環(huán)氧涂層鋼筋與海水珊瑚混凝土的黏結(jié)性能

黃一杰, 李曉蔚, 張錫成, 馬 輝

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 山東 青島 266590; 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055; 3.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

進(jìn)行遠(yuǎn)洋海島地區(qū)開發(fā)建設(shè)時會面臨一系列不可忽視的問題,特別是建筑材料的匱乏更是增加了建造成本和工期.采用海水珊瑚混凝土是一種解決以上問題的良好途徑.將混凝土中的粗骨料全部用珊瑚取代,拌和水采用海水制備而成的海水珊瑚混凝土,具有就地取材、降低工程造價與周期等優(yōu)點(diǎn).研究表明[1-4]：海水珊瑚混凝土的性能可滿足工程對強(qiáng)度、和易性等方面的基本要求,是一種良好的綠色環(huán)保材料.

然而,若單獨(dú)將海水珊瑚混凝土用于海洋建筑結(jié)構(gòu)中,容易引發(fā)嚴(yán)重的力學(xué)與耐久性能問題.為此,一般采用在混凝土內(nèi)部配置不銹鋼筋、FRP(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)筋或環(huán)氧涂層鋼筋3種方法來解決上述問題.其中,不銹鋼筋造價較高,不利于大規(guī)模應(yīng)用;FRP筋雖有較好的抗腐蝕能力與強(qiáng)度,但延性與變形性能還有待提高[5];環(huán)氧涂層鋼筋不僅具有較好的耐腐蝕性能[6],且延性與耗能均優(yōu)于FRP筋,造價還較低,因此被普遍應(yīng)用于海水珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)中.

環(huán)氧涂層鋼筋雖具有較好的力學(xué)與耐久性能,但由于其表面涂覆了樹脂涂層,導(dǎo)致鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能發(fā)生變化[7-9].此外,海水與珊瑚骨料的加入也使得鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能有所改變[10].在這兩方面共同作用下,環(huán)氧涂層鋼筋與海水珊瑚混凝土間的黏結(jié)性能具有明顯的特點(diǎn),但現(xiàn)階段尚未有相關(guān)研究.為此,本文開展環(huán)氧涂層鋼筋與海水珊瑚混凝土間黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究,以期為中國海工混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1鋼筋

鋼筋采用普通鋼筋和環(huán)氧涂層鋼筋,二者均來自同一批鋼材.2種鋼筋的橫肋外形與尺寸相同,強(qiáng)度等級均為HRB 400.實(shí)測鋼筋屈服強(qiáng)度fy、抗拉強(qiáng)度fs和彈性模量Es等力學(xué)性能如表1所示.

表1 鋼筋的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of reinforcements

1.1.2粗細(xì)骨料與拌和水

采用普通混凝土和海水珊瑚混凝土2種混凝土,以對比分析混凝土類型對黏結(jié)性能的影響.2種混凝土所用水泥均為42.5R抗硫酸鹽水泥,其化學(xué)組成如表2所示.海水珊瑚混凝土的拌和水為海水;細(xì)骨料為海砂,取自青島靈山灣;粗骨料為珊瑚粗骨料,取自西沙島礁.普通混凝土拌和水為自來水；細(xì)骨料為河砂；粗骨料為碎石.粗細(xì)骨料性能見表3、4.

1.1.3配合比

普通混凝土強(qiáng)度等級為C25,海水珊瑚混凝土強(qiáng)度等級為C25和C35.2種混凝土配合比及其立方體抗壓強(qiáng)度fcu、劈裂強(qiáng)度ft和彈性模量E見表5.由表5可見：受珊瑚粗骨料性能的影響,在同強(qiáng)度等級條件下,海水珊瑚混凝土配合比與普通混凝土有明顯差別;在同強(qiáng)度等級條件下,普通混凝土與珊瑚混凝土的力學(xué)性能基本一致,但前者彈性模量較高.

