水灰比對裂縫鋼筋與混凝土粘結性能的影響

焦俊婷，許金鼓，丘文濤，陳 勛，嚴凌靜

(廈門理工學院土木工程與建筑學院,福建 廈門 361024)

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水灰比對裂縫鋼筋與混凝土粘結性能的影響

焦俊婷，許金鼓，丘文濤，陳 勛，嚴凌靜

(廈門理工學院土木工程與建筑學院,福建 廈門 361024)

針對大氣環境和氯鹽侵蝕環境中帶預制裂縫鋼筋與混凝土粘結滑移性能進行研究.通過實驗室模擬亞熱帶沿海地區工作環境，對具有不同水灰比帶初始裂縫梁試件，經海水浸泡180d干濕循環或大氣環境180d作用下，著重研究水灰比對鋼筋與混凝土之間粘結性能影響.結果表明：在海水腐蝕環境下峰值滑移，隨著水灰比減小而減??；在大氣環境下，峰值滑移隨著水灰比變化規律不明顯.極限粘結應力隨著水灰比減小而增大.

鋼筋混凝土；粘結性能；水灰比；氯離子侵蝕；大氣環境

鋼筋混凝土結構一般帶工作裂縫，在鹽侵環境下裂縫加快氯離子的侵蝕速度[1]，導致鋼筋極易發生銹蝕；在大氣環境中裂縫存在使得混凝土保護層厚度減小，易使鋼筋銹蝕.鋼筋銹蝕會使鋼筋截面面積減小，導致鋼筋與混凝土之間粘結退化[2]，影響混凝土結構的安全性和耐久性.因此，研究帶裂縫鋼筋混凝土結構在一定環境中鋼筋與混凝土粘結性能是一個具有實際意義的重要課題.國內外現有關于銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能試驗方法，多采用制作及裝置比較簡單而試驗結果便于分析的中心拔出試驗[3-4]，而采用與實際構件受力狀態符合較好的梁式或半梁式試驗方法較少[5-9].有關帶初始裂縫鋼筋混凝土構件在一定腐蝕環境中鋼筋與混凝土粘結性能的研究不多：襲杰等[3]采用中心拔出試驗研究得出，帶初始裂縫混凝土試件經過凍融循環與氯離子侵蝕后鋼筋與混凝土粘結強度比無裂縫情況低；許豪文等[4]采用中心拔出試驗研究了帶初始裂縫混凝土試件分別經過凍融循環與氯離子侵蝕、大氣環境腐蝕后，鋼筋與混凝土粘結強度受裂縫寬度的影響情況.鋼筋與混凝土粘結受多因素影響，如環境、腐蝕方法、裂縫、粘結長度、混凝土水灰比、鋼筋直徑和外形等.為真實了解帶初始裂縫構件在氯鹽腐蝕環境或大氣環境中鋼筋與混凝土粘結性能，本文采用梁式試驗方法，通過試驗室模擬沿海亞熱帶地區工作環境，試驗研究了經歷海水浸泡180d干濕循環或在大氣環境180d不同環境腐蝕后帶初始裂縫梁試件，旨在研究水灰比對鋼筋與混凝土粘結性能退化規律的影響，為沿海亞熱帶地區鋼筋混凝土結構及耐久性設計提供參考.

1 試驗

1.1 試件材料

水泥采用中國建筑材料科學研究院生產的普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5；粗骨料使用廈門市生產的粒徑6～14mm玄武巖碎石；細骨料為廈門市石料廠生成的中砂，細度模數2.6，Ⅱ區級配合格；水用自來水.

試件混凝土按水灰比(w/c)分別為0.60、0.47設計.鋼筋用HRB335級螺紋鋼，直徑d=10mm.材料力學性能見表1.

表1 材料力學性能

1.2 試件制作及試驗過程

本文鋼筋與混凝土粘結強度試驗采用無箍筋梁試件，試件尺寸如圖1所示.試件尺寸為100mm×100mm×430mm的鉸梁，鋼筋與混凝土的粘結長度l=10d(d表示鋼筋直徑)，在鋼筋與混凝土粘結段中間預制不同寬度橫向裂縫，無粘結部分用PVC塑料管包裹.梁試件按照水灰比和裂縫寬度不同分2組，每組8個試件，共16個試件，試件編號、水灰比和裂縫寬度見表2.

