再生混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

安新正,易 成,劉 燕,3,張結(jié)太

(1.河北工程大學(xué)土木學(xué)院,河北邯鄲056038;2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑學(xué)院,北京 100083;3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,河北 保定071001)

再生集料混凝土是實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土資源化循環(huán)利用和建筑材料可持續(xù)發(fā)展的有效方法之一。目前,國內(nèi)外在再生混凝土及其與鋼筋之間粘結(jié)性能的研究方面已初步取得了一些成果[2-7],但對(duì)于不同取代率條件下鋼筋與再生集料混凝土間粘結(jié)特性的試驗(yàn)研究還較為匱乏。本文采用室內(nèi)梁式粘結(jié)試件模擬試驗(yàn)的方法,借助于鋼筋開槽粘貼點(diǎn)式應(yīng)變計(jì)的檢測(cè)技術(shù)手段,來研究不同再生集料取代率對(duì)鋼筋與再生集料混凝土間粘結(jié)性能的影響,以期為類似條件下鋼筋再生集料混凝土結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 試驗(yàn)過程

1.1 再生混凝土配料

再生混凝土配料:①水泥采用太行山P.O 42.5級(jí)水泥;②粗集料為在天然粗集料中摻入不同份量的再生粗集料而構(gòu)成的混合粗集料。其中,天然粗集料的表觀密度為2.53g／cm3,粒徑范圍為5～10mm,再生粗集料采用強(qiáng)度等級(jí)為C25的廢棄混凝土經(jīng)破碎和清洗后制成,粒徑范圍為5～10mm的連續(xù)顆粒級(jí)配,其基本性能指標(biāo)見表1;③細(xì)集料采用河砂,其表觀密度為2.65g／cm3,細(xì)度模數(shù)2.6;④摻合料為邯鄲碼頭電廠產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰;⑤水為市供自來水。

表1 再生粗集料性能指標(biāo)Tab.1 Properties of recycled concrete aggregate

表2 再生集料混凝土配合比及其總孔隙率Tab.2 Mix proportions and total porosity of recycled aggregate concrete

1.2 再生混凝土

配合比是影響再生混凝土孔隙率及其性能特征的關(guān)鍵因素之一,而孔隙率對(duì)于孔結(jié)構(gòu)形狀、分布特征等都有著重要的影響[6],它直接影響著對(duì)鋼筋的握裹強(qiáng)度。

本試驗(yàn)在再生混凝土坍落度基本不變(通過減水劑調(diào)節(jié))和取代率分別為10%(A類)、30%(B類)和50%(C類)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了再生混凝土配合比,并通過可蒸發(fā)水含量法[7]得到了A類、B類和C類再生混凝土的總孔隙率(表2)。

1.3 試件設(shè)計(jì)與制作

試件設(shè)計(jì):由于梁式粘結(jié)試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)反映彎矩-剪力耦合作用對(duì)混凝土梁中錨固區(qū)域鋼筋受力性能的影響[8-9],故試驗(yàn)采用了梁式粘結(jié)試驗(yàn)試件(圖1)。依據(jù)再生粗集料組別的劃分,將梁式粘結(jié)試件設(shè)計(jì)為與其對(duì)應(yīng)的A、B和C三個(gè)組別,每個(gè)組別制作三個(gè)試驗(yàn)試件,即:A1～A3試件、B1～B3試件和C1～C3試件。

為了便于試驗(yàn)操作和節(jié)約資金,在此將再生混凝土梁式粘結(jié)試件設(shè)計(jì)為a和b兩個(gè)部分。其中,a部分為梁式粘結(jié)測(cè)試試件,其尺寸為:150 mm×170mm×260 mm,鋼筋保護(hù)層厚度c=24mm;b部分為三個(gè)組別粘結(jié)試件試驗(yàn)時(shí)的公共部分,其尺寸和形狀與a部分的相同。

在a部分粘結(jié)試驗(yàn)試件中,受拉鋼筋的加載端和支座端各設(shè)置有70mm的無粘結(jié)區(qū)段,中間粘結(jié)區(qū)段長度為120mm。受拉鋼筋采用邯鋼產(chǎn)B12螺紋鋼筋,實(shí)測(cè)的屈服抗拉強(qiáng)度為451MPa,極限抗拉強(qiáng)度為613MPa,伸長率為26.3%,彈性模量為2.02×105MPa。

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將a部分的受拉鋼筋與b部分進(jìn)行螺栓連接。同時(shí),在a和b兩部分的上部受壓區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接,并按圖1的方式最終完成梁式粘結(jié)試件的組合與安裝。

試件制作:A、B和C三類試件在澆筑前先在其受拉鋼筋粘結(jié)部位表面的設(shè)計(jì)位置開槽并預(yù)埋箔基點(diǎn)式應(yīng)變片(應(yīng)變片布置方式見圖2示),應(yīng)變片導(dǎo)線用測(cè)試線引出,并對(duì)完成粘貼的應(yīng)變片進(jìn)行防水覆蓋處理和荷載-應(yīng)變關(guān)系的率定工作。同時(shí),也要在鋼筋脫粘結(jié)的部位的表面全部涂抹石蠟,然后再用直徑稍大一點(diǎn)的PVC管套住,并將PVC管兩端用石蠟密封以避免混凝土漿液灌入,至此完成受拉鋼筋澆筑前的處理工作。

