凍融環(huán)境下引氣劑對鋼筋與混凝土黏結(jié)性能影響的試驗(yàn)研究

沙 勇，宿曉萍

(長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130012)

凍融環(huán)境下引氣劑對鋼筋與混凝土黏結(jié)性能影響的試驗(yàn)研究

沙 勇，宿曉萍

(長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130012)

針對凍融環(huán)境下鋼筋與混凝土結(jié)構(gòu)黏結(jié)性能劣化的問題開展試驗(yàn)研究。以引氣劑摻入量和凍融循環(huán)次數(shù)為變動(dòng)因素制作了3批共9組鋼筋混凝土試件，采用快速凍融試驗(yàn)和鋼筋中心拔出試驗(yàn)方法，研究了凍融環(huán)境下不同摻量引氣混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)應(yīng)力、滑移量，對比分析了引氣劑對凍融環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入一定量引氣劑可使試件的凍融損傷現(xiàn)象得到緩解，凍融環(huán)境下鋼筋混凝土的黏結(jié)性能得到明顯改善。

混凝土；引氣劑；凍融循環(huán)；拔出；黏結(jié)應(yīng)力

0 前言

所謂黏結(jié)應(yīng)力是指鋼筋與混凝土接觸面上的剪應(yīng)力，是鋼筋與周圍混凝土之間一種復(fù)雜的相互作用[1]。在混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋與混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能夠共同工作，主要是依靠這兩者之間的黏結(jié)應(yīng)力，這是鋼筋與混凝土組成復(fù)合構(gòu)件并共同工作的基本前提，黏結(jié)應(yīng)力的大小即黏結(jié)性能的好壞直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和受力性能。

在我國東北地區(qū)氣候寒冷、嚴(yán)酷的自然條件下每年會(huì)有超過50余次的凍融循環(huán)。頻繁的凍融循環(huán)對該地區(qū)大量的混凝土構(gòu)件造成嚴(yán)重侵蝕，表層混凝土剝落、裂縫開展明顯、鋼筋銹蝕加劇，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力大幅下降，黏結(jié)性能劣化。一旦鋼筋與混凝土之間出現(xiàn)相對滑移，兩者就不再是一個(gè)黏結(jié)牢固的整體，構(gòu)件的力學(xué)性能將嚴(yán)重退化，甚至發(fā)生提前破壞，給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失[2]。所以，如何改善凍融循環(huán)條件下鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能是十分迫切并亟需解決的問題。

已有的工程經(jīng)驗(yàn)顯示，在混凝土中摻入一定比例的引氣劑可以有效提高混凝土的抗凍能力，但其在凍融環(huán)境下改善鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的規(guī)律尚未明確。本文通過對引氣混凝土試件的快速凍融試驗(yàn)和鋼筋中心拔出試驗(yàn)，得出凍融環(huán)境下鋼筋與引氣混凝土之間的荷載—滑移曲線，并調(diào)整引氣劑的摻入量，以此來對比分析引氣劑對凍融環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的影響規(guī)律，為寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)運(yùn)行期的可靠度分析提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)主要研究引氣劑對凍融環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)中考慮兩個(gè)影響因素：一是引氣劑的含量；二是凍融循環(huán)次數(shù)。根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中研究鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的有關(guān)規(guī)定，試件的主要參數(shù)設(shè)計(jì)如下，混凝土構(gòu)件尺寸：b×h×l=120 mm×120 mm×120 mm，鋼筋采用直徑為12 mm的Ⅲ級螺紋鋼，長度為430 mm，為避免在加載過程中鋼吊籃對混凝土進(jìn)行擠壓，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試件上部用PVC管套住鋼筋，并灌入石蠟以密封，如圖1所示。

圖1 試件示意圖

試件混凝土等級為C30，采用P·O42.5級水泥、粒徑不超過3 cm的碎石和中砂。配合比為：水泥∶砂∶石∶水=1∶1.828∶3.383∶0.501，每立方米用量：水泥355 kg，砂子649 kg，石子1 201 kg，水178 kg。

1.2 試件分組

試件按照引氣劑摻量不同分3個(gè)批次加工而成，第1批為普通混凝土試件，不加引氣劑，用于與引氣混凝土試件進(jìn)行對比分析，第2批和第3批試件引氣劑的摻量分別為水泥質(zhì)量的0.02%和0.04%。每批試件又分3組，分別進(jìn)行0次、25次和50次凍融循環(huán)?？紤]到試驗(yàn)過程中會(huì)存在誤差，每種工況下試件個(gè)數(shù)為3個(gè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，便于分析。本次試驗(yàn)的試件數(shù)量共為27個(gè)，具體分組的試驗(yàn)試件見表1。

