氣泡輕質(zhì)土與鋼筋的黏結(jié)性能試驗研究

趙德文

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

氣泡輕質(zhì)土是一種新型填土材料，由氣泡群、固化劑、水及其他材料按一定比例混合制成，具有強度可調(diào)、凝結(jié)自立、便于施工、保溫隔熱等特點，適用于路基加寬填筑、結(jié)構(gòu)物減荷、基底軟基換填、礦山開采區(qū)回填、市政管線回填等多種工況。2011年天津西站重建工程為減小對原地鐵一號線混凝土框架的頂部壓力，對原設(shè)計2 m厚的土方采用氣泡輕質(zhì)土換填，取得了良好的應(yīng)用效果[1]。四川省天府新區(qū)貨運通道與成渝鐵路相交處，為滿足不擾動成渝客運專線橋下承臺和樁基的要求，采用氣泡輕質(zhì)土換填雜填土的方案并獲得較好效果[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對輕質(zhì)土展開了大量的研究，文獻[3]研究了EPS輕質(zhì)填土在城市人行道受人群荷載作用下的受力變形情況。文獻[4]研究了聚苯乙烯泡沫塑料輕質(zhì)土的輕質(zhì)、高強、變形間的相關(guān)關(guān)系，找到具有工程應(yīng)用前景的配方。文獻[5]研究了輕質(zhì)土密度、強度與材料組成之間的關(guān)系，論述了輕質(zhì)土試樣的制備方法。在實際施工中，對于換填高度較高的工況，為滿足氣泡輕質(zhì)土路基的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性，保證與既有路基的結(jié)合穩(wěn)定，在路基內(nèi)部常使用鋼筋進行錨固。但目前國內(nèi)對于氣泡輕質(zhì)土這種強度相對較低的微孔類材料與普通熱軋鋼筋的黏結(jié)性能及其錨固機制的相關(guān)研究較少，在實際工程中通常根據(jù)經(jīng)驗進行施工。為此，本文對鋼筋與氣泡輕質(zhì)土進行拉拔破壞試驗，研究其黏結(jié)性能、破壞機制以及相關(guān)影響因素。

1 拉拔破壞試驗

1.1 原材料與試件制備

試驗固化劑采用P42.5硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑起泡密度為50 kg/m3，試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體,氣泡輕質(zhì)土材料配制要求見表1。鋼筋采用普通熱軋鋼筋HRB400,HPB400級，直徑為14，16，18，25 mm，具體力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表1 氣泡輕質(zhì)土材料配制要求

表2 鋼筋力學(xué)性能

試驗中鋼筋沿立方體軸心線位置埋設(shè)，為消除端部效應(yīng)，避免試件加載端輕質(zhì)土受到擠壓破壞，在鋼筋與輕質(zhì)土兩端接觸部位加設(shè)膠套管。

1.2 試驗方法

圖1 鋼筋拉拔示意

由于輕質(zhì)土與普通鋼筋的黏結(jié)力較小，其拉拔值也較小(試驗拉拔力一般<10 kN),經(jīng)計算得直徑14 mm 的HRB400鋼筋A(yù)C段變形量為2.4 μm,可見對于輕質(zhì)土與鋼筋的黏結(jié)性能試驗，鋼筋的本身變形較小。試驗在量程為300 kN 的WDW4100型微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，加載應(yīng)變速率為0.1 kN/s，預(yù)緊力為1 kN,采用無橫向約束心拔出試件，養(yǎng)護齡期不小于28 d。加載模具外部尺寸為154 mm×154 mm×154 mm的中空立方體，使用10 mm厚加肋鋼板和直徑25 mm的HRB400鋼筋制作。電子萬能試驗機可實現(xiàn)動態(tài)采集自由端位移數(shù)據(jù)，試驗按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)[6]中的相關(guān)規(guī)定進行。試驗中鋼筋的有效黏結(jié)長度分別取50，75，100 mm，共制作12組試件，每組3個，試驗結(jié)果取均值。試件參數(shù)見表3。

