油菜秸稈灰分混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的研究

易督航，劉保華,2*，曾哲，易戀，周雲(yún)，方亮*

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油菜秸稈灰分混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的研究

易督航1，劉保華1,2*，曾哲1，易戀1，周雲(yún)1，方亮1*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

用油菜秸稈灰分等量替代5%、10%、15%的水泥，分別制作強(qiáng)度為C20、C30、C40的秸稈灰分混凝土試件，測(cè)試混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，考察月牙紋鋼筋與油菜秸稈灰分混凝土的粘結(jié)性能。結(jié)果表明，油菜秸稈灰分摻量為5%時(shí)，3個(gè)強(qiáng)度下的油菜秸稈灰分混凝土與月牙紋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度分別為19.06、19.90、20.08 MPa，與普通混凝土相當(dāng)，油菜秸稈灰分摻量10%和15%的混凝土與月牙紋鋼筋粘結(jié)性能較普通混凝土減弱。改變5%摻量油菜秸稈灰分混凝土植入鋼筋的類型與月牙紋鋼筋直徑，月牙紋鋼筋與油菜秸稈灰分混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度是光圓鋼筋的2.55倍；月牙紋鋼筋直徑從12 mm增至16、20 mm，粘結(jié)強(qiáng)度分別下降了6%與25%，油菜秸稈灰分混凝土粘結(jié)性能隨著月牙紋鋼筋直徑增加而減弱。

油菜秸稈灰分混凝土；鋼筋；粘結(jié)性能

黃偉等[1]的研究表明，油菜秸稈灰分能與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，形成的產(chǎn)物能填充混凝土內(nèi)部空隙，從而改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。劉巧玲等[2]的研究表明，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著油菜秸稈纖維摻量的增加而降低，在同等水膠比下，油菜秸稈纖維長(zhǎng)度在0.5~2.5 cm范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng)。張強(qiáng)等[3]在混凝土中摻入油菜秸稈灰分基礎(chǔ)上復(fù)摻硅灰，結(jié)果雙摻混凝土水膠比取值0.5~0.6時(shí)，混凝土的力學(xué)性能及工作性能最優(yōu)。

鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的優(yōu)劣直接影響鋼筋混凝土承受外力荷載時(shí)極限承載力的大小。筆者運(yùn)用鋼筋與普通混凝土粘結(jié)性能研究方法[4–6]，對(duì)油菜秸稈灰分混凝土中心植入直徑為12 mm的變形鋼筋進(jìn)行中心拔出試驗(yàn)，研究油菜秸稈灰分摻量分別為5%、10%、15%時(shí)的鋼筋與混凝土粘結(jié)性能，以期獲得直徑12 mm的月牙紋鋼筋與混凝土粘結(jié)性能最佳的油菜秸稈灰分摻量以及篩選最佳油菜秸稈灰分摻量混凝土中的鋼筋類型與變形鋼筋直徑?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1　材料與方法

1.1　材料

收集湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地油菜秸稈，洗凈后，在馬弗爐中500 ℃煅燒5 h，過(guò)篩，得到油菜秸稈灰分，其表觀密度為2.98 g/cm3，SiO2含量61.76%。混凝土所需材料：復(fù)合硅酸鹽水泥強(qiáng)度為P·O42.5；河砂細(xì)度模數(shù)M=2.96；卵石粒徑5~20 mm；直徑分別為12、16、20 mm的HRB400熱軋?jiān)卵兰y鋼筋(變形鋼筋)，直徑為12 mm的HPB300光圓鋼筋；萘系減水劑，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定減水劑摻量為水泥質(zhì)量的1%。

1.2　方法

1.2.1試件制作

秸稈灰分摻量參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55—2011)[7]，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20、C30、C40，分別用油菜秸稈灰分等量替代水泥質(zhì)量的5%、10%、15%，直徑12 mm的月牙紋鋼筋，制作邊長(zhǎng)為150 mm的立方體粘結(jié)試件[8]。為減小局部混凝土提前開(kāi)裂對(duì)拉拔試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，采用70 mm的PVC套管將鋼筋與混凝土隔開(kāi)設(shè)置非粘結(jié)區(qū)段，如圖1–a所示，制作粘結(jié)試件共12組，每組3個(gè)。在澆筑同一批粘結(jié)試件時(shí)，預(yù)留設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)為100 mm立方體[9]抗壓與劈裂抗拉試塊各3個(gè)，用以測(cè)試粘結(jié)試件的材料力學(xué)性能，如圖1–b所示，共12組，每組3個(gè)。對(duì)粘結(jié)試件進(jìn)行編號(hào)，如C4005–d12編號(hào)中，C40代表混凝土強(qiáng)度為C40，05代表?yè)搅繛?%，d12代表月牙紋鋼筋直徑12 mm。以不摻油菜秸稈灰分混凝土試件作對(duì)照。

