李思李,田 波

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

CRCP在溫度收縮和收縮條件下，鋼筋混凝土的抗拉強(qiáng)度通過(guò)直接拉伸試驗(yàn)或間接拉伸試驗(yàn)來(lái)獲得。由于直接拉伸試驗(yàn)難度較大，許多專家學(xué)者試圖通過(guò)便于試驗(yàn)測(cè)定的混凝土強(qiáng)度及其和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系[1-2]，借此間接得出混凝土的拉伸強(qiáng)度。Popovics分析了出混凝土的劈裂強(qiáng)度和直接拉伸強(qiáng)度的比值在0.41～1.28的范圍內(nèi)，而彎曲強(qiáng)度和直接抗拉強(qiáng)度的比值在0.37～0.77范圍內(nèi)，以上兩個(gè)強(qiáng)度比離散性都很大[3]。Jeong認(rèn)為混凝土的抗拉強(qiáng)度可依據(jù)劈裂強(qiáng)度的85%～90%來(lái)確定[4]。 Ahmad和Shah以及ACI研究了混凝土在受拉和受壓狀態(tài)下的強(qiáng)度比，得出了不同的經(jīng)驗(yàn)公式[5]。 AASHTO 2002設(shè)計(jì)指南總結(jié)出直接與間接拉伸拉伸試驗(yàn)測(cè)定的強(qiáng)度之間的比值應(yīng)在0.6～0.7的范圍內(nèi)，依據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的間接拉伸強(qiáng)度來(lái)確定該直接拉伸強(qiáng)度，一般情況以0.67為推薦取值。國(guó)內(nèi)利用統(tǒng)計(jì)方法測(cè)定出軸向抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值[6]。為得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)采用直接拉伸試驗(yàn)，針對(duì)鋼筋混凝土受拉時(shí)的受力特點(diǎn)提出一種合理的試驗(yàn)方法。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試件成型

對(duì)鋼筋混凝土試件進(jìn)行室內(nèi)軸向直接拉伸試驗(yàn)對(duì)試件的形狀和尺寸有著較高要求，以往的研究中，研究人員將試件成型為類似于抗折試件的矩形立方體，在試件兩端對(duì)混凝土施加拉力進(jìn)行試驗(yàn)[7-9]。在這種試驗(yàn)條件下，由于試驗(yàn)夾具和試件之間缺少適當(dāng)?shù)倪^(guò)渡，容易出現(xiàn)端部應(yīng)力集中的情況[10]，導(dǎo)致試件中部與端部受力情況差別很大，試件更容易在端部發(fā)生破壞，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。為了避免由于試件形狀和尺寸的原因?qū)υ囼?yàn)的影響，有的研究人員嘗試將內(nèi)部埋置的鋼筋兩端伸出，夾具夾緊鋼筋后直接對(duì)鋼筋施加軸向拉力，這種方法可以較為有效地避免混凝土端部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但在此試驗(yàn)條件下，鋼筋和混凝土之間實(shí)際上是由鋼筋將試驗(yàn)力通過(guò)摩阻作用傳遞給混凝土，而混凝土處于被動(dòng)受力的情況，與實(shí)際溫縮及干縮作用下鋼筋混凝土的相對(duì)受力關(guān)系不符[11]。

為了避免上述誤差，準(zhǔn)確模擬混凝土在溫縮以及干縮條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)行為[12]，為了有效地避免試件在受拉端部應(yīng)力集中的情況，將試件受拉兩端截面尺寸以軸心為基點(diǎn)逐漸放大，通過(guò)兩端逐漸增大的截面尺寸來(lái)使加載兩端的應(yīng)力逐漸過(guò)渡到試件中部，此時(shí)直接對(duì)混凝土試件兩端施加軸向拉力，在加載過(guò)程中作為主要觀測(cè)的中部區(qū)域主動(dòng)受到軸向均勻的拉伸力，與路面真實(shí)受力狀況相符。圖1和圖2為試件成型的模具尺寸實(shí)物圖和尺寸示意圖。

圖1 試件模具

圖2 試件模具尺寸(單位：mm)

