變形鋼筋與再生混凝土粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

安新正，王李鑫，蔣毓晉，張翠霞，劉浩楠

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

將建筑垃圾制備成再生骨料應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，不僅可以緩解土木工程建設(shè)對(duì)天然河砂及石材資源的依賴，還可以減輕建筑垃圾的堆放對(duì)環(huán)境污染所造成的影響[1]。鋼筋與再生混凝土間的粘結(jié)性能是鋼筋再生混凝土結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的重要因素。目前，盡管眾學(xué)者對(duì)鋼筋與再生混凝土之間的性能進(jìn)行了眾多研究，但主要研究多集中在普通混凝土或者由再生粗骨料制備而成的再生混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)性能方面，如曹萬林等[2]通過設(shè)計(jì)鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)，指出了再生骨料取代率、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑以及鋼筋外形是影響試件粘結(jié)滑移性能的重要因素；董宏英等[3]研究指出，隨著再生粗骨料取代率的增加，鋼筋與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度減??；楊海峰等[4]通過進(jìn)行同強(qiáng)度、不同再生粗骨料取代率的鋼筋-混凝土中心拉拔試驗(yàn)，研究了不同再生粗骨料取代率、相對(duì)保護(hù)層厚度、配箍率等參數(shù)對(duì)再生混凝土與鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度的影響；國外學(xué)者Pandurangan等[5]設(shè)計(jì)試驗(yàn)并研究對(duì)比了不同混凝土與鋼筋之間粘結(jié)強(qiáng)度。而對(duì)以再生細(xì)骨料作為細(xì)集料的再生混凝土材料的研究大多集中在材料性能方面，譚藝帥等[6]通過設(shè)計(jì)不同再生細(xì)骨料取代率的再生混凝土單軸受壓試驗(yàn)，得出結(jié)論：隨著再生細(xì)骨料取代率增大, 再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量呈下降趨勢(shì)，而峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變?cè)龃?；趙敏等[7]研究了再生細(xì)骨料取代率及預(yù)濕狀態(tài)對(duì)再生保溫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，指出隨著再生細(xì)骨料取代率的增加，再生保溫混凝土的抗壓強(qiáng)度先增后減。而以再生細(xì)骨料作為參量的再生混凝土與變形鋼筋間粘結(jié)性能方面的相關(guān)研究較少。

為了研究以再生細(xì)骨料作為細(xì)集料的再生混凝土材料與變形鋼筋間的粘結(jié)性能，本文以再生細(xì)骨料取代率及HRB400E月牙鋼筋直徑作為試驗(yàn)變量，設(shè)計(jì)制作了72個(gè)鋼筋-再生混凝土立方體試件(粗骨料為再生粗骨料)，并通過對(duì)鋼筋-再生混凝土試件進(jìn)行中心拔出試驗(yàn)，較為系統(tǒng)地分析研究了再生細(xì)骨料取代率及鋼筋直徑對(duì)鋼筋與再生混凝土粘結(jié)性能的影響規(guī)律，可為HRB400E月牙鋼筋與再生混凝土在工程中應(yīng)用提供理論參考。

1 試件設(shè)計(jì)、制作與試驗(yàn)

1.1 試件用原材料

1.2 中心拔出試件的設(shè)計(jì)與制作

1.2.1 試件設(shè)計(jì)

為了研究再生細(xì)骨料取代率β及鋼筋直徑d對(duì)鋼筋與再生混凝土粘結(jié)性能的影響，本文設(shè)置再生細(xì)骨料取代率β=0%、30%、50%、100%和鋼筋直徑d=12、14、18 mm作為試驗(yàn)變量，依據(jù) 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150―2017)[11]設(shè)計(jì)了12組共72個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的中心拔出試件。在試件中心埋置HRB400E月牙鋼筋，有效錨固長度5d，自由端和加載端均設(shè)置a(a與試驗(yàn)設(shè)計(jì)錨固長度有關(guān)，a=(150-5d)/2)長的PVC套管，并在管內(nèi)灌入石蠟防止水泥漿進(jìn)入。試件詳細(xì)參數(shù)詳見圖1和表1。

以再生細(xì)骨料取代率為0時(shí)的再生混凝土試件作為基準(zhǔn)試件，基準(zhǔn)組再生混凝土的設(shè)計(jì)配合比為水泥：水：天然河砂：再生細(xì)骨料：再生粗骨料：減水劑：粉煤灰=390∶170∶720∶0∶1 130∶2∶21，其他組的再生細(xì)骨料用量按照取代率β利用質(zhì)量法取代天然河砂，同時(shí)因再生骨料有較好的吸水性，配置再生混凝土?xí)r還需要考慮附加用水量[12]。試驗(yàn)所用的配合比詳見表2。

