高溫后不同冷卻方式下的混凝土鋼筋粘結(jié)性能

楊海峰 楊焱茜 王玉梅 張?zhí)鞂? 黃瑩

摘 要：為研究高溫后不同冷卻方式下混凝土鋼筋的粘結(jié)滑移性能，對39個(gè)高溫后混凝土試件進(jìn)行中心拉拔試驗(yàn)，并完成自然冷卻方式下試件的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，分析溫度和冷卻方式對試件峰值粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移的影響，建立了不同冷卻方式下峰值粘結(jié)應(yīng)力、峰值滑移與溫度的關(guān)系式，提出考慮初始溫度損傷的粘結(jié)滑移全曲線方程，并基于粘結(jié)強(qiáng)度理論模型計(jì)算了自然冷卻方式下的粘結(jié)強(qiáng)度理論值。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，峰值粘結(jié)應(yīng)力線性下降，500 ℃時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度損失達(dá)80.5%，峰值滑移隨溫度升高呈先減小后增大的趨勢，不同冷卻方式對峰值粘結(jié)應(yīng)力和峰值滑移的影響不明顯;考慮損傷的理論粘結(jié)滑移全曲線與試驗(yàn)曲線擬合度較好;采用理論模型計(jì)算的粘結(jié)強(qiáng)度與試驗(yàn)值較吻合。

關(guān)鍵詞：高溫;冷卻方式;鋼筋混凝土;粘結(jié)滑移;粘結(jié)強(qiáng)度

Abstract： In order to study the concrete-rebar bond-slip performance under different cooling ways after high temperature， a central pull-out test had been carried out on 39 reinforced concrete specimens after high temperature， and the splitting tensile strength test of the specimens under natural cooling had been completed. The effect of high temperature and different cooling ways on peak bond stress and peak slip of the specimens are discussed in this paper. The calculation equations between peak bond stress， peak slip and temperature have been established， and the full curve equation of bond-slip considering initial temperature damage has been proposed. Based on the theoretical model of bond strength， the theoretical value of bond strength under natural cooling has been calculated. The results show that as the temperature increases， the peak bond stress decreases linearly. At 500 ℃， the bond strength loss reached 80.5%， and the peak slip showed a trend of first decreasing and then increasing with growth of temperature. The effect of different cooling ways on peak bond stress and peak slip is not obvious. The theoretical bond-slip full curves considering damage has a good fit with the test curves; The bond strength calculated by the theoretical model is in good agreement with the test value.

Keywords：high temperature; cooling ways; reinforced concrete; bond-slip; bond strength

隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市高層建筑密度大、易發(fā)生重大火災(zāi)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，從而導(dǎo)致建筑物倒塌，造成經(jīng)濟(jì)損失，給社會(huì)安全帶來巨大威脅。粘結(jié)是鋼筋混凝土間一種復(fù)雜的相互作用，足夠的粘結(jié)強(qiáng)度是鋼筋混凝土發(fā)揮良好工作性能的基礎(chǔ)，因此，研究鋼筋混凝土在火災(zāi)后的粘結(jié)性能退化十分必要。已有許多學(xué)者研究溫度對混凝土力學(xué)性能[1]和鋼筋混凝土粘結(jié)性能的影響，Bi等[2]和Karolina等[3]研究發(fā)現(xiàn)，溫度越高，混凝土的抗壓強(qiáng)度越低;楊婷等[4]研究發(fā)現(xiàn)，混雜纖維超高性能混凝土在1 000 ℃后保持67%的殘余強(qiáng)度;周子健等[5]和Ergün等[6]通過中心拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高溫后鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨著溫度升高呈下降趨勢;楊鷗等[7]則發(fā)現(xiàn)粘結(jié)強(qiáng)度在200 ℃時(shí)稍有回升，大于200 ℃后急劇下降?；馂?zāi)發(fā)生后，根據(jù)受災(zāi)程度不同存在消防射水或消防安全系統(tǒng)自動(dòng)噴水等不同的冷卻方式，目前學(xué)者們集中研究冷卻方式對混凝土力學(xué)性能的影響，賈福萍等[8]、曲海坤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，250 ℃高溫后混凝土自然冷卻的強(qiáng)度比噴水冷卻的強(qiáng)度大，但當(dāng)溫度升到450 ℃后則相反。考慮到不同冷卻方式可能對鋼筋混凝土粘結(jié)性能存在一定影響，筆者通過中心拉拔試驗(yàn)，研究不同冷卻方式對高溫后鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能的影響，為不同冷卻方式下高溫試件的深入研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料與配合比