試件模具由6片鋼板通過(guò)18個(gè)夾扣連接而成，每片鋼板可自由拆卸，端部鋼板各留有6個(gè)圓孔，成型試件時(shí)插入膨脹螺栓傳遞軸向試驗(yàn)拉力。模具左右兩個(gè)側(cè)模板不同位置開(kāi)有小孔，為架立鋼筋提供支撐。試驗(yàn)時(shí)根據(jù)試驗(yàn)條件的需要，將不同數(shù)量、不同位置的縱向螺紋鋼筋綁扎在架立鋼筋上，鋼筋縱向中部及端部等間距粘貼應(yīng)變片，然后澆注混凝土，并按照設(shè)計(jì)齡期進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試件模具端部模板實(shí)物圖及預(yù)埋鋼筋模具效果圖如圖3和圖4所示。

圖3 試件模具端部模板

圖4 預(yù)埋鋼筋模具

由于探究一般連續(xù)配筋混凝土路面開(kāi)裂性能，試件選取CRCP常用的C30混凝土配合比，如表1所示。鋼筋混凝土試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表1 C30混凝土配合比

1.2 應(yīng)變片的粘貼

對(duì)鋼筋混凝土試件進(jìn)行軸向直接拉伸試驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量預(yù)埋鋼筋和混凝土的應(yīng)變變化情況，因此需要對(duì)這兩部分粘貼應(yīng)變片。

表2 拉伸試驗(yàn)配筋試件

對(duì)于預(yù)埋鋼筋而言，粘貼應(yīng)變片時(shí)需要進(jìn)行防震和防潮處理。首先對(duì)鋼筋表面進(jìn)行打磨，除去表面銹跡以及鋼筋肋部，使鋼筋表面形成光滑的平面。將應(yīng)變片與接線端子焊接后，用粘結(jié)劑粘貼在打磨好的鋼筋表面，同時(shí)為了防止在后續(xù)操作中因意外拉扯造成應(yīng)變損壞，需要將導(dǎo)線也粘在鋼筋上。對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行防水處理時(shí)，用便攜式燃?xì)庠顚⑹D加熱融化，用小毛刷涂于應(yīng)變片上，石蠟在室溫下會(huì)迅速凝固，覆蓋整個(gè)應(yīng)變片，防止混凝土澆注時(shí)水泥漿體進(jìn)入應(yīng)變片內(nèi)部，造成元器件短路。對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行防震處理時(shí)，使用聚氯乙烯膠帶將應(yīng)變片牢牢包裹，防止混凝土大粒徑集料對(duì)應(yīng)變片的沖擊破壞。最后，用束線帶將導(dǎo)線綁扎在鋼筋上，起到固定作用，防止應(yīng)變片脫落。鋼筋應(yīng)變片粘貼流程示意圖如圖5所示。

圖5 鋼筋應(yīng)變片粘貼流程示意圖

對(duì)于混凝土而言，應(yīng)變片的長(zhǎng)度需要至少大于集料最大粒徑的3倍。將養(yǎng)護(hù)好的混凝土表面擦干，用砂紙進(jìn)行初次打磨，將打底膠均勻涂于被測(cè)位置處，盡可能填滿界面處的氣孔。待底膠干燥凝固后，再次進(jìn)行打磨處理，使得底膠表面盡可能光滑平整。使用粘結(jié)劑將應(yīng)變片粘貼在打磨過(guò)的底膠表面，并用夾片擠壓出多余黏結(jié)劑和氣泡，保證應(yīng)變片與混凝土間粘貼緊密。

圖6 混凝土應(yīng)變片粘貼

1.3 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)開(kāi)始前，用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)位置應(yīng)變片的電阻，確保應(yīng)變片正常工作，應(yīng)變采集工作正常進(jìn)行。使用MTS對(duì)試件施加荷載。利用位移控制模式，以0.5 mm/min的速率通過(guò)兩端夾具對(duì)鋼筋混凝土試件施加軸向拉力，MTS記錄拉力大小以及混凝土位移量，NI動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀記錄試驗(yàn)過(guò)程中鋼筋和混凝土表面所有應(yīng)變片實(shí)時(shí)的應(yīng)變值，從而計(jì)算出預(yù)埋鋼筋和混凝土各自受到的軸向拉力變化情況。

