劉桂榮,竇曉雪,曲福來，趙順波

(1.華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045;2.華北水利水電大學 河南省生態(tài)建材工程國際聯合實驗室，河南 鄭州 450045)

長期處于水環(huán)境中的混凝土結構，如渡槽、渠道、橋墩、近海建筑等，在水壓和液體表面張力的作用下，外界水會滲透到這些結構混凝土的孔隙或裂縫中，形成濕態(tài)混凝土或飽和混凝土[1-2]。已有研究發(fā)現：滲入到混凝土中的水不但會改變混凝土內部濕度分布[3-5]，還會產生孔隙水壓力，使混凝土處于比較復雜的應力狀態(tài)，當孔隙水壓力逐漸增大時，試件抗裂能力和峰值荷載將會降低[6]。眾多試驗研究表明[7-8]：隨著混凝土孔隙率、孔隙中含水量的增加，濕態(tài)混凝土的靜力抗壓強度逐漸降低。研究環(huán)境水對混凝土抗拉強度的影響發(fā)現[9-12]：在快速加載條件下，濕態(tài)混凝土的拉伸強度隨含水率的增加而提高；但在準靜態(tài)荷載作用下，隨著含水率的提高，混凝土抗拉強度大幅降低，且飽和混凝土的劈裂抗拉強度低于普通混凝土的。

上述研究表明，水環(huán)境下混凝土的抗壓和抗拉強度與普通混凝土的不同。水環(huán)境下混凝土力學性能的下降將會對鋼筋與混凝土黏結性能、鋼筋臨界錨固長度產生影響。鋼筋與混凝土之間良好的黏結錨固是兩者共同工作的基礎[13-15]，研究水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結性能對于該類結構的安全性能具有重要意義。但是文獻檢索結果表明，目前對此方面開展的研究很少。為此，本文通過中心拉拔試驗對水環(huán)境下鋼筋與混凝土靜力黏結性能進行試驗研究，建立水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結強度和滑移量的表達式，為水環(huán)境下鋼筋混凝土結構設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

本次試驗主要考慮混凝土強度和浸泡時間兩個因素的影響，制作了10組共30個中心拉拔黏結試件。黏結試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，錨固鋼筋采用直徑16 mm的HRB500變形鋼筋。試件內部設置2道Φ6@100箍筋，黏結段長度設計為80 mm。為避免加載端應力集中的影響，在加載端設置長度為70 mm的非黏結段，非黏結段鋼筋用PVC套管包裹，并用石蠟密封端口。黏結試件幾何尺寸和配筋如圖1所示。在澆筑每組黏結試件的同時澆筑邊長為150 mm立方體伴隨試塊，用以測試不同浸泡時間的試塊的含水率、抗壓強度和劈裂抗拉強度。

圖1 混凝土試件尺寸及配筋情況示意圖(單位：mm)

1.2 材料性能

試驗設計2個強度等級普通混凝土，設計強度分別為C20和C40。水泥分別采用P·O32.5級和P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；砂為天然河砂，細度模數為2.91，表觀密度為2 578 kg/m3，堆積密度為1 440 kg/m3；粗骨料選用5～20 mm連續(xù)粒級的碎石，表觀密度為2 718 kg/m3，堆積密度為1 460 kg/m3；外加劑采用萘系高效減水劑，實測減水率為20.4%，摻量為膠凝材料用量的0.7%，混凝土的配合比見表1。拉拔鋼筋屈服強度和極限強度分別為557、724 N/mm2。

表1 混凝土配合比

1.3 含水率測試

將澆筑成型的混凝土試塊拆模后放置在水中，浸泡時間分別為28、90、180、270、360 d。達到浸泡天數后，將立方體伴隨試塊從水中取出，用濕毛巾擦去表面水稱重，質量記為m1，然后將其置于已預熱至(105±2)℃的電熱鼓風干燥箱中烘烤12 h后，從干燥箱中取出放至室溫，用電子秤稱重，質量記為m2。取混凝土質量差為試塊中的含水量，含水量與烘干后質量比值為含水率ρ，表達式為ρ=(m1-m2)/m2。

1.4 黏結試驗

黏結試驗用試件為中心拉拔試件，加載設備采用中空自復位型液壓千斤頂，在試件的自由端布置3個位移傳感器，分別測出鋼筋和混凝土的位移，從而計算出自由端鋼筋的滑移量。在加載端布置荷載傳感器，從而得到試件的黏結荷載，加載過程依據《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)的規(guī)定，采用荷載控制方式加載，加載速率控制為7.5 kN/min左右，均勻緩慢加載，直至試件破壞或鋼筋的滑移量達到18 mm時試驗結束。整個加載過程通過數據采集系統(tǒng)自動采集荷載和位移數據。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象

由于黏結試塊中箍筋的約束作用，中心拔出試驗試件的主筋被緩慢拔出，少量試件伴隨著混凝土的劈裂破壞時仍可承受一定荷載。帶肋鋼筋與混凝土之間的黏結力除了由摩擦力和化學膠著力承擔外，主要由鋼筋橫肋與混凝土間機械咬合力承擔。將破壞后的試件進行破型，發(fā)現混凝土黏結界面發(fā)生“剮犁式”破壞，鋼筋橫肋前部有混凝土粉末存在，黏結滑移界面如圖2所示。

