax時(shí)鋼筋與混凝土的相對(duì)滑移量，稱為峰值滑移

試件制作，按照文獻(xiàn)[3-4]中預(yù)制裂縫方式，在試件澆筑時(shí)預(yù)先插入不同厚度0.05mm、0.10mm、0.20mm間隙片，分別在3h、4h、5h后將間隙片拔出，制得不同寬度裂縫.試件養(yǎng)護(hù)齡期為28d，其中帶模養(yǎng)護(hù)1d，拆模后室溫養(yǎng)護(hù)27d.試驗(yàn)過(guò)程分腐蝕階段和加載試驗(yàn)兩階段.

腐蝕階段：1)將第1組試件在大氣環(huán)境中靜置180d；2)將第2組試件在人工海水(在自來(lái)水中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl制成)中進(jìn)行浸泡干濕循環(huán)180次.每次干濕循環(huán)持續(xù)1d，將試件在人工海水浸泡8h，在大氣環(huán)境中靜置16h.

加載試驗(yàn)階段：試件完成腐蝕后，首先在試件表面粘貼碳纖維布[10]，避免試件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)由于沒(méi)有箍筋發(fā)生剪切破壞.然后在最大量程100kN壓彎試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)(如圖2所示).在梁粘貼鋼板的兩端面自由鋼筋上固定電子位移計(jì)(量程0～10mm)，位移計(jì)頂在粘貼鋼板上測(cè)量鋼筋自由端相對(duì)于混凝土的滑移.在加載過(guò)程中，電子位移計(jì)接入DH3815靜態(tài)應(yīng)變儀，加載力與位移通過(guò)電腦同步采集.試驗(yàn)過(guò)程以等速位移加載方式加載，加載速度為1.0mm/min.

2 試件破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)分為鋼筋拉屈破壞和混凝土劈裂破壞2種(見(jiàn)表2)，以混凝土劈裂破壞為主.其中劈裂破壞又分為2類：一類為貫穿劈裂破壞，即劈裂裂縫貫穿整個(gè)試件，如圖3(a)所示；另一類為部分劈裂破壞，僅在鋼筋自由端至初始橫向裂縫之間產(chǎn)生劈裂裂縫，如圖3(b)所示，或僅在鋼筋兩自由端之間產(chǎn)生部分劈裂裂縫，如圖3(c)所示.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粘結(jié)-滑移曲線

鋼筋與混凝土粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算受力簡(jiǎn)圖如圖4所示.鋼筋與混凝土粘結(jié)平均應(yīng)力τ可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：F表示鋼筋與混凝土的粘結(jié)力；A表示鋼筋與混凝土的粘結(jié)面積，A=πdl；P、l、l1、l2和la等符號(hào)含義如圖4所示，其數(shù)值見(jiàn)表2.

根據(jù)測(cè)得鋼筋自由端相對(duì)滑移量δ以及由計(jì)算得到的粘結(jié)平均應(yīng)力τ，得到試件τ-δ曲線，如圖5、圖6所示.圖5和圖6分別為w/c=0.60、0.47時(shí)混凝土試件的τ-δ曲線，每個(gè)圖中w/c相同而初始橫向裂縫寬度不同.從圖5、圖6可以看出，同種破壞形態(tài)試件的τ-δ曲線形狀相似.當(dāng)接近承載力峰值時(shí)，增加少量τ，粘結(jié)滑移增量明顯，繼續(xù)增加少量τ，粘結(jié)滑移失穩(wěn),τ快速下降，降到一定程度后下降速度逐漸變緩.

在試驗(yàn)過(guò)程中,試件兩肢粘結(jié)滑移量不相同，只有一肢粘結(jié)滑移量發(fā)展充分,而另一肢滑移發(fā)展緩慢混凝土沒(méi)有出現(xiàn)劈裂(如圖3所示).這可能是由于兩肢中鋼筋粘結(jié)力不相同,粘結(jié)力偏小的肢較容易滑移失穩(wěn),而一旦失穩(wěn),產(chǎn)生滑移的外部荷載減小,無(wú)法提供更大的力使另一肢繼續(xù)滑移，這與文獻(xiàn)[8]中試驗(yàn)現(xiàn)象類似.