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，后期利用圖像識(shí)別軟件進(jìn)行裂縫識(shí)別，2 048像素×1 536像素圖像檢測(cè)精度達(dá)到0.080 mm[13]，滿足對(duì)每隔固定時(shí)間裂縫寬度變化進(jìn)行測(cè)量的需求。鋼筋混凝土試件是脆性材料，進(jìn)行軸向直接拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，試件斷裂迅速而且是全截面斷裂[14-15]。由于測(cè)試區(qū)各個(gè)截面的應(yīng)變實(shí)際并不相同，試驗(yàn)過(guò)程中采用標(biāo)距內(nèi)應(yīng)變片測(cè)得的平均應(yīng)變來(lái)表征測(cè)試區(qū)的變形。試驗(yàn)設(shè)備布置圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)設(shè)備布置

試驗(yàn)開(kāi)始階段首先在試件彈性范圍(應(yīng)變小于20 με)進(jìn)行預(yù)加載，消除試件與試驗(yàn)機(jī)之間傳力部件的空隙，同時(shí)評(píng)價(jià)試件的安裝是否產(chǎn)生偏心荷載，如果加載曲線得到的彈性模量和混凝土彈性模量有較大差異，或者曲線在低應(yīng)力水平狀態(tài)下明顯呈現(xiàn)非線性，則考慮調(diào)整試件位置和球鉸支座，直到加載的結(jié)果理想為止，圖8所示為試件破壞效果。

圖8 試件破壞

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 配筋率對(duì)早期開(kāi)裂的影響

配筋率是連續(xù)配筋混凝土路面設(shè)計(jì)的核心，也對(duì)連續(xù)配筋混凝土路面裂縫寬度、裂縫間距和鋼筋拉應(yīng)力三大設(shè)計(jì)指標(biāo)[16-17]有重要的影響。連續(xù)配筋混凝土路面配筋率的計(jì)算公式[6]為：

(1)

式中,ρ為鋼筋與混凝土的配筋率；Ac為混凝土橫截面積；As為計(jì)算面積內(nèi)鋼筋橫截面積之和。

本研究在相同配筋方式條件下(只在試件中部配置一根鋼筋)，不同配筋率對(duì)連續(xù)配筋混凝土路面早期開(kāi)裂的影響。圖9為7 d、3 d齡期不同配筋率鋼筋混凝土試件的力-位移曲線圖以及應(yīng)變-位移曲線圖。

圖9 7 d、3 d齡期不同配筋率鋼筋混凝土試件的力-位移曲線以及應(yīng)變-位移曲線

由圖9可知，無(wú)論是3 d齡期還是7 d齡期的鋼筋混凝土試件，在試驗(yàn)初始階段，隨著位移的均勻增加，鋼筋混凝土試件受力呈線性上升趨勢(shì)，預(yù)埋鋼筋和混凝土的應(yīng)變變化基本一致，當(dāng)受到的軸向拉力超過(guò)某一范圍時(shí)，試件受力突然下降，不同配筋率的試件受力減小程度不同，配筋率較小的試件受力下降更明顯，沒(méi)有配置任何鋼筋的素混凝土試件發(fā)生全截面斷裂，受到的拉力直接降低為0。在力發(fā)生突變的瞬間，預(yù)埋鋼筋的應(yīng)變突然增大，而混凝土的應(yīng)變則直接降低為0。

通過(guò)以上觀察到的現(xiàn)象可知，早齡期的連續(xù)配筋混凝土路面的鋼筋和混凝土在溫縮或干縮作用下發(fā)生收縮形變，由于面層與基層間的摩阻力等外力限制其收縮變形致在面層板內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)力大小取決于所限制的形變量的大小。則其受到超過(guò)混凝土材料極限抗拉強(qiáng)度的內(nèi)應(yīng)力時(shí)，試件將被瞬時(shí)被拉斷，混凝土不再起到抗拉作用。若試件內(nèi)無(wú)鋼筋約束鋼，則由于形變約束產(chǎn)生的內(nèi)部拉應(yīng)力與拉應(yīng)變瞬間減小為0；若試件內(nèi)部設(shè)置了鋼筋約束，則斷裂面處的軸向拉力將轉(zhuǎn)移到該處鋼筋上，混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)變迅速降低至0的同時(shí)，鋼筋的拉應(yīng)變迅速增加。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于固定齡期、固定配筋方式的鋼筋混凝土試件，配筋率對(duì)試件產(chǎn)生首次開(kāi)裂的抗拉強(qiáng)度幾乎無(wú)影響，主要取決于混凝土材料的極限抗拉強(qiáng)度， 3 d齡期的混凝土試件抗拉強(qiáng)度約為1.05 MPa，極限拉應(yīng)變約為40 με，7 d齡期的混凝土試件抗拉強(qiáng)度約為1.50 MPa，極限拉應(yīng)變約為55 με，比3 d齡期混凝土抗拉強(qiáng)度增加約43%，極限拉應(yīng)變?cè)黾蛹s38%。當(dāng)試件發(fā)生斷裂后，鋼筋承擔(dān)了試件的所有拉力，保持配筋方式一致的條件下，試件的配筋率越大，在斷裂后與混凝土接觸面積也越大，從而承受更大的拉力。

