再生混凝土與鋼筋的粘結性能試驗研究

楊雅新 張志飛 谷春濤 蘇永章 張慧怡 劉明亮

1河南水利與環(huán)境職業(yè)學院（450011）2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

再生混凝土與鋼筋的粘結性能試驗研究

楊雅新1張志飛2谷春濤2蘇永章2張慧怡2劉明亮2

1河南水利與環(huán)境職業(yè)學院（450011）2河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

隨著城市現(xiàn)代化建設不斷加快，城市建筑更新速率提升明顯，相應產生了大量的廢棄混凝土。該部分建筑垃圾較難處理，且缺乏應用價值，通常會進行掩埋或堆放處理。再生集料混凝土為廢棄混凝土垃圾的回收利用提供了方向，對促進現(xiàn)代建筑行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義。但就再生混凝土技術的實際應用而言，仍需經歷相關實驗研究的考驗，以確保再生混凝土具有其相應的使用性能。通過模擬混凝土試件，就再生混凝土與鋼筋材料的粘結性，進行了相關實驗研究，結果表明粗集料取代率不宜過高，需嚴格控制廢棄混凝土的摻入量方能確保再生混凝土與鋼筋的粘結性能。

再生混凝土；鋼筋；粘結性能；試驗研究

廢棄混凝土是城市建筑更新產生的建筑垃圾的重要組成部分，數(shù)量眾多且不便于處理，通常會使用掩埋或就地堆放的方式進行處理，不僅會造成大量的經濟費用，還會對環(huán)境造成污染。再生混凝土是指將廢棄混凝土回收粉碎，代替粗集料重新制作的混凝土材料，具有節(jié)約資源、保護環(huán)境、經濟效益高等優(yōu)點。目前該項技術仍處于試驗研究階段，本文通過模擬混凝土試件，圍繞再生混凝土與鋼筋材料的粘結性能，進行了如下實驗。

1 試驗過程概述

1.1 再生混凝土配料分析

本試驗中再生混凝土配料，主要包含以下幾部分配料:一，本試驗所用水泥，為42.5級水泥；二，試驗試件粗集料為混合粗集料，即天然粗集料混合再生粗集料組成，以再生粗集料摻入量為控制變量。再生粗集料主要由強度為C25的廢棄混凝土粉碎、清洗獲得，其粒徑范圍為5.0~10.0 mm，屬于連續(xù)顆粒級配；天然粗集料粒徑范圍與再生粗集料相同，其表觀密度為2.54 g/cm3；三，試件細集料以表觀密度2.64 g/cm3河砂為主；四，試件選用Ⅰ級粉煤灰作為摻合料；五，試件混合所用水均為自來水。

1.2 再生混凝土配合比設計

再生混凝土孔隙率以及其它性能特征均受配合比影響決定，而孔隙率則直接關乎試件內部孔結構的形狀和分布，上述因素變化均會導致試件對鋼筋材料的握裹強度發(fā)生變化。

本組試驗再生混凝土配合比相關設計中，通過控制減水劑、再生混凝土坍落度維持在一固定數(shù)值，分別設置10.0%、30.0%以及50.0%三組取代率，設計A、B、C三類混凝土試件，并借助可蒸發(fā)水含量法，以此測得A、B、C三類混凝土的孔隙率，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 三組再生混凝土孔隙率明細表

1.3 試件的設計和制作

1.3.1 試件設計

本組試驗中,選用梁式粘結試件作為試驗試件，這是由于此類試件，可較為真實的反映出混凝土梁中鋼筋材料在彎矩-剪力耦合作用下的受力性能，尤其是梁中錨固區(qū)域。

為進一步增強試驗效果，綜合考慮再生粗集料劃分相關內容，針對三組混凝土類型，在試件制作時，每組均制作了3個試件，分別使用序號1~3標記，以A組為例，包含A1、A2、A3三個試件。

出于試驗經濟性以及可操作性考慮，每個梁式粘結試件均分為a、b兩個試驗區(qū)域。其中，a區(qū)域是梁式粘結測試區(qū)域，具體規(guī)格尺寸為150.0 mm× 170.0 mm×260.0 mm，試件鋼筋保護層厚度約為24.0 mm。b區(qū)域是三組別公共粘結測試區(qū)域，具體尺寸規(guī)格與a區(qū)域一致。

就a區(qū)域粘結試驗試件而言，分別設置有無粘結區(qū)段、受拉鋼筋支座端和加載端，區(qū)段長度70.0 mm，中間轉接區(qū)段長度120.0 mm。本組試驗中所用受拉鋼筋，均選用B12螺紋鋼筋，其極限抗拉強度約為612.0 MPa，屈服抗拉強度約為450.0 MPa，材料伸長率約為26.4%，彈性模量2.01×105 MPa。

