凍融下預(yù)濕方式對(duì)塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的影響

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.北京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100124)

中國(guó)北方嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)主要受凍融侵蝕。嚴(yán)重的凍融損傷可致使混凝土構(gòu)件無(wú)法繼續(xù)承擔(dān)荷載，縮短了混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能是影響構(gòu)件結(jié)構(gòu)力學(xué)性能退化的主要原因之一[1]。因此，在嚴(yán)寒地區(qū)工程中，對(duì)混凝土粘結(jié)性能研究至關(guān)重要[2]。

輕骨料混凝土密度小，混凝土結(jié)構(gòu)自重較輕，表面多孔，可增強(qiáng)混凝土的抗凍性，但輕骨料混凝土強(qiáng)度低，易發(fā)生脆性破壞[3-4]。為了解決這一缺陷，在水泥基體中摻加纖維是最有效的方法，塑鋼纖維具有質(zhì)輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，摻入輕骨料混凝土中能明顯提高其韌性及其他力學(xué)性能[5-6]。由于輕骨料自身質(zhì)量較輕，在混凝土攪拌、運(yùn)輸、振搗及澆筑過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)骨料上浮現(xiàn)象，同時(shí)，輕骨料在養(yǎng)護(hù)時(shí)會(huì)吸收骨料表面的水分，從而影響骨料與水泥漿界面的強(qiáng)度。預(yù)濕骨料可以在一定程度上抑制骨料上浮[7-8]，輕骨料預(yù)濕可采用常壓預(yù)濕與加壓預(yù)濕兩種方法，常壓預(yù)濕較便捷，但由于其預(yù)濕壓力有限，使得預(yù)濕時(shí)間較長(zhǎng)，且很難使骨料達(dá)到飽水狀態(tài)，從而使骨料上浮的抑制作用受到限制[9-10]；加壓預(yù)濕輕骨料由于外部較高的水壓力，使骨料很快就接近飽水狀態(tài)，可以極大地縮短預(yù)濕時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輕骨料混凝土的工業(yè)化生產(chǎn)以及規(guī)?；褂肹11-12]。對(duì)于凍融環(huán)境下不同預(yù)濕方式塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的理論與試驗(yàn)資料較少。

筆者研究不同凍融循環(huán)次數(shù)(0、50、100、150)、輕骨料預(yù)濕方式對(duì)塑鋼纖維輕骨料混凝土的力學(xué)性能、粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)韌性的影響規(guī)律，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合凍融環(huán)境下塑鋼纖維輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度的退化模型和粘結(jié)韌性的退化模型。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料及配合比

水泥：內(nèi)蒙古蒙西水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥；粗骨料：湖北宜昌寶珠陶粒生產(chǎn)的燒結(jié)圓球型頁(yè)巖陶粒，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1；塑鋼纖維：寧波大成新材料生產(chǎn)的聚丙烯粗纖維，呈波浪型，其性能參數(shù)見(jiàn)表2，根據(jù)前期研究成果，輕骨料混凝土中塑鋼纖維摻量采用8 kg/m3；外加劑：B2萘系高效減水劑，AH-1型引氣劑，新拌混凝土含氣量為3.6%；參照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)中的松散體積法進(jìn)行塑鋼纖維輕骨料混凝土配合比的初步設(shè)計(jì)，塑鋼纖維輕骨料混凝土的配合比見(jiàn)表3。

表3 輕骨料混凝土配合比Table 3 Mix proportion of lightweight aggregate concrete

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中輕骨料預(yù)濕試驗(yàn)研究結(jié)果可知：常壓預(yù)濕頁(yè)巖陶粒1 h，輕骨料的含水狀態(tài)已接近穩(wěn)定；頁(yè)巖陶粒在1.5 MPa壓力下預(yù)濕15 min處理，輕骨料已接近飽水狀態(tài)。按照上述方法進(jìn)行預(yù)濕，常壓預(yù)濕骨料在清水中浸泡1 h，表干狀態(tài)的輕骨料最終含水率為5.2%；加壓預(yù)濕使用骨料加壓預(yù)濕機(jī)，陶粒在1.5 MPa的壓力下預(yù)濕15 min，然后將陶粒表面處理至表干，骨料最終含水率為16.28%。