表3所示為7 d、3 d齡期不同配筋率鋼筋混凝土試件裂縫寬度統(tǒng)計(jì)表。由該表可知，無(wú)論是7 d還是3 d齡期的鋼筋混凝土試件，鋼筋的存在對(duì)于試件的早期抗裂性能有一定程度的影響，在提高CRCP首次開(kāi)裂拉力起到一定作用，但效果并不明顯。隨著配筋率的增加，首次開(kāi)裂拉力變化不大，但初始裂縫寬度逐漸減小。當(dāng)試件破壞后，裂縫寬度隨MTS作動(dòng)頭的運(yùn)動(dòng)而線性增加，裂縫寬度隨MTS位移變化圖如圖10所示。

表3 7 d、3 d齡期不同配筋率鋼筋混凝土試件裂縫寬度

注：(1)開(kāi)裂時(shí)位移：鋼筋混凝土試件出現(xiàn)裂縫時(shí)MTS所移動(dòng)的長(zhǎng)度；(2)初始裂縫寬度：鋼筋混凝土試件出現(xiàn)裂縫時(shí)的鋼筋所在處裂縫寬度；(3)最終裂縫寬度：鋼筋混凝土試件被拉伸10 mm時(shí)(試驗(yàn)結(jié)束時(shí))鋼筋所在處的裂縫寬度。(下同)

圖11 相同配筋率不同配筋位置、配筋數(shù)量、配筋尺寸鋼筋混凝土試件的力-位移曲線以及應(yīng)變-位移曲線

圖10 裂縫寬度隨MTS位移變化圖

2.2 配筋方式對(duì)早期開(kāi)裂的影響

連續(xù)配筋混凝土路面縱向配置連續(xù)鋼筋，用于將開(kāi)裂的路面拉緊，防止裂縫繼續(xù)開(kāi)展。一般地，縱向鋼筋布置在整個(gè)路面厚度中部或距離頂面1/3厚度處[18-19]。本研究在同樣配筋率的條件下，不同配筋方式(鋼筋位置、鋼筋根數(shù)、鋼筋尺寸)對(duì)連續(xù)配筋混凝土路面早期開(kāi)裂性能的影響。圖11所示為在相同配筋率不同配筋位置、不同配筋數(shù)量、不同配筋尺寸條件下鋼筋混凝土試件的力-位移曲線圖以及應(yīng)變-位移曲線圖。

由圖11可知，在配筋率相同的情況下，不同配筋方式的鋼筋混凝土試件在軸向拉力的作用下，試件的極限抗拉強(qiáng)度幾乎無(wú)變化。當(dāng)試件發(fā)生開(kāi)裂后對(duì)其進(jìn)行繼續(xù)拉伸，得到的軸向拉力大小也與配筋方式無(wú)關(guān)。

表4所示為不同配筋方式鋼筋混凝土試件裂縫寬度統(tǒng)計(jì)表。從表中易看出試件采用相同的配筋率、不同配筋方式所產(chǎn)生的裂縫寬度有較大的差異。

表4 不同配筋方式鋼筋混凝土試件裂縫寬度

圖12 不同齡期條件下鋼筋混凝土試件的力-位移曲線圖以及應(yīng)變-位移曲線

鋼筋的數(shù)量和尺寸相同的情況下，鋼筋設(shè)置在離頂面1/3處的試件比鋼筋設(shè)置在整個(gè)試件厚度1/2處所產(chǎn)生的初次開(kāi)裂的裂縫寬度小，更利于控制后期裂縫的開(kāi)裂與發(fā)展。

