趙順波，丁新新，李長明，李長永

（華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，河南鄭州 450011）

隨著天然河砂資源的枯竭及對河道農(nóng)田的保護，采用山巖或卵石作為原料生產(chǎn)的機制砂逐漸成為混凝土的主要砂源［1］.目前，與機制砂相關(guān)的研究主要集中于機制砂混凝土配合比設(shè)計［2－4］，以及機制砂性能與石粉含量對混凝土基本力學(xué)性能［5－12］、收縮性能［10，13］和抗凍抗?jié)B耐久性能［14－15］的影響，但是對機制砂混凝土結(jié)構(gòu)性能、鋼筋與機制砂混凝土黏結(jié)性能的研究還很少［16］.因此，本文進行了變形鋼筋與機制砂混凝土黏結(jié)性能的試驗研究，為機制砂在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 試驗設(shè)計

1.1 混凝土原材料與配合比

水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥；石子：石灰?guī)r質(zhì)碎石，按粒級510，1019，1926.5mm 以質(zhì)量比3∶4∶3混合；機制砂：由焦作市附近山區(qū)規(guī)模較大的機制砂場生產(chǎn).水泥、石子、機制砂的物理力學(xué)性能分別見表13.試驗用機制砂中的石粉含量1）本文涉及的含量、減水率、砂率、水灰比等除特別注明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.是經(jīng)篩分測定后調(diào)整所得.減水劑：JHY－6000萘系高效減水劑，實測減水率為15.5%；拌和水：自來水.

表1 水泥物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 石子物理力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of crushed stone

表3 機制砂物理性能Table 3 Physical properties of machine－made sand

試驗選取機制砂石粉含量為9%，配制強度等級為C30，C40，C50和C60的混凝土.對強度等級為C50的混凝土，在固定水灰比、用水量、砂率和外加劑摻量的前提下，增配石粉含量為5%和13%的機制砂混凝土.外加劑摻量為水泥用量的1%.機制砂混凝土的配合比見表4.

表4 機制砂混凝土的配合比Table 4 Mix proportion of machine－made sand concrete

1.2 鋼筋

選用直徑為12mm 的HRB400月牙肋變形鋼筋，其實測屈服強度為463 MPa，極限抗拉強度為554MPa.

1.3 試驗方法

采用中心拉拔試驗方法，僅試件中鋼筋的埋置方式稍作改進，將鋼筋與混凝土的黏結(jié)段置于混凝土中部，鋼筋兩端敷設(shè)PVC 套管并用石蠟密封端口，以免承壓面混凝土橫向變形受到約束以及自由端混凝土對鋼筋滑移產(chǎn)生的不均勻約束對黏結(jié)性能測試產(chǎn)生影響［17］.試件具體尺寸如圖1所示.同時制作邊長為150mm 的混凝土立方體伴隨試塊以測試混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度.混凝土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d后進行拉拔試驗.

圖1 黏結(jié)試件尺寸Fig.1 Dimension of specimen（size：mm）

在鋼筋自由端安裝位移計以測試鋼筋和混凝土的相對位移，鋼筋承受的拉力通過荷載傳感器采集.在加載過程中，采用全自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄拉力和位移值.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件破壞特征

本試驗混凝土的握裹層厚度與鋼筋直徑之比達6.9，大于發(fā)生劈裂破壞時的有效比值4.5［18］，因此，所有試件均為典型剪切拔出型破壞，鋼筋因肋前端的混凝土被完全擠碎而拔出（見圖2（a））.將混凝土試件沿鋼筋拔出方向劈開，發(fā)現(xiàn)鋼筋肋前區(qū)表面附著有混凝土碎末（見圖2（b））.混凝土強度等級最低的EA2，LA2試件黏結(jié)破壞面光滑，存在明顯滑動痕跡（見圖2（c））；其余試件加載端處的黏結(jié)破壞面粗糙，殘留著數(shù)個大小不一的混凝土齒（見圖2（d））.

圖2 試件破壞特征Fig.2 Failure states of specimens

2.2 黏結(jié)-滑移關(guān)系曲線

各組試件的平均黏結(jié)應(yīng)力與鋼筋自由端滑移量關(guān)系曲線見圖3.

