楊整濤，曹永紅，薛暄譯,2，黃樂鵬,2，姚運航，華建民,2

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶400045；2.山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室(重慶大學)，重慶400045)

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，混凝土的各種材料的消耗量迅速增加，導致河砂和淡水的消耗量顯著增加和大規(guī)模開采[1]，并且在混凝土制作和施工過程中會產生大量的溫室氣體和消耗大量的能量，從而對環(huán)境產生了嚴重影響[2]。解決上述問題的一個方式就是采用新型的綠色建材，海水和海砂的自然資源遠遠高于淡水和河砂[3]，是作為混凝土原料良好資源，現(xiàn)已經有研究成果表明海水海砂可以替代淡水河砂作為拌養(yǎng)水和細骨料[4-6]。如果建筑工程處于島嶼或者沿海地區(qū)，減少了原材料的運輸成本，工程成本將進一步降低，更加符合國家大力提倡的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[3]。

然而，未經處理的海水和海砂存在大量氯化物，會破壞海水海砂混凝土(sea water sea sand concrete, SWSSC)中鋼筋上的鈍化膜，導致嚴重的腐蝕問題，混入貝殼后混凝土的強度也會降低，這些問題對鋼筋混凝土結構的耐久性具有嚴重影響[6-7]。為此常采用如不銹鋼鋼筋、纖維增強聚合物(FRP)筋和復合鋼筋(bimetallic steel bar, BSB)等耐腐蝕筋材作為海工混凝土結構的加固筋材。不銹鋼鋼筋高額的造價限制了其工程應用[8]。相比于金屬筋材，F(xiàn)RP筋材延性較差[9]，是制約其廣泛使用的原因。根據文獻[11-12]研究表明復合鋼筋的力學性能與普通鋼筋的力學性能相似，延性優(yōu)于FRP筋，且具有良好的耐腐蝕性能，適合用于海水海砂混凝土，基礎價格低于不銹鋼鋼筋。于是本文選用復合鋼筋(不銹鋼-碳鋼復合鋼筋)作為試驗的材料，研究其與海水海砂混凝土之間的黏結性能。

黏結性能是鋼筋混凝土結構的重要組成部分，是筋材與混凝土共同作用的基礎，目前對于海水海砂混凝土黏結性能的研究較多。文獻[5]研究發(fā)現(xiàn)海水海砂的使用對于混凝土的黏結性能基本沒有影響。文獻[6]研究發(fā)現(xiàn)海水海砂可以減少再生骨料對黏結性能的不利影響，并且發(fā)現(xiàn)環(huán)氧涂層鋼筋與海水海砂再生混凝土的黏結性能與普通混凝土的相當。但對于早齡期的海水海砂混凝土黏結性能的關鍵性質研究很少，對BSB作為SWSSC的加固筋材的同樣很少[13]。另外BSB由外覆不銹鋼和內部碳鋼組成，復合鋼筋有效承載的核心是不銹鋼與碳鋼之間良好的協(xié)同工作能力，要將BSB進行工程應用之前，有必要對BSB與SWSSC之間的黏結性能隨齡期的變化規(guī)律進行試驗研究，以保證以后在建筑服役階段的BSB與SWSSC的良好承載。

近幾年，纖維越來越多地用于混凝土中以改善劈裂、抗拉強度等力學性能[14]?；炷亮W性能的變化則會導致黏結性能的改變。文獻[15]研究發(fā)現(xiàn)混雜纖維增強了混凝土試件的延性，但降低了鋼筋與混凝土之間的最大黏結應力。文獻[16]發(fā)現(xiàn)高體積率微鋼絲鋼纖維可發(fā)揮高強鋼筋在混凝土的強度特性，使得黏結強度提高125.5%以上。聚甲醛(POM)纖維是一種新型聚合物纖維，具有優(yōu)異的耐堿和拉伸性能[17]，加入POM纖維可以提高混凝土抗裂性和機械性能，可加入適量POM纖維以改善SWSSC的性能。目前幾乎沒有關于加入POM纖維的SWSSC黏結性能的研究。

綜上所述，目前缺乏關于混凝土齡期和POM纖維對SWSSC與BSB之間黏結性能的研究。本文通過同心拔出試驗研究不同早齡期、不同混凝土保護層厚度、是否加入POM纖維對BSB與SWSSC的黏結性能的影響，證明未經處理后的海水海砂可直接澆筑混凝土并用于海工建筑，且耐腐蝕的BSB可以作為海工建筑的加固材料，加入POM纖維可以改善鋼筋與混凝土之間黏結性能，以期望研究成果為中國海工建筑的發(fā)展應用提供試驗參考。