表2 水泥的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of cement w/%

表3 粗骨料性能Table 3 Property of coarse aggregates

表4 細(xì)骨料性能Table 4 Property of fine aggregates

表5 混凝土配合比及力學(xué)性能Table 5 Mix proportion and mechanical property of concrets

1.2 試件設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)

1.2.1試件設(shè)計(jì)

黏結(jié)應(yīng)力-自由端滑移(以下簡稱黏結(jié)-滑移)試驗(yàn)采用中心拉拔試件.在考慮混凝土類型、強(qiáng)度、保護(hù)層厚度(C)、鋼筋種類與錨固長度(la)條件下,共設(shè)計(jì)13組拉拔試件,每組3個.試件詳情如表6所示,其中試件編號按以下規(guī)則命名：混凝土類型(“O”代表普通混凝土,“S”代表海水珊瑚混凝土)+錨固長度(“3d”、“5d”、“8d”表示錨固長度分別為鋼筋直徑(d)的3、5、8倍(48、90、128mm))+混凝土強(qiáng)度等級(“25”表示混凝土強(qiáng)度等級為C25,“35”表示混凝土強(qiáng)度等級為C35)+鋼筋種類(“E”代表環(huán)氧涂層鋼筋,“O”代表普通鋼筋)+保護(hù)層厚度(“A”表示混凝土保護(hù)層厚度為67mm,“B”表示混凝土保護(hù)層厚度為42mm).拉拔試件尺寸為150mm×150mm×150mm.通過調(diào)整PVC管長度實(shí)現(xiàn)錨固長度變化.

1.2.2試件養(yǎng)護(hù)

普通混凝土試件拆模后,放入(20±1)℃,相對濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d;海水珊瑚混凝土試件浸沒于海水中養(yǎng)護(hù),室溫保持在(20±1)℃,待達(dá)到規(guī)定齡期(28d)后,測試試件的黏結(jié)-滑移性能.

1.3 加載設(shè)備與制度

拉拔試驗(yàn)加載設(shè)備由2部分組成：(1)MTS-SANS萬能試驗(yàn)機(jī),量程為400kN;(2)剛性加載架,由4根高強(qiáng)螺桿和2塊中心鉆孔鋼板(厚度20mm)組成.試驗(yàn)采用位移加載模式,加載速率為0.2mm/min.拉拔試件自由端設(shè)置電子引伸計(jì),用于獲取鋼筋與混凝土間相對滑移數(shù)據(jù).

2 結(jié)果及分析

2.1 破壞過程與模式

在試驗(yàn)初期,試件滑移很小;隨著外力的增加,加載端出現(xiàn)明顯滑移;當(dāng)接近/到達(dá)峰值拉力時,試件表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋,裂紋隨滑移的增長而增長;最終,試件發(fā)生斷裂,其主要破壞模式為劈裂破壞.部分試件內(nèi)部破壞情況如圖1所示.由圖1可見：(1)環(huán)氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件(S5d25E-A)內(nèi)部珊瑚骨料斷裂,主裂紋穿過珊瑚粗骨料與水泥砂漿(圖1(a));同條件下環(huán)氧涂層鋼筋普通混凝土試件(O5d25E-A)內(nèi)部碎石粗骨料基本完整,主裂紋多位于骨料與砂漿交界面(圖1(b)).(2)鋼筋類型對試件破壞狀態(tài)有明顯影響,普通鋼筋海水珊瑚混凝土試件(S5d25O-A)受氯離子影響,鋼筋在短期內(nèi)(28d)就產(chǎn)生了明顯的銹蝕(圖1(c));該現(xiàn)象在同條件環(huán)氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件(S5d25E-A)和普通鋼筋普通混凝土試件(O5d25O-A)(圖1(d))中均未出現(xiàn),表明環(huán)氧涂層可有效防止氯離子對鋼筋的侵蝕.

2.2 黏結(jié)強(qiáng)度

試件黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：τu,e為黏結(jié)強(qiáng)度;Pu為最大拉拔力.

