張君博，商懷帥，王永峰，李莉，王玉廣，賈軍明

（1.青島市人民防空辦公室，山東 青島 266071；2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033；3.青島市人民防空工程質量監(jiān)督站，山東 青島 266071；4.青島市建筑材料研究所有限公司，山東 青島 266011）

0 引言

環(huán)氧涂層鋼筋具備很多優(yōu)點，但是，其粘結力較差，開裂后裂縫會稍寬等[1-2]。這制約了環(huán)氧涂層鋼筋的推廣和防腐效果[3]。石墨烯具有許多優(yōu)異性能，包括良好的熱學以及抗腐蝕性[4-5]，可用石墨烯做改性環(huán)氧樹脂材料[6]。Ziat 等[7]研究發(fā)現(xiàn)：改性環(huán)氧涂層具有高疏水性、良好的機械性能和阻隔性能，并且涂層防腐性能優(yōu)異。劉栓等[8]研究了改性環(huán)氧涂層的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)石墨烯的加入會使涂層的抗磨減摩性能得到巨大的提升。由此可見改性環(huán)氧涂層有著廣闊的應用前景。

目前關于改性環(huán)氧涂層的研究還僅限于涂層自身，尚無將改性環(huán)氧涂層鋼筋應用于混凝土結構中的研究。使用其他材料制作的涂層鋼筋與混凝土間粘結性能的研究已有不少，但是關于涂層鋼筋在混凝土構件中的研究卻很少[9-10]?；诖?，本文通過中心拔出試驗和梁正截面抗彎試驗，研究了改性環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土的粘結性能，然后通過梁的正截面抗彎試驗，比較改性環(huán)氧涂層鋼筋混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁在破壞性形態(tài)與承載能力方面的相同點與不同點。

1 試驗概況

1.1 中心拔出試驗

1.1.1 試驗材料及性能指標

本試驗所用改性環(huán)氧樹脂由青島理工大學材料試驗室制備，先利用改性Hummers 法得到氧化石墨，通過水浴還原法制備出石墨烯溶液，烘干研磨后得到石墨烯；最后，通過原位聚合法將質量分數(shù)為0.1%的石墨烯摻入環(huán)氧樹脂中獲得改性環(huán)氧樹脂。

本試驗選擇了直徑為14 mm、18 mm、22 mm、25 mm 的4 種HRB400 熱軋帶肋鋼筋，改性環(huán)氧涂層和無涂層2 種類別。為確保各組鋼筋的涂層厚度一致，每根鋼筋選取6 個點測量涂層厚度，鋼筋材料參數(shù)見表1。每根鋼筋長度為600 mm，鋼筋端部用角磨機打磨平整。本次試驗采用青島生產C30 預拌混凝土，具體配合比及材料性能見表2。

表1 鋼筋材料參數(shù)Table 1 Rebar material parameters

表2 混凝土配合比及材料性能Table 2 Concrete mix ratio and material properties

1.1.2 試件設計與制作

首先制作尺寸為150 mm伊150 mm伊150 mm 的鋼筋混凝土中心拔出試件（見圖1），養(yǎng)護完成后進行中心拔出實驗。鋼筋粘結段長度為5d（d 為鋼筋公稱直徑）；鋼筋加載端和自由端長度分別約為350 mm、100 mm。PVC 管與鋼筋之間的縫隙用樹脂密封。本試驗共制作8 組試件，每組3 塊共24塊。試件編號其中a 表示無涂層，b 表示含0.1%環(huán)氧樹脂的石墨烯。

1.1.3 加載方式

本試驗依據GB 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》進行。在試驗前期，采取分級加載的方式，每一級荷載增加2 kN，加載后持荷30 s，當達到極限荷載后改用位移控制加載，直到試件被拉壞。

