焦俊婷，許金鼓，丘文濤，陳 勛，嚴凌靜

(廈門理工學院土木工程與建筑學院,福建 廈門 361024)

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水灰比對裂縫鋼筋與混凝土粘結性能的影響

焦俊婷，許金鼓，丘文濤，陳 勛，嚴凌靜

(廈門理工學院土木工程與建筑學院,福建 廈門 361024)

針對大氣環(huán)境和氯鹽侵蝕環(huán)境中帶預制裂縫鋼筋與混凝土粘結滑移性能進行研究.通過實驗室模擬亞熱帶沿海地區(qū)工作環(huán)境，對具有不同水灰比帶初始裂縫梁試件，經(jīng)海水浸泡180d干濕循環(huán)或大氣環(huán)境180d作用下，著重研究水灰比對鋼筋與混凝土之間粘結性能影響.結果表明：在海水腐蝕環(huán)境下峰值滑移，隨著水灰比減小而減?。辉诖髿猸h(huán)境下，峰值滑移隨著水灰比變化規(guī)律不明顯.極限粘結應力隨著水灰比減小而增大.

鋼筋混凝土；粘結性能；水灰比；氯離子侵蝕；大氣環(huán)境

鋼筋混凝土結構一般帶工作裂縫，在鹽侵環(huán)境下裂縫加快氯離子的侵蝕速度[1]，導致鋼筋極易發(fā)生銹蝕；在大氣環(huán)境中裂縫存在使得混凝土保護層厚度減小，易使鋼筋銹蝕.鋼筋銹蝕會使鋼筋截面面積減小，導致鋼筋與混凝土之間粘結退化[2]，影響混凝土結構的安全性和耐久性.因此，研究帶裂縫鋼筋混凝土結構在一定環(huán)境中鋼筋與混凝土粘結性能是一個具有實際意義的重要課題.國內(nèi)外現(xiàn)有關于銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能試驗方法，多采用制作及裝置比較簡單而試驗結果便于分析的中心拔出試驗[3-4]，而采用與實際構件受力狀態(tài)符合較好的梁式或半梁式試驗方法較少[5-9].有關帶初始裂縫鋼筋混凝土構件在一定腐蝕環(huán)境中鋼筋與混凝土粘結性能的研究不多：襲杰等[3]采用中心拔出試驗研究得出，帶初始裂縫混凝土試件經(jīng)過凍融循環(huán)與氯離子侵蝕后鋼筋與混凝土粘結強度比無裂縫情況低；許豪文等[4]采用中心拔出試驗研究了帶初始裂縫混凝土試件分別經(jīng)過凍融循環(huán)與氯離子侵蝕、大氣環(huán)境腐蝕后，鋼筋與混凝土粘結強度受裂縫寬度的影響情況.鋼筋與混凝土粘結受多因素影響，如環(huán)境、腐蝕方法、裂縫、粘結長度、混凝土水灰比、鋼筋直徑和外形等.為真實了解帶初始裂縫構件在氯鹽腐蝕環(huán)境或大氣環(huán)境中鋼筋與混凝土粘結性能，本文采用梁式試驗方法，通過試驗室模擬沿海亞熱帶地區(qū)工作環(huán)境，試驗研究了經(jīng)歷海水浸泡180d干濕循環(huán)或在大氣環(huán)境180d不同環(huán)境腐蝕后帶初始裂縫梁試件，旨在研究水灰比對鋼筋與混凝土粘結性能退化規(guī)律的影響，為沿海亞熱帶地區(qū)鋼筋混凝土結構及耐久性設計提供參考.

1 試驗

1.1 試件材料

水泥采用中國建筑材料科學研究院生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5；粗骨料使用廈門市生產(chǎn)的粒徑6～14mm玄武巖碎石；細骨料為廈門市石料廠生成的中砂，細度模數(shù)2.6，Ⅱ區(qū)級配合格；水用自來水.

試件混凝土按水灰比(w/c)分別為0.60、0.47設計.鋼筋用HRB335級螺紋鋼，直徑d=10mm.材料力學性能見表1.

表1 材料力學性能

1.2 試件制作及試驗過程

本文鋼筋與混凝土粘結強度試驗采用無箍筋梁試件，試件尺寸如圖1所示.試件尺寸為100mm×100mm×430mm的鉸梁，鋼筋與混凝土的粘結長度l=10d(d表示鋼筋直徑)，在鋼筋與混凝土粘結段中間預制不同寬度橫向裂縫，無粘結部分用PVC塑料管包裹.梁試件按照水灰比和裂縫寬度不同分2組，每組8個試件，共16個試件，試件編號、水灰比和裂縫寬度見表2.

