熊 拓 新

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

1 概述

凍融作用會(huì)破壞鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能，是寒冷地區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞最主要的因素[1]。近年來(lái)，混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性研究已成為土木工程研究中的熱點(diǎn)，人們?cè)絹?lái)越重視混凝土的抗凍性對(duì)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的影響，尤其是對(duì)工程安全性的影響。研究?jī)鋈谘h(huán)后鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，能為嚴(yán)寒地帶的鋼筋混凝土建筑物進(jìn)行抗凍耐久性能設(shè)計(jì)及對(duì)遭到凍融破壞建筑物的維修加固提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。本文通過(guò)文獻(xiàn)查閱與分析，主要對(duì)凍融后鋼筋與混凝土粘結(jié)性能進(jìn)行綜述，期望對(duì)相關(guān)內(nèi)容的研究提供有價(jià)值的參考。

2 凍融循環(huán)下粘結(jié)強(qiáng)度的影響因素

凍融作用使得內(nèi)部毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)體積發(fā)生膨脹，在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生[2]。隨著凍融破壞的加劇，裂縫不斷延伸。研究表明：凍融作用后，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度以及彈性模量、泊松比和剪切模量均會(huì)受到不同程度的影響[3,4]，混凝土力學(xué)性能均呈下降趨勢(shì)[5]，凍融對(duì)混凝土強(qiáng)度特性的影響較為明顯，循環(huán)次數(shù)越多，下降程度越大[6,7]。

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，毛細(xì)孔孔隙和孔隙壓力引起的微裂縫逐漸增大，不斷擴(kuò)展至互聯(lián)相通，使得鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能下降。研究人員開(kāi)展了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)，結(jié)果顯示：鋼筋直徑為12 mm～20 mm的混凝土粘結(jié)試件，在相同抗凍性的前提下，經(jīng)過(guò)0次～300次凍融循環(huán)作用，粘結(jié)強(qiáng)度下降，且受到的循環(huán)次數(shù)越多，粘結(jié)強(qiáng)度下降幅度越大[8]。

2.2 混凝土強(qiáng)度

由于組成粘結(jié)力的三個(gè)組成部分：膠結(jié)力、摩阻力和機(jī)械咬合力都與水泥體的強(qiáng)度有關(guān)，所以粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)受到混凝土強(qiáng)度的影響，一般與混凝土的抗拉強(qiáng)度成正比[9]。在混凝土強(qiáng)度相同的條件下，混凝土水灰比越大粘結(jié)強(qiáng)度越低。

光圓鋼筋受到混凝土強(qiáng)度的影響較小，這主要是由于粘結(jié)力主要由膠結(jié)力組成，很快會(huì)被光圓鋼筋所受的拉拔力破壞，導(dǎo)致光圓鋼筋拔出，即使混凝土強(qiáng)度上升粘結(jié)強(qiáng)度依然較低，不易發(fā)生劈裂粘結(jié)破壞；對(duì)于帶肋鋼筋，隨著混凝土強(qiáng)度增加，鋼筋肋與混凝土之間的機(jī)械咬合力有較大幅度的上升，粘結(jié)強(qiáng)度增加且粘結(jié)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的滑移量減少，易發(fā)生劈裂粘結(jié)破壞。

2.3 鋼筋表面形態(tài)

不同的鋼筋種類其表面形態(tài)差異較大，其對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有不同的影響。由于變形鋼筋肋的存在，變形鋼筋肋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度要比光圓鋼筋大得多，不同幾何參數(shù)的肋也會(huì)得到不同的粘結(jié)強(qiáng)度[10]。

鋼筋的表面粗糙度會(huì)隨著銹蝕而增加，對(duì)于光圓鋼筋而言，在混凝土銹蝕脹裂的前期，粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)有一定幅度的提高；但是對(duì)變形鋼筋而言，肋與混凝土之間的咬合面積由于銹蝕減少了，降低了主要組成粘結(jié)力的機(jī)械咬合力的大小，所以粘結(jié)性能下降[11]。