圖1 中心拔出試件尺寸圖Fig.1 Dimensional drawing of the center pull-out specimen

1.2 鋼筋混凝土梁抗彎試驗

1.2.1 試驗設計

本試驗制作普通鋼筋混凝土梁和改性環(huán)氧涂層鋼筋混凝土梁各1 根，編號分別為RCB1 和RCB2；縱向受拉鋼筋的保護層厚度為25 mm；混凝土強度等級為C30，試件尺寸及配筋如圖2 所示。在澆筑梁試件時，同時澆筑6 個尺寸為150 mm 的立方體試塊，并在相同溫度、濕度條件下進行養(yǎng)護，以檢驗混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度，試件的基本參數(shù)見表3。

圖2 梁配筋圖（mm）Fig.2 Beam reinforcement diagram(mm)

表3 試件基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of test piece

1.2.2 試件加載及測點布置

集中載荷施加在梁的三分點處，并通過分配梁傳遞到試驗梁，在試驗梁的跨中處形成一個600 mm 的純彎段。位移傳感器被布置在梁兩端的支撐處、集中載荷處和梁的跨中，在每個縱向受拉鋼筋的跨中布置應變片。正式加載之前先進行預加載，每級加載完成后，用ZBL-F800 裂縫綜合測試儀來觀察裂縫的產生與發(fā)展，并測量裂縫的寬度。

2 試驗結果及分析

2.1 中心拔出試驗

2.1.1 極限粘結強度和峰值滑移量

當粘結段長度小于一定值時（一般為5d），一般可認為粘結應力沿鋼筋縱向均勻分布，其粘結強度可由式（1）進行計算。

式中：F為鋼筋拉拔力，kN；滋s為鋼筋周長，m m；la為錨固長度，mm。

極限粘結荷載、極限粘結強度和峰值滑移量的取值均為同組3 個試件的中間值，見表4。

表4 中心拔出試驗數(shù)據Table 4 Center pull-out test data

依據試驗結果可知：直徑為14 mm 的改性環(huán)氧鋼筋混凝土間極限粘結強度為鋼筋混凝土間極限粘結強度的89.66%，直徑為22 mm 的改性環(huán)氧鋼筋混凝土間極限粘結強度為鋼筋混凝土間極限粘結強度的73.40%；可見鋼筋與混凝土間的極限粘結強度能夠被環(huán)氧涂層所降低。這一結論與文獻[11]一致。Choi 等[12]的試驗結果也表明：鋼筋直徑越大，環(huán)氧涂層鋼筋混凝土間粘結強度的降低程度也越大，這與本文試驗結果一致。

2.1.2 粘結-滑移曲線

粘結滑移曲線大致可以分成4 個階段，其中劈裂破壞沒有下降段，其發(fā)生過于突然，所以未能測出其下降段。

以直徑為14 mm 的鋼筋混凝土試件為例，其粘結-滑移曲線見圖3，可分為以下4 個階段：

1）加載初期：鋼筋還未產生相對滑移，各組試件呈線性增長，其中涂層鋼筋線性段相對較短。2）滑移階段：滑移段非線性增長，但曲率卻很??；其中環(huán)氧涂層鋼筋的滑移段較平緩。3）劈裂階段：此階段的曲線更為平緩，拔出破壞試件中，涂層鋼筋的劈裂段長度較長。其余各試件中，涂層鋼筋制作的試件沒有采集到明顯劈裂段。4）下降段：當荷載達到最大值后，開始大幅下降并最終趨于穩(wěn)定，但滑移值卻大幅增加，最后鋼筋被緩緩拔出，此階段，鋼筋混凝土間粘結力主要由咬合力提供。

圖3 直徑為14 mm 鋼筋對粘結-滑移曲線的影響Fig.3 The influence of a 14 mm diameter rebar onthe bond-slip curve

2.2 鋼筋混凝土梁抗彎試驗

2.2.1 破壞形態(tài)