1 試驗材料

海水取自中國福建省泉州(E118.36°，N24.56°)，海砂取自中國廣東省廣州(E113.17°，N23.79°)，使用時海水和海砂均未經處理。由表1可知，海水中的Cl-質量濃度遠高于淡水中的Cl-質量濃度，這對鋼筋的耐久性存在顯著的不利影響。未經處理的海砂要進行篩選以獲得細度模數(shù)，通過式(1)計算細度模量Mx，其中A1、A2、A3、A4、A5和A6分別表示直徑為4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15 mm的篩子的累計篩余百分率。根據表2中的測試結果，Mx=2.41，海砂符合中砂類別的要求，可用于試樣生產。本文的海水海砂混凝土的配合比、坍落度和28 d的抗壓強度見表3，設計等級為C50。

表1 化學成分

表2 海砂的篩分試驗結果

表3 海水海砂混凝土配合比、工作性能和抗壓強度

(1)

本文中使用的復合鋼筋(BSB)由S30408不銹鋼(覆層)和HRB400碳鋼(基體)經過熱軋工藝而得，BSB的細節(jié)見圖1(a)。圖1(b)是經過打磨后的鋼筋截面，并結合圖1(c)拍攝的微觀金相圖像，可以看出不銹鋼覆層和碳鋼基體之間存在冶金結合層，冶金結合層狀況良好，不銹鋼覆層與碳鋼基底緊密結合。根據文獻[11]的研究發(fā)現(xiàn)當復合鋼筋發(fā)生拉伸頸縮變形時，不銹鋼覆層和碳鋼之間不會分離，說明不銹鋼覆層與碳鋼基底連接性能優(yōu)異，復合鋼筋可用于加固混凝土結構。鋼筋試件直接從原長2 m的BSB上切割下，未進行進一步的機械處理，BSB試樣的長度和直徑分別為250 mm和25 mm。

圖1 復合鋼筋細節(jié)

本文所使用的聚甲醛纖維(POM)由云南云天化有限公司生產，聚甲醛纖維的主要性能見表4，聚甲醛纖維的直徑和長度分別為0.2 mm和12 mm。此外，本研究中使用的POM纖維絲，對比其他種類纖維，單位體積混凝土內可摻量更大，且在攪拌混凝土過程中不會結團，利于工程應用。表4展示了POM纖維、玄武巖纖維(basalt)和聚丙烯纖維(PP)主要性能方面的數(shù)據。玄武巖和聚丙烯纖維的具體性能介紹可見文獻[18]。聚甲醛纖維見圖2。

圖2 本文使用的聚甲醛纖維

表4 聚甲醛、玄武巖和聚丙烯纖維的主要性能

2 拔出試驗

2.1 試件設計和澆筑

試件設計參照GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[19]，共制作了30組試件，每組3個，共制備了90個黏結試樣，混凝土試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，試件的具體尺寸見圖3。黏結區(qū)沿保護層厚度方向設置，黏結長度均是鋼筋直徑的5倍(即Le=125 mm)，并假設黏結應力在此較短的錨固長度下沿錨固長度均勻分布，在加載端設置25 mm的無黏結區(qū)以減少混凝土壓縮對黏結性能的影響。無黏結部分通過將BSB放置在聚氯乙烯(PVC)管內形成，聚氯乙烯(PVC)管的直徑和長度分別為32 mm和55 mm。PVC管套上BSB之后需在一側填充玻璃膠，以防止在澆注和振動過程中出現(xiàn)混凝土的泄漏。

圖3 試件尺寸

試驗變量設置為不同的混凝土齡期t(1、3、7、14、28 d)和混凝土保護層c與鋼筋直徑比d(c/d=1、1.8、2.6)(見表5)，通過改變混凝土保護層厚度，從而得到不同c/d的值?；炷翝仓?，試件需覆膜養(yǎng)護18 h后再拆模取出，放置于標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為(20±2)℃，相對濕度為95%。

表5 拔出試件具體信息

2.2 試驗方法

同心拔出試驗系統(tǒng)見圖4，采用SHT-600伺服控制試驗機對試件進行單調拔出，儀器最大加載為600 kN。加載采用位移控制，加載速率為0.5 mm/min，直至試件失效。試驗期間，使用引伸計自動記錄自由端的鋼筋滑移s，試驗機自動記錄荷載F，所有測試數(shù)據的采集頻率均為5 Hz。試驗后，通過式(2)獲得黏結應力：

