全輕頁巖陶?；炷僚c鋼筋粘結性能試驗研究

周 超，曹國輝，張再華，朱海航，何 杰

(1. 長沙理工大學 土木工程學院，長沙 410000；2. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

鋼筋和混凝土2 種不同的材料能夠共同工作并發揮其優異性能的基礎是鋼筋和混凝土間具有良好的粘結性能.近年來，國內外學者對鋼筋與混凝土之間的粘結性能展開了大量研究.如徐有鄰等[1]分析了334 個涉及各類鋼筋、各種錨固條件的拉拔試驗結果，建立了各種鋼筋粘結強度的實用計算公式.李渝軍等[2]設計了80個拔出試件并探究了高強陶?；炷僚c變形鋼筋的粘結性能，其研究結果表明高強陶?；炷僚c變形鋼筋的粘結強度優于同等級的普通混凝土.Anwar[3]通過112 個拔出試件研究了混凝土類型、鋼筋類型、錨固長度、混凝土齡期對輕質浮石混凝土與鋼筋極限粘結強度的影響.Teo 等[4]對以油棕櫚殼為粗骨料的輕骨料混凝土與鋼筋的粘結性能進行了研究.Mitchell 等[5]基于拉拔試驗，提出高強輕骨料混凝土與鋼筋的粘結強度等于或略大于高強度普通混凝土.張歡歡等[6]通過42個局部粘結拔出試件研究了鋼纖維體積率和長徑比對鋼纖維高強陶?；炷僚c鋼筋粘結性能的影響.姚瑞[7]通過138 個拔出試件研究了HPB300、HRB500 級鋼筋與高強陶?；炷恋恼辰Y性能，提出了HRB500級鋼筋在高強陶?；炷林绣^固長度的建議設計值.楊念旭[8]基于不同參數鋼筋混凝土試件的拉拔試驗，解釋了月牙肋鋼筋與全輕混凝土之間的粘結力主要源于月牙肋與混凝土之間的機械咬合力.高兵[9]通過108個拔出試件研究了鋼筋材質、凍融循環次數、混凝土強度對鋼筋與陶?；炷琳辰Y性能的影響.Liu 等[10]通過制備不同混凝土抗壓強度、混凝土保護層厚度和錨固長度的拔出試件，研究了變形鋼筋在自密實混凝土中的粘結性能.

全輕頁巖陶?；炷潦且环N以頁巖陶粒和頁巖陶砂為骨料的新型輕骨料混凝土，具有自重輕、保溫隔熱、抗震性能強等優點.目前，針對普通混凝土或砂輕混凝土與鋼筋粘結性能的研究已有較多成果，但對全輕混凝土與鋼筋粘結性能的研究較為少見.鑒于此，本文設計了12 組拔出試件并研究全輕頁巖陶?；炷僚c鋼筋的粘結性能.

1 試驗概況

1.1 試件設計

目前，研究鋼筋與混凝土粘結性能的試驗方法主要有3 種：中心拔出試驗、梁式試驗、軸拉試驗，其中中心拔出試驗具有操作簡單、試件成本低和數據處理簡單等特點.本試驗以LC40 和LC45 為混凝土強度等級指標，選用HRB400 和HRB500 鋼筋，采用14、16、20 和25 等4種鋼筋直徑，制作12 組(每組3 個)拔出試件，利用中心拔出試驗研究全輕頁巖陶?；炷僚c鋼筋的粘結性能.各試件的錨固長度均為5 倍鋼筋直徑，試件自由端長度為50 mm，加載端長度為300 mm.為使試件發生拔出破壞，25 鋼筋對應的試件尺寸為200 mm×200 mm× 200 mm，其余試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.試件采用PVC管控制鋼筋與混凝土錨固長度，用玻璃膠密封PVC 管與鋼筋間的縫隙以防止混凝土漿流入.各試件具體的尺寸及試件參數見圖1 和表1.

圖1 試件幾何尺寸及構造/mm

表1 試件參數 mm

1.2 材料力學性能

按文獻[11]規定的方法對28 d 齡期混凝土試件的力學性能進行測試，結果見表2.

表2 混凝土試件力學性能 MPa

1.3 試驗設計

在標準養護條件下養護28 d后將試件從養護室取出，靜置12 h 待試件表面完全干燥后進行拉拔試驗.本次試驗針對14、16、20 和25 mm 4種直徑的鋼筋，其對應的試件加載速率分別為98、128、200 和312.5 N/s.主要測點布置見圖2.

圖2 鋼筋與混凝土相對滑移測點布置示意

試驗測量內容包括：1)鋼筋被拔出或試件發生破壞時的荷載；2)通過在試件加載端和自由端布置LVDT 電子位移計，測量各級荷載下鋼筋與混凝土的相對滑移.

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象及破壞形態

本試驗有2 種破壞形態：拔出破壞(如PT1)和劈裂破壞(如PT2～PT12).本文以試件PT1 和PT2 為例，對這2 種破壞形態進行分析.

圖3 和圖4 分別為拔出破壞試件和劈裂破壞試件的荷載-滑移曲線圖.