設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為C20，油菜秸稈灰分摻量為5%，選用直徑12 mm的光圓鋼筋和月牙紋鋼筋，制作1組粘結(jié)試件，每組3個(gè)，用于鋼筋類型篩選試驗(yàn)，C2005–d12為摻量試驗(yàn)重復(fù)組，試件編號(hào)中g(shù)12表示直徑為12 mm的光圓鋼筋。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為C30，油菜秸稈灰分摻量為5%，采用直徑為12、16、20 mm的月牙紋鋼筋，分別制作2組粘結(jié)試件，用于月牙紋鋼筋直徑篩選試驗(yàn)。

圖1　秸稈灰分混凝土試件的尺寸

1.2.2試驗(yàn)方法

混凝土試件中心拔出試驗(yàn)與油菜秸稈灰分混凝土材料強(qiáng)度試驗(yàn)均在恒瑞金WAW–1000D液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上加載進(jìn)行。中心拉拔試驗(yàn)加載速度設(shè)定為1 mm/min[8]。立方體抗壓與劈裂抗拉試驗(yàn)速度分別設(shè)定為0.5 MPa/s和0.05 MPa/s[9]。

將混凝土立方體試塊放入萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓板中心位置進(jìn)行混凝土抗壓試驗(yàn)，記錄混凝土破壞時(shí)的力值，得到混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。劈裂破壞試驗(yàn)應(yīng)在立方體試件中部的上下面與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓板之間各加一條鋼制墊條，使立方體試件形成對(duì)應(yīng)的條形加載，造成沿立方體試塊中心的劈裂破壞，破壞時(shí)的力值為混凝土的劈裂抗拉破壞強(qiáng)度，并記錄此時(shí)力值大小。

2　結(jié)果與分析

2.1　油菜秸稈灰分摻量對(duì)混凝土粘結(jié)性能的影響

通過(guò)月牙紋鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)試件混凝土材料的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度來(lái)考查油菜秸稈灰分摻量對(duì)鋼筋混凝土粘結(jié)性能的影響。

由表1可以看出，油菜秸稈灰分摻量為5%時(shí)，油菜秸稈灰分混凝土與對(duì)照組粘結(jié)強(qiáng)度接近，當(dāng)摻量提升至10%和15%，其粘結(jié)強(qiáng)度降低較明顯。主要是因?yàn)殡S著摻量增加，混凝土的抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度降低，鋼筋橫肋前方混凝土容易被剪斷并磨碎，導(dǎo)致油菜秸稈灰分混凝土與變形鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度降低。

表1　不同油菜秸稈灰分摻量混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度

圖2　不同油菜秸稈灰分摻量混凝土的粘結(jié)–滑移曲線

圖3　5%油菜秸稈灰分摻量混凝土的粘結(jié)–滑移曲線

摻量為5%的油菜秸稈灰分混凝土粘結(jié)性能不僅與普通混凝土相當(dāng)，還可改善變形鋼筋拔出過(guò)程的粘結(jié)性能。

2.2　鋼筋類型對(duì)5%油菜秸稈灰分摻量混凝土的粘結(jié)性能的影響

油菜秸稈灰分5%摻量混凝土與直徑12 mm的月牙紋鋼筋和光圓鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)定值列于表2。從表2可知，月牙紋鋼筋與油菜秸稈灰分混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度約為光圓鋼筋與油菜秸稈灰分混凝土的2.55倍。

表2　5%油菜秸稈灰分摻量混凝土與不同類型鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度

圖4　5%油菜秸稈灰分摻量混凝土與不同類型鋼筋的粘結(jié)–滑移曲線

2.3　月牙紋鋼筋直徑對(duì)5%油菜秸稈灰分摻量混凝土粘結(jié)性能的影響

5%油菜秸稈灰分摻量混凝土與不同直徑月牙紋鋼筋的粘結(jié)性能測(cè)定值列于表3。隨著變形鋼筋直徑的增大，油菜秸稈灰分混凝土與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度減小，主要是隨著鋼筋直徑的增加，其肋間距相應(yīng)增大，而增大變形鋼筋橫肋間距會(huì)減弱變形鋼筋與混凝土之間的咬合力，從而導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度的降低。油菜秸稈灰分混凝土相對(duì)保護(hù)層厚度從5.75降低至4.19與3.25，粘結(jié)強(qiáng)度隨之降低，粘結(jié)試件的破壞模式也從鋼筋拔出破壞轉(zhuǎn)化為劈裂破壞。