表2 試件分組、水灰比、裂縫寬度、破壞形式及粘結強度

環(huán)境類別試件編號w/c裂縫寬度/mmPmax/kN破壞形式l1/mml2/mmla/mml/mmFmax/kNδm/mmτmax/MPa大氣環(huán)境1-C25-000.600.0039.86局部劈裂175505510545.300.6013.731-C25-050.600.0738.47局部劈裂175505410544.530.4713.501-C25-100.600.1132.86局部劈裂175505010041.080.4413.071-C25-200.600.1938.01局部劈裂175505711041.680.5312.061-C35-000.470.0040.11局部劈裂175475310048.430.4015.421-C35-050.470.0844.56鋼筋屈服175475511051.8515.001-C35-100.470.1233.09局部劈裂17545509643.020.7114.261-C35-200.470.1938.30局部劈裂175455510545.260.5313.72海水環(huán)境2-C25-000.600.0034.26貫通劈裂175475210042.170.7013.422-C25-050.600.0739.60局部劈裂175475710844.460.3813.102-C25-100.600.1235.41局部劈裂175475711039.760.5811.512-C25-200.600.1938.67局部劈裂175476011541.250.6311.422-C35-000.470.0045.30局部劈裂175455511053.540.4915.492-C35-050.470.0643.56局部劈裂175505410850.420.5114.862-C35-100.470.1144.49局部劈裂175505711548.780.2613.502-C35-200.470.2035.75局部劈裂175505210542.970.4613.03

注：Pmax、Fmax分別表示P和F的最大值;δm表示在Fmax時鋼筋與混凝土的相對滑移量，稱為峰值滑移

試件制作，按照文獻[3-4]中預制裂縫方式，在試件澆筑時預先插入不同厚度0.05mm、0.10mm、0.20mm間隙片，分別在3h、4h、5h后將間隙片拔出，制得不同寬度裂縫.試件養(yǎng)護齡期為28d，其中帶模養(yǎng)護1d，拆模后室溫養(yǎng)護27d.試驗過程分腐蝕階段和加載試驗兩階段.

腐蝕階段：1)將第1組試件在大氣環(huán)境中靜置180d；2)將第2組試件在人工海水(在自來水中加入質(zhì)量分數(shù)3.5%NaCl制成)中進行浸泡干濕循環(huán)180次.每次干濕循環(huán)持續(xù)1d，將試件在人工海水浸泡8h，在大氣環(huán)境中靜置16h.

加載試驗階段：試件完成腐蝕后，首先在試件表面粘貼碳纖維布[10]，避免試件進行試驗時由于沒有箍筋發(fā)生剪切破壞.然后在最大量程100kN壓彎試驗機上進行試驗(如圖2所示).在梁粘貼鋼板的兩端面自由鋼筋上固定電子位移計(量程0～10mm)，位移計頂在粘貼鋼板上測量鋼筋自由端相對于混凝土的滑移.在加載過程中，電子位移計接入DH3815靜態(tài)應變儀，加載力與位移通過電腦同步采集.試驗過程以等速位移加載方式加載，加載速度為1.0mm/min.

2 試件破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)分為鋼筋拉屈破壞和混凝土劈裂破壞2種(見表2)，以混凝土劈裂破壞為主.其中劈裂破壞又分為2類：一類為貫穿劈裂破壞，即劈裂裂縫貫穿整個試件，如圖3(a)所示；另一類為部分劈裂破壞，僅在鋼筋自由端至初始橫向裂縫之間產(chǎn)生劈裂裂縫，如圖3(b)所示，或僅在鋼筋兩自由端之間產(chǎn)生部分劈裂裂縫，如圖3(c)所示.

3 試驗結果與分析

3.1 粘結-滑移曲線

鋼筋與混凝土粘結應力計算受力簡圖如圖4所示.鋼筋與混凝土粘結平均應力τ可由式(1)計算：

(1)

式中：F表示鋼筋與混凝土的粘結力；A表示鋼筋與混凝土的粘結面積，A=πdl；P、l、l1、l2和la等符號含義如圖4所示，其數(shù)值見表2.

根據(jù)測得鋼筋自由端相對滑移量δ以及由計算得到的粘結平均應力τ，得到試件τ-δ曲線，如圖5、圖6所示.圖5和圖6分別為w/c=0.60、0.47時混凝土試件的τ-δ曲線，每個圖中w/c相同而初始橫向裂縫寬度不同.從圖5、圖6可以看出，同種破壞形態(tài)試件的τ-δ曲線形狀相似.當接近承載力峰值時，增加少量τ，粘結滑移增量明顯，繼續(xù)增加少量τ，粘結滑移失穩(wěn),τ快速下降，降到一定程度后下降速度逐漸變緩.