表1 試驗(yàn)試件詳細(xì)列表

注：表中試件編號Y表示引氣劑含量，D表示試件凍融循環(huán)次數(shù)。

1.3 快速凍融試驗(yàn)

根據(jù)快速凍融試驗(yàn)要求，制定凍融循環(huán)程序如下：首先將試驗(yàn)箱的內(nèi)部溫度控制在20 ℃，由20 ℃降至-15 ℃所需時(shí)間為2 h，試件在-15 ℃條件下維持恒溫2 h。然后溫度由-15 ℃上升至20 ℃，所需的時(shí)間也為2 h，并在20 ℃條件下維持恒溫2 h，此為一個(gè)凍融循環(huán)。[3]

本試驗(yàn)采用GDW-010L高低溫試驗(yàn)箱對試件進(jìn)行快速凍融，該設(shè)備既可以模擬高低溫環(huán)境，也可以用于檢查試件受某些腐蝕的耐久能力。試驗(yàn)箱內(nèi)壁尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm；溫度范圍為-40～120 ℃；升降溫速率為0.7～1.5 ℃/min，符合快速凍融試驗(yàn)要求。

1.4 中心拔出試驗(yàn)

試件中心拔出試驗(yàn)采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，其最大荷重為100 kN，荷重測量精度為誤差小于示值的±0.5%；在加載時(shí)提前設(shè)定加載速度，由電腦自行控制，加載速度通過計(jì)算確定為4.32 kN/min。在加載端，為保證試驗(yàn)過程安全可靠，用萬能試驗(yàn)機(jī)下部的V型夾具夾持鋼吊籃，上部的V型夾具夾持試件的鋼筋，當(dāng)試件發(fā)生破壞，或者外荷載達(dá)到峰值，即停止加載[4]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件表面損傷情況觀察

快速凍融試驗(yàn)后,對混凝土試件表面的損壞情況進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，即使在混凝土中摻入了引氣劑，試件經(jīng)過25次和50次的凍融循環(huán)后，混凝土表面仍有明顯損傷。如圖2所示，經(jīng)過25次凍融循環(huán)后，試件混凝土表面變得粗糙，部分水泥砂漿剝落，產(chǎn)生微小裂縫；而經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，試件表面損傷程度更加嚴(yán)重，表層砂漿剝落更加明顯，局部粗骨料裸露，表面裂縫擴(kuò)展、延伸。對比未摻入引氣劑的試件(如圖3)可以發(fā)現(xiàn)，摻入引氣劑試件表面的凍融損傷程度明顯輕于未摻引氣劑試件，這說明引氣劑可以有效改善混凝土的抗凍性能。

(a)凍融25次

(b)凍融50次

(a)凍融25次

(b)凍融50次

2.2 峰值黏結(jié)應(yīng)力

試驗(yàn)過程中測出極限荷載及滑移量，并計(jì)算出峰值黏結(jié)應(yīng)力(表2)。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以得出凍融循環(huán)次數(shù)與黏結(jié)應(yīng)力關(guān)系曲線，如圖4所示，凍融循環(huán)次數(shù)與滑移量的關(guān)系曲線如圖5所示。

從表2數(shù)據(jù)對比可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)從0次增加到50次，試件的鋼筋混凝土黏結(jié)應(yīng)力都有較大幅度下降。同一批次試件的鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力隨著凍融循環(huán)次數(shù)遞增，普通混凝土試件的鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力的衰減最大，衰減量大約為原始的1/5，隨著引氣劑的摻入，試件的鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力的衰減逐漸減少，當(dāng)引氣劑的摻入量為水泥用量的0.04%時(shí)，鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力衰減量大約為原始試件的1/8。

表2 鋼筋與混凝土的平均滑移和試件的黏結(jié)應(yīng)力

從圖4可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鋼筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力呈下降趨勢，曲線前半段下降較為緩慢，后半段下降較為陡峭，說明試件的損傷程度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。從圖5可以看出，曲線前半段下降較為陡峭，后半段下降較為平緩，這說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的破壞程度加劇，抵抗外荷載的能力越來越低。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，加氣混凝土的黏結(jié)應(yīng)力和最大滑移量都明顯好于普通混凝土。

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)與黏結(jié)應(yīng)力關(guān)系圖

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與滑移量關(guān)系圖

2.3 荷載—滑移曲線

圖6是不同批次混凝土分別在完成0次、25次、50次凍融循環(huán)試驗(yàn)和中心拔出試驗(yàn)后，試件的極限荷載與滑移量關(guān)系曲線，對比分析可以看出，在加載初期，滑移量和荷載之間的變化呈線性關(guān)系，荷載增加的速率較快，但滑移量變化較小。隨著荷載的不斷增加，曲線斜率減小，滑移量的變化速率開始加大，但荷載變化速率變小，呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。