參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13—2009)進(jìn)行輕骨料混凝土的攪拌與振搗試驗(yàn)，凍融試驗(yàn)程序參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 d后水養(yǎng)4 d，對(duì)試件進(jìn)行快凍法，分別凍融循環(huán)0、50、100及150次。試件編號(hào)中A代表常壓預(yù)濕、P代表加壓預(yù)濕，A-050表示骨料常壓預(yù)濕下凍融循環(huán)50次。

通過(guò)鋼筋內(nèi)貼應(yīng)變片的方法測(cè)得錨固段內(nèi)鋼筋在加載過(guò)程中的應(yīng)變趨勢(shì)。鋼筋沿縱向剖切為兩片，在鋼筋的兩個(gè)剖面中間位置處開(kāi)槽，槽口寬為5 mm，深為2 mm。在鋼筋錨固段內(nèi)均勻分布粘貼5個(gè)應(yīng)變片。然后用AB膠將槽填滿，以保護(hù)應(yīng)變片，最后將鋼筋剖面打磨平整，將兩片鋼筋焊接固定在一起。在試件加載端及自由端的非粘結(jié)段使用PVC套筒隔離鋼筋與混凝土，以免影響試件的錨固長(zhǎng)度。使用膠槍密封鋼筋與PVC管間的縫隙，避免漿體滲入縫隙內(nèi)影響錨固效果。直接拔出試驗(yàn)用60 t液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加荷載，直接拔出試件基準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖與試驗(yàn)加載裝置分別如圖1、圖2所示。

圖1 基準(zhǔn)試件設(shè)計(jì)Fig.1 Benchmark specimen design

圖2 直接拔出試驗(yàn)加載裝置Fig. 2 Direct pull-out test loading

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

塑鋼纖維輕骨料混凝土試塊表面的混凝土剝落情況隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸加重，試塊上輕骨料與塑鋼纖維表面附著水泥漿隨之剝落，常壓預(yù)濕輕骨料混凝土表面剝落情況少于加壓預(yù)濕試件，如圖3凍融環(huán)境下不同預(yù)濕方式輕骨料混凝土試件表面現(xiàn)象所示。

圖3 凍融環(huán)境下不同預(yù)濕方式輕骨料混凝土試件表面現(xiàn)象Fig.3 Surface phenomena of lightweight aggregate concrete specimens in different pre wetting manner under

兩組試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，試件破壞形貌基本類似。圖4為未凍融時(shí)頁(yè)巖陶粒劈裂破壞圖，試件斷裂面處的陶粒皆為劈裂破壞，塑鋼纖維被拔斷；50次凍融時(shí)試件斷裂面中約40%陶粒被劈裂，其余陶粒保持完整，且塑鋼纖維皆被拔斷，劈斷面略顯粗糙；100次凍融試件斷裂面僅有少部分陶粒被劈裂，且塑鋼纖維皆被拔出；150凍融時(shí)試件斷裂面的陶粒均與水泥漿體相剝離，且塑鋼纖維皆被拔出。

圖4 頁(yè)巖陶粒劈裂破壞圖Fig.4 Fracture splitting diagram of shale

2.2 凍融環(huán)境下預(yù)濕方式對(duì)試件力學(xué)性能的影響

從圖5、圖6可以看出，凍融環(huán)境下，加壓預(yù)濕與常壓預(yù)濕輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度皆隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，且加壓預(yù)濕輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于常壓預(yù)濕試件。這是因?yàn)槌侯A(yù)濕下陶粒的吸水能力沒(méi)有加壓預(yù)濕下陶粒的吸水能力強(qiáng)，在混凝土拌和過(guò)程中，常壓預(yù)濕輕骨料并未達(dá)到飽和水狀態(tài)，陶粒吸水造成混凝土有效水灰比下降，從而抗壓強(qiáng)度變大。并且，在硬化水化過(guò)程中，常壓預(yù)濕陶粒返水能力低于加壓預(yù)濕陶粒返水能力。

