水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)研究

劉桂榮,竇曉雪,曲福來(lái)，趙順波

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045;2.華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450045)

長(zhǎng)期處于水環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，如渡槽、渠道、橋墩、近海建筑等，在水壓和液體表面張力的作用下，外界水會(huì)滲透到這些結(jié)構(gòu)混凝土的孔隙或裂縫中，形成濕態(tài)混凝土或飽和混凝土[1-2]。已有研究發(fā)現(xiàn)：滲入到混凝土中的水不但會(huì)改變混凝土內(nèi)部濕度分布[3-5]，還會(huì)產(chǎn)生孔隙水壓力，使混凝土處于比較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)孔隙水壓力逐漸增大時(shí)，試件抗裂能力和峰值荷載將會(huì)降低[6]。眾多試驗(yàn)研究表明[7-8]：隨著混凝土孔隙率、孔隙中含水量的增加，濕態(tài)混凝土的靜力抗壓強(qiáng)度逐漸降低。研究環(huán)境水對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)[9-12]：在快速加載條件下，濕態(tài)混凝土的拉伸強(qiáng)度隨含水率的增加而提高；但在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下，隨著含水率的提高，混凝土抗拉強(qiáng)度大幅降低，且飽和混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度低于普通混凝土的。

上述研究表明，水環(huán)境下混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度與普通混凝土的不同。水環(huán)境下混凝土力學(xué)性能的下降將會(huì)對(duì)鋼筋與混凝土黏結(jié)性能、鋼筋臨界錨固長(zhǎng)度產(chǎn)生影響。鋼筋與混凝土之間良好的黏結(jié)錨固是兩者共同工作的基礎(chǔ)[13-15]，研究水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能對(duì)于該類(lèi)結(jié)構(gòu)的安全性能具有重要意義。但是文獻(xiàn)檢索結(jié)果表明，目前對(duì)此方面開(kāi)展的研究很少。為此，本文通過(guò)中心拉拔試驗(yàn)對(duì)水環(huán)境下鋼筋與混凝土靜力黏結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度和滑移量的表達(dá)式，為水環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)主要考慮混凝土強(qiáng)度和浸泡時(shí)間兩個(gè)因素的影響，制作了10組共30個(gè)中心拉拔黏結(jié)試件。黏結(jié)試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，錨固鋼筋采用直徑16 mm的HRB500變形鋼筋。試件內(nèi)部設(shè)置2道Φ6@100箍筋，黏結(jié)段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為80 mm。為避免加載端應(yīng)力集中的影響，在加載端設(shè)置長(zhǎng)度為70 mm的非黏結(jié)段，非黏結(jié)段鋼筋用PVC套管包裹，并用石蠟密封端口。黏結(jié)試件幾何尺寸和配筋如圖1所示。在澆筑每組黏結(jié)試件的同時(shí)澆筑邊長(zhǎng)為150 mm立方體伴隨試塊，用以測(cè)試不同浸泡時(shí)間的試塊的含水率、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖1 混凝土試件尺寸及配筋情況示意圖(單位：mm)

1.2 材料性能

試驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C20和C40。水泥分別采用P·O32.5級(jí)和P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；砂為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.91，表觀密度為2 578 kg/m3，堆積密度為1 440 kg/m3；粗骨料選用5～20 mm連續(xù)粒級(jí)的碎石，表觀密度為2 718 kg/m3，堆積密度為1 460 kg/m3；外加劑采用萘系高效減水劑，實(shí)測(cè)減水率為20.4%，摻量為膠凝材料用量的0.7%，混凝土的配合比見(jiàn)表1。拉拔鋼筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為557、724 N/mm2。

表1 混凝土配合比

1.3 含水率測(cè)試

將澆筑成型的混凝土試塊拆模后放置在水中，浸泡時(shí)間分別為28、90、180、270、360 d。達(dá)到浸泡天數(shù)后，將立方體伴隨試塊從水中取出，用濕毛巾擦去表面水稱(chēng)重，質(zhì)量記為m1，然后將其置于已預(yù)熱至(105±2)℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘烤12 h后，從干燥箱中取出放至室溫，用電子秤稱(chēng)重，質(zhì)量記為m2。取混凝土質(zhì)量差為試塊中的含水量，含水量與烘干后質(zhì)量比值為含水率ρ，表達(dá)式為ρ=(m1-m2)/m2。

1.4 黏結(jié)試驗(yàn)

黏結(jié)試驗(yàn)用試件為中心拉拔試件，加載設(shè)備采用中空自復(fù)位型液壓千斤頂，在試件的自由端布置3個(gè)位移傳感器，分別測(cè)出鋼筋和混凝土的位移，從而計(jì)算出自由端鋼筋的滑移量。在加載端布置荷載傳感器，從而得到試件的黏結(jié)荷載，加載過(guò)程依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)的規(guī)定，采用荷載控制方式加載，加載速率控制為7.5 kN/min左右，均勻緩慢加載，直至試件破壞或鋼筋的滑移量達(dá)到18 mm時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。整個(gè)加載過(guò)程通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集荷載和位移數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

由于黏結(jié)試塊中箍筋的約束作用，中心拔出試驗(yàn)試件的主筋被緩慢拔出，少量試件伴隨著混凝土的劈裂破壞時(shí)仍可承受一定荷載。帶肋鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力除了由摩擦力和化學(xué)膠著力承擔(dān)外，主要由鋼筋橫肋與混凝土間機(jī)械咬合力承擔(dān)。將破壞后的試件進(jìn)行破型，發(fā)現(xiàn)混凝土黏結(jié)界面發(fā)生“剮犁式”破壞，鋼筋橫肋前部有混凝土粉末存在，黏結(jié)滑移界面如圖2所示。