澆筑前先正確固定受拉鋼筋和鋼餃的位置,然后進(jìn)行再生骨料混凝土的澆筑。所有試件注模完成后立即進(jìn)行塑料薄膜覆蓋,并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24h后拆模并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室28d備用。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)按3kN、6kN、9kN分級(jí)加載的方法,在液壓伺服控制試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。應(yīng)變片導(dǎo)線應(yīng)從試件中引出接在高性能靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀DH3815上進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。同時(shí),在鋼筋的自由端和加載端也各安裝一個(gè)高精度電測(cè)位移計(jì),并接在DH3815上進(jìn)行自由端的相對(duì)位移的量測(cè)。當(dāng)鋼筋發(fā)生粘結(jié)滑移破壞時(shí)即認(rèn)為構(gòu)件完全破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粘結(jié)應(yīng)力

5片應(yīng)變片將受拉鋼筋的錨固長度劃分為4個(gè)區(qū)段,在各級(jí)荷載作用下每個(gè)區(qū)段內(nèi)的平均粘結(jié)應(yīng)力實(shí)測(cè)值可依據(jù)該區(qū)段兩端的應(yīng)變實(shí)測(cè)值按式(1)和(2)計(jì)算求得[10-12]。

式中τi,i+1為第i到i+1區(qū)段內(nèi)的平均粘結(jié)應(yīng)力,MPa;△i,i+1為第i到i+1區(qū)段的區(qū)段長度,mm;ds為錨固鋼筋的直徑,mm。

依據(jù)各級(jí)荷載p下實(shí)測(cè)的沿鋼筋錨固長度內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)變值的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并通過(1)式的計(jì)算可以求出第i到i+1區(qū)段內(nèi)的平均粘結(jié)應(yīng)力值τi,i+1。在此將 τi,i+1看作第i到i+1區(qū)段長度一半處計(jì)算點(diǎn)的粘結(jié)應(yīng)力值,并用光滑曲線將端點(diǎn)及各個(gè)計(jì)算點(diǎn)連接起來,可以獲得A類、B類和C類試件的粘結(jié)應(yīng)力沿鋼筋錨固長度的基本分布特征曲線(圖3)。

比較圖3(a)～3(c)可以得知在相同的施加載荷下,隨著再生粗集料取代率的增大,粘結(jié)應(yīng)力峰值逐漸從加載端向自由端轉(zhuǎn)移,這主要是因?yàn)殡S著再生粗集料取代率的提高,再生混凝土中各材料的強(qiáng)度分布逐漸趨于均勻,再生混凝土對(duì)鋼筋握裹強(qiáng)度的分布就越趨于均勻化。

另外,試驗(yàn)結(jié)果表明,再生粗集料取代率從10%增大到30%和50%時(shí),再生混凝土的總孔隙率分別增長了1.1%和1.6%(表2)。而且,隨著再生粗集料取代率的增加,鋼筋與再生混凝土的粘結(jié)性能呈逐漸降低的趨勢(shì)。

2.2 荷載-滑移關(guān)系

通過試驗(yàn),實(shí)測(cè)了A、B和C三類試件的加載端與自由端鋼筋的相對(duì)滑移值,并最終得到各組試件的荷載-滑移特征試驗(yàn)曲線(圖4)。

試驗(yàn)過程中,A、B和C三類試件均發(fā)生了相對(duì)滑移現(xiàn)象。比較圖4中A類～C類試件的荷載-滑移特征曲線可知,在相同荷載下,從A類試件到C類試件,自由端的相對(duì)滑移量呈逐漸增大趨勢(shì)。主要原因是,對(duì)再生混凝土來說,隨著再生集料取代率的增大,總孔隙率在逐漸提高,并致使其抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度逐漸降低,從而造成了再生混凝土與鋼筋之間機(jī)械咬合能力的逐漸減小。

3 結(jié)論

1)隨著再生粗集料取代率的增加,鋼筋與再生混凝土的粘結(jié)性能呈逐漸降低的趨勢(shì)。

2)在加載端施加荷載相同的情況下,從A類試件到C類試件,粘結(jié)應(yīng)力峰值逐漸從加載端向自由端轉(zhuǎn)移。

3)再生粗集料取代率從10%增大到30%和50%時(shí),再生混凝土的總孔隙率分別增長了1.1%和1.6%。

4)由于本次試驗(yàn)僅探討了不同再生粗集料取代率下B12螺紋鋼筋與再生混凝土的粘結(jié)性能、荷載-滑移關(guān)系,相關(guān)不同類別與直徑的其他鋼筋與再生混凝土粘結(jié)性能、荷載-滑移關(guān)系還需要通過試驗(yàn)來進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析。

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