表2 試件分組、水灰比、裂縫寬度、破壞形式及粘結強度

環境類別試件編號w/c裂縫寬度/mmPmax/kN破壞形式l1/mml2/mmla/mml/mmFmax/kNδm/mmτmax/MPa大氣環境1-C25-000.600.0039.86局部劈裂175505510545.300.6013.731-C25-050.600.0738.47局部劈裂175505410544.530.4713.501-C25-100.600.1132.86局部劈裂175505010041.080.4413.071-C25-200.600.1938.01局部劈裂175505711041.680.5312.061-C35-000.470.0040.11局部劈裂175475310048.430.4015.421-C35-050.470.0844.56鋼筋屈服175475511051.8515.001-C35-100.470.1233.09局部劈裂17545509643.020.7114.261-C35-200.470.1938.30局部劈裂175455510545.260.5313.72海水環境2-C25-000.600.0034.26貫通劈裂175475210042.170.7013.422-C25-050.600.0739.60局部劈裂175475710844.460.3813.102-C25-100.600.1235.41局部劈裂175475711039.760.5811.512-C25-200.600.1938.67局部劈裂175476011541.250.6311.422-C35-000.470.0045.30局部劈裂175455511053.540.4915.492-C35-050.470.0643.56局部劈裂175505410850.420.5114.862-C35-100.470.1144.49局部劈裂175505711548.780.2613.502-C35-200.470.2035.75局部劈裂175505210542.970.4613.03

注：Pmax、Fmax分別表示P和F的最大值;δm表示在Fmax時鋼筋與混凝土的相對滑移量，稱為峰值滑移

試件制作，按照文獻[3-4]中預制裂縫方式，在試件澆筑時預先插入不同厚度0.05mm、0.10mm、0.20mm間隙片，分別在3h、4h、5h后將間隙片拔出，制得不同寬度裂縫.試件養護齡期為28d，其中帶模養護1d，拆模后室溫養護27d.試驗過程分腐蝕階段和加載試驗兩階段.

腐蝕階段：1)將第1組試件在大氣環境中靜置180d；2)將第2組試件在人工海水(在自來水中加入質量分數3.5%NaCl制成)中進行浸泡干濕循環180次.每次干濕循環持續1d，將試件在人工海水浸泡8h，在大氣環境中靜置16h.

加載試驗階段：試件完成腐蝕后，首先在試件表面粘貼碳纖維布[10]，避免試件進行試驗時由于沒有箍筋發生剪切破壞.然后在最大量程100kN壓彎試驗機上進行試驗(如圖2所示).在梁粘貼鋼板的兩端面自由鋼筋上固定電子位移計(量程0～10mm)，位移計頂在粘貼鋼板上測量鋼筋自由端相對于混凝土的滑移.在加載過程中，電子位移計接入DH3815靜態應變儀，加載力與位移通過電腦同步采集.試驗過程以等速位移加載方式加載，加載速度為1.0mm/min.

2 試件破壞形態

試件破壞形態分為鋼筋拉屈破壞和混凝土劈裂破壞2種(見表2)，以混凝土劈裂破壞為主.其中劈裂破壞又分為2類：一類為貫穿劈裂破壞，即劈裂裂縫貫穿整個試件，如圖3(a)所示；另一類為部分劈裂破壞，僅在鋼筋自由端至初始橫向裂縫之間產生劈裂裂縫，如圖3(b)所示，或僅在鋼筋兩自由端之間產生部分劈裂裂縫，如圖3(c)所示.

3 試驗結果與分析

3.1 粘結-滑移曲線

鋼筋與混凝土粘結應力計算受力簡圖如圖4所示.鋼筋與混凝土粘結平均應力τ可由式(1)計算：

(1)

式中：F表示鋼筋與混凝土的粘結力；A表示鋼筋與混凝土的粘結面積，A=πdl；P、l、l1、l2和la等符號含義如圖4所示，其數值見表2.

根據測得鋼筋自由端相對滑移量δ以及由計算得到的粘結平均應力τ，得到試件τ-δ曲線，如圖5、圖6所示.圖5和圖6分別為w/c=0.60、0.47時混凝土試件的τ-δ曲線，每個圖中w/c相同而初始橫向裂縫寬度不同.從圖5、圖6可以看出，同種破壞形態試件的τ-δ曲線形狀相似.當接近承載力峰值時，增加少量τ，粘結滑移增量明顯，繼續增加少量τ，粘結滑移失穩,τ快速下降，降到一定程度后下降速度逐漸變緩.

