高溫后鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究

劉桂榮，肖颯，閆磊源，王亞宇

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

近年來(lái)，建筑火災(zāi)發(fā)生頻繁，場(chǎng)景觸目驚心． 當(dāng)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后，雖然鋼筋的強(qiáng)度能得到較大程度的恢復(fù)［1］，但混凝土的強(qiáng)度和彈性模量、鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度均明顯降低［2－3］，導(dǎo)致火災(zāi)后鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的損傷不可恢復(fù)．研究表明，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和使用性能的重要因素之一［4］． 目前，針對(duì)高溫后混凝土與鋼筋黏結(jié)性能的研究主要考慮了混凝土保護(hù)層、升溫速率、溫度等級(jí)及混凝土強(qiáng)度等影響因素［5－7］． 由于影響?zhàn)そY(jié)性能的因素較多，破壞機(jī)理復(fù)雜［8］，對(duì)高溫后混凝土與鋼筋黏結(jié)－滑移模型定量研究較少，尚缺少受溫度影響的黏結(jié)－滑移模型．

本文考慮箍筋約束的影響，在鋼筋中心拔出試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了試件的破壞形態(tài)、溫度對(duì)黏結(jié)－滑移曲線的影響規(guī)律，并給出了相關(guān)系數(shù)的取值建議．

1 試驗(yàn)概況

1．1 材料參數(shù)

混凝土的配合比為:水泥∶水∶砂∶石子=1．00∶0．46∶1．29∶1．93(質(zhì)量比)． 水泥采用新鄉(xiāng)天瑞42．5 級(jí)普通硅酸鹽水泥．細(xì)骨料選用石灰?guī)r質(zhì)巖石破碎機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為3．82． 粗骨料采用5 ～20 mm連續(xù)粒級(jí)的碎石，堆積密度為1 680．4 kg/m3．混凝土中摻入TX － 102 緩凝減水劑(摻量為0．2%)，設(shè)計(jì)坍落度為150 mm．

黏結(jié)試件主筋選用直徑為16．0 mm 的帶肋鋼筋，其屈服強(qiáng)度為473．86 MPa，極限強(qiáng)度為639．07 MPa．箍筋采用直徑為6．5 mm 的光圓鋼筋，其屈服強(qiáng)度為445．96 MPa，極限強(qiáng)度為638．46 MPa．

1．2 試件設(shè)計(jì)

采用中心拔出試驗(yàn)方法，試件采用普通混凝土澆筑，主筋選用直徑為16 mm 的螺紋鋼筋． 由于加熱裝置空間有限，鋼筋長(zhǎng)度為350 mm，端部車成絲扣以便加載．為考慮實(shí)際構(gòu)件中箍筋的約束影響，在試件中部布置兩道箍筋，箍筋選用直徑為6．5 mm的光圓鋼筋，混凝土保護(hù)層厚20 mm．試件黏結(jié)段長(zhǎng)度為5d(其中d 為縱向鋼筋的直徑)［9］，即80 mm．為消除加載時(shí)試件端部應(yīng)力集中的影響，主筋兩端各80 mm 為非黏結(jié)段．試件的尺寸和配筋如圖1 所示．其中，主筋位置處預(yù)埋一個(gè)K 型熱電偶，以測(cè)量中心溫度值．黏結(jié)－滑移試驗(yàn)考慮的加熱溫度分別為100、300、500、700 ℃．每組3 個(gè)試件．

圖1 試件的尺寸及配筋(單位:mm)

1．3 加熱過(guò)程

鋼筋混凝土黏結(jié)試件采用箱式電阻爐加熱．爐膛凈空間尺寸為500 mm ×600 mm×500 mm，額定功率為20 kW，最高加熱溫度為1 200 ℃，溫度控制精度為±2 ℃．每次試驗(yàn)并排放置3 個(gè)試件．爐內(nèi)溫度按照20 ℃/min 的升溫速率緩慢上升至設(shè)定溫度，然后保持恒溫6 h 左右．當(dāng)黏結(jié)試件的中心溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，取出黏結(jié)試件，放在空氣中自然冷卻．

1．4 拔出試驗(yàn)

單調(diào)加載試驗(yàn)采用穿心千斤頂加載，在千斤頂和試件之間布置位移傳感器和荷載傳感器，在自由滑移端布置位移傳感器．根據(jù)儀器操作規(guī)程，在正式加載前實(shí)行預(yù)加載，加載值控制為3 ～5 kN．正式加載時(shí)，加載速度要緩慢，同時(shí)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象并做好試驗(yàn)記錄．

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2．1 加熱升溫曲線

當(dāng)加熱溫度為700 ℃時(shí)，爐溫及黏結(jié)試件的內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化情況如圖2 所示．