圖2 破壞后的鋼筋與混凝土滑移面

2.2 含水率及混凝土強度

通過測試得到不同浸泡天數試塊的含水率，發(fā)現隨著浸泡天數的增加，混凝土試塊的含水率有增加的趨勢，但后期含水率增長的幅度趨于平緩?；炷翉姸雀叩脑嚰势?，總體上，2個混凝土組別的試件含水率變化規(guī)律相似。經過擬合發(fā)現，試塊含水率與浸泡天數的對數值呈線性變化，如圖3所示，n為浸泡天數。

圖3 混凝土含水率隨lg(n/28)的變化規(guī)律

滲入到混凝土孔隙和裂縫中的水對混凝土的受力性能會產生影響，孔隙水壓力促進了混凝土的開裂及裂縫擴張，導致水環(huán)境下混凝土強度低于同齡期空氣中混凝土的強度。本次試驗得到不同浸泡天數混凝土立方體試塊的抗壓強度和劈裂抗拉強度值，雖然混凝土試塊的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨浸泡時間的增加有增大的趨勢，但其增加幅度有限。對不同浸泡時間的立方體試塊的抗壓強度與劈裂抗拉強度進行分析發(fā)現，這兩個強度值與浸泡天數的對數值符合線性關系，具體分別如圖4和圖5所示。

圖4 混凝土抗壓強度fcu隨lg(n/28)的變化規(guī)律

圖5 混凝土劈裂抗拉強度fts隨lg(n/28)的變化規(guī)律

2.3 黏結-滑移曲線

通過中心拉拔試驗得到各試件的黏結應力-滑移曲線，黏結應力用式(1)表示：

(1)

式中：τ為黏結應力，MPa；P為黏結力，N；d為鋼筋公稱直徑，mm；la為鋼筋黏結長度，mm。

任選一組3個試件的黏結-滑移曲線分析發(fā)現：水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結-滑移曲線與普通混凝土的形狀相似，分為微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和殘余段。由于試件中箍筋的約束作用，黏結-滑移曲線上有明顯的下降段，殘余段曲線趨于平緩。

圖6 水下鋼筋和混凝土的典型黏結-滑移試驗結果

2.4 黏結強度及滑移量

黏結強度為黏結-滑移曲線上黏結應力最大值，對本次試驗兩組試件黏結強度分析發(fā)現，浸泡28 d的試件黏結強度最低，且隨浸泡天數的增加，試塊的黏結強度呈現增大趨勢，如圖7所示。

圖7 鋼筋與混凝土黏結強度τu,n隨lg(n/28)的變化規(guī)律

采用普通混凝土黏結強度公式計算水環(huán)境下不同浸泡時間鋼筋與混凝土的黏結強度，除了28 d強度吻合較好之外，其他齡期鋼筋與混凝土的黏結強度的計算結果與試驗結果相差較大。因此，以浸泡28 d混凝土試件的黏結強度為基準，建立不同浸泡時間下鋼筋與混凝土黏結強度變化規(guī)律的計算式，如式(2)所示：

(2)

式中：ks為系數，A組試件取0.15，B組試件取0.49；τu,28為浸泡28 d試件的黏結強度，采用文獻[14]中的公式計算，即公式(3)。

(3)

式中：c為保護層厚度；Asv為箍筋橫截面面積；Ssv為箍筋間距；fts為混凝土劈裂抗拉強度。

混凝土黏結強度計算值與試驗值比值的平均值為0.924，變異系數為0.085，計算值略小于試驗值，相差較小。

在黏結滑移曲線上，黏結強度對應的滑移量為Su，對試驗數據進行分析，發(fā)現Su隨混凝土黏結強度的增大有下降的趨勢。經過分析比較，選取式(4)計算混凝土浸泡n天后的Su,n值：

(4)

通過試驗數據回歸得到：k1=27.369，b=0.125 3。

黏結滑移曲線的下降段滑移量Sr=10 mm，其對應的強度為殘余強度τr,n。通過試驗數據建立殘余強度與黏結強度之間的關系，近似?。?/p>

τr,n=0.20τu,n。

(5)

至此，通過試驗數據的擬合得到了黏結-滑移曲線主要特征點的表達式，從而可以建立水環(huán)境下鋼筋與混凝土黏結-滑移本構模型，相關數據可為水環(huán)境下的混凝土結構分析提供參考。

3 結論

1)水環(huán)境下，混凝土含水率隨著浸泡時間的增加而增大，但后期增長幅度趨于平緩。同時，由于混凝土孔隙中水壓力的存在會加速裂縫的擴展，水環(huán)境對混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和黏結強度均產生不利影響。

2)由于箍筋的約束作用，水環(huán)境下鋼筋與混凝土的黏結-滑移曲線具有明顯的下降段，與箍筋約束普通混凝土的黏結-滑移曲線形狀相似。

3)通過試驗數據分析給出了水環(huán)境下鋼筋與混凝土的黏結強度及滑移量、殘余強度計算公式，可為水環(huán)境下二者黏結-滑移本構模型的建立提供參考。