2.3 凍融環(huán)境下預(yù)濕方式對(duì)試件粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖7可以看出，兩組粘結(jié)試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度退化規(guī)律與試件強(qiáng)度退化規(guī)律相似，其中,加壓預(yù)濕輕骨料試件的抗凍性相較于常壓預(yù)濕試件表現(xiàn)得較差。這是由于加壓預(yù)濕飽和水狀態(tài)下陶粒表面孔隙的水分比常壓預(yù)濕陶粒表面孔隙的水分多，在混凝土攪拌過(guò)程中水泥漿體很難進(jìn)入加壓預(yù)濕陶粒表面孔隙中，降低了輕骨料與水泥漿體界面間的化學(xué)膠著力。同時(shí)，在反復(fù)凍融作用下，加壓預(yù)濕陶粒吸水量小而返水能力強(qiáng)，靜水壓力和滲透壓力加劇了加壓預(yù)濕骨料的劣化，使得加壓預(yù)濕陶粒抗凍性低于常壓預(yù)濕陶粒，導(dǎo)致加壓預(yù)濕試件的粘結(jié)性能弱于常壓預(yù)濕試件。

2.4 凍融環(huán)境下預(yù)濕方式對(duì)試件荷載滑移曲線的影響

如圖8(a)所示，P-000與A-000在微滑階段與滑移階段幾乎相重合；當(dāng)曲線進(jìn)入到劈裂階段時(shí)，A-000試件產(chǎn)生較大的滑移而后拔出破壞，而P-000試件在自由端稍有滑移后即發(fā)生劈裂破壞，兩組試件的峰值滑移量差距較大。

如圖8(b)所示，試件經(jīng)受50次凍融循環(huán)，兩組試件的上升曲線幾乎重合，P-050試件在劈裂階段僅產(chǎn)生較小的滑移即發(fā)生劈裂破壞，隨后荷載迅速下降。而A-050則在試件的劈裂階段產(chǎn)生較大的滑移，試件達(dá)到極限粘結(jié)強(qiáng)度后仍具有較高的承載能力，且該試件的卸載過(guò)程較為平緩。

圖8 不同預(yù)濕方式輕骨料混凝土在凍融環(huán)境下的F-S曲線Fig. 8 F-S curves of lightweight aggregate concrete under different freezing and thawing

經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后，兩組試件的破壞形態(tài)均為劈裂破壞，且曲線發(fā)展趨勢(shì)相似。由于不同預(yù)濕方式試件基體強(qiáng)度經(jīng)100次凍融循環(huán)后表現(xiàn)出較大的差別，導(dǎo)致P-100與A-100試件的曲線從滑移階段就表現(xiàn)出一定的差異,如圖8(c)所示。

2.5 凍融環(huán)境下預(yù)濕方式對(duì)試件粘結(jié)韌性的影響

圖9 粘結(jié)韌性參數(shù)定義圖Fig.9 Definition diagram of bond toughness

圖10 不同預(yù)濕方式的輕骨料混凝土試件的粘結(jié)韌性Fig.10 Bond toughness of lightweight aggregate concrete specimens with different pre wetting

3 凍融環(huán)境下塑鋼纖維輕骨料混凝土的強(qiáng)度退化計(jì)算模型

根據(jù)凍融環(huán)境中塑鋼纖維輕骨料混凝土的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，得出輕骨料混凝土試件經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的損失規(guī)律。

3.1 凍融環(huán)境下塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式

抗壓強(qiáng)度是混凝土力學(xué)強(qiáng)度中應(yīng)用最為廣泛、表述最為直觀的力學(xué)性能指標(biāo)，輕骨料混凝土在凍融環(huán)境中抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律直接反應(yīng)出輕骨料混凝土基體在凍融環(huán)境中所承受的凍融損傷[14]。因?yàn)榛炷僚c鋼筋之間粘結(jié)性能由諸多繁雜因素影響，并且鋼筋在混凝土錨固區(qū)間內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，難以準(zhǔn)確地模擬，因此，關(guān)于鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算模型基本上都是基于試驗(yàn)結(jié)果擬合所得。當(dāng)混凝土處于凍融環(huán)境時(shí)，混凝土與鋼筋間粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算模型所考慮的影響因素更復(fù)雜[15]。根據(jù)塑鋼纖維輕骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選用混凝土抗壓強(qiáng)度作為損傷變量，并定義混凝土損傷度D為