圖4 同心拔出系統(tǒng)

τ=F/(πdLe)

(2)

式中：F為施加荷載，d為BSB直徑，Le=125 mm。

3 試驗結果

3.1 破壞模型與分析

拔出試驗后，觀察到兩種不同的破壞模式(圖5)。從表6的破壞模型總結看出，所有不含POM纖維的試件和含有POM纖維28 d的試件均表現(xiàn)為劈裂破壞模式，試件在破壞時伴隨劈裂的響聲，且試件表面出現(xiàn)較大、較寬的裂縫，有些混凝土試件直接損壞；當混凝土齡期小于28 d時，含POM纖維的試件表現(xiàn)為拔出破壞模式，試件表面裂縫較小或者幾乎沒有，鋼筋被順利拔出，試驗結束。從試驗結果可知當齡期小于28 d時，含POM纖維的試件表現(xiàn)出更好的黏結韌性和耗能能力，有利于施工期的結構安全。綜上所述，在28 d之前，加入POM纖維的試件為拔出破壞，產生的原因為POM纖維作為混凝土內部的次增強材料，增強了混凝土吸收能量的能力，同時POM纖維對鋼筋周圍的混凝土產生了良好的約束作用，提高了鋼筋混凝土結構之間的延性，從而表現(xiàn)為拔出破壞；而28 d時的破壞模式為均為劈裂破壞，說明加入的纖維摻量不足以消耗掉拔出試驗過程中產生的能量，所以表現(xiàn)為劈裂破壞，具體加入多少含量的纖維還需要進一步研究。

圖5 不同齡期混凝土拔出試件破壞模式

表6 不同混凝土、齡期和c/d的拔出試樣的破壞模式

另外從圖5可清楚看到，拔出試驗后，不銹鋼覆層中沒有出現(xiàn)裂紋和斷裂，未觀察到不銹鋼覆層和碳鋼之間有分離的現(xiàn)象。文獻[20]研究了海水海砂混凝土與環(huán)氧涂層鋼筋的黏結性能，拔出試驗后，環(huán)氧涂層鋼筋表面的環(huán)氧涂層有明顯損壞。由于環(huán)氧涂層的破損，碳鋼會直接接觸到水、氯離子和空氣等，從而導致鋼筋腐蝕，影響結構耐久性。因此，環(huán)氧涂層上的損傷對環(huán)氧涂層鋼筋混凝土結構的耐久性有不利影響。根據本文的試驗結果，拔出試件的BSB上的不銹鋼覆層表面無破損，碳鋼芯筋不會與空氣和海水直接接觸，不會發(fā)生破損性腐蝕，這說明相比環(huán)氧涂層而言，BSB的不銹鋼覆層更穩(wěn)定可靠。FRP材料因其輕質、高強、耐腐蝕的特性使得在加固或修復鋼筋混凝土構件時被廣泛的運用，然而現(xiàn)實生活中FRP筋材與混凝土常見的破壞方式是黏結界面間因強度不足引起的FRP筋材表面肋牙剝離破壞，這種剝離破壞形式會造成混凝土結構提前破壞，不能完全發(fā)揮鋼筋混凝土結構之間的承載力，這樣的缺點就使FRP在工程實踐應用中受到了限制[21]。

綜上所述，BSB在經歷拔出試驗后，不銹鋼覆層與內部碳鋼仍有良好的協(xié)同工作能力，未發(fā)生破損、脫離的現(xiàn)象，且不會與混凝土發(fā)生剝離破壞，說明BSB能有效地承受黏結應力，比起環(huán)氧涂層鋼筋與FRP材料，更適合作為海工混凝土結構的加固筋材。

3.2 黏結滑移曲線

拔出試件的黏結-滑移曲線總結見圖6，為簡潔起見，每個試驗組僅提供一個曲線。由圖可知，隨著混凝土齡期的增加，黏結-滑移曲線顯示出更大的黏結應力，存在下降段表現(xiàn)出更陡的下降趨勢。由于劈裂破壞的峰值黏結應力后下降段極不規(guī)律，不具有參考意義，所以圖6上并未呈現(xiàn)。另外，峰值應力對應的滑移和上升段的形狀相對隨機，沒有明確的發(fā)展規(guī)律。

