鋼筋直徑對保溫混凝土凍融后粘結(jié)錨固性能的影響

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 山西太原030024)

0 引言

混凝土的耐久性是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注的重大科技問題，近幾十年來，混凝土結(jié)構(gòu)因耐久性不足而破壞的事例有增無減，全世界每年因混凝土耐久性不良導(dǎo)致工程壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失巨大。相關(guān)研究表明凍融循環(huán)作用是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要原因之一[1]。在我國三北寒區(qū)的建筑物由于受到凍融循環(huán)的作用，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固性能極大降低[2-3]，進(jìn)而降低了建筑物的耐久性，嚴(yán)重影響了建筑結(jié)構(gòu)安全性。而保溫混凝土(TIC)作為一種功能性混凝土，實(shí)現(xiàn)了保溫性能和結(jié)構(gòu)性能的完美平衡，目前對保溫混凝土配合比設(shè)計(jì)、保溫性能、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能已經(jīng)有一些研究[4-7]。鋼筋與混凝土粘結(jié)錨固性能是其兩者之間共同工作的首要條件，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對凍融循環(huán)作用后鋼筋與普通混凝土的粘結(jié)錨固性能進(jìn)行了一定的研究，但對鋼筋與保溫混凝土的粘結(jié)錨固性能的研究尚不深入。

為了衡量TIC的耐久性，已有學(xué)者測試了TIC的抗凍性[8]，結(jié)果表明在凍融循環(huán)300次內(nèi)，60.5 %～85.2 %的TIC具有良好的抗凍性。張燕[9]研究表明，凍融循環(huán)對鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能和滑移量影響較大。PETERSEN等[10]的試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)部損傷的位置明顯使粘結(jié)應(yīng)力減少以及滑移增加?；谇叭搜芯拷Y(jié)果可以總結(jié)以下兩個(gè)主要觀點(diǎn)，一個(gè)是凍融循環(huán)作用等對混凝土粘結(jié)錨固性能的影響[11]；二是混凝土的材料特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)對粘結(jié)錨固性能的影響，而不是外部環(huán)境，如凍融循環(huán)次數(shù)[8,12-13]。

本文分析了3種不同直徑鋼筋(d=10 mm、12 mm、16 mm)對凍融循環(huán)后TIC粘結(jié)性能的影響，為TIC在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)建議。為了使得試驗(yàn)結(jié)果適用范圍更廣，本試驗(yàn)所有試驗(yàn)方法均參考國際標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 保溫混凝土

本次試驗(yàn)所用保溫混凝土配合比見表1。

表1 ?；⒅楸鼗炷僚浜媳萒ab.1 Mixture ratio forglazed hollow beads thermal insulation concrete

注：?；⒅闉轶w積摻量。

本試驗(yàn)所用膠凝材料為太原獅頭水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥以及四川某公司生產(chǎn)的硅灰，其成分及基本性能指標(biāo)見表2；砂采用太原某砂廠建筑用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.37，堆積密度1 500 kg/m3；石子采用太原某石廠天然碎石，碎石粒徑取5～20 mm。采用的保溫骨料是河南信陽某廠家生產(chǎn)的玻化微珠?；疚锢硇阅芤姳?。

表2 膠凝材料的性質(zhì)和成分Tab.2 Properties and constituents of cementitious materials

表3 ?；⒅榈奈锢硇阅躎ab.3 Basic physical properties of glazed hollow beads

高效聚羥酸減水劑，減水率35 %～40 %；試驗(yàn)用水為自來水。

1.1.2 鋼筋

本次試驗(yàn)選用直徑為d=10 mm、12 mm、16 mm的變形鋼筋(見圖1)。本試驗(yàn)所用鋼筋的各參數(shù)，測定結(jié)果見表4。

圖1 不同直徑變形鋼筋Fig.1 Different-diameter deformed steel bars

鋼筋類別直徑/mm密度/(kg·m-3)屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)直徑/mm外直經(jīng)/mm鋼筋肋高/mm鋼筋橫肋寬/mm100.644536469.8811.480.777.1HRB400120.8740861811.6613.480.907.2161.5241560415.7817.740.979.6

1.2 試件制備

本次試驗(yàn)所有試件的制備與養(yǎng)護(hù)均在太原理工大學(xué)中心試驗(yàn)室進(jìn)行。試件類型分為四組，分別為T-R10、T-R12、T-R16、N-R12(字母T、R、N分別為保溫混凝土、變形鋼筋、普通混凝土；數(shù)字10、12、16表示鋼筋直徑，單位mm)，每組9個(gè)，分別用于凍融循環(huán)次數(shù)為0、50、100拉拔試驗(yàn)；試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

2 試驗(yàn)方法

2.1 拉拔試驗(yàn)

本試驗(yàn)在太原理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，其拉拔加載裝置圖及示意圖如圖2所示。

(a) 拉拔試驗(yàn)現(xiàn)場加載裝置

b) 拉拔試驗(yàn)加載裝置示意圖

3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

3.1 拉拔試驗(yàn)

在拉拔試驗(yàn)過程中，試件破壞形式主要有三種，即撥出破壞、拔出—劈裂破壞與劈裂破壞。典型的破壞形式如圖3所示。直徑d≦12 mm的鋼筋TIC試件均為撥出破壞，試件側(cè)面無裂出現(xiàn)，滑移量明顯，拉拔荷載下降平緩，大多數(shù)變形鋼筋TIC試件破壞形式為撥出破壞；在經(jīng)歷100次后凍融循環(huán)后，試件出現(xiàn)破壞形式的劣變，鋼筋直徑d=16 mm的TIC試件發(fā)生劈裂破壞，且為突然開裂，有爆裂的聲音，為脆性破壞；鋼筋直徑d=12 mm的NC與TIC試件，大部分為拔出破壞，且凍融循環(huán)100次后，NC試件產(chǎn)生的是拔出—劈裂破壞。由破壞形式可以看出，TIC的粘結(jié)性能優(yōu)于NC。拉拔試驗(yàn)如表5所示。

