不同功率微波照射下鋼筋混凝土粘結(jié)滑移試驗(yàn)分析

戴 俊，馮昌超，李棟爍，黃斌斌

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

混凝土結(jié)構(gòu)拆除技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今城市地下工程領(lǐng)域和房屋加固領(lǐng)域的一個很重要的問題[1-3]，隨著城市的快速發(fā)展，每年需要拆除大量的混凝土建筑，新舊混凝土建筑結(jié)構(gòu)物的交替也勢必更加頻繁。而對于地下混凝土結(jié)構(gòu)的拆除會經(jīng)常遇到大型機(jī)械無法到達(dá)工作面的困難，人工拆除效率通常很低。因此迫切需要一種高效率的地下混凝土結(jié)構(gòu)物的破碎拆除方法。

近年來，中外學(xué)者在鋼筋混凝土拆除技術(shù)領(lǐng)域做了一定量的研究，當(dāng)前研究較多的混凝土拆除技術(shù)有金剛石鋼絲索切割技術(shù)、加熱法拆除技術(shù)、高溫火焰、等離子槍技術(shù)和電能破碎混凝土技術(shù)等[4-6]。也有部分學(xué)者在高溫后對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能方面有一定的研究，研究表明：鋼筋混凝土的整體粘結(jié)滑移曲線走勢在高溫條件下與常溫條件下大致相同，曲線峰值粘結(jié)應(yīng)力隨著溫度的升高而有所降低，相應(yīng)的滑移量也持續(xù)減小[7-9]。Chiang等[10]通過研究不同溫度下鋼筋和混凝土粘結(jié)強(qiáng)度，得到了粘結(jié)強(qiáng)度和溫度、加熱時間的關(guān)系式。Hasan等[11]通過考慮保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度和溫度等因素，對鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移關(guān)系進(jìn)行了量化分析。綜上所述，目前關(guān)于拆除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究雖然很多，但仍然存在諸多缺點(diǎn)很難使其推廣應(yīng)用；而微波作為一種新型的破碎方法卻主要停留在巖石破碎上，通過微波照射能損傷巖石并降低其強(qiáng)度[12-13]。微波輔助機(jī)械作為一種較完善的破碎拆除方法，不僅在破巖方面適用，而且對于城市狹窄區(qū)域以及特殊鋼筋混凝土構(gòu)筑物的拆除也適用；對于鋼筋混凝土粘結(jié)性能方面研究，大多使用電爐加熱試塊[14-15]，加熱速率慢且溫度梯度低，火災(zāi)防護(hù)方面應(yīng)用較多。為此，要想將微波輔助機(jī)械拆除混凝土技術(shù)更廣泛地推廣到工程應(yīng)用上，必須在初期對微波照射下鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)損傷和破壞特征進(jìn)行深入研究。鑒于此，在前人研究的基礎(chǔ)上，選擇鋼筋混凝土為研究對象，對鋼筋混凝土試件進(jìn)行微波照射試驗(yàn)、對微波照射條件下鋼筋混凝土試塊的粘結(jié)強(qiáng)度衰減和破壞特征兩方面展開研究，從理論上對微波照射鋼筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度損傷進(jìn)行分析，給出不同功率微波對應(yīng)的粘結(jié)滑移本構(gòu)方程，旨在為微波輔助機(jī)械拆除鋼筋混凝土方面的研究提供理論與技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試件設(shè)計

本次混凝土強(qiáng)度等級為C30，參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)，經(jīng)適配采用的混凝土配合比為：水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.46∶1.29∶1.93(質(zhì)量比)。所需主筋和PVC(聚氯乙烯)套管均在大明宮鋼材市場加工，其中主筋加工為250 mm每段共計50 段，PVC管加工為55 mm每段共計100 段。模具為150 mm立方體可拆卸塑料試模，因試塊加入鋼筋的特殊要求，需在試模對稱兩面中心鉆直徑為24 mm圓孔。制作試件之前，在試模上預(yù)先刷上隔離劑，混凝土是由JG 3036—96型單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)拌合而成，達(dá)到一定強(qiáng)度后拆模，相同條件下薄膜覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)28 d。一共制作15塊邊長為100 mm的立方體鋼筋混凝土試塊。