圖3 拔出破壞試件荷載-滑移曲線

圖4 劈裂破壞試件荷載-滑移曲線

由圖3 可知，在加載初期，鋼筋加載端開始緩慢滑移而自由端幾乎無滑移，此時粘結力主要由化學膠結力組成；隨著荷載的增加，加載端鋼筋與混凝土之間的化學膠結作用因應力集中而被局部破壞，粘結力逐漸向鋼筋自由端轉移；當化學膠結力失效時鋼筋開始整體滑動，鋼筋外表面的橫肋與混凝土發生擠壓，混凝土內部開始出現微小的裂縫.當自由端位移為1.06 mm 時，荷載達53.1 kN，此時鋼筋橫肋間的混凝土被擠壓致碎；隨著位移的繼續增加，荷載快速下降；當自由端位移達到10 mm 時，荷載不再繼續下降，此時鋼筋與混凝土的粘結力只剩下摩擦力.

由圖4 可知，剛開始加載時，劈裂破壞試件自由端無滑移；隨著荷載的增大，荷載-滑移曲線近似呈直線；當荷載達到59.18 kN 時，試件突然爆裂，破壞形態見圖5.

圖5 劈裂破壞試件形態

在完成拉拔試驗后將試件劈開，可以看到如圖6 所示的破壞面，其中圖6(a)為拔出破壞試件錨固段的破壞形態.從圖6(a)中可以看出，鋼筋橫肋間的混凝土咬合齒被完全碾碎，鋼筋與混凝土之間的機械咬合力已完全失效.圖6(b)為劈裂破壞試件錨固段的破壞形態.從圖6(b)中可以看出鋼筋橫肋間的混凝土咬合齒保留完好，這說明試件發生破壞時鋼筋與混凝土間的機械咬合力尚未達到最大值.另外，從發生劈裂破壞的試件界面來看，陶?；炷链止橇弦哑扑?

圖6 試件錨固端破壞形態圖

2.2 粘結強度影響因素分析

2.2.1 粘結強度定義

當錨固長度小于5 倍鋼筋直徑時，可將粘結應力近似視為均勻分布.為了便于計算，本文將鋼筋粘結應力按平均粘結應力計算，故極限粘結強度可表示為

其中，uτ為極限粘結強度，MPa；F為最大拉拔力，kN；d為鋼筋直徑，mm；l為錨固長度，mm.

由式(1)求得的各試件極限粘結強度見表3.從表3 中可以看出，極限粘結強度最大的是PT7試件(18.84 MPa)，極限粘結強度最小的是PT5 試件(11.66 MPa).

表3 各試件極限粘結強度

2.2.2 鋼筋直徑的影響

為研究鋼筋直徑對鋼筋與陶?；炷翗O限粘結強度的影響，本文按混凝土強度等級將HRB400 鋼筋對應的試件分為LC40 試件(如PT1、PT2、PT3)和LC45 試件(如PT7、PT8、PT9).根據試驗結果得到的試件極限粘結強度隨鋼筋直徑的變化曲線見圖7.

圖7 極限粘結強度隨鋼筋直徑變化曲線

由圖7 可知，LC40 試件中PT1 的極限粘結強度最高(達到17.84 MPa)，PT2、PT3 的極限粘結強度分別為PT1 的89.18%、71.30%；LC45 試件中PT7 的極限粘結強度最高(達到18.84 MPa)，試件PT8、PT9 的極限粘結強度分別為PT7 的87.21%、76.17%.

由此可見，帶肋鋼筋與全輕頁巖陶?；炷恋臉O限粘結強度隨鋼筋直徑的增加而下降.

2.2.3 鋼筋屈服強度的影響

為了研究鋼筋屈服強度對其極限粘結強度的影響，本文按混凝土強度等級和鋼筋直徑將試件分為4 組：PT2、PT4(LC40，16)；PT3、PT5(LC40，20)； PT8、PT10(LC45，16)；PT9、PT11(LC45，20).不同屈服強度的鋼筋與全輕頁巖陶?；炷恋臉O限粘結強度對比結果見圖8.從圖8 中可以看出，鋼筋屈服強度的大小對極限粘結強度無明顯影響，其原因是試件破壞時鋼筋尚未進入塑性變形階段.

圖8 不同強度鋼筋與混凝土粘結強度對比

2.3 極限粘結強度計算方法

極限粘結強度是工程設計中最重要的一個參數，國內外學者對此進行了大量研究.比較典型的是徐有鄰等[1]提出的鋼筋與混凝土極限粘結強度表達式，即

式(3)考慮的是普通混凝土與鋼筋的粘結性能，用于計算陶?；炷僚c鋼筋的極限粘結強度時往往誤差較大，故有必要對該公式進行修正.本文根據各試件的試驗結果，予以統計分析并提出了適用于計算全輕頁巖陶?；炷僚c帶肋鋼筋極限粘結強度的改進表達式，即

將式(3)～式(4)的計算結果與實測值對比，結果如表4 所示.由表4 可知，利用式(3)所得的極限粘結強度計算值與實測值偏差較大，而利用式(4)所得的計算值與實測值吻合較好.

表4 極限粘結強度計算值與實測值對比 MPa

3 結論

1)當錨固長度為5 倍鋼筋直徑時，HRB400、HRB500 鋼筋與全輕頁巖陶?；炷恋臉O限粘結強度無明顯區別；鋼筋直徑越大，極限粘結強度越低.

2)利用改進后的全輕頁巖陶?；炷僚c帶肋鋼筋極限粘結強度表達式所得計算值與實測值吻合較好，可為工程實際應用提供參考.