粗骨料購于南寧市武鳴區(qū)某石場，其基本物理性能如表1所示;細(xì)骨料購于南寧市云橋建材市場，骨料粒徑為0.16～4.75 mm，細(xì)度模數(shù)為2.98，粗細(xì)骨料均為連續(xù)級配;水泥為海螺牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥;拌合水來自實(shí)驗(yàn)室自來水;鋼筋為精軋螺紋鋼筋PSB575，直徑20 mm。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）中的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)配合比及常溫下實(shí)測混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度fcu、劈裂抗拉強(qiáng)度ft見表2，表中W為拌合水，C為水泥，S為天然河沙，NA為天然粗骨料。

1.2 試件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)考慮不同溫度（20、200、300、400、500 ℃）、冷卻方式（自然冷卻（ZL）、噴水冷卻10 min（PL1）、噴水冷卻30 min（PL2）），設(shè)計(jì)13組立方體抗壓試件、13組中心拉拔試件（試件尺寸如圖1所示）和5組劈裂抗拉試件（自然冷卻方式），每組3個(gè)，共93個(gè)試件。鋼筋粘結(jié)段為100 mm，非錨固區(qū)利用PVC管控制。高溫試驗(yàn)采用RX3-45-9工業(yè)電阻爐進(jìn)行，將不同組別的試件分別升溫至恒定溫度，升溫曲線如圖2所示，達(dá)到目標(biāo)溫度后，恒溫6 h，使試件內(nèi)外溫度保持一致[10]。6 h后切斷電阻爐電源，打開爐門，將需要噴水冷卻的試塊取出，其余試塊留在爐內(nèi)，自然冷卻至20 ℃再取出。噴水冷卻采用消防滅火噴頭在5 m范圍內(nèi)對試件進(jìn)行噴水處理，通過水表控制噴槍的出水量在15 L/s左右，考慮不充分冷卻10 min和充分冷卻30 min[11]，噴水處理完成后，將試件放置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境晾干至20 ℃。

試驗(yàn)加載采用電液伺服巖石多功能試驗(yàn)機(jī)（TJW-1000），位移控制加載速度為0.2 mm/min，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集加載端的荷載和位移，自由端位移由前后兩個(gè)對稱放置的位移計(jì)連接DH3821靜態(tài)采集儀系統(tǒng)采集，加載設(shè)備及裝置如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及特征值分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)溫度工況下，高溫前后拉拔試件最終破壞形式均發(fā)生劈裂破壞，高溫變化未引起試件破壞形態(tài)的明顯差異。高溫前，由于試件沒有箍筋約束，拉拔過程中鋼筋肋對肋前混凝土產(chǎn)生徑向擠壓，試件被劈裂成2～3塊，發(fā)生劈裂破壞;高溫后，試件仍出現(xiàn)劈裂破壞，但隨著溫度的增加，裂縫寬度逐漸減小，當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，試件表面僅出現(xiàn)微小裂縫，不同溫度下試件的破壞形態(tài)如圖4所示。圖5為高溫后不同冷卻方式下混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出，隨著溫度的升高，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度逐漸降低，不同冷卻方式對立方體抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。