1.2 微波照射

將12塊立方體鋼筋混凝土試塊分成4組，每組3個。分別采用0、1 500、3 000、5 000 W功率微波對4組鋼筋混凝土進(jìn)行5 min的照射。

1.3 加載試驗(yàn)

中心拉拔試驗(yàn)采用天水紅山試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的RFP-09型600 kN智能測力儀配合前述的拉拔夾具進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)如圖1(a)所示。通過調(diào)節(jié)控制使力以0.2 kN/s的速率加載，拉拔力和位移均由試驗(yàn)機(jī)傳感器讀出，開始加載之前對力值和位移值清零[圖1(b)]。中心拉拔試驗(yàn)如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)圖

圖2 中心拉拔試驗(yàn)圖

圖3 微波照射后試件外部破壞照片

2 試驗(yàn)分析

2.1 破壞特性分析

微波照射后鋼筋混凝土中心拉拔試驗(yàn)與常溫試件類似，鋼筋混凝土拉拔試件出現(xiàn)三種破壞模式，分別為劈裂破壞、劈裂-拔出破壞和拔出破壞。將鋼筋混凝土中心拉拔試件中破壞模式具有代表性的5種微波功率下試件試驗(yàn)后試塊外部破壞照片進(jìn)行整理，如圖3所示，可以很明顯地看到鋼筋拔出現(xiàn)象，黃色箭頭指向試件表面劈裂裂縫處(只有發(fā)生劈裂現(xiàn)象的試件才存在箭頭)。

由圖3可以看出，在常溫情況下，由于鋼筋混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度未超過粘結(jié)區(qū)鋼筋周圍混凝土受到的環(huán)向拉應(yīng)力，鋼筋拔出時試塊發(fā)生較為明顯的劈裂破壞；當(dāng)用1 500 W的微波照射后，鋼筋和混凝土之間的咬合作用已經(jīng)有了一定程度的削弱，拉拔后混凝土鋼筋拔出面出現(xiàn)三條劈裂裂縫，大致呈120°左右環(huán)繞分布在鋼筋端的周圍，這時劈裂裂縫依然比較清晰且數(shù)量較多，但依然沒有發(fā)生較大的貫穿裂縫現(xiàn)象，而且試塊本身較為完整，再者與常溫拉拔試驗(yàn)后的試塊相比，這種劈裂現(xiàn)象有所減弱，且已經(jīng)出現(xiàn)少量的鋼筋拔出痕跡，試塊發(fā)生拔出-劈裂破壞；當(dāng)用3 000 W微波照射后，試件的破壞現(xiàn)象與1 500 W時較為相似，也是劈裂-拔出破壞，只是這時裂縫寬度與數(shù)量逐漸減少；當(dāng)用微波功率為5 000 W的微波照射后由于鋼筋和混凝土的粘結(jié)作用削弱程度進(jìn)一步增大，試塊只發(fā)生拔出破壞，而且未產(chǎn)生任何宏觀裂縫。

為了進(jìn)一步研究鋼筋混凝土內(nèi)部粘結(jié)面處的破壞情況，分別將0、1 500、3 000、5 000 W微波照射條件下在拉拔實(shí)驗(yàn)中破壞的試件剖開并對鋼筋混凝土粘結(jié)界面進(jìn)行觀察，如圖4所示。

圖4 微波照射后試件內(nèi)部粘結(jié)面處破壞照片

由試件內(nèi)部鋼筋與混凝土粘結(jié)面處的破壞圖像可以看出：無微波照射時發(fā)生劈裂破壞的試件內(nèi)部混凝土粘結(jié)面上的鋼筋肋痕比較清晰，混凝土機(jī)械咬合齒并未發(fā)生斷裂，由此可以推測鋼筋拔出時的大部分位移都發(fā)生在試塊內(nèi)部發(fā)生裂紋之后，并且位移發(fā)生時鋼筋肋與混凝土機(jī)械咬合齒已經(jīng)分離；1 500 W微波照射條件下發(fā)生拔出-劈裂破壞的混凝土內(nèi)部粘結(jié)面處的鋼筋肋痕已經(jīng)開始模糊，混凝土機(jī)械咬合齒局部發(fā)生斷裂，在粘結(jié)面處出現(xiàn)一條細(xì)裂縫沿鋼筋縱向貫穿；3 000 W微波照射條件下試塊內(nèi)部的破壞情況與1 500 W條件下相似，而此時鋼筋肋痕更加模糊，混凝土機(jī)械咬合齒斷裂數(shù)量有所增大，沿鋼筋縱向的裂縫在左側(cè)部分幾乎閉合，裂縫的開裂程度減弱；5 000 W功率微波照射條件下發(fā)生拔出破壞的試塊內(nèi)部混凝土機(jī)械咬合齒斷裂程度達(dá)到最大，沿鋼筋縱向已無任何細(xì)微裂縫。