表3 試件參數(shù)

1.3 試驗結(jié)果

鋼筋拉拔試驗結(jié)果如圖2所示。可知：試件破壞形式全部為鋼筋拔出破壞。在試驗過程中鋼筋未被拉斷，試件也沒有發(fā)生劈裂破壞現(xiàn)象，且表面完整性較好，無破壞裂縫產(chǎn)生，鋼筋與輕質(zhì)土之間發(fā)生沿鋼筋橫肋圓柱面上的剪切破壞。從拔出的鋼筋可看出，無論是螺紋鋼筋還是光圓鋼筋，無論直徑大小，拔出鋼筋外徑表面均附著有1層0.5～1.5 mm厚的輕質(zhì)土層，說明鋼筋與輕質(zhì)土之間的化學(xué)黏結(jié)力相對較大。在輕質(zhì)土澆筑成形過程中，鋼筋外徑表面與輕質(zhì)土形成了一定厚度的輕質(zhì)土黏結(jié)界面層，但該界面層的力學(xué)性能要低于其他部位輕質(zhì)土層。在鋼筋拉拔過程中，黏結(jié)界面層與輕質(zhì)土發(fā)生撕裂滑移，實為剪切破壞，隨后部分附著于鋼筋上被拔出。

圖2 鋼筋拉拔試驗結(jié)果

采用文獻[7-8]中能量吸收和等效強度的理論成果來分析鋼筋與氣泡輕質(zhì)土的黏結(jié)韌性，經(jīng)計算得出不同黏結(jié)長度條件下不同直徑、不同類型的鋼筋拉拔試驗中吸收的能量和等效黏結(jié)強度，見表4。

由表4可知：

當(dāng)鋼筋直徑從14 mm增加到18 mm時：①黏結(jié)長度50，75，100 mm的鋼筋極限荷載Fu分別增加了309.9%，41.7%，7.4%，極限黏結(jié)應(yīng)力分別增加了217.6%，10.1%，-21.9%;②滑移值增加2 mm(S1)條件下：當(dāng)黏結(jié)長度為50 mm時，能量吸收值和等效黏結(jié)強度分別增加了302.7%和214.7%，當(dāng)黏結(jié)長度為75 mm時，能量吸收值和等效黏結(jié)強度分別增加了37.9%和7.4%，當(dāng)黏結(jié)長度為100 mm時，能量吸收值和等效黏結(jié)強度分別減少了2.7%和24.6%；③滑移值增加4 mm(S2)條件下：當(dāng)黏結(jié)長度為50 mm時，能量吸收值和等效黏結(jié)強度分別增加了156.5%和100%，當(dāng)黏結(jié)長度為75 mm時，能量吸收值增加了28.9%，等效黏結(jié)強度保持不變，當(dāng)黏結(jié)長度為100 mm 時，能量吸收值和等效黏結(jié)強度分別減小了198.8%和31.7%；④滑移值增加6 mm(S3)條件下：當(dāng)黏結(jié)長度為50 mm，能量吸收值和等效黏結(jié)強度分別增加了107.8%和61.9%，當(dāng)黏結(jié)長度為75 mm，能量吸收值增加了23.6%，等效黏結(jié)強度減少4.1%，當(dāng)黏結(jié)長度為100 mm，能量吸收值和等效黏結(jié)強度分別減少1.9%和23.6%。

表4 不同黏結(jié)長度條件下鋼筋的拉拔試驗計算結(jié)果

注： R-螺紋鋼筋，P-光圓鋼筋，下角標數(shù)字表示鋼筋直徑，尾數(shù)字表示黏結(jié)長度。

當(dāng)直徑從18 mm增加到25 mm時，螺紋鋼筋極限荷載Fu的在同一黏結(jié)長度下增加量均在25%以下，增幅變化較小;同時，Q1,Q2,Q3在同一黏結(jié)長度(50,100 mm)下增加量均在7%以下，增幅較?。辉陴そY(jié)長度為75 mm 時，Q1,Q2,Q3均減少，減少量均在5%以下。等效黏結(jié)強度τeq1,τeq2,τeq3同一黏結(jié)長度下減少量均在22%～30%之間。