(a)普通混凝土試件的極限荷載與滑移量關(guān)系曲線

(b)摻入0.02%引氣劑混凝土試件的極限荷載與滑移量關(guān)系曲線

(c)摻入0.04%引氣劑混凝土試件的極限荷載與滑移量關(guān)系曲線圖6 混凝土試件凍融循環(huán)試件的極限荷載與滑移量關(guān)系曲線

總體來說，凍融破壞對鋼筋混凝土黏結(jié)應(yīng)力影響較大，破壞了兩者之間原有正常的黏結(jié)，導(dǎo)致兩者之間的黏結(jié)應(yīng)力退化，結(jié)構(gòu)過早失去了原有力學(xué)功能，影響結(jié)構(gòu)原有設(shè)計(jì)的正常使用性能。隨著凍融次數(shù)的增加，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力都有明顯的下降，從圖4可以看出在凍融循環(huán)0次到25次曲線與X軸、Y軸圍成的面積大于凍融循環(huán)25次到50次曲線與X軸、Y軸圍成的面積，說明試件在發(fā)生破壞(鋼筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力小于外荷載作用)時(shí)，試件所消耗的能量下降。引氣劑的摻入量對混凝土受到凍融循環(huán)影響具有有效的抑制作用。普通試件經(jīng)過凍融循環(huán)50次后，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力會(huì)降低原有的1/5左右，但是摻入引氣劑的試件經(jīng)過凍融循環(huán)50次后，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力會(huì)降低原有的1/7到1/8?；炷岭S著引氣劑摻入量的增加，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力退化逐漸減慢，有效地抑制了鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力的損傷，延緩了鋼筋混凝土在受到凍融破壞時(shí)的損傷速率。

3 結(jié)語

通過以上分析可以得出如下結(jié)論：

1)摻入引氣劑之后混凝土的抗凍能力提高，而且引氣劑含量越高，混凝土抗凍能力提高的幅度就越大。

2)隨著引氣劑摻入量的遞增，凍融條件下鋼筋與混凝土峰值黏結(jié)應(yīng)力的衰減問題明顯減弱，說明引氣劑可以有效提高凍融環(huán)境下鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。

3)拔出荷載作用下引氣混凝土與鋼筋之間的滑

移量明顯小于普通混凝土試件，并且引氣劑含量越大，鋼筋與混凝土的滑移量越小。

4)摻入引氣劑可以有效改善鋼筋與混凝土在凍融環(huán)境下的黏結(jié)性能，減輕構(gòu)件凍融損傷，延遲結(jié)構(gòu)破壞，這一結(jié)論對實(shí)際工程有一定參考價(jià)值。

本文僅研究了凍融環(huán)境下引氣劑對鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的影響規(guī)律，但在東北地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)除受到凍融侵蝕之外還要承受復(fù)合鹽的侵蝕，對這種鹽凍環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的變化規(guī)律以及引氣劑的作用還需要進(jìn)行更深入的研究。

[1] 朱彥鵬.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 [M].4版.重慶：重慶大學(xué)出版社，2013.

[2] 盧木.混凝土耐久性研究現(xiàn)狀和研究方向[J].工業(yè)建筑，1997,27(5):1-6.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50082—2012 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[4] 徐善華,楊龍,徐穎哲.凍融損傷混凝土與光圓鋼筋黏結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2015(A02):24.

The Experimental Research on the Effect of Air-entraining Agent to the Bonding Performance of Reinforcement and Concrete under the Environment of Freeze-thaw

SHA Yong，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In this article，the experimental study on the deterioration of bonding performance between reinforcement and concrete structures under freeze-thaw condition is carried out.A total of 9 sets of reinforced concrete specimens are prepared by using air entraining agent and freezing and thawing cycles as variable factors.The rapid freeze-thaw test and the method of reinforcement pull-out are used to study the bonding stress and slippage on the bonding performance of reinforcement and concrete with different dosages of air-entraining agent under freeze-thaw environment，and to make a compared analysis to the influence law of bonding performance between reinforcement and concrete under freeze-thaw environment.The experimental results show that a certain amount of air-entraining agent can alleviate the freeze-thaw damage of the specimen，and improve the bonding performance of the reinforcement and concrete in the freeze-thaw environment.

concrete；air-entraining agent；freeze-thaw cycle；pul-out；bond stress

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.006

2016-12-22

住建部項(xiàng)目(2016-K5-033)

沙勇(1974-)，男( 漢)，長春，講師 主要研究混凝土結(jié)構(gòu)耐久性實(shí)驗(yàn)。

TU375.1

A

1009-8984(2017)01-0026-04