高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)方法探討

王愛蘭

山東交通職業(yè)學(xué)院（261206）

0 前言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位,隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新材料、新規(guī)范的應(yīng)用,人們對鋼筋和混凝土材料的要求越來越高。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體承受荷載的前提是具有良好的黏結(jié)作用。文章介紹高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土的相關(guān)背景，探究高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)，并對高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土相關(guān)背景概述

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用可以提高建筑工程的使用強(qiáng)度，提升建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為工程建設(shè)提供良好的建筑結(jié)構(gòu)支撐，維護(hù)結(jié)構(gòu)安全。低強(qiáng)度的鋼筋混凝土建筑材料在長期使用過程中容易出現(xiàn)承載力失效或者變形等現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物的使用安全受到嚴(yán)重影響。利用低強(qiáng)度建筑材料時(shí)必須考慮到材料使用特性，設(shè)計(jì)與施工難度加大。相比較于高強(qiáng)度混凝土材料而言，普通混凝土也容易在使用中出現(xiàn)破碎、開裂等現(xiàn)象，不利于長期的建筑質(zhì)量維護(hù)，降低了建筑物安全性和穩(wěn)定性。所以對高強(qiáng)鋼筋和高性能混凝土進(jìn)行深入研究非常重要[1]。

高強(qiáng)度鋼筋和高性能混凝土的黏結(jié)性能是承受荷載的主要影響因素，通過對高強(qiáng)鋼筋及超高性能混凝土進(jìn)行黏結(jié)性能試驗(yàn)，探究其結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能，明確影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度的主要影響因素，指引建筑材料領(lǐng)域和建筑施工領(lǐng)域的發(fā)展，對促進(jìn)工程建設(shè)行業(yè)進(jìn)步，維護(hù)建筑材料節(jié)約事業(yè)的良好發(fā)展態(tài)勢等具有積極意義。

2 高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)形式

2.1 拉拔試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)測量加荷端滑移和自由端滑移，當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，黏結(jié)應(yīng)力沿埋入長度方向基本相等，用黏結(jié)破壞時(shí)的最大平均黏結(jié)應(yīng)力代表鋼筋與混凝土的年結(jié)強(qiáng)度。這種試驗(yàn)的試件制作簡單，試驗(yàn)設(shè)置方便，便于分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是忽略了黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長度的不均勻性[2]。

2.2 梁錨固試驗(yàn)

梁錨固試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際結(jié)構(gòu)中鋼筋在混凝土中的錨固類型和特點(diǎn)，構(gòu)件除了承載拉力以外，和實(shí)際梁體一樣，還受到剪力和彎矩的影響。但是這種試驗(yàn)試件制作煩瑣，成本高，試驗(yàn)復(fù)雜，試驗(yàn)結(jié)果與錨固類型分析較困難。

2.3 鋼筋內(nèi)貼片試驗(yàn)

鋼筋內(nèi)貼片試驗(yàn)在鋼筋內(nèi)開槽，在不同位置布置電阻應(yīng)變片，利用鋼筋兩端的相對滑移推算內(nèi)滑移，建立位置函數(shù)，模擬黏結(jié)強(qiáng)度和滑移位移之間的關(guān)系，反映不同位置的黏結(jié)應(yīng)力。但是鋼筋內(nèi)開槽復(fù)雜，試驗(yàn)耗時(shí)長[3]。

3 高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)采用的高強(qiáng)鋼筋型號為HRB500，直徑16 mm，采用425 類型的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度達(dá)到C60 的等級。分兩種混凝土類型進(jìn)行比較，一種是普通混凝土，一種是摻入鋼纖維的混凝土。粗骨料最大粒徑15 mm，使用高效減水劑，砂率為52%，水灰比為0.32。