圖2 破壞后的鋼筋與混凝土滑移面

2.2 含水率及混凝土強(qiáng)度

通過(guò)測(cè)試得到不同浸泡天數(shù)試塊的含水率，發(fā)現(xiàn)隨著浸泡天數(shù)的增加，混凝土試塊的含水率有增加的趨勢(shì)，但后期含水率增長(zhǎng)的幅度趨于平緩?；炷翉?qiáng)度高的試件含水率偏低，總體上，2個(gè)混凝土組別的試件含水率變化規(guī)律相似。經(jīng)過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)，試塊含水率與浸泡天數(shù)的對(duì)數(shù)值呈線性變化，如圖3所示，n為浸泡天數(shù)。

圖3 混凝土含水率隨lg(n/28)的變化規(guī)律

滲入到混凝土孔隙和裂縫中的水對(duì)混凝土的受力性能會(huì)產(chǎn)生影響，孔隙水壓力促進(jìn)了混凝土的開(kāi)裂及裂縫擴(kuò)張，導(dǎo)致水環(huán)境下混凝土強(qiáng)度低于同齡期空氣中混凝土的強(qiáng)度。本次試驗(yàn)得到不同浸泡天數(shù)混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度值，雖然混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的增加有增大的趨勢(shì)，但其增加幅度有限。對(duì)不同浸泡時(shí)間的立方體試塊的抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)強(qiáng)度值與浸泡天數(shù)的對(duì)數(shù)值符合線性關(guān)系，具體分別如圖4和圖5所示。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu隨lg(n/28)的變化規(guī)律

圖5 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)ts隨lg(n/28)的變化規(guī)律

2.3 黏結(jié)-滑移曲線

通過(guò)中心拉拔試驗(yàn)得到各試件的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線，黏結(jié)應(yīng)力用式(1)表示：

(1)

式中：τ為黏結(jié)應(yīng)力，MPa；P為黏結(jié)力，N；d為鋼筋公稱(chēng)直徑，mm；la為鋼筋黏結(jié)長(zhǎng)度，mm。

任選一組3個(gè)試件的黏結(jié)-滑移曲線分析發(fā)現(xiàn)：水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)-滑移曲線與普通混凝土的形狀相似，分為微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和殘余段。由于試件中箍筋的約束作用，黏結(jié)-滑移曲線上有明顯的下降段，殘余段曲線趨于平緩。

圖6 水下鋼筋和混凝土的典型黏結(jié)-滑移試驗(yàn)結(jié)果

2.4 黏結(jié)強(qiáng)度及滑移量

黏結(jié)強(qiáng)度為黏結(jié)-滑移曲線上黏結(jié)應(yīng)力最大值，對(duì)本次試驗(yàn)兩組試件黏結(jié)強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，浸泡28 d的試件黏結(jié)強(qiáng)度最低，且隨浸泡天數(shù)的增加，試塊的黏結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，如圖7所示。

圖7 鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度τu,n隨lg(n/28)的變化規(guī)律

采用普通混凝土黏結(jié)強(qiáng)度公式計(jì)算水環(huán)境下不同浸泡時(shí)間鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，除了28 d強(qiáng)度吻合較好之外，其他齡期鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。因此，以浸泡28 d混凝土試件的黏結(jié)強(qiáng)度為基準(zhǔn)，建立不同浸泡時(shí)間下鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律的計(jì)算式，如式(2)所示：

(2)

式中：ks為系數(shù)，A組試件取0.15，B組試件取0.49；τu,28為浸泡28 d試件的黏結(jié)強(qiáng)度，采用文獻(xiàn)[14]中的公式計(jì)算，即公式(3)。

(3)

式中：c為保護(hù)層厚度；Asv為箍筋橫截面面積；Ssv為箍筋間距；fts為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。

混凝土黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值比值的平均值為0.924，變異系數(shù)為0.085，計(jì)算值略小于試驗(yàn)值，相差較小。

在黏結(jié)滑移曲線上，黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移量為Su，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Su隨混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的增大有下降的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)分析比較，選取式(4)計(jì)算混凝土浸泡n天后的Su,n值：

(4)

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到：k1=27.369，b=0.125 3。

黏結(jié)滑移曲線的下降段滑移量Sr=10 mm，其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度τr,n。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立殘余強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度之間的關(guān)系，近似?。?/p>

τr,n=0.20τu,n。

(5)

至此，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合得到了黏結(jié)-滑移曲線主要特征點(diǎn)的表達(dá)式，從而可以建立水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型，相關(guān)數(shù)據(jù)可為水環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)分析提供參考。

3 結(jié)論

1)水環(huán)境下，混凝土含水率隨著浸泡時(shí)間的增加而增大，但后期增長(zhǎng)幅度趨于平緩。同時(shí)，由于混凝土孔隙中水壓力的存在會(huì)加速裂縫的擴(kuò)展，水環(huán)境對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度均產(chǎn)生不利影響。

2)由于箍筋的約束作用，水環(huán)境下鋼筋與混凝土的黏結(jié)-滑移曲線具有明顯的下降段，與箍筋約束普通混凝土的黏結(jié)-滑移曲線形狀相似。

3)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析給出了水環(huán)境下鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度及滑移量、殘余強(qiáng)度計(jì)算公式，可為水環(huán)境下二者黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型的建立提供參考。