圖3 不同試件的黏結(jié)－滑移曲線Fig.3 Bond－slip curves of different specimens

由圖3可以看出：黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線大致可以分為4個階段：微滑移階段、滑移段、內(nèi)劈裂段和下降段.當(dāng)黏結(jié)應(yīng)力達到滑移強度τs時，黏結(jié)面剪切剛度緩慢減小，黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線開始呈現(xiàn)非線性而進入滑移階段；當(dāng)黏結(jié)應(yīng)力達到內(nèi)劈裂強度τcr時，鋼筋肋前區(qū)的混凝土齒受到剪切和擠壓作用而出現(xiàn)劈裂裂縫，黏結(jié)面的剪切剛度逐漸降低，黏結(jié)面的滑移量明顯增大，黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線的非線性明顯增大而進入內(nèi)劈裂階段；隨著滑移量的增大，黏結(jié)應(yīng)力達到極限強度即τu，伴隨著混凝土咬合齒的剪斷，黏結(jié)應(yīng)力迅速下降，黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線進入下降段.除EA2，LA2試件以外，其他各組試件由于殘留的混凝土齒對鋼筋滑移產(chǎn)生阻擋作用，其黏結(jié)應(yīng)力在幾乎相同的滑移量處出現(xiàn)程度不同的上升，與劈開后的混凝土滑動面表觀現(xiàn)象相一致.與鋼筋和普通混凝土黏結(jié)－滑移曲線［18］相比，鋼筋和機制砂混凝土黏結(jié)－滑移曲線的下降段平緩，且伴隨著較大滑移的殘余黏結(jié)強度較高.

各試件中鋼筋的黏結(jié)滑移強度τs，內(nèi)劈裂強度τcr和黏結(jié)強度τu對應(yīng)于黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線的初始直線上非線性轉(zhuǎn)折點、非線性快速增加點和黏結(jié)應(yīng)力最大點，可通過圖形分析各個曲線的斜率變化加以確定.由此可得各組試件黏結(jié)－滑移曲線的特征強度和滑移量實測值（見表5），其中fcu，0，ft，0分別為混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的實測值；ss，scr，su分別為對應(yīng)于τs，τcr，τu的特征滑移量.

表5 黏結(jié)-滑移曲線特征值試驗結(jié)果Table 5 Test results of characteristic values of bond－slip curves

結(jié)合表5試驗數(shù)據(jù)，可通過機制砂混凝土抗壓強度換算得到其劈裂抗拉強度計算值ft，c［3－4，12］，即ft，c＝0.395（fcu，0）0.55，黏結(jié)強度特征值的統(tǒng)計分析結(jié)果見表6，其中：μ，δ分別為各項比值對應(yīng)的平均值和離散系數(shù).

表6 黏結(jié)-滑移曲線特征強度值統(tǒng)計分析結(jié)果Table 6 Statistical results of characteristic strength values of bond－slip curves

變形鋼筋與機制砂混凝土的黏結(jié)面滑移強度在機制砂原料為卵石時大于為碎石時，但均略低于普通混凝土的0.99ft［18－19］，故建議取τs＝0.9ft.內(nèi)劈裂強度在機制砂原料為碎石時明顯高于普通混凝土的4.75ft，而機制砂原料為卵石時則基本相當(dāng)，建議機制砂原料為碎石時取τcr＝5.1ft，機制砂原料為卵石時取τcr＝4.5ft.黏結(jié)強度在機制砂原料為碎石和卵石時均明顯高于普通混凝土的4.75ft，建議機制砂原料為碎石時取τu＝6.15ft，機制砂原料為卵石時取τu＝5.2ft.同時對應(yīng)于上述各強度指標(biāo)的特征滑移量ss，scr，su在機制砂原料為卵石時普遍大于機制砂原料為碎石時，且分別大于普通混凝土的對應(yīng)值0.096，0.288，0.442mm［18］.因鋼筋的月牙肋間距與鋼筋直徑d 相關(guān)，仍以鋼筋直徑為變量表示黏結(jié)面的特征滑移量，建議變形鋼筋與機制砂黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線的特征滑移量ss＝0.0094d，scr＝0.042d，su＝0.16d.