在試驗過程中,試件兩肢粘結滑移量不相同，只有一肢粘結滑移量發(fā)展充分,而另一肢滑移發(fā)展緩慢混凝土沒有出現(xiàn)劈裂(如圖3所示).這可能是由于兩肢中鋼筋粘結力不相同,粘結力偏小的肢較容易滑移失穩(wěn),而一旦失穩(wěn),產(chǎn)生滑移的外部荷載減小,無法提供更大的力使另一肢繼續(xù)滑移，這與文獻[8]中試驗現(xiàn)象類似.

3.2 極限粘結應力

極限粘結應力指鋼筋與混凝土粘結力F達到最大時計算得到的平均粘結應力，即τmax，其數(shù)值見表2.

3.3w/c對粘結滑移的影響

3.3.1w/c對峰值滑移δm的影響

圖7給出了試件峰值滑移δm與w/c關系.由圖7(a)可以看出，在大氣環(huán)境下，峰值滑移δm隨著w/c變化規(guī)律不明顯.由圖7(b)可以看出，在海水腐蝕環(huán)境下，除裂縫寬度約0.05mm的情況外，峰值滑移δm隨著水灰比提高而減小,當裂縫寬度W=0.1mm、0.2mm時，w/c=0.47的峰值滑移δm比w/c=0.6的峰值滑移δm分別減少55.17%、26.98%.原因為:w/c越大，材料的脆性越強，鋼筋與混凝土相對滑移變形越小.

3.3.2w/c對粘結應力的影響

表3和圖 8給出了τmax與w/c的關系，表3中數(shù)值為試件的τmax值與其參照值的比值，其中參照值為同環(huán)境下、同裂縫寬度和w/c=0.60時的τmax值.由表3和圖8可以看出，試件的τmax隨著w/c增大而降低，原因為：w/c越小，混凝土強度越大，混凝土對鋼筋的握裹力越強，即鋼筋與混凝土的極限粘結應力越大.

表3 w/c對τmax的影響

注：*表示混凝土裂縫寬度“約為”

4 結語

本文通過梁式試驗法研究了分別經(jīng)歷海水浸泡180d干濕循環(huán)或在大氣環(huán)境180d下的鋼筋與混凝土粘結性能，著重分析了水灰比對鋼筋與混凝土粘結性能退化規(guī)律的影響.試驗得到：峰值滑移δm在海水腐蝕環(huán)境下，除裂縫寬度約0.05mm的情況外，峰值滑移δm隨著水灰比減小而減小；在大氣環(huán)境下，峰值滑移δm隨著水灰比變化規(guī)律不明顯.極限粘結應力τmax隨著水灰比減小而增大.由于預制裂縫忽略了裂縫寬度和深度受荷載作用的大小、形式、作用時間等的影響，相關內(nèi)容以后尚需進一步深入研究.

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(責任編輯 雨 松)

Effect of Water-Cement Ratio on Bond Properties betweenReinforcement and Concrete with Initial Crack

JIAO Junting，XU Jingu，QIU Wentao，CHEN Xun，YAN Lingjing

(SchoolofCivilEngineering&Architecture，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China)

Thebondslippropertybetweensteelbarandconcretewithinitialcrackintheatmosphericorchlorinesalterosionwasstudiedinthispaper.Bylaboratorysimulatedsubtropicalcoastalworkingenvironment，thebeamspecimenswithdifferentwater-cementratiosin180dseawaterimmersionanddrycycleorin180datmosphericenvironmentwereresearchedfocusingontheeffectofwater-cementratioonbondperformancebetweensteelbarandconcrete.Theresultsshowthatthepeakslipdecreaseswiththedecreaseofwater-cementratiointheseawatercorrosionenvironment，andmakesnoobviouschangesinatmosphericconditions;andtheultimatebondstressincreaseswiththedecreaseofwater-cementratio.

reinforcedconcrete;bondproperty;water-cementratio;chlorideionerosion;atmosphere

2016-08-23

2016-09-30

國家自然科學基金項目(51478404);福建省教育廳A類項目(JA14241);福建省大學生創(chuàng)新訓練項目(201611062258)

焦俊婷(1968-)，女，教授，博士，研究方向為鋼筋混凝土結構非線性與耐久性.E-mail：jtjiao@xmut.edu.cn

TU

A

1673-4432(2016)05-0084-06