混凝土和鋼筋間連接性能受加載速率影響研究

王澤中 張志騰 王喜臣 沈 杰 牟倫船

（中國建筑第八工程局第二建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，混凝土和鋼筋之間的連接是至關(guān)重要的部分。其連接性能直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安全性和持久性，特別是在受到極端載荷條件的情況下。隨著建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，越來越多的結(jié)構(gòu)需要在復(fù)雜、多變的載荷條件下進(jìn)行設(shè)計，這就需要更加關(guān)注不同加載速率對混凝土和鋼筋間連接性能影響。

目前，已經(jīng)有多位學(xué)者對混凝土和鋼筋的連接性能進(jìn)行了研究[1-3]，楊淑雁等[4]基于往復(fù)荷載下的未銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的黏結(jié)滑移模型，研究了鋼筋銹蝕的影響；袁廣林等[5]對在不同受熱溫度、冷卻方式和加載制度下的鋼筋混凝土黏結(jié)性能進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)這些因素對高溫后鋼筋混凝土的黏結(jié)性能、極限黏結(jié)應(yīng)力、極限滑移有很大的影響；任雪振等[6]研究了高溫后混凝土和鋼筋之間的黏結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷300℃高溫后，與常溫時相比，機制砂混凝土與鋼筋黏結(jié)強度下降速度快。

在現(xiàn)有研究中對不同加載速率的混凝土和鋼筋之間連接性能的研究較少，因此該研究制作了鋼筋混凝土梁試件，進(jìn)行不同加載速率的三點彎加載測試，研究結(jié)果可以為混凝土和鋼筋連接的設(shè)計和維護(hù)提供重要依據(jù)。

1 工程概況

黃河體育中心智慧停車場項目位于濟(jì)南新舊動能轉(zhuǎn)換起步區(qū)崔寨片區(qū)，北至鳳凰路北延線，南至華河路，西至黃河大道，東至規(guī)劃路。東區(qū)范圍占地約21 萬m2，黃河體育中心智慧停車場項目總建筑面積約7.76 萬m2，其中地上建筑面積約0.54 萬m2，地下建筑面積約7.22 萬m2，項目包括南車庫、北車庫、足球場外圍車庫、4 片足球訓(xùn)練場以及4 棟配套服務(wù)用房。

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

共使用了16 根具有相同尺寸和鋼筋配置的混凝土梁試樣，這些試樣的尺寸為1600mm（長）×140mm（寬）×300mm（高）。試樣的混凝土配合比見表1，經(jīng)過28 天的養(yǎng)護(hù)，立方體抗壓強度達(dá)到43MPa。選用了不同直徑的鋼筋作為試件的受壓鋼筋、箍筋和受拉鋼筋。其中，受壓鋼筋直徑為14mm，彈性模量為2.2×105MPa，斷裂后相對伸長率為19%。箍筋直徑為8mm，彈性模量為2.0×105MPa，斷裂后伸長率為30%。受拉鋼筋直徑為20mm，其極限強度為458MPa，屈服強度為659MPa，彈性模量為2.0×105MPa，斷裂后伸長率為25%。為了確保鋼筋與混凝土的良好黏結(jié)，設(shè)置的黏結(jié)長度為鋼筋直徑的7.5 倍，即150mm。試件的非黏結(jié)區(qū)域位于試件跨中800mm 和試件兩端各200mm處，并采用PVC 護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。此外，在距離試件兩端350mm 處，還設(shè)置兩個凹槽，其尺寸為120mm（長）×140mm（寬）×75mm（高），用于測量鋼筋的變形量和與混凝土的滑移值。

表1 混凝土配合比

2.2 試驗步驟

將所有混凝土梁分成兩組進(jìn)行試驗，詳細(xì)參數(shù)見表2。

表2 試件試驗參數(shù)

D 組：對8 個混凝土梁試件進(jìn)行了三點彎曲加載測試，以評估其強度特性。在測試過程中，采用了不同的加載速率，分別是0.5mm/min、5mm/min、30mm/min 和300mm/min，每種加載速率使用2 根梁進(jìn)行試驗。每個梁試件的右端被固定，在左端放置位移傳感器，以實時監(jiān)測混凝土和鋼筋之間的相對滑移情況。此外，在每個梁試件的2 個凹槽中都安裝了位移傳感器，還在受拉鋼筋上固定了2 個應(yīng)變片，可以精確地測量鋼筋的變形情況。

在E 組中，針對8 根梁試件中的縱向鋼筋進(jìn)行加速電流銹蝕處理。為提高試驗的可靠性和精度，采用外加電流法以加速梁試件中縱向鋼筋的銹蝕。為避免箍筋生銹，在梁試件的箍筋表面涂上了環(huán)氧樹脂。在梁試件左側(cè)黏結(jié)區(qū)的混凝土表面放置了一塊不銹鋼板作為陰極，并在不銹鋼板上放置一塊海綿。每天噴灑2 次5%的NaCl 溶液，以提供試驗所需的氧氣和水分。該研究采用300μA/cm2的電流密度，以充分模擬真實工程中鋼筋的銹蝕情況，并考慮試驗周期的問題。在電流施加結(jié)束后，將4 根鋼筋混凝土梁樣品并聯(lián)在一個電源上以確保電流一致，試驗步驟示意圖如圖1所示。梁試件在電流施加后經(jīng)過62 天至通電試驗結(jié)束后，將鋼筋混凝土梁試樣置于室內(nèi)（約25℃和55%相對濕度）干燥72h，然后進(jìn)行靜態(tài)三點彎曲加載。加載速率、試件數(shù)量及位移傳感器和應(yīng)變片的放置與D 組梁試件相同。