2.2 粘結(jié)滑移曲線分析

在拉拔試驗(yàn)時，鋼筋和混凝土在粘結(jié)區(qū)加載端的粘結(jié)應(yīng)力通常大于自由端，粘結(jié)應(yīng)力分布不均勻，本試驗(yàn)將粘結(jié)區(qū)最大平均黏結(jié)應(yīng)力τu,a作為鋼筋混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度，計算式如下：

(1)

式(1)中:Fmax為試件破壞時荷載實(shí)測值，kN；d為鋼筋公稱直徑，mm；la為鋼筋混凝土粘結(jié)長度，mm。對于本試驗(yàn)中的鋼筋混凝土試塊，在鋼筋產(chǎn)生不大于105 mm滑移時，粘結(jié)區(qū)鋼筋長度恒定保持為40 mm，因此可認(rèn)為試驗(yàn)中l(wèi)a為定值。

對于粘結(jié)滑移曲線模型，通常將曲線簡化為多段折(曲)線，目前已經(jīng)有多種簡易模型，如3段式、4段式、5段式和6段式等。在確定若干個粘結(jié)應(yīng)力和滑移特征值后以折線或者簡單的曲線相連即可構(gòu)成較為完整的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型，本試驗(yàn)采用模式根據(jù)規(guī)范CEB-FIPMC90建議的4段式模型。如圖5所示為0、1 500、3 000、5 000 W功率微波照射后的鋼筋混凝土試件粘結(jié)-滑移曲線。如圖6所示為微波照射后試件粒結(jié)-滑移曲線匯總圖。

圖5 微波照射后試件粘結(jié)-滑移曲線

圖6 微波照射后試件粘結(jié)-滑移曲線匯總圖

由圖6可知，不同功率微波照射后鋼筋混凝土試塊拉拔實(shí)驗(yàn)中的粘結(jié)-滑移曲線整體走勢比較相似，其擬合曲線均由初始滑移段、滑移段、下降段和殘余段數(shù)據(jù)均值擬合且誤差較小。具體來說，在初始滑移段，各組試件離散點(diǎn)的黏結(jié)強(qiáng)度隨著滑移量的增加而增加，兩者成線性關(guān)系；在滑移段各組試件離散點(diǎn)粘結(jié)強(qiáng)度仍然隨著滑移量的增加而增加，但兩者比值逐漸減小，在滑移段終點(diǎn)處的粘結(jié)強(qiáng)度即為極限粘結(jié)強(qiáng)度；而在下降段和殘余段，試件離散點(diǎn)粘結(jié)強(qiáng)度均隨著滑移量的增加而減小，在下降段兩者比值逐漸增大，而在殘余段兩者比值則逐漸減少并趨于平穩(wěn)?？傮w而言，微波照射下鋼筋混凝土的粘結(jié)-滑移曲線與常溫條件下粘結(jié)-滑移曲線走勢一致，同時說明了微波照射條件下鋼筋混凝土在拉拔試驗(yàn)中破壞的過程與常溫條件下相比具有相似性。