各試件的黏結(jié)強(qiáng)度τu,e值也列于表6.由表6可見：(1)混凝土類型對試件黏結(jié)強(qiáng)度有明顯影響.相同條件下,海水珊瑚混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度高于普通混凝土,如試件S5d25E-A、S5d25O-A黏結(jié)強(qiáng)度分別比試件O5d25E-A、O5d25O-A提高了11.09%、15.43%,主要是因?yàn)榉逯岛奢d前珊瑚混凝土中裂紋數(shù)量與尺寸均小于普通混凝土[2].(2)試件黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度等級的增長而提高,且其提高程度隨錨固長度的增加而增加.當(dāng)其他條件一致時,混凝土強(qiáng)度等級為C35的試件S3d35E-A、S5d35E-A、S8d35E-A的黏結(jié)強(qiáng)度分別比混凝土強(qiáng)度等級為C25的試件>S3d25E-A、S5d25E-A、S8d25E-A提高5.44%、13.97%、17.07%.(3)海水珊瑚混凝土試件的黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長度的增加而降低,且降低幅度隨混凝土強(qiáng)度的增加而減小.如試件S8d25E-A的黏結(jié)強(qiáng)度比試件S3d25E-A、S5d25E-A降低了28.32%、21.71%;而試件S8d35E-A比試件S3d35E-A、S5d35E-A減少了22.79%、19.69%.這是因?yàn)轲そY(jié)應(yīng)力的峰值是由應(yīng)力拱作用產(chǎn)生的,當(dāng)錨固長度較小時,高應(yīng)力區(qū)相對較大,應(yīng)力豐滿,黏結(jié)強(qiáng)度相對較高.(4)采用環(huán)氧涂層鋼筋試件的黏結(jié)強(qiáng)度比普通鋼筋試件平均降低17.84%,且受海水珊瑚混凝土強(qiáng)度的影響;隨混凝土保護(hù)層厚度的增加,試件黏結(jié)強(qiáng)度有明顯提高,如混凝土保護(hù)層厚度為67mm試件S3d25E-A、S5d25E-A的黏結(jié)強(qiáng)度比混凝土保護(hù)層厚度為42mm 試件S3d25E-B、S5d25E-B提高29.82%和40.15%.(5)相同條件下，環(huán)氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的黏結(jié)強(qiáng)度為普通鋼筋普通混凝土試件的91.8%.

圖1 部分試件內(nèi)部的破壞情況Fig.1 Failure surface of part specimens

表6 試件詳情及結(jié)果匯總Table 6 Details and test results of specimen

2.3 黏結(jié)-滑移曲線

2.3.1典型特征

試件典型的黏結(jié)-滑移(τ-s)曲線如圖2所示.τ-s曲線受不同因素的影響而發(fā)生變化,大致可分為3個階段.

圖2 典型τ -s曲線Fig.2 Typical τ -s curve

(1)微滑移段 在此階段,試件受力較小,在加載端處發(fā)生彈塑性微滑移,且滑移向自由端不均勻擴(kuò)散.但由于膠結(jié)力存在,自由端滑移很小或基本忽略不計(jì).黏結(jié)應(yīng)力主要由化學(xué)膠結(jié)力提供,τ-s曲線斜率不變,曲線形狀近似為一條通過原點(diǎn)的斜直線[12-13].

(2)滑移段τ-s曲線呈非線性增長,自由端開始出現(xiàn)滑移,試件化學(xué)膠著力喪失.黏結(jié)應(yīng)力主要由機(jī)械咬合力和摩阻力提供.隨著外載增加,自由端滑移明顯增大,而黏結(jié)應(yīng)力增速減緩,試件開始出現(xiàn)宏觀裂縫.

(3)下降段 滑移明顯增長并且試件裂紋迅速發(fā)展.混凝土出現(xiàn)劈裂后,試件破壞并退出工作.