上述統(tǒng)計結(jié)果表明，鋼筋與機制砂混凝土的黏結(jié)強度與混凝土抗拉強度成正比增長關(guān)系，這與普通混凝土相一致［18－19］.機制砂的原料形態(tài)對鋼筋與機制砂混凝土的黏結(jié)性能產(chǎn)生了一定影響，這源于機制砂的原料形態(tài)對機制砂顆粒特征的影響［3，10，12］，碎石破碎的機制砂顆粒表面粗糙，卵石破碎的機制砂顆粒存在部分光滑表面，因此前者與水泥漿體和鋼筋表面形成的界面黏結(jié)將優(yōu)于后者，有利于提高混凝土與變形鋼筋的黏結(jié)強度.與普通混凝土比較，變形鋼筋與機制砂混凝土黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線各特征點的滑移量均較大，表明機制砂的顆粒組成中小于0.15mm 粒徑的含量偏多，更易于在混凝土與鋼筋之間形成較厚的漿體黏結(jié)界面層，促成了界面受力時的滑移，使得黏結(jié)滑移量增大.

同時注意到，機制砂石粉含量對變形鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能也產(chǎn)生一定影響.石粉含量的增加進一步增加了混凝土中的漿體總量，在變形鋼筋表面形成較厚的黏結(jié)界面層，將降低變形鋼筋與混凝土的黏結(jié)強度（見圖3，當(dāng)機制砂原料為碎石時更為明顯），并使其黏結(jié)－滑移曲線的內(nèi)劈裂段延長，下降段變陡.機制砂混凝土彈性模量隨石粉含量的增加而降低也是導(dǎo)致上述結(jié)果的原因之一［3，12］.

3 黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系

結(jié)合本文機制砂混凝土與鋼筋的黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線的試驗結(jié)果，在分析相關(guān)文獻［18，20］基礎(chǔ)上，給出了機制砂混凝土與鋼筋的黏結(jié)－滑移本構(gòu)關(guān)系表達式.

式中：αsr為考慮機制砂原料影響的系數(shù)，采用碎石破碎時取1.0，采用卵石破碎時取1.1.由于變形鋼筋的月牙肋間距約為0.7d，考慮到滑移超過1.5倍肋間距后，鋼筋與混凝土之間已呈摩擦滑動狀態(tài)，故取最大滑移值為1.5×0.7d≈d.

分別取混凝土抗拉強度的實測值ft，0和計算值ft，c，將本試驗實測黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線（圖3）縱坐標(biāo)換算為黏結(jié)應(yīng)力與混凝土抗拉強度的比值τ／ft，0，τ／ft，c后，繪制相應(yīng)的（τ／ft，0）－s，（τ／ft，c）－s 關(guān)系曲線（見圖4，5）.按上述本構(gòu)關(guān)系、各特征點黏結(jié)強度和滑移建議值繪制計算曲線（以粗實線表示，下降段上、下2條粗實線對應(yīng)于式（4）中ft分別取3.0，4.0 MPa）.

4 結(jié)論

（1）所有試件均為鋼筋肋前區(qū)混凝土齒剪切破壞，鋼筋被拔出.

（2）變形鋼筋與機制砂混凝土的黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線可劃分為微滑移、滑移、內(nèi)劈裂和下降等4個階段，根據(jù)實測曲線取得了各組試件對應(yīng)這4個階段的黏結(jié)應(yīng)力和滑移量特征值.通過統(tǒng)計分析，確定了各特征變量的計算方法，提出了變形鋼筋與機制砂混凝土的黏結(jié)－滑移本構(gòu)關(guān)系表達式.

（3）變形鋼筋與機制砂混凝土的黏結(jié)性能隨著混凝土強度的提高而增強，碎石破碎機制砂混凝土與變形鋼筋的黏結(jié)性能優(yōu)于卵石破碎機制砂混凝土，石粉含量對黏結(jié)強度及黏結(jié)－滑移曲線的內(nèi)劈裂段和下降段具有一定影響.

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