2.4 箍筋配置

在混凝土中配置箍筋可以增大粘結(jié)應(yīng)力并保證粘結(jié)試件不發(fā)生劈裂破壞。箍筋的約束作用，可以使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的軸心抗壓強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的延性能有所提升[12]，在縱向劈裂裂縫產(chǎn)生后繼續(xù)保持對(duì)鋼筋的約束作用。箍筋對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在箍筋截面面積Asv和箍筋間距Ssv，結(jié)果顯示：粘結(jié)強(qiáng)度與箍筋截面面積成正比，與箍筋間距成反比，即粘結(jié)強(qiáng)度與配箍率ρsv=Asv/cSsv呈正比關(guān)系。

以上為影響凍融后混凝土粘結(jié)性能的主要幾種因素，目前開(kāi)展的研究一般考慮單因素或較少幾個(gè)因素作用，多因素共同作用由于工作量大、難度高，開(kāi)展的較少。針對(duì)上述問(wèn)題，建議開(kāi)展微觀機(jī)理方面更加深入的研究，給出多個(gè)因素對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律。

3 改善凍融后粘結(jié)性能的措施

3.1 混凝土強(qiáng)度

提高混凝土的強(qiáng)度可以整體提高鋼筋與混凝土之間的膠結(jié)力、摩阻力、機(jī)械咬合力，增強(qiáng)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力和協(xié)同作用，從而提高粘結(jié)強(qiáng)度。

3.2 引氣劑

凍融后鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度還與制備混凝土?xí)r是否添加引氣劑等外加劑有關(guān)[13]。最常用來(lái)提高混凝土耐久性能的方法是加入引氣劑。引氣劑的添加可以十分有效地改善混凝土的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，加了引氣劑的混凝土相對(duì)未加引氣劑的混凝土而言多了許多微小而均勻的氣泡，在凍融環(huán)境下這些氣泡可以有效防止由于凍脹引起的裂縫，增強(qiáng)粘結(jié)性能。但是引氣劑的添加量不能過(guò)大，過(guò)高的含氣量會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，有抗凍要求混凝土的含氣量應(yīng)符合JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程中的要求。

4 凍融后粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算

研究者根據(jù)試驗(yàn)以及理論推導(dǎo)提出了鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算公式，研究?jī)鋈诤箐摻钆c混凝土粘結(jié)性能的學(xué)者多在普通混凝土粘結(jié)強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合凍融循環(huán)作用的機(jī)理，提出改進(jìn)后的粘結(jié)公式，但是由于粘結(jié)破壞的機(jī)理較為復(fù)雜，試驗(yàn)中影響試驗(yàn)結(jié)果的因素太多，始終很難形成統(tǒng)一的計(jì)算公式，下面統(tǒng)計(jì)歸納了不同試驗(yàn)因素下粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算公式[14-17]：

式中：ft——混凝土抗拉強(qiáng)度；

fcu——混凝土抗壓強(qiáng)度；

τu——粘結(jié)強(qiáng)度;

c——保護(hù)層厚度;

d——鋼筋直徑；

μ——摩擦系數(shù),取0.4；

β——滑移面與鋼筋縱軸夾角,取20°～45°；

la——鋼筋與混凝土錨固長(zhǎng)度；

Asv——箍筋截面面積；

Ssv——箍筋間距；

τ0——無(wú)箍筋無(wú)保護(hù)層時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度；

Kcon——混凝土保護(hù)層增強(qiáng)系數(shù)；

Kst——箍筋增強(qiáng)系數(shù)；

ρst——配箍率；

N——凍融次數(shù)；

ftN——N次凍融后的抗拉強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

1)凍融循環(huán)作用通過(guò)破壞混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)使混凝土受損，遭受凍融破壞的混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、粘結(jié)強(qiáng)度等力學(xué)性能均會(huì)下降，且凍融次數(shù)越多，衰減幅度越大?？偨Y(jié)分析了影響凍融后鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的因素。

2)考慮到凍融對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用，本文總結(jié)了改善混凝土抗凍性、提高粘結(jié)性能的措施，并給出進(jìn)一步研究方向。

3)計(jì)算凍融后鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度的公式形式有多種，考慮因素也有所不同，因此還需要探究各影響因素之間的關(guān)聯(lián)性，提出簡(jiǎn)單易行的計(jì)算公式，為凍融后鋼筋混凝土的設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

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