直徑≥16 mm的鋼筋極限黏結(jié)應(yīng)力與鋼筋直徑、有效黏結(jié)長度呈反比，極限荷載整體呈現(xiàn)緩慢增加;直徑14 mm鋼筋極限黏結(jié)應(yīng)力、極限荷載與有效黏結(jié)長度呈正比。

“他媽的小鬼子，真是有錢啊，不是炸彈就是炮彈，跟放爆竹一樣，不讓我們有個消停?！毕膰乙贿吜R，一邊趕緊和副連長組織戰(zhàn)士們躲避小鬼子的炮彈。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 鋼筋直徑與黏結(jié)性能的關(guān)系

為確定鋼筋直徑與黏結(jié)性能的關(guān)系，在有效黏結(jié)長度50,75，100 mm條件下采用不同直徑的鋼筋進行試驗，取得的黏結(jié)應(yīng)力-位移關(guān)系見圖3?？芍睆健?6 mm的鋼筋在同一有效黏結(jié)長度下，鋼筋直徑對黏結(jié)性能影響較大，直徑增大，鋼筋黏結(jié)面積變大，黏結(jié)應(yīng)力變小。

圖3 不同鋼筋直徑的黏結(jié)-位移曲線

由于實際工程中出于安全因素，往往考慮的是鋼筋的黏結(jié)極限荷載，當(dāng)鋼筋直徑位于18～25 mm時，鋼筋極限黏結(jié)應(yīng)力較優(yōu)。同時，當(dāng)達到極限荷載后，直徑越大，荷載-位移曲線越加平緩，表示其吸收的能量值越多，黏結(jié)強度緩慢變小，黏結(jié)韌性越好。

2.2 有效黏結(jié)長度與黏結(jié)性能的關(guān)系

為確定有效黏結(jié)長度與黏結(jié)性能的關(guān)系，對直徑14,16,18,25 mm的鋼筋在不同有效黏結(jié)長度條件下進行試驗，取得的黏結(jié)應(yīng)力-滑移值關(guān)系見圖4。

圖4 不同直徑鋼筋的黏結(jié)應(yīng)力-滑移值關(guān)系

由圖4可知，當(dāng)鋼筋直徑≥16 mm時，有效黏結(jié)長度對黏結(jié)應(yīng)力的影響較小，而直徑為14 mm時，有效黏結(jié)長度對極限黏結(jié)應(yīng)力影響較大。即：當(dāng)鋼筋直徑較小時，有效黏結(jié)長度對極限荷載和極限黏結(jié)應(yīng)力的影響較大；當(dāng)鋼筋直徑較大時，有效黏結(jié)長度對極限荷載的影響較小。

2.3 黏結(jié)界面層對黏結(jié)性能的影響分析

從拔出的鋼筋來看，無論是螺紋鋼筋還是光圓鋼筋，無論直徑大小，極限黏結(jié)試驗拔出鋼筋外徑表面均附著有一層0.5～1.5 mm厚的分布不均的輕質(zhì)土層(參見圖2)。參考基于能量的鋼與混凝土界面黏結(jié)強度以及型鋼黏結(jié)基本理論等文獻[9-13]，拉裂結(jié)構(gòu)破壞如圖5所示。

圖5 拉拔試驗結(jié)構(gòu)破壞示意

由圖5可知，由于鋼筋與輕質(zhì)土間形成的黏結(jié)界面層的力學(xué)性能要低于其他部位輕質(zhì)土層，在鋼筋拉拔受力過程中，鋼筋與輕質(zhì)土的拉拔破壞，其實質(zhì)為鋼筋表層附著的黏結(jié)界面在輕質(zhì)土層內(nèi)產(chǎn)生的剪切破壞。

為確定鋼筋類型與抗拔作用的關(guān)系，對25 mm 直徑的螺紋鋼筋和光圓鋼筋，在有效黏結(jié)長度分別為50，75，100 mm的條件下進行對比試驗，黏結(jié)應(yīng)力-滑移值關(guān)系見圖6。