表3　5%油菜秸稈灰分摻量混凝土與不同直徑月牙紋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度

圖5　5%油菜秸稈灰分摻量混凝土與不同直徑月牙紋鋼筋的粘結(jié)–滑移曲線

3　結(jié)論

改變植入鋼筋的類型以及月牙紋鋼筋直徑，發(fā)現(xiàn)5%油菜秸稈灰分摻量混凝土與月牙紋鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度是光圓鋼筋的2.55倍，月牙紋鋼筋與5%摻量的油菜秸稈灰分混凝土粘結(jié)性能優(yōu)于光圓鋼筋；月牙紋鋼筋直徑從12 mm增至16、20 mm，粘結(jié)強(qiáng)度分別下降了6%與25%，油菜秸稈灰分混凝土粘結(jié)性能隨著月牙紋鋼筋直徑增大而降低，因此，直徑12 mm的月牙紋鋼筋與5%摻量的油菜秸稈灰分混凝土粘結(jié)性能優(yōu)于直徑16、20 mm的月牙紋鋼筋。

[1] 黃偉，劉保華，齊臻，等．油菜秸稈灰分混凝土抗硫酸鹽的侵蝕性能[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，42(2)：222–224．

[2] 劉巧玲，劉保華，張強(qiáng)．油菜秸稈纖維混凝土力學(xué)性能研究[J]．混凝土與水泥制品，2012(12)：51–53．

[3] 張強(qiáng)，劉保華，劉巧玲，等．雙摻油菜秸稈灰分和硅粉對(duì)混凝土性能的影響[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，40(3)：334–336．

[4] 徐有鄰，沈文都，汪洪．鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1994，15(3)：26–36．

[5] 滕智明．月牙紋鋼筋粘結(jié)滑移關(guān)系試驗(yàn)研究[R]．北京：清華大學(xué)建筑工程系，1985．

[6] 毛達(dá)嶺．HRB500鋼筋粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究[D]．鄭州：鄭州大學(xué)，2004．

[7] 劉巧玲．秸稈基混凝土的性能研究[D]．長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

[8] GB50152—1992混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[9] GBT50107—2010混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S]．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Experimental study on bond property between rape straw ash concrete and steel bars

YI Duhang1, LIU Baohua1,2*, ZENG Zhe1, YI Lian1, ZHOU Yun1, FANG Liang1*

(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

The rape straw ash concrete specimen with the strength of C20, C30, C40 was made by replacing 5%, 10% and 15% of cement with rape straw ash. The bonding properties of rape straw ashes concrete was test to analysis the bond property between rape straw ash concrete and steel bars. The results showed that when the rape straw ash content was 5%, the bond strength of rape straw ash concrete with crescent steel bar under three concrete strength was 19.06, 19.90 and 20.08 MPa respectively, equivalent to ordinary concrete, whereas the bond strength with 10% and 15% content of rape straw ash is weaker than that of ordinary concrete. Changing the type of reinforced concrete and the diameter of crescent bar reinforced by ash concrete with 5% dosage, the bond strength between crescent bar reinforced concrete and rape straw ash concrete is 2.55 times as high as that of round steel bar. The diameter of crescent bar increased from 12 mm to 16 and 20 mm, and the bond strength decreased by 6% and 25% respectively. It is found that the bond property of rape straw ash concrete decreases with an increase in the diameter of crescent bar.

rape straw ash; steel bar; bond property

TU528.041

A

1007-1032(2017)06-0680-04

2017–05–02

2017–10–11

湖南省政府重大專項(xiàng)(湘府閱[2014]35號(hào))；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX201613286)

易督航(1991—)，男，湖南懷化人，碩士研究生，主要從事新型建筑材料研究，dohanyizzz@163.com；

通信作者，劉保華，碩士，副教授，主要從事新型建筑材料、土木工程結(jié)構(gòu)研究，bhliu@hunau.edu.cn；

通信作者，方亮，博士研究生，講師，主要從事土木工程結(jié)構(gòu)研究，fangliang@hunau.edu.cn

投稿網(wǎng)址：http://xb.hunau.edu.cn