雖然不同功率微波照射條件下粘結(jié)滑移曲線呈現(xiàn)出共同的規(guī)律性，但是不同曲線的峰值點(diǎn)和不同階段的變化趨勢均有所差異，為便于表述和進(jìn)一步研究，首先對曲線關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行定義：初始滑移段和滑移段對應(yīng)的滑移量臨界點(diǎn)為A點(diǎn)，用SA表示，對應(yīng)的初始滑移段極限黏結(jié)強(qiáng)度用τA表示；滑移段和下降段滑移量臨界點(diǎn)為B點(diǎn)，用SB表示，對應(yīng)的整體極限黏結(jié)強(qiáng)度用τB表示；下降段和殘余段滑移量臨界點(diǎn)為C點(diǎn)，用SC表示，對應(yīng)的殘余段極限黏結(jié)強(qiáng)度用τC表示；殘余段滑移量終點(diǎn)為D點(diǎn)，用SD表示，對應(yīng)的整體殘余黏結(jié)強(qiáng)度用τD表示。以0 W微波照射下的各試塊臨界粘結(jié)應(yīng)力(分別記為τA0、τB0、τC0和τD0)為基準(zhǔn)。

對于具體微波功率照射下的鋼筋混凝土試塊，各段對應(yīng)的滑移量和粘結(jié)應(yīng)力均有所差異，通過圖6可以看出：隨著微波功率的提高，SA、SB和SC均逐漸增大(由于試驗(yàn)中滑移量取值范圍最大值約為24 mm，故認(rèn)為SD不變)，τA、τB、τC和τD則均逐漸減小，粘結(jié)-滑移曲線從形態(tài)上來看逐漸由陡變緩，因此可以推測隨著微波功率的增加，鋼筋混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力變化幅度逐漸減小，進(jìn)而鋼筋從混凝土中剝離時的受力也更加平均，這將有利于混凝土結(jié)構(gòu)拆除實(shí)際應(yīng)用過程中的沖擊荷載的控制，減少由于突變力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞不確定性。

通過定量方式進(jìn)一步確定不同功率微波照射條件下鋼筋混凝土粘結(jié)應(yīng)力的降幅情況如表1所示，可以看出：隨著功率的逐步增加，混凝土試件各臨界點(diǎn)處的粘結(jié)應(yīng)力均有不同程度的降低。其中1 500 W功率微波照射下各點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)度較無照射組基準(zhǔn)值而言降幅較小，說明1 500 W功率微波在5 min內(nèi)并不能有效地降低鋼筋混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度；而3 000 W功率微波照射下各點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)度降幅較1 500 W而言有一定程度增加，降幅分別為65.4%、53.3%、61.2%和67.3%；5 000 W功率下各點(diǎn)粘結(jié)應(yīng)力降幅分別為70.8%、60%、69.4%和79.6%，雖然5 000 W功率下各點(diǎn)粘結(jié)強(qiáng)度更低，但是相對于3 000 W功率微波照射下各點(diǎn)粘結(jié)強(qiáng)度而言降幅僅多了5.4%、6.7%、8.2%和12.3%，因此采用3 000 W功率照射鋼筋混凝土試塊不僅能使其粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生較大衰減，更能夠獲得更好的能效比，因此建議采用3 000 W功率微波照射。

表1 鋼筋混凝土試塊粘結(jié)應(yīng)力統(tǒng)計表

3 結(jié)論

通過對鋼筋混凝土試件進(jìn)行不同功率微波照射后的中心拉拔試驗(yàn)，得到的有關(guān)結(jié)論如下。

(1)對不同功率微波照射后鋼筋混凝土拉拔試驗(yàn)破壞形式進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)無微波照射條件下試塊均發(fā)生劈裂破壞，0 W和3 000 W功率微波照射下試塊破壞形式為拔出-劈裂破壞和劈裂破壞，5 000 W功率微波照射下試塊發(fā)生拔出破壞。針對其破壞形式的差異性，認(rèn)為鋼筋與混凝土溫度應(yīng)力差造成機(jī)械咬合齒抗剪強(qiáng)度的降低是導(dǎo)致拉拔試驗(yàn)過程中破壞形式隨著微波功率的增加而逐漸趨于拔出破壞的主要原因。

(2)對4種功率微波照射后鋼筋混凝土拉拔試驗(yàn)粘結(jié)滑移曲線進(jìn)行分析，認(rèn)為整個擬合曲線均可由初始滑移段、滑移段、下降段和殘余段4段組成。隨著微波功率的提高，不同臨界點(diǎn)對應(yīng)的粘結(jié)強(qiáng)度雖然均有不同程度的降低，但是5 000 W功率微波照射條件下粘結(jié)強(qiáng)度降低幅度相比3 000 W時并不顯著，可見采用3 000 W功率微波照射具有更好的能效比。