不同冷卻方式下試件的粘結(jié)滑移曲線如圖6所示。假設(shè)鋼筋與混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度沿著錨固長度均勻分布，平均粘結(jié)應(yīng)力由公式τ=pπdl求得[12]。式中：τ為平均粘結(jié)力，MPa;p為荷載，kN;d為鋼筋直徑，mm;l為錨固長度，mm。試件命名規(guī)則：（A/B/C）溫度序號，其中，A為自然冷卻方式系列;B為噴水冷卻10 min;C為噴水冷卻30 min。以試件A200-1為例，表示經(jīng)歷200 ℃高溫后自然冷卻的1號試塊。從圖6可知，不同冷卻方式試件的粘結(jié)滑移曲線與常溫下的十分相似，3種冷卻方式下的粘結(jié)滑移曲線均表現(xiàn)出同一特征：峰值粘結(jié)應(yīng)力隨溫度升高而降低，溫度越高，粘結(jié)滑移曲線下降得越平緩，這是因?yàn)楦邷刈饔檬乖嚰a(chǎn)生初始損傷，降低了試件的峰值粘結(jié)應(yīng)力。

2.2 峰值粘結(jié)應(yīng)力與峰值滑移分析

不同冷卻方式下溫度與峰值粘結(jié)應(yīng)力的關(guān)系，如圖7所示。由圖7可知，同一溫度下，不同冷卻方式的峰值粘結(jié)應(yīng)力值都很接近，說明不同冷卻方式對試件的峰值粘結(jié)應(yīng)力影響不大。隨著溫度的升高，不同冷卻方式試件的峰值粘結(jié)應(yīng)力均呈現(xiàn)明顯線性降低的趨勢，由圖5可知，隨著溫度的升高，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且下降趨勢大致隨溫度的升高而加劇，而粘結(jié)強(qiáng)度隨著抗壓強(qiáng)度的減小而減小，因此，峰值粘結(jié)應(yīng)力隨著溫度的升高呈明顯降低的趨勢，可知高溫作用對試件的粘結(jié)性能劣化影響顯著。以上分析表明，試件的峰值粘結(jié)應(yīng)力與溫度關(guān)系密切，采用式（1）來描述高溫后的峰值粘結(jié)應(yīng)力，其中R2=0.979。

不同冷卻方式下溫度與峰值滑移的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，不同冷卻方式對峰值滑移的影響規(guī)律不明顯，隨著溫度的升高，試件的峰值滑移大致呈先減小后增大的趨勢，在200 ℃時(shí)，3種冷卻方式的峰值滑移都達(dá)到最小值，總體呈拋物線關(guān)系。建議采用式（2）來描述經(jīng)歷高溫后試件的峰值滑移，其中R2=0.901 84。

3 高溫后損傷本構(gòu)關(guān)系

3.1 粘結(jié)滑移損傷本構(gòu)方程

鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能通過粘結(jié)滑移曲線表達(dá)，采用圖9曲線上某點(diǎn)的割線模量來表征試件的粘結(jié)損傷程度，曲線上任一點(diǎn)的割線模量都可以用損傷變量β=τ/s來描述。假設(shè)常溫下界面沒有損傷時(shí)粘結(jié)性能參數(shù)為β0，高溫后界面出現(xiàn)損傷，粘結(jié)性能參數(shù)為βT，則高溫作用后損傷變量DT定義為DT=（β0-βT）/β0βT=（1-DT）β0。

由Lemaiter應(yīng)變等價(jià)性假說[13-14]可知：應(yīng)力作用在損傷材料上產(chǎn)生的應(yīng)變與有效應(yīng)力作用在無損材料上引起的應(yīng)變等價(jià)。因此，高溫后混凝土的損傷全曲線關(guān)系可用式（3）表示。