圖6 黏結(jié)應(yīng)力-滑移值關(guān)系

由圖6可知，當(dāng)鋼筋有效黏結(jié)長度為50 mm時，螺紋鋼筋的極限荷載和極限黏結(jié)強度比光圓鋼筋的分別增加了16.7%和16.4%；當(dāng)鋼筋有效黏結(jié)長度為75 mm 時，極限荷載和極限黏結(jié)強度分別增加了2.0%和1.6%，當(dāng)鋼筋有效黏結(jié)長度為100 mm時，極限荷載和極限黏結(jié)強度反而分別減少了0.41%和1.06%。可見，黏結(jié)長度變化時，機械咬合力對黏結(jié)性能的影響較小，而輕質(zhì)土與鋼筋的附著強度相對較大，這揭示了黏結(jié)界面的存在的合理性。

將黏結(jié)界面層的抗滑移能力用剪抗比的函數(shù)關(guān)系來表示，此時，當(dāng)鋼筋從加載開始到發(fā)生滑移，即黏結(jié)界面層發(fā)生剪切破壞時，滑移黏結(jié)應(yīng)力主要跟鋼筋相對黏結(jié)長度，相對保護層厚度以及黏結(jié)界面層抗滑移能力有關(guān)，用函數(shù)關(guān)系表示為

(1)

式中：τ為滑移黏結(jié)應(yīng)力；d為鋼筋直徑;l為鋼筋長度;c為鋼筋保護層厚度;τs為鋼筋發(fā)生滑移時的臨界應(yīng)力;fcu,k為氣黏結(jié)界面的抗阻應(yīng)力;l/d為鋼筋長徑比，c/l為鋼筋相對保護層厚度，τ/fcu，k為氣泡輕質(zhì)土剪抗比。s{},f(),g(),p()分別為各自變量對應(yīng)的因變量函數(shù)。

當(dāng)τ達到鋼筋發(fā)生滑移時的臨界應(yīng)力τs，鋼筋開始滑移時，取直徑為14,16,18,20,25 mm的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析得出

(2)

回歸分析結(jié)果顯示，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.918，標準差為0.026，方程回歸效果較好。這說明滑移黏結(jié)應(yīng)力與鋼筋相對黏結(jié)長度、鋼筋相對保護層厚度以及黏結(jié)界面層抗滑移能力密切相關(guān)。

3 結(jié)論與建議

本文通過多組鋼筋-氣泡輕質(zhì)土拔出試驗，研究了普通熱軋鋼筋與氣泡輕質(zhì)土的黏結(jié)性能。主要結(jié)論如下：

1)鋼筋直徑≥16 mm時，極限黏結(jié)應(yīng)力隨鋼筋直徑和有效黏結(jié)長度的增加而逐漸減小，極限荷載緩慢增加，所以實際上增加鋼筋直徑效能比并不顯著，因此不建議在實際工程中使用增大鋼筋直徑的方法增加極限荷載。

2)當(dāng)鋼筋直徑為14 mm時，極限荷載受鋼筋直徑和有效黏結(jié)長度影響較大，極限黏結(jié)應(yīng)力隨鋼筋直徑和有效黏結(jié)長度的增加而變大。建議實際工程中使用不小于16 mm的鋼筋。

3)有效黏結(jié)長度較大時，螺紋鋼筋與光圓鋼筋的極限黏結(jié)應(yīng)力相差較小。這揭示了一定范圍內(nèi)，黏結(jié)性能受黏結(jié)界面層影響較大。這是造成鋼筋-氣泡輕質(zhì)土黏結(jié)性能變化特點的重要因素，但關(guān)于黏結(jié)界面層的討論，仍然有待進一步試驗分析。

4)鑒于目前缺少氣泡輕質(zhì)土與鋼筋的黏結(jié)性能的相關(guān)研究，建議后期通過深入研究，嘗試提出氣泡輕質(zhì)土黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型。

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