3.2 極限粘結(jié)應(yīng)力

極限粘結(jié)應(yīng)力指鋼筋與混凝土粘結(jié)力F達(dá)到最大時(shí)計(jì)算得到的平均粘結(jié)應(yīng)力，即τmax，其數(shù)值見(jiàn)表2.

3.3w/c對(duì)粘結(jié)滑移的影響

3.3.1w/c對(duì)峰值滑移δm的影響

圖7給出了試件峰值滑移δm與w/c關(guān)系.由圖7(a)可以看出，在大氣環(huán)境下，峰值滑移δm隨著w/c變化規(guī)律不明顯.由圖7(b)可以看出，在海水腐蝕環(huán)境下，除裂縫寬度約0.05mm的情況外，峰值滑移δm隨著水灰比提高而減小,當(dāng)裂縫寬度W=0.1mm、0.2mm時(shí)，w/c=0.47的峰值滑移δm比w/c=0.6的峰值滑移δm分別減少55.17%、26.98%.原因?yàn)?w/c越大，材料的脆性越強(qiáng)，鋼筋與混凝土相對(duì)滑移變形越小.

3.3.2w/c對(duì)粘結(jié)應(yīng)力的影響

表3和圖 8給出了τmax與w/c的關(guān)系，表3中數(shù)值為試件的τmax值與其參照值的比值，其中參照值為同環(huán)境下、同裂縫寬度和w/c=0.60時(shí)的τmax值.由表3和圖8可以看出，試件的τmax隨著w/c增大而降低，原因?yàn)椋簑/c越小，混凝土強(qiáng)度越大，混凝土對(duì)鋼筋的握裹力越強(qiáng)，即鋼筋與混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力越大.

表3 w/c對(duì)τmax的影響

注：*表示混凝土裂縫寬度“約為”

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)梁式試驗(yàn)法研究了分別經(jīng)歷海水浸泡180d干濕循環(huán)或在大氣環(huán)境180d下的鋼筋與混凝土粘結(jié)性能，著重分析了水灰比對(duì)鋼筋與混凝土粘結(jié)性能退化規(guī)律的影響.試驗(yàn)得到：峰值滑移δm在海水腐蝕環(huán)境下，除裂縫寬度約0.05mm的情況外，峰值滑移δm隨著水灰比減小而減??；在大氣環(huán)境下，峰值滑移δm隨著水灰比變化規(guī)律不明顯.極限粘結(jié)應(yīng)力τmax隨著水灰比減小而增大.由于預(yù)制裂縫忽略了裂縫寬度和深度受荷載作用的大小、形式、作用時(shí)間等的影響，相關(guān)內(nèi)容以后尚需進(jìn)一步深入研究.

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(責(zé)任編輯 雨 松)

Effect of Water-Cement Ratio on Bond Properties betweenReinforcement and Concrete with Initial Crack

JIAO Junting，XU Jingu，QIU Wentao，CHEN Xun，YAN Lingjing

(SchoolofCivilEngineering&Architecture，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China)

Thebondslippropertybetweensteelbarandconcretewithinitialcrackintheatmosphericorchlorinesalterosionwasstudiedinthispaper.Bylaboratorysimulatedsubtropicalcoastalworkingenvironment，thebeamspecimenswithdifferentwater-cementratiosin180dseawaterimmersionanddrycycleorin180datmosphericenvironmentwereresearchedfocusingontheeffectofwater-cementratioonbondperformancebetweensteelbarandconcrete.Theresultsshowthatthepeakslipdecreaseswiththedecreaseofwater-cementratiointheseawatercorrosionenvironment，andmakesnoobviouschangesinatmosphericconditions;andtheultimatebondstressincreaseswiththedecreaseofwater-cementratio.

reinforcedconcrete;bondproperty;water-cementratio;chlorideionerosion;atmosphere

2016-08-23

2016-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478404);福建省教育廳A類項(xiàng)目(JA14241);福建省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201611062258)

焦俊婷(1968-)，女，教授，博士，研究方向?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)非線性與耐久性.E-mail：jtjiao@xmut.edu.cn

TU

A

1673-4432(2016)05-0084-06