鋼筋的數(shù)量和尺寸不同的情況下，即使用“直徑細(xì)、數(shù)量多”和“直徑粗、數(shù)量少”的配筋形式時(shí)，使用“細(xì)而密”的配筋形式比使用“粗而疏”的配筋形式能夠更好地限制試件的初始開(kāi)裂寬度，說(shuō)明這種配筋方式能對(duì)裂縫的后續(xù)發(fā)展起到更好的抑制作用。

2.3 混凝土齡期對(duì)早期開(kāi)裂的影響

從澆注完成開(kāi)始，混凝土材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)都隨著齡期的增長(zhǎng)而逐漸發(fā)生變化[20]，本研究對(duì)相同配筋條件下不同齡期的鋼筋混凝土試件進(jìn)行軸向直接拉伸試驗(yàn)，研究齡期變化對(duì)CRCP早期開(kāi)裂能力的影響。

圖12所示為不同齡期條件下鋼筋混凝土試件的力-位移曲線圖以及應(yīng)變-位移曲線圖。由圖可知，混凝土試件的極限拉應(yīng)力隨著齡期的增長(zhǎng)而變大，7 d 齡期的素混凝土試件比3 d齡期素混凝土試件強(qiáng)度增加約43%，拉應(yīng)變?cè)黾蛹s38%。對(duì)于中部配置1根φ16鋼筋的混凝土試件而言，7 d齡期的試件比3 d齡期試件強(qiáng)度增加約55%，拉應(yīng)變?cè)黾蛹s50%。

表5所示為不同齡期鋼筋混凝土試件裂縫寬度統(tǒng)計(jì)表。早齡期的鋼筋混凝土試件由于強(qiáng)度未完全形成，混凝土塑性性能相對(duì)明顯，而隨著齡期的增加，混凝土材料的強(qiáng)度逐漸形成，塑性性能減弱，脆性性能得到加強(qiáng)，在軸向拉力作用下，會(huì)出現(xiàn)裂縫邊緣處的破損和脫落等現(xiàn)象，直接造成試件表面裂縫寬度的增加。

表5 不同齡期鋼筋混凝土試件裂縫寬度

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低坍落度混凝土的直接拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論：

(1)固定齡期、固定配筋方式的情況下，配筋率對(duì)開(kāi)裂的影響

①配筋率對(duì)試件產(chǎn)生首次開(kāi)裂的抗拉強(qiáng)度幾乎無(wú)影響，主要取決于混凝土材料的極限抗拉強(qiáng)度；

②當(dāng)試件發(fā)生斷裂后，拉力全部作用于鋼筋上，保持配筋方式一致的條件下，試件的配筋率越大，試件斷裂后鋼筋與混凝土接觸面積也越大，從而承受更大的拉力。

(2)在配筋率相同的情況下，配筋位置和配筋形式對(duì)開(kāi)裂的影響

①鋼筋的數(shù)量和尺寸相同的情況下，鋼筋設(shè)置在離頂面1/3處的試件比鋼筋設(shè)置在整個(gè)試件厚度1/2處所產(chǎn)生的初次開(kāi)裂的裂縫寬度小，更利于控制后期裂縫的開(kāi)裂與發(fā)展。

②鋼筋的數(shù)量和尺寸不同的情況下，使用“直徑細(xì)、數(shù)量多”的配筋形式比使用“直徑粗、數(shù)量少”的配筋形式能夠更好地限制試件的初始開(kāi)裂寬度，此類配筋方式能對(duì)裂縫的后續(xù)發(fā)展起到更好的抑制作用。

(3)混凝土試件的極限拉應(yīng)力隨著齡期的增長(zhǎng)而變大，7 d齡期的素混凝土試件比3 d齡期素混凝土試件強(qiáng)度增加約43%，拉應(yīng)變?cè)黾蛹s38%。對(duì)于中部配置1根φ16鋼筋的混凝土試件而言，7 d齡期的試件比3 d齡期試件強(qiáng)度增加約55%，拉應(yīng)變?cè)黾蛹s50%。