D=1-fcu,res/fcu,0

式中：fcu,o和fcu,res分別為混凝土的初始抗壓強(qiáng)度和凍融損傷后的剩余抗壓強(qiáng)度。

圖11為常壓預(yù)濕和加壓預(yù)濕下鋼筋與塑鋼纖維輕骨料混凝土的剩余粘結(jié)強(qiáng)度τu,res與損傷度D的關(guān)系散點(diǎn)圖及其回歸分析結(jié)果。

圖11 塑鋼輕骨料混凝土τu,res與D的關(guān)系圖Fig. 11 Relation diagram of plastic steel lightweight

回歸分析結(jié)果表明，在凍融循環(huán)下指數(shù)函數(shù)能較好地?cái)M合鋼筋與塑鋼纖維輕骨料混凝土的剩余粘結(jié)強(qiáng)度τu,res與損傷度D，其關(guān)系可表示為

τu,res=e-D/w·τu,0

式中：τu,0為鋼筋與塑鋼纖維輕骨料混凝土的初始粘結(jié)強(qiáng)度；w為回歸參數(shù)，與輕骨料預(yù)濕方式有關(guān)，其具體數(shù)值見(jiàn)圖11。

常壓骨料預(yù)濕和加壓骨料預(yù)濕回歸參數(shù)w分別為0.718和0.709，兩者相差不大，且都能較好的反映凍融后塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋τu,res與D之間的關(guān)系。

3.2 凍融環(huán)境下塑鋼纖維輕骨料混凝土粘結(jié)韌性的退化計(jì)算公式

對(duì)凍融環(huán)境下塑鋼纖維輕骨料混凝土的粘結(jié)韌性值進(jìn)行擬合，得到試件極限粘結(jié)韌性和殘余粘結(jié)韌性與凍融循環(huán)次數(shù)間的損傷演化方程，計(jì)算模型使用指數(shù)型表達(dá)式

AN=A0×ab·N

(1)

式中：AN為經(jīng)N次凍融循環(huán)作用的粘結(jié)韌性值；A0為未經(jīng)凍融循環(huán)作用的粘結(jié)韌性值；a、b為擬合系數(shù)。

將極限粘結(jié)韌性值和殘余韌性值的試驗(yàn)結(jié)果按照式(1)進(jìn)行擬合，得到的結(jié)果如表4所示，計(jì)算式與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

表4 凍融環(huán)境下輕骨料混凝土粘結(jié)韌性損傷模型擬合結(jié)果Table 4 Results of bond toughness model of lightweight aggregate concrete in freezing-thawing environment

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)凍融環(huán)境下不同預(yù)濕方式的塑鋼纖維輕骨料混凝土進(jìn)行抗壓、劈拉以及直接拔出試驗(yàn)，分析塑鋼纖維及預(yù)濕方式對(duì)輕骨料混凝土試件的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

2)加壓預(yù)濕的塑鋼纖維輕骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、極限粘結(jié)強(qiáng)度以及粘結(jié)韌性均比常壓預(yù)濕試件小，并且加壓預(yù)濕試件的抗凍性比常壓預(yù)濕試件差，建議在容易遭受凍融侵蝕的環(huán)境中，使用常壓預(yù)濕輕骨料混凝土。

3)以混凝土抗壓強(qiáng)度作為損傷度D，探究?jī)鋈诃h(huán)境下兩種預(yù)濕塑方式鋼纖維輕骨料混凝土試件與鋼筋剩余粘結(jié)強(qiáng)度τu,res與損傷度D之間關(guān)系，結(jié)果表明：兩種骨料預(yù)濕方式回歸參數(shù)w相差不大且擬合度較高。并且對(duì)兩種預(yù)濕塑方式鋼纖維輕骨料混凝土試件與鋼筋粘結(jié)韌性退化計(jì)算模型進(jìn)行擬合，得出的計(jì)算式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度較高。

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