鋼纖維混凝土制作成本高，施工難度較大，主要應(yīng)用在重要的隧道、地鐵、機(jī)場以及防震工程中。重點(diǎn)工程防震要求較高或施工環(huán)境比較惡劣時(shí)，使用鋼纖維混凝土可以極大程度地保證工程建設(shè)的質(zhì)量，延長工程的使用壽命，具有普通混凝土不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。摻入鋼纖維可以顯著地改善混凝土的力學(xué)性能。當(dāng)摻量在許可范圍之內(nèi)，可提高混凝土抗拉強(qiáng)度30%～50%，抗彎強(qiáng)度一般可提高50%～100%，韌性可提高10～50 倍。鋼纖維混凝土抗拉性能強(qiáng)，收縮力低，抗剪性能強(qiáng)，抗磨性能以及耐磨性強(qiáng)，為此，在工程建設(shè)中得到廣泛地應(yīng)用[4]。本試驗(yàn)制作鋼纖維摻量0.6%、1.2%、2.0%的混凝土構(gòu)件，通過試驗(yàn)分析不同鋼纖維含量混凝土與螺紋鋼筋的黏結(jié)性能，并與普通混凝土與鋼筋黏結(jié)性進(jìn)行比較。同時(shí)，關(guān)注錨筋對于鋼筋和混凝土黏結(jié)性能的影響，搭配有、無箍筋的試驗(yàn)構(gòu)件，通過試驗(yàn)分析錨固長度、錨筋強(qiáng)度等對鋼筋和混凝土黏結(jié)性能的影響。

文章中采用不同的試驗(yàn)段進(jìn)行單調(diào)拉拔測試，根據(jù)測試結(jié)果，明確不同試驗(yàn)環(huán)境、混凝土類型、錨筋種類及強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)等。

4 高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中的試驗(yàn)段以錨筋的直徑數(shù)值、混凝土類型、鋼筋表面處理為劃分依據(jù)。根據(jù)ZY-30 的錨桿拉力儀器，在不同試驗(yàn)段情況下的材料拉力數(shù)值被精確確定。在本次試驗(yàn)中，在試驗(yàn)段的不同位置放置了有效位移的檢測點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測量出位移水平。

根據(jù)高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)試驗(yàn)過程出現(xiàn)三種現(xiàn)象，分別為混凝土開裂試驗(yàn)結(jié)果、混凝土錨筋拔出試驗(yàn)結(jié)果和混凝土錨筋屈服試驗(yàn)結(jié)果。

4.1 鋼筋不同方式對黏結(jié)強(qiáng)度的影響分析

在加載初期，鋼筋對混凝土的斜向擠壓力形成了滑動(dòng)阻力，從而使鋼筋肋根部的混凝土出現(xiàn)局部擠壓變形，黏結(jié)剛度較大，黏結(jié)強(qiáng)度與加荷端滑移之間形成的黏結(jié)- 滑移曲線接近直線。隨著荷載逐漸增大，沿鋼筋縱向產(chǎn)生內(nèi)部斜裂縫，混凝土環(huán)向同時(shí)受拉力，產(chǎn)生徑向裂縫。當(dāng)徑向裂縫逐漸增大直至到達(dá)試件表面時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)力為測得的劈裂黏結(jié)應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果表明，黏結(jié)試驗(yàn)中試件的破壞是鋼筋拔出的剪切破壞，黏結(jié)應(yīng)力τ 很大程度上取決于鋼筋的表面情況，表面越凹凸不平，則τ 越高[5]。光圓鋼筋的滑移大，強(qiáng)度最低，帶肋鋼筋表面的凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生機(jī)械咬合力，提高了黏結(jié)強(qiáng)度。

4.2 鋼纖維含量對黏結(jié)強(qiáng)度的影響分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土與鋼筋間的黏結(jié)強(qiáng)度提高，鋼纖維摻量0.6%、1.2%、2.0%的混凝土構(gòu)件黏結(jié)強(qiáng)度分別提高了8.95%、13.91%、11.47%。這說明，適當(dāng)摻入鋼纖維可以提高與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度，但是鋼纖維含量增加對黏結(jié)強(qiáng)度的增加沒有明顯變化規(guī)律。

同時(shí)，試件在拉拔試驗(yàn)中，荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的實(shí)際抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生混凝土開裂。在裂縫出現(xiàn)的截面，開裂的混凝土退出抗拉工作，原來由混凝土承擔(dān)的拉力轉(zhuǎn)移到鋼筋承擔(dān)，裂縫截面處的鋼筋應(yīng)力突然增加。相比較于普通混凝土，高強(qiáng)度混凝土抗拉強(qiáng)度更高，脆性更大，同時(shí)本身水泥用量大，早期強(qiáng)度來的快，前期水化熱高，水灰比小，早期失水快，很容易因?yàn)闇夭疃_裂。在黏結(jié)試件損壞時(shí)，所得的黏結(jié)- 滑移曲線分為上升段、穩(wěn)定段、下降段。試驗(yàn)中摻入鋼纖維的混凝土表面沒有明顯的變化，裂縫很小，拉拔過程有明顯的鋼纖維撕裂的聲音，黏結(jié)曲線相比普通混凝土更加平緩[6]。