2 根試驗梁均發(fā)生彎曲破壞，破壞過程基本相同。在加載初期，梁處于彈性階段，在同一高度處二者應變相近；當荷載加至（0.15~0.2）Pu（Pu為實測極限荷載）時，在梁跨中處，會出現(xiàn)1~3 條垂直裂縫，并且裂縫高度在1/3 梁高左右；荷載達到0.4Pu時，純彎段裂縫基本出齊，此后裂縫高度發(fā)展緩慢；繼續(xù)施加荷載，受壓區(qū)混凝土被壓碎，此時在其下方會出現(xiàn)新的裂縫，同時梁底也會產生數(shù)條貫通裂縫；卸載后，試驗梁出現(xiàn)回彈。

2.2.2 裂縫間距及裂縫寬度

圖4 為RCB2 試驗梁的裂縫分布圖，經統(tǒng)計分析改性環(huán)氧涂層鋼筋混凝土梁純彎段豎向裂縫的平均間距為122 mm ，普通鋼筋混凝土梁純彎段豎向裂縫的平均間距為109 mm。對于平均裂縫間距，改性環(huán)氧涂層鋼筋混凝土梁純彎段大于普通鋼筋混凝土梁純彎段，增大約11.9%。薛偉辰[10]和聶永明等[13]對環(huán)氧涂層鋼筋混凝土梁進行了抗彎性能試驗，其中聶永明等[13]發(fā)現(xiàn)配環(huán)氧涂層鋼筋后，梁構件的平均裂縫間距約增大10.8%；薛偉辰[10]得出環(huán)氧涂層鋼筋混凝土梁的裂縫間距比普通梁試件大10%左右；上述結論與本文試驗所得結果基本一致。從圖5 中可以發(fā)現(xiàn)，在正常使用階段普通梁構件的裂縫寬度要小于涂層梁，這表明改性環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土間的粘結稍差。

圖4 試驗梁裂縫分布圖Fig.4 Crack distribution map of test beam

圖5 荷載-裂縫寬度曲線Fig.5 Load-crack width curve

2.2.3 鋼筋應變及跨中撓度

從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，在梁開裂前，受拉鋼筋的應變呈線性增長；梁開裂后，鋼筋應力激增，在圖形上體現(xiàn)為斜率降低。2 根試驗梁的荷載-鋼筋應變曲線極為接近，說明改性環(huán)氧涂層鋼筋在受彎梁中的受力情況與普通鋼筋相同。

由圖7 可以發(fā)現(xiàn)，改性環(huán)氧涂層鋼筋混凝土梁的撓度曲線與普通梁構件大體相同，說明在混凝土梁中使用改性環(huán)氧涂層鋼筋并不會引起梁的變形性能的增大。

圖6 試驗梁荷載-鋼筋應變曲線Fig.6 Test beam load-rebar strain curve

圖7 荷載-跨中撓度曲線Fig.7 Load-midspan deflection curve

3 結語

本文通過中心拔出試驗和鋼筋混凝土梁抗彎試驗，分別研究了改性環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土的粘結性能以及抗彎性能。初步得到以下結論：

1）改性環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土間的粘結強度明顯比普通鋼筋的普通試件要差，隨著鋼筋直徑增大，涂層鋼筋的極限粘結強度越?。慌渲酶男原h(huán)氧涂層鋼筋的混凝土試件，其裂縫發(fā)展趨勢以及裂縫寬度比普通鋼筋混凝土試件要嚴重；直徑14 mm 的試件都會發(fā)生拔出破壞，其余試件則發(fā)生劈裂破壞。

2）改性環(huán)氧涂層鋼筋的粘結-滑移曲線初滑移段較短，整體粘結-滑移曲線處于普通鋼筋的下面。涂層鋼筋試件發(fā)生拔出破壞的劈裂段較長，下降段較陡。

3）改性環(huán)氧涂層鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)和抗彎機理與普通混凝土梁相似，改性環(huán)氧涂層鋼筋對梁構件的承載能力和跨中撓度基本無影響，但會導致梁構件的平均裂縫間距和最大裂縫寬度增大。