圖6 不同齡期混凝土拔出試件黏結-滑移曲線

3.3 黏結滑移模型

文獻[22]的黏結滑移模型是較為成熟和經典的黏結滑移模型，被國內外大多數(shù)學者使用，同時考慮到從試驗中獲得的黏結滑移曲線的形態(tài)，此模型可以較為準確的表達BSB與SWSSC之間的黏結行為，所以選擇此模型，如式(3)所示，黏結滑移曲線示意見圖7，用兩個方程式來量化黏結滑移曲線。對于上升段采用指數(shù)函數(shù)，在到達峰值應力之后，下降段采用線性函數(shù)。根據第3.2節(jié)的試驗結果，劈裂破壞模式的拔出試件的黏結滑移曲線沒有有效下降段，所以該公式適用于劈裂破壞模式拔出試件的上升段，以及具有拔出破壞模式的拔出試件的上升段與下降段。峰值黏結應力τu和峰值黏結應力對應的滑移su由試驗結果得出。上升段形狀參數(shù)α是基于最小二乘法，在Matlab軟件中進行非線性回歸分析得到。k表示下降段的斜率，選擇峰值點和下降段上80%最大黏結應力的點的斜率來確定。根據上述定義和試驗結果，獲得了試件的4個關鍵參數(shù)，如表7所示，數(shù)據為3次試驗組的平均值。

圖7 經典黏結-滑移模型

表7 測試結果得到的黏結-滑移模型的關鍵參數(shù)

(3)

式中：τ為黏結應力，τu為峰值黏結應力，s為滑移，su為峰值黏結應力對應的滑移，α和k分別為黏結滑移曲線上升段和下降段的形狀參數(shù)。

3.4 混凝土齡期和c/d對關鍵參數(shù)的影響

由3.3節(jié)的試驗數(shù)據可得，黏結強度會隨著齡期的增加而增加，也會隨著混凝土保護層的厚度的增加而增加。齡期本質上是影響混凝土的黏結強度，想要研究齡期與黏結強度之間的變化規(guī)律，本文采用的是τu,t/τu,28參數(shù)作為無量綱化處理的方式，將每個齡期、每個保護層厚度的最大黏結應力與對應的28 d的黏結應力做比值，從而更加明顯地觀察到隨齡期的變化規(guī)律。圖8為試驗結果，為簡潔表示，取每組數(shù)據的均值。

圖8 齡期對黏結-滑移曲線4個參數(shù)的影響

試驗結果表明，含POM纖維與不含POM纖維的試件的黏結強度隨齡期的發(fā)展趨勢基本一致，都隨著齡期的增長而增長，受到齡期的影響明顯，整體呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式。另外根據3.3節(jié)的數(shù)據顯示，相比較不含POM纖維的試件而言，加入體積分數(shù)0.6%POM纖維的試件在28 d齡期時的最大黏結應力，在c/d為1.0、1.8、2.6時，分別提升了7.16%、22.30%、21.44%，這是由于加入POM纖維后，增加了鋼筋周圍混凝土的環(huán)向約束力，從而增加了最大黏結應力。另外，峰值黏結應力對應的滑移su、上升段形狀系數(shù)α、下降段形狀系數(shù)k的分布有一定波動性，可能與多種因素有關，如澆筑方式、試驗加載速率、養(yǎng)護方式等，但已超出本文的研究內容。從圖8(b)～(d)可看出，峰值黏結應力對應的滑移su、上升段形狀系數(shù)α、下降段形狀系數(shù)k這3個參數(shù)隨齡期變化都呈現(xiàn)較強的規(guī)律性，峰值黏結應力對應的滑移su和形狀系數(shù)α整體隨齡期的增加而減小，形狀系數(shù)k則是隨著齡期的增加而增大，可根據這些數(shù)據提出相應模型用于量化參數(shù)隨齡期的變化趨勢。

圖9的曲線表明，以上4個關鍵參數(shù)未隨著c/d變化表現(xiàn)明顯規(guī)律性，離散性較強，說明混凝土保護層厚度與直徑比c/d對上述4個關鍵參數(shù)的影響并不明顯，沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，無法用一個量化的指標來描述。

圖9 c/d對黏結-滑移曲線4個參數(shù)的影響

4 時變黏結滑移模型

4.1 建議模型

基于上述討論和數(shù)據，考慮混凝土齡期t(d)，得到以下4個預測公式：

τu,t/τu,28=γe-at+b, 0≤t≤28

(4)

su=λe-ft+g, 0≤t≤28

(5)