4.3 鋼筋錨固對黏結(jié)強(qiáng)度的影響分析

在混凝土開裂試驗(yàn)中，試驗(yàn)段中的錨固處于整個(gè)混凝土材料的中心位置。當(dāng)錨固的長度較短時(shí)，錨筋周圍的混凝土保護(hù)結(jié)構(gòu)的外部力量較為均勻，整個(gè)保護(hù)結(jié)構(gòu)的層級較為薄弱，對錨筋的保護(hù)力量有限。此時(shí)，材料會因?yàn)閮?nèi)部的裂痕問題而將裂縫狀態(tài)均勻傳導(dǎo)到表面，進(jìn)而引發(fā)開裂。拉拔測試時(shí)，錨筋受力不均勻，造成錨筋的運(yùn)動(dòng)軌跡向保護(hù)層更加薄弱的區(qū)域偏移，進(jìn)而引發(fā)材料開裂，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)不規(guī)則的裂痕。

當(dāng)錨固的長度數(shù)值超過一定限度時(shí)，則試驗(yàn)段之中的錨筋就出現(xiàn)外部承載力過度的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致錨筋因?yàn)檫^度疲勞而出現(xiàn)損壞，錨筋的屈服損壞現(xiàn)象因而產(chǎn)生。在混凝土因?yàn)榱芽p而產(chǎn)生整體結(jié)構(gòu)的被破壞之前，錨筋就已經(jīng)失去正常使用的可能性。同時(shí)錨筋和其外部的混凝土材料之間也不會出現(xiàn)空間位置上的移動(dòng)，裂縫的產(chǎn)生只是小范圍現(xiàn)象。

所以，保證鋼筋的基本錨固長度對黏結(jié)性影響較大。以受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，不發(fā)生黏結(jié)錨固損壞，此時(shí)的最小埋入長度為基本錨固長度。

4.4 混凝土錨筋拔出試驗(yàn)結(jié)果分析

在設(shè)置箍筋的混凝土試驗(yàn)段中，由于箍筋的存在，該段混凝土容易出現(xiàn)先表面開裂、后錨筋拔出現(xiàn)象。有箍筋的試驗(yàn)段，混凝土表面裂痕數(shù)量更多，裂痕間的空間關(guān)系呈現(xiàn)更加復(fù)雜的形態(tài)。沒有箍筋的混凝土裂痕之間呈現(xiàn)較為明顯的縱向平衡關(guān)系，有箍筋的混凝土裂痕在分布上呈現(xiàn)交叉關(guān)系。由于箍筋的受力性較強(qiáng)，能夠遏制混凝土表面材料的持續(xù)擴(kuò)張。當(dāng)作用力繼續(xù)加強(qiáng)，而混凝土裂縫由于箍筋而無法擴(kuò)張時(shí)，錨筋的受力受到較大挑戰(zhàn)，最終因?yàn)槌鼍o固力數(shù)據(jù)極限而被帶出混凝土材料。錨筋此時(shí)脫離原本建筑結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土材料的整體完整性受到破壞。

5 結(jié)語

高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)中，不同的錨固長度、混凝土的類型、鋼筋的類型都對黏結(jié)性有顯著影響。當(dāng)錨固長度小于一定數(shù)值時(shí)，錨筋因受力而被拔出。當(dāng)錨固長度超出一定數(shù)值時(shí)，錨筋因緊固能力等原因出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。當(dāng)屈服限制較高時(shí)，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)能力更強(qiáng)，反之更弱。錨筋的錨固長度和錨筋屈服強(qiáng)度指標(biāo)作為黏結(jié)性的重要影響因素。鋼纖維摻入混凝土能顯著地改善混凝土的力學(xué)性能，提高混凝土抗拉強(qiáng)度，增加韌性，減小混凝土的收縮，從而減小混凝土裂縫，對混凝土和鋼筋的黏結(jié)性有明顯的提高。

改善高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土之間的相關(guān)數(shù)值，可提高高強(qiáng)鋼筋與高性能混凝土材料的應(yīng)用性能，從而推動(dòng)我國建筑材料行業(yè)的發(fā)展和工程建設(shè)行業(yè)的進(jìn)步。