2.3.2不同因素的影響

不同因素對τ-s曲線的影響如圖3所示.由圖3(a)可見：試件黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度的提高而逐步增長,但相應(yīng)的滑移量變化不大;混凝土強(qiáng)度等級升高,τ-s曲線下降段相對平緩,上升段曲率降低.這是因?yàn)殡S材料強(qiáng)等級的提高,試件在峰值點(diǎn)前開裂和塑性變形較小,而峰值后裂紋開展有所減緩.

由圖3(b)可見：在相同條件下,海水珊瑚混凝土試件的τ-s曲線上升段曲率低于普通混凝土試件,且前者曲線下降更為迅速.這是因?yàn)槠胀ɑ炷猎诜逯迭c(diǎn)前裂紋與塑性變形高于海水珊瑚混凝土;而海水珊瑚混凝土一旦到達(dá)峰值點(diǎn)后,裂紋會快速橫穿珊瑚粗骨料與水泥砂漿,試件延性明顯下降.由圖3(c)可見：采用環(huán)氧涂層鋼筋的試件τ-s曲線曲率高于普通鋼筋試件,且曲線下降段平緩.這是因?yàn)榄h(huán)氧涂層鋼筋的光滑外表面弱化了鋼筋與混凝土之間的膠結(jié)力和摩阻力,導(dǎo)致峰值點(diǎn)前的試件滑移與曲率較大[14];而峰值點(diǎn)后,受相對較小的界面間相互作用影響,環(huán)氧涂層鋼筋曲線下降較為平緩.

由圖3(d)、(e)可見：隨著錨固長度的減小、混凝土保護(hù)層厚度的增大,曲線上升段曲率略有降低;曲線下降段隨錨固長度增加和保護(hù)層厚度的降低,其下降速度加快.究其原因?yàn)槔瘟Φ膫鲗?dǎo)距離過長會使受力不均勻,導(dǎo)致峰值點(diǎn)后長錨固試件的開裂更突然;而增大保護(hù)層的厚度可以提高開裂時的應(yīng)力分量,從而減緩裂紋的開展.

3 黏結(jié)強(qiáng)度理論計(jì)算公式

(2)

(3)

公式計(jì)算值與試驗(yàn)值對比如表6所示,二者吻合良好,相關(guān)系數(shù)約為0.91.相對于環(huán)氧涂層鋼筋普通混凝土、普通鋼筋輕骨料混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式[11],式(2)、(3)考慮了混凝土保護(hù)層厚度對涂層/普通鋼筋海水珊瑚混凝土黏結(jié)強(qiáng)度較為明顯的影響,后期可用于相關(guān)構(gòu)件黏結(jié)性能的分析.

4 結(jié)論

(1)環(huán)氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的黏結(jié)破壞模式主要為劈裂破壞.與普通鋼筋普通混凝土試件劈裂破壞所不同的是,前者內(nèi)部珊瑚粗骨料大部分被剪斷,主裂紋橫穿珊瑚粗骨料與水泥砂漿.

(2)在相同條件下,環(huán)氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的黏結(jié)強(qiáng)度為普通鋼筋普通混凝土試件的91.8%.混凝土強(qiáng)度等級和保護(hù)層厚度與試件的黏結(jié)強(qiáng)度呈正比關(guān)系,錨固長度與之呈反比.

(3)環(huán)氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的黏結(jié)-滑移曲線可分為微滑移、滑移和下降3個階段.采用海水珊瑚混凝土、環(huán)氧涂層鋼筋和較大保護(hù)層厚度時,曲線上升段曲率有明顯降低;而隨著混凝土強(qiáng)度等級提高和錨固長度的下降,其黏結(jié)-滑移曲線下降相對平緩.

(4)推導(dǎo)得到環(huán)氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土黏結(jié)強(qiáng)度理論計(jì)算公式,其計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好.

本文主要研究了環(huán)氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的短期黏結(jié)性能,而在海水和珊瑚骨料作用下,試件的長期黏結(jié)性能將發(fā)生改變.因此后期會結(jié)合預(yù)留試件,進(jìn)一步分析其黏結(jié)性能.