在試驗過程中,試件兩肢粘結滑移量不相同，只有一肢粘結滑移量發展充分,而另一肢滑移發展緩慢混凝土沒有出現劈裂(如圖3所示).這可能是由于兩肢中鋼筋粘結力不相同,粘結力偏小的肢較容易滑移失穩,而一旦失穩,產生滑移的外部荷載減小,無法提供更大的力使另一肢繼續滑移，這與文獻[8]中試驗現象類似.

3.2 極限粘結應力

極限粘結應力指鋼筋與混凝土粘結力F達到最大時計算得到的平均粘結應力，即τmax，其數值見表2.

3.3w/c對粘結滑移的影響

3.3.1w/c對峰值滑移δm的影響

圖7給出了試件峰值滑移δm與w/c關系.由圖7(a)可以看出，在大氣環境下，峰值滑移δm隨著w/c變化規律不明顯.由圖7(b)可以看出，在海水腐蝕環境下，除裂縫寬度約0.05mm的情況外，峰值滑移δm隨著水灰比提高而減小,當裂縫寬度W=0.1mm、0.2mm時，w/c=0.47的峰值滑移δm比w/c=0.6的峰值滑移δm分別減少55.17%、26.98%.原因為:w/c越大，材料的脆性越強，鋼筋與混凝土相對滑移變形越小.

3.3.2w/c對粘結應力的影響

表3和圖 8給出了τmax與w/c的關系，表3中數值為試件的τmax值與其參照值的比值，其中參照值為同環境下、同裂縫寬度和w/c=0.60時的τmax值.由表3和圖8可以看出，試件的τmax隨著w/c增大而降低，原因為：w/c越小，混凝土強度越大，混凝土對鋼筋的握裹力越強，即鋼筋與混凝土的極限粘結應力越大.

表3 w/c對τmax的影響

注：*表示混凝土裂縫寬度“約為”

4 結語

本文通過梁式試驗法研究了分別經歷海水浸泡180d干濕循環或在大氣環境180d下的鋼筋與混凝土粘結性能，著重分析了水灰比對鋼筋與混凝土粘結性能退化規律的影響.試驗得到：峰值滑移δm在海水腐蝕環境下，除裂縫寬度約0.05mm的情況外，峰值滑移δm隨著水灰比減小而減??；在大氣環境下，峰值滑移δm隨著水灰比變化規律不明顯.極限粘結應力τmax隨著水灰比減小而增大.由于預制裂縫忽略了裂縫寬度和深度受荷載作用的大小、形式、作用時間等的影響，相關內容以后尚需進一步深入研究.

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(責任編輯 雨 松)

Effect of Water-Cement Ratio on Bond Properties betweenReinforcement and Concrete with Initial Crack

JIAO Junting，XU Jingu，QIU Wentao，CHEN Xun，YAN Lingjing

(SchoolofCivilEngineering&Architecture，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China)

Thebondslippropertybetweensteelbarandconcretewithinitialcrackintheatmosphericorchlorinesalterosionwasstudiedinthispaper.Bylaboratorysimulatedsubtropicalcoastalworkingenvironment，thebeamspecimenswithdifferentwater-cementratiosin180dseawaterimmersionanddrycycleorin180datmosphericenvironmentwereresearchedfocusingontheeffectofwater-cementratioonbondperformancebetweensteelbarandconcrete.Theresultsshowthatthepeakslipdecreaseswiththedecreaseofwater-cementratiointheseawatercorrosionenvironment，andmakesnoobviouschangesinatmosphericconditions;andtheultimatebondstressincreaseswiththedecreaseofwater-cementratio.

reinforcedconcrete;bondproperty;water-cementratio;chlorideionerosion;atmosphere

2016-08-23

2016-09-30

國家自然科學基金項目(51478404);福建省教育廳A類項目(JA14241);福建省大學生創新訓練項目(201611062258)

焦俊婷(1968-)，女，教授，博士，研究方向為鋼筋混凝土結構非線性與耐久性.E-mail：jtjiao@xmut.edu.cn

TU

A

1673-4432(2016)05-0084-06