圖1 試驗步驟示意圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

圖2 是黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線在4 種不同加載速率條件下的變化情況，如圖2所示，雖然每個混凝土梁試件通電加速銹蝕的時間相同，都是62d，但是其質(zhì)量損失率有所不同，總體上在2.7%～8.8%變化，這是因為試驗條件方面可能存在一些誤差，例如溫度、濕度等因素的微小變化可能會影響到試件的銹蝕，從而導(dǎo)致質(zhì)量損失率的差異。此外，觀察不同質(zhì)量損失率及不同加載速率下的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線變化情況可知，其圖像的變化趨勢及形狀基本相同，這與現(xiàn)有研究中的結(jié)果相吻合。從圖2（b）中可以看出，隨著加載速率增加，試件的黏結(jié)應(yīng)力增大，這表明加載速率越大，試件的黏結(jié)強度和殘余黏結(jié)強度越大；當(dāng)質(zhì)量損失率為4.2%～6.3%時，當(dāng)加載速率從0.5mm/min 增至300mm/min時，梁試件的殘余黏結(jié)強度增加幅度為40%。

圖2 在4 種不同加載速率條件下黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的變化

3.2 應(yīng)變率對黏結(jié)性能的影響

圖3 是銹蝕鋼筋混凝土梁試件在不同應(yīng)變率下的黏結(jié)特性。圖3（a）展示了黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線在不同應(yīng)變率條件下的變化，圖3（b）顯示了黏結(jié)強度和殘余黏結(jié)強度結(jié)果。該試驗表明，將加載速度從0.5mm/min 增至300mm/min 對銹蝕鋼筋混凝土梁的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的變化趨勢幾乎沒有影響。如圖3（a）所示，當(dāng)應(yīng)變率為10-4s-1～10-1s-1時，在4 種應(yīng)變率條件下，銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的輪廓大致相同。改變應(yīng)變率（加載速率）不會改變黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的形狀，這是由于黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線可以分為3 個階段：起始階段、轉(zhuǎn)變階段和平穩(wěn)階段，曲線的特征主要由混凝土與鋼筋的材料和界面特性所決定，而這些特性與加載速率無關(guān)，盡管應(yīng)變率不同，但是不同應(yīng)變率的鋼筋與混凝土的黏結(jié)破壞機理是不變的，當(dāng)鋼筋的最大應(yīng)力達(dá)到黏結(jié)界面處的最大黏結(jié)應(yīng)力時，混凝土試樣的黏結(jié)將失效。

從圖3（b）可以看出，提高應(yīng)變率將顯著提高鋼筋與混凝土的黏結(jié)強度。當(dāng)應(yīng)變速率從10-4/s 逐漸增至10-1/s 時，梁試件的黏結(jié)強度增加了22%，殘余黏結(jié)強度增加了46%。該結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的研究結(jié)果一致，這是由于當(dāng)混凝土與鋼筋發(fā)生黏結(jié)時，會在其接觸面上形成一個薄層稱為水化物層。該層是由水化混凝土與鋼筋表面化學(xué)反應(yīng)所形成的，提供了主要的黏結(jié)力。這種黏結(jié)機制在一定程度上依賴于混凝土與鋼筋之間的相對運動，即應(yīng)變。提高應(yīng)變率會增加混凝土與鋼筋接觸面的相對運動，從而促進(jìn)了水化物層的形成，并提高黏結(jié)強度。此外，高應(yīng)變率還能促進(jìn)混凝土中的水分向鋼筋表面擴(kuò)散，也有助于增強黏結(jié)強度。當(dāng)鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強度增加時，殘余黏結(jié)強度也會相應(yīng)增加。在該研究中，殘余黏結(jié)強度與黏結(jié)強度的比值均保持在0.5 左右。一些學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，在不同的應(yīng)變率下，殘余黏結(jié)強度和黏結(jié)強度的比值為0.3，這是由于鋼筋的腐蝕程度具有差異，其試驗條件也不同。

圖3 應(yīng)變率對黏結(jié)性能的影響

4 結(jié)論

該研究制作了鋼筋混凝土梁試件，并將其分組進(jìn)行不同加載速率下的三點彎加載測試，分析了不同加載速率對試件黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線和黏結(jié)性能的影響，得到以下2 個結(jié)論：1）隨著加載速率增加，試件的黏結(jié)應(yīng)力增大，當(dāng)加載速率從0.5mm/min 增至300mm/min 時，試件的殘余黏結(jié)強度增加幅度為40%。2）應(yīng)變率（加載速率）的變化對黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的形狀影響不大，應(yīng)變率對銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能具有強化作用。當(dāng)應(yīng)變率從10-4s-1增至10-1s-1時，梁試件的黏結(jié)強度增加了22%，殘余黏結(jié)強度增加了46%。