正式試驗前，a區(qū)域受拉剛勁通過螺紋連接與b區(qū)域固定，同時，利用轉動鉸連接完成a、b區(qū)域上部的固定，最終連接形式如圖1所示。

圖1 試驗試件連接方式示意圖

1.3.2 試件制作

試驗試件在正式澆筑前，需在受拉鋼筋粘結位置表面試驗設計處進行開槽處理并完成箔基點式應變片的預埋工作，使用測試線導出應變片導線，同時還需進行相應的應變片防水覆蓋處理，以及相應的荷載-應變關系率測定工作。此外，需利用石蠟完全涂抹鋼筋脫粘結位置表面，完成涂抹后，利用PVC（管徑略大于鋼筋）套住，最后使用石蠟完成PVC管兩端的密封工作，避免澆筑操作過程中，PVC管中進入混凝土漿。

實施澆筑操作前，施工人員需確認鋼餃以及受拉鋼筋位置正確且固定完好、牢靠，隨后進行再生混凝土相關澆筑操作。所有試驗試件在注模操作后，需及時利用塑料薄膜覆蓋，并開始相應的養(yǎng)護工作。試件拆模需在養(yǎng)護24 h后進行，試件拆模后需轉移至相應的養(yǎng)護室備用。

1.3.3 試驗方法概述

本組試驗主要由液壓伺服控制試驗機完成，加載方式分為3 kN、6 kN、9 kN三種。應變片相關數(shù)據(jù)，由相應的靜態(tài)應變測試儀自動采集完成。正式試驗過程中，鋼筋材料自由端以及加載端分別安設有電測位移計（高精度），以測量鋼筋實際位移情況，并且該數(shù)據(jù)會連接到應變測試儀，從而完成對自由端相對位移的測量。如試件內部鋼筋材料發(fā)生粘結滑移破壞，則判定改構件被損壞。

2 試驗結果分析

2.1 粘結應力分析

受拉鋼筋實際錨固長度被5片應變片分為四個區(qū)域，在不同的載荷作用下，四個區(qū)段中單一區(qū)段的平均粘結應力值，可由該區(qū)段兩側應變片的實際測量值計算獲得，計算公式如下

上述公式中，τi,i+1表示第i至i+1區(qū)段內具有的平均粘結應力，單位為MPa；△i,i+1表示第i至i+1區(qū)段實際長度，單位mm；ds表示錨固鋼筋的實際直徑，單位mm。

試驗過程中，根據(jù)在不同荷載條件下，沿鋼筋錨固長度實際測量得到的應變值數(shù)據(jù)，代入計算公式，即可得出第i至i+1區(qū)段內具有的平均粘結應力的具體數(shù)值。建立自由端位移距離和粘結應力坐標系，分別連接計算各點，得出平滑的曲線，即為粘結應力在錨固長度上的分布特性曲線。

通過對比三組試件的特征曲線，可得以下結論:如鋼筋外部載荷一致，則隨著再生混凝土取代率的上升，其粘結應力峰值，從鋼筋加載端至自由端逐漸移動。造成這一現(xiàn)象的原因主要是，當再生混凝土取代率上升時，其內部各組分的強度分布越來越均勻，從而促使鋼筋握裹強度均勻變化。

試驗還表明，當粗集料取代率由10.0%上升至50.0%時，其總孔隙率相應提高了1.6%。并且當粗集料取代率上升，再生混凝土與鋼筋材料的粘結性能出現(xiàn)下降的趨勢。

2.2 荷載與鋼筋滑移的關系分析

結合試驗實測數(shù)據(jù),即可相同得到A、B、C三組試件的荷載-滑移特征曲線，如圖2所示。

圖2 三組試驗試件荷載-滑移曲線圖

由上圖分析可得，三組試件在試驗中均發(fā)生了滑移。在荷載相同的條件下，從A至C試件，鋼筋自由端的滑移量逐漸增大。這種現(xiàn)象說明，就再生混凝土而言，如再生集料取代率提高，則其總孔隙率上升，從而導致混凝土劈裂強度和抗壓強度不斷下降，最終導致再生混凝土材料與鋼筋材料間的機械咬合能力不斷下降。

3 試驗總結

綜合以上試驗，做出如下總結:一，再生粗集料取代率上升，將導致混凝土材料與鋼筋材料粘結性能下降；二，外部荷載相同條件下，粘結應力會依據(jù)取代率的升高,而由鋼筋加載端逐漸向自由端轉移；三，如取代率由10.0%升高至50.0%，則總孔隙率上漲1.6%。

4 結語

綜上所述，現(xiàn)代城市不斷加快，導致廢棄混凝土材料數(shù)量不斷增加，如放任其不管，則會造成巨大的資源浪費且污染環(huán)境。再生混凝土通過對廢棄混凝土的粉碎、清理，將其作為粗集料再次利用，完成的廢棄混凝土的循環(huán)利用。本組試驗驗證了不同粗集料取代率條件下，混凝土材料與鋼筋材料的粘結性關系，并通過計算，得出相應的結論。再生混凝土在實際使用中，需嚴格控制粗集料取代率，以確保施工質量。

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