高溫后混凝土試件在中心拉拔的加載過程中產(chǎn)生二次損傷，其損傷全曲線關(guān)系為：ττ=（1-Dτ）·βTs，式中：Dτ為中心拉拔作用引起的損傷變量。則高溫后混凝土在中心拉拔作用下的損傷全曲線關(guān)系為：ττ=（1-D）β0s，式中：D為混凝土高溫后受中心拉拔作用的總損傷變量，D=DT+Dτ-DTDτ。

分段構(gòu)建損傷模型，受力狀態(tài)峰值粘結(jié)應(yīng)力前采用Weibull統(tǒng)計(jì)分布，峰值后則在過鎮(zhèn)海等[15-16]損傷模型的基礎(chǔ)上引入曲線形狀控制參數(shù)a和b來描述峰后曲線的收斂段?？倱p傷變量D表達(dá)式如（4）所示。式中，兩個(gè)材料強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算式為m=1/ln（βTsu/ττ），ρ=ττ/（βTsu）;a和b可通過擬合得到。高溫后混凝土在中心拉拔作用下的粘結(jié)滑移損傷全曲線模型如式（5）所示。

利用式（5）對實(shí)測曲線進(jìn)行擬合，不同冷卻方式任取一個(gè)溫度得到如圖10所示粘結(jié)滑移全曲線，從圖10可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的吻合程度較高，擬合度較好，相關(guān)參數(shù)見表3。

3.2 界面D-s損傷曲線分析

根據(jù)式（3）得到中心拉拔試件的損傷滑移曲線（D-s曲線），如圖11所示?？梢钥闯?，試件的損傷發(fā)展過程大致可以分為3個(gè)階段：初始損傷階段、損傷快速發(fā)展階段、損傷緩慢積累階段。粘結(jié)破壞過程中任意時(shí)刻界面損傷發(fā)展速度可由曲線上相應(yīng)點(diǎn)的斜率來反映，斜率越大，損傷發(fā)展速度越大。

由圖11可以看出，隨著高溫溫度增加，初始損傷逐漸增大，在300 ℃前，3種冷卻方式間的差異較大，可能是由于高溫后混凝土經(jīng)噴水冷卻，溫差加劇了混凝土的劣化，進(jìn)而增大了損傷，而400、500 ℃時(shí)，混凝土基本喪失變形能力，3種冷卻方式下的損傷差異較小，且溫度越高，拉拔過程中前期損傷發(fā)展更緩慢。

4 粘結(jié)強(qiáng)度理論計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同冷卻方式對粘結(jié)強(qiáng)度影響較小，因此，選取自然冷卻方式下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行高溫后混凝土與鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度理論計(jì)算。在Van Der Veen的厚壁筒理論[17-18]基礎(chǔ)上，增加考慮高溫影響的開裂內(nèi)層混凝土軟化效應(yīng)，采用式（6）來計(jì)算粘結(jié)強(qiáng)度理論值，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表4。模型如圖12所示。

5 結(jié)論

通過混凝土鋼筋的中心拉拔試驗(yàn)，研究了高溫后不同冷卻方式下混凝土鋼筋的粘結(jié)滑移性能。主要結(jié)論有：

1）隨著高溫溫度的增加，峰值粘結(jié)應(yīng)力線性下降，峰值滑移呈先下降后大幅上升的趨勢，而不同冷卻方式對峰值粘結(jié)應(yīng)力、峰值滑移的影響不明顯。

2）對高溫后試件進(jìn)行界面損傷分析，結(jié)合損傷本構(gòu)曲線，建立了高溫后的粘結(jié)滑移損傷本構(gòu)關(guān)系，擬合效果較好。

3）對試件的整體損傷演化過程分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，初始損傷變量呈增大的趨勢，而損傷的發(fā)展速度隨著溫度的增大而減緩。

4）在Veen理論模型基礎(chǔ)上，增加考慮高溫對開裂內(nèi)層混凝土軟化效應(yīng)影響，計(jì)算了高溫后混凝土鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度，理論計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，能較好地預(yù)測高溫后混凝土鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度。

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（編輯 王秀玲）