(a) 拔出破壞

b) 拔出—劈裂破壞

(c) 劈裂破壞

3.2 粘結(jié)滑移曲線

為了探究凍融前后變形鋼筋直徑對TIC粘結(jié)錨固性能的影響，繪制了凍融前后TIC和NC試件粘結(jié)滑移曲線，如圖4所示。

表5 凍融前后試件拉拔試驗(yàn)特征值及破壞形式Tab.5 Eigenvalue and forms of destruction for pull-out specimens

(b) TIC-R126

(c) TIC-R10

(d) TIC-R16

如圖4對比可知，凍融前后不同直徑變形鋼筋TIC試件與NC試件的粘結(jié)滑移曲線趨勢基本相似。本試驗(yàn)得到的結(jié)果與王傳智等[14]提出的τ-s曲線模型比較接近，且該模型具有代表性。本次試驗(yàn)以此為參考模型，對粘結(jié)滑移曲線展開分析。從圖4中可以看出，變形鋼筋與TIC和普通混凝土的粘結(jié)滑移曲線粘結(jié)曲線基本相似，均包含五個(gè)階段：前期滑移段、初期滑移段、撥出階段、中期下降段和后期殘余段，不同階段的特點(diǎn)如下：

①前期滑移段：不同鋼筋直徑與TIC的粘結(jié)曲線相似。凍融前，為線彈性階段，拉拔荷載較小，該階段起主要作用的是鋼筋與混凝土接觸面上的膠結(jié)力，且滑移量較小。凍融后，各組TIC試件粘結(jié)滑移曲線變化不明顯；且在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，不同直徑鋼筋下的試件存在不同的比例極限及相應(yīng)的滑移量。

②初期滑移段：該階段鋼筋與TIC接觸面上的膠結(jié)力消失，起主要作用的是混凝土收縮握裹鋼筋的摩阻力和鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力。凍融前，粘結(jié)滑移量隨拉拔荷載的增加，變化并不明顯。相對而言，作用同等拉拔荷載時(shí)，凍融后粘結(jié)滑移量比凍融前有明顯的增加。

③撥出階段：該階段機(jī)械咬合力起主要作用。由于鋼筋橫肋與TIC機(jī)械咬合界面發(fā)生剪切破壞，使得鋼筋與試件發(fā)生了剪切滑動(dòng)；凍融前，隨著拉拔荷載緩慢增加，滑移量變化較小，粘結(jié)應(yīng)力急速增加；凍融后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，峰值滑移量也逐漸增加，而曲線斜率和極限荷載逐漸減小。

④中期下降段：達(dá)到拉拔極限荷載時(shí)，粘結(jié)曲線隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其下降段逐漸趨于平緩。

⑤后期殘余段：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，變形鋼筋與TIC之間殘余強(qiáng)度逐漸降低。

3.3 峰值滑移

圖5 凍融作用下不同變形鋼筋 直徑與峰值滑移的關(guān)系Fig.5 Relationship between diameter of different deformed bars and peak slip for TIC with deformed bars

圖5為凍融前后TIC試件的峰值滑移與變形鋼筋直徑關(guān)系，圖中N為凍融循環(huán)次數(shù)。相關(guān)研究表明，中心拉拔試驗(yàn)試件的峰值滑移量與鋼筋的直徑大小有關(guān)[15]。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，試件經(jīng)過凍融循環(huán)100次后，直徑d=10 mm、12 mm和16 mm的變形鋼筋TIC試件，其對應(yīng)的峰值滑移分別增加了0.36 mm、0.27 mm和0.01 mm。由此試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼筋直徑越大，凍融對變形鋼筋試件峰值滑移的作用越不明顯。圖5所示，峰值滑移量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且錨固變形鋼筋直徑越大，滑移量越小(劈裂破壞形態(tài)除外)；在經(jīng)歷相同凍融循環(huán)次數(shù)后，TIC試件的峰值滑移量隨著變形鋼筋直徑的增大而減小，這種趨勢并未因凍融循環(huán)而改變。原因是鋼筋相對肋高和肋矩隨直徑增大而減小，從而導(dǎo)致變形鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合面積減小，TIC試件的峰值滑移減小。

4 結(jié)論

①變形鋼筋TIC試件的破壞形式與鋼筋直徑有關(guān)。經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，直徑為d=10 mm和12 mm的變形鋼筋TIC試件均為撥出破壞，直徑為d=16 mm的變形鋼筋TIC試件發(fā)生劈裂破壞。

②凍融循環(huán)對不同直徑變形鋼筋TIC試件粘結(jié)滑移曲線趨勢影響大致相似，且對局部滑移階段影響較小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，極限荷載逐漸減小，達(dá)到極限荷載后，下降段曲線逐漸趨于扁平。

③經(jīng)歷相同凍融循環(huán)次數(shù)后，變形鋼筋直徑越大，峰值滑移量越小。凍融循環(huán)100次后，直徑為10 mm、12 mm和16 mm的TIC試件，其對應(yīng)的峰值滑移增加量分別為0.36 mm、0.27 mm和0.01 mm；峰值滑移量受凍融循環(huán)作用影響較大，且錨固變形鋼筋直徑越小，影響越大。