圖2 混凝土內(nèi)部溫度和爐溫隨時(shí)間變化規(guī)律

由圖2 可知:爐內(nèi)溫度在較短的時(shí)間內(nèi)升至預(yù)定溫度值并維持在此溫度;由于混凝土的熱惰性，黏結(jié)試塊的中心溫度緩慢上升，當(dāng)溫度升高至100 ℃左右時(shí)，出現(xiàn)了明顯的溫度“平臺(tái)階”，這是由于混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)及水蒸氣向混凝土內(nèi)部遷移所導(dǎo)致的;爐溫維持最高溫度6 h 后，黏結(jié)試塊中心達(dá)到了預(yù)定的溫度值． 在加熱時(shí)，3 個(gè)試件水平并排放置，而爐內(nèi)溫度并不是絕對(duì)均勻，因而不同位置的試塊的內(nèi)部溫度并不是完全相同，但經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間加熱后，可以認(rèn)為其溫度基本一致．

2．2 加熱試驗(yàn)現(xiàn)象

混凝土試件在電爐中加熱，降溫取出，觀察其表面裂縫，如圖3 所示． 加熱溫度為100 ℃的試件，其表面基本無(wú)裂縫．當(dāng)加熱溫度升至300 ℃時(shí)，試件表面有少量不規(guī)則的裂縫． 當(dāng)溫度繼續(xù)升高至500 ℃時(shí)，裂縫明顯增多，個(gè)別試件出現(xiàn)混凝土掉角現(xiàn)象．當(dāng)加熱溫度升至700 ℃時(shí)，試件表面出現(xiàn)了大量的裂縫，試件角部出現(xiàn)較大缺損．

圖3 高溫后黏結(jié)試件的裂紋

2．3 黏結(jié)－滑移曲線

通過(guò)拔出試驗(yàn)得到了不同溫度下試件的黏結(jié)－滑移曲線，曲線具有明顯的下降段．由于試件中布置了兩道箍筋，所有試件均發(fā)生了鋼筋拔出破壞，未見(jiàn)貫穿鋼筋和混凝土表面的裂縫．

部分試件的黏結(jié)－滑移曲線如圖4 所示．由圖4 可知:高溫后混凝土與鋼筋的黏結(jié)－滑移曲線形狀與常溫下的相似，荷載在達(dá)到極限黏結(jié)強(qiáng)度之前滑移量都比較小，為1 ～2 mm，然后荷載下降較快，但達(dá)到10 mm 左右后，黏結(jié)強(qiáng)度下降幅度明顯減緩;隨著溫度的升高，試件的極限黏結(jié)強(qiáng)度會(huì)下降，當(dāng)試件經(jīng)過(guò)700 ℃高溫后，其極限黏結(jié)強(qiáng)度大約僅為常溫的35%．

高溫后混凝土與鋼筋的黏結(jié)－滑移曲線形狀與常溫下的一致，也可以分為上升段和下降段2 個(gè)階段．因此，高溫后混凝土與鋼筋的黏結(jié)－滑移曲線可利用常溫下對(duì)應(yīng)的公式進(jìn)行擬合．

圖4 試驗(yàn)曲線和預(yù)測(cè)曲線對(duì)比

上升段［10］

下降段［11］

式中:τ 為黏結(jié)應(yīng)力，MPa;τu為極限黏結(jié)強(qiáng)度，MPa，τu=Pu/(πdla);Pu為極限黏結(jié)力，kN;d 為鋼筋公稱直徑，mm;la為黏結(jié)長(zhǎng)度，mm;s－=s/s1，s1為極限黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移量，mm;a、b 為系數(shù)．

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:在不同溫度下，曲線上升段變化較小，a 可統(tǒng)一取0．3;對(duì)于曲線下降段，當(dāng)溫度T 不超過(guò)300 ℃時(shí)，b 取常溫時(shí)曲線下降段的系數(shù)b0，建議值為0． 5;當(dāng)溫度T 介于300 ℃和700 ℃之間時(shí)，b/b0=1 +k1(T －300)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)作回歸計(jì)算可得k1=0．003 7．

將各系數(shù)取值代入式(1)、(2)中，可得到黏結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算值，部分計(jì)算結(jié)果繪于圖4．比較計(jì)算值與試驗(yàn)值可得，本文提出的公式具有較好的精度．

試塊的黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律如圖5 所示．

圖5 溫度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律

由圖5 可知，隨著溫度的升高，試塊的黏結(jié)強(qiáng)度有下降的趨勢(shì)． 黏結(jié)強(qiáng)度與溫度之間的關(guān)系可表示為:

式中:τ0為常溫下鋼筋混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，MPa;T為溫度，℃;kT為溫度影響系數(shù);fcu為常溫下混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度．由于本次試驗(yàn)采用的是16 mm帶肋鋼筋，通過(guò)回歸計(jì)算可得到kT=0．002 9．

3 結(jié) 語(yǔ)

1)在試件加熱的過(guò)程中，試件中心位置的溫度上升慢于爐溫上升，加熱開(kāi)始約6 h 后才與爐溫接近．黏結(jié)試件經(jīng)升溫與自然冷卻后，加熱溫度高于500 ℃的試件的表面裂縫明顯增多．

2)由于黏結(jié)試件受箍筋的約束，本次試驗(yàn)中試件均發(fā)生帶肋鋼筋拔出破壞，黏結(jié)－滑移曲線具有明顯的下降段．根據(jù)試驗(yàn)得到的黏結(jié)－滑移曲線形狀，給出了黏結(jié)－滑移曲線的關(guān)系表達(dá)式，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算，給出了相關(guān)系數(shù)的取值建議．

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