α=κe-ht+i, 0≤t≤28

(6)

k=mt+n, 0≤t<28

(7)

式中：γ、a、b、λ、f、g、κ、h、i、m、n均為模型系數(shù)，t為混凝土齡期?？筛鶕囼灁?shù)據基于最小二乘法，在Matlab軟件中進行非線性回歸分析得到，具體結果見表8，計算得到了每一個c/d下混凝土的模型系數(shù)。根據以上4個公式即可計算得到28 d齡期內的經典模型參數(shù)，并做出黏結滑移曲線，預測早齡期內黏結性能的變化情況。

表8 預測模型的關鍵參數(shù)

4.2 模型的驗證

由式(4)～(7)計算所得經典模型的4個關鍵參數(shù)的值與表7的試驗結果進行對比，圖10給出了根據試驗數(shù)據得到的參數(shù)的值，將其作為橫坐標，另外經式(4)～(7)計算得到的預測值作為縱坐標，其中對角線以下的數(shù)據點意味著預測值低于試驗結果，對角線以上的就是高于試驗結果。從圖10可看出大部分數(shù)據點集中在對角線附近，說明提出的時變黏結模型計算出的結果與試驗結果的一致性是可接受的。另外選取了5個試件：NF-1-1、POM-3-1、NF-7-2.6、POM-14-1.8、POM-28-1.8，根據式(4)～(7)計算出來4個關鍵參數(shù)進行黏結滑移曲線的繪制，用于驗證所提公式的適用性和準確性，也反映出了時變模型和參數(shù)評估的累計誤差，結果見圖11， 提出的時變黏結模型的擬合結果在上升段與試驗得到的曲線一致性良好， 峰值應力稍有偏差。

圖10 建議模型的關鍵參數(shù)的驗證

圖11 測試結果與建議的黏結-滑移模型計算結果的黏結-滑移曲線的比較

4.3 試驗結果對比

將本文得到的試驗數(shù)據與文獻[22]的試驗數(shù)據進行了對比，發(fā)現(xiàn)海水海砂混凝土黏結性能隨齡期的發(fā)展變化規(guī)律與普通混凝土的規(guī)律相似，同時發(fā)現(xiàn)文獻[22]的黏結滑移曲線的形態(tài)與本文的黏結滑移曲線也極其相似。另外文獻[22]中C50強度的普通混凝土28 d的峰值黏結應力為35.67 MPa，本文28 d的峰值黏結應力為18.19 MPa，在黏結強度上與普通混凝土還有一定差距，后續(xù)可進一步深入研究改進海水海砂混凝土的黏結性能。

圖12 本文試驗結果與文獻[22]試驗結果對比

5 結 論

本文開展了復合鋼筋與早齡期海水海砂混凝土黏結性能的試驗研究，主要考慮混凝土齡期、是否加入POM纖維和混凝土保護層厚度與鋼筋直徑比c/d對黏結性能的影響。討論了混凝土齡期和c/d對黏結-滑移關鍵參數(shù)(峰值黏結應力、峰值黏結應力對應的滑移和兩個形狀參數(shù))的影響，得到以下結論：

1) 復合鋼筋因其特殊的冶金結合層使不銹鋼覆層與碳鋼有良好的協(xié)同工作能力，采用極薄不銹鋼覆層，造價較低，在混凝土中不會發(fā)生表面剝離破壞，可用于海水海砂混凝土結構加固。

2) 早齡期混凝土與復合鋼筋間的峰值黏結應力τu受齡期影響明顯，齡期越大，峰值黏結應力τu越大， POM纖維對峰值黏結應力增長速率的影響不顯著；加入POM纖維的海水海砂混凝土表現(xiàn)為更好的延性和黏結性能，說明POM纖維可用于改善海水海砂混凝土的性能。

3) 混凝土的齡期對峰值黏結應力對應的滑移值su、上升段形狀參數(shù)α、下降段形狀參數(shù)k有明顯影響，整體表現(xiàn)為齡期越大，su越小，α越小，曲線越陡峭；齡期越大，k越大。

4) 基于試驗結果提出了考慮混凝土齡期的復合鋼筋海水海砂混凝土黏結-滑移模型，并與試驗結果進行了對比，結果表明該模型與試驗結果具有較好的一致性。