表2 再生混凝土配合比

1.2.2 試件制作

依據(jù)再生混凝土配合比，計(jì)算并稱量出各種材料用量，然后按照再生粗骨料、水泥、天然河砂、再生細(xì)骨料、粉煤灰的入料順序?qū)⒉牧弦来蔚谷霃?qiáng)制攪拌機(jī)內(nèi)干拌1 min，隨后加入設(shè)計(jì)用水(包括附加水)與減水劑后再強(qiáng)制攪拌2 min。將攪拌好的再生混凝土澆筑到已涂抹脫模油并安裝好鋼筋的試模內(nèi)，在混凝土振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)后放置到養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模、編號(hào)，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后備用。同時(shí)每組配合比再預(yù)留3個(gè)邊長100 mm的立方體試件，以備測定再生混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。

1.3 拔出試驗(yàn)的加載與量測方案

1.3.1 加載方案

中心拔出試驗(yàn)加載設(shè)備采用鋼筋拉拔加載試驗(yàn)系統(tǒng)，加載方式分為荷載控制和位移控制，當(dāng)加載值P≤拔出極限荷載Pu的80%時(shí)采用荷載控制的方法，加載速率取400 N/s；當(dāng)加載值P>拔出極限荷載Pu的80%時(shí)采用位移控制的方法，加載速率取0.5 mm/s。當(dāng)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)再生骨料混凝土破裂，或者鋼筋與再生骨料混凝土間相對(duì)位移較大時(shí)應(yīng)停止加載。

1.3.2 量測方案

“三個(gè)一”精準(zhǔn)化鉆井實(shí)現(xiàn)了技術(shù)措施監(jiān)控由事后處理向事前控制的轉(zhuǎn)變。以往井隊(duì)做出技術(shù)決策后對(duì)公司技術(shù)部門存在不報(bào)或瞞報(bào)問題，只有技術(shù)措施執(zhí)行不下去或出現(xiàn)復(fù)雜故障的時(shí)候才向技術(shù)部門匯報(bào)。對(duì)此公司技術(shù)部門采取以下措施：

試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)中心拔出試件的鋼筋自由端及加載端與再生混凝土間的相對(duì)位移量采用高速高精度位移量測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄。每個(gè)中心拔出試件的拔出鋼筋與再生混凝土間的平均相對(duì)位移值S依據(jù)式(1)計(jì)算得出[13]。

(1)

(2)

式中：P為施加在試件中心拔出鋼筋上的拉拔力即時(shí)值，kN；d為試件中心拔出鋼筋的公稱直徑，mm；La為試件中心拔出鋼筋的有效粘結(jié)長度，mm。

(3)

式中：Pu,i為第i個(gè)試件的極限拔出力，kN；di為第i個(gè)試件中拔出鋼筋直徑，mm；La,i為第i個(gè)試件中拔出鋼筋的有效粘結(jié)長度，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 平均粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

圖2 不同條件下平均粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線(-S)Fig.2 Bond stress-slip curves under different parameter (-S)

2.2 再生細(xì)骨料取代率對(duì)極限粘結(jié)應(yīng)力的影響

圖3 不同鋼筋直徑下隨β的變化規(guī)律Fig.3 Regularity for change of with β under different steel bar diameters

2.3 鋼筋直徑對(duì)極限粘結(jié)應(yīng)力的影響

圖4 不同取代率β下隨鋼筋直徑d的變化規(guī)律Fig.4 Variation of with diameter d of steel bar at different substitution rates β

(4)

圖5 再生細(xì)骨料取代率β對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of RFA replacement rate β on recycled concrete compression strength

圖6 相對(duì)粘結(jié)應(yīng)力與鋼筋直徑關(guān)系曲線Fig.6 The Relation curve of relative bond stress and steel bars diameter

3 結(jié)論

1)HRB400E月牙鋼筋與再生混凝土的粘結(jié)剛度的變化表現(xiàn)為：與天然河砂細(xì)骨料相比較，再生細(xì)骨料取代率在30%以內(nèi)時(shí)，極限粘結(jié)應(yīng)力與粘結(jié)剛度降低較?。划?dāng)再生細(xì)骨料取代率超過30%時(shí)，極限粘結(jié)應(yīng)力與粘結(jié)剛度則隨再生細(xì)骨料取代率的增加而明顯降低。

2)鋼筋直徑相同時(shí)，HRB400E月牙鋼筋與再生混凝土間的極限粘結(jié)應(yīng)力隨再生細(xì)骨料取代率的增大而降低；再生細(xì)骨料取代率相同時(shí)，HRB400E月牙鋼筋與再生混凝土間的極限粘結(jié)應(yīng)力隨鋼筋直徑的減小而增大。

3)基于試驗(yàn)成果及分析，得到了再生混凝土與HRB400E月牙鋼筋的極限粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式，可為HRB400E月牙鋼筋再生混凝土的相關(guān)研究提供理論參考。