高溫后橫壓力對鋼筋與高強混凝土間黏結影響

肖建莊，趙衛(wèi)平，2

（1.同濟大學土木工程學院，上海200092；2.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，北京100083）

國內外學者對高溫（火災）作用下混凝土及鋼筋的力學性能、熱工性能，構件及結構在高溫下的反應等進行了大量研究［1－3］.高溫下鋼筋與混凝土之間黏結退化問題同樣受到了重視［4－8］.許多學者采用預裂試塊研究橫壓力對黏結強度的影響［9－12］.該方面有關成果也收錄在FIB 2000報告［13］中.研究表明，黏結強度隨橫壓力的增加而增大，并且隨著混凝土保護層厚度的增加，橫壓力對黏結性能的有利影響越明顯.本文設計了特殊的加載裝置，從更加細致的方面研究了高溫后鋼筋與高強混凝土間的黏結作用，并進一步考察了橫壓力對黏結作用的影響.

1 試塊制作

結合筆者以前的試驗［7］，配制C100混凝土所需的材料如下：42.5R普通硅酸鹽水泥，S90級磨細高性能礦渣復合摻合料，微硅粉，細度模數(shù)為2.5左右的中砂，5～20mm粒徑鈣質連續(xù)級配碎石，萘系高效減水劑，自來水.高強混凝土配合比見表1.

表1 C100混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of C100concrete

攪拌工藝為：先投入水泥、礦渣、硅粉、砂及碎石，攪拌均勻后加入一半的水攪拌約2min，然后加入另一半水并緊跟著加入減水劑，攪拌6～8min后出料，實測混凝土坍落度在200～220mm之間.

采用特制模具澆注黏結試塊，尺寸為100mm× 100mm×150mm.在試塊的上表面三分點預留兩個半徑為7mm的半圓狀槽，如圖1所示.人工插搗密實后用刮刀插實周邊、抹平表面，在試驗室放置1d后拆模.拆模后在標準養(yǎng)護箱內養(yǎng)護28d，然而將試塊取出，放在室內自然干燥1個月后試驗.試塊分為4組，每組6個試塊分別對應6個溫度工況，共24對試塊.

圖1 黏結試塊Fig.1 Bond specimen

進行推出試驗時，2個試塊一組，有預留槽的面相對，在中間卡入人工焊接的H型加載裝置.為保證試驗過程中鋼筋和混凝土始終保持100mm的黏結長度，型鋼長度為160mm.沿型鋼長度方向焊接4根φ12熱軋月牙變形鋼筋，如圖2所示.

圖2 試塊與加載裝置的連接（單位：mm）Fig.2 Connection of specimen and loading sketch（Unit：mm）

2 升溫制度

高溫試驗采用DRX－36型升溫設備，如圖3所示.爐膛有效尺寸為700mm×600mm×530mm（深×寬×高）.該設備經設定后自動控溫，參照國際ISO834標準，升溫速率約為10℃·min－1，當爐膛溫度接近設定溫度值之前，該設備自動減緩升溫速度，避免過熱沖擊.當爐膛溫度達到設定目標溫度后，恒溫45min，使得與帶肋鋼筋接觸影響范圍內的混凝土高溫損傷充分，之后打開爐門，讓試塊隨爐自然冷卻至室溫，升溫曲線見圖4.

3 高溫后抗壓試驗

采用C100高強混凝土，制作100mm×100mm× 100mm的立方體試塊，其與黏結試塊在同條件下養(yǎng)護，養(yǎng)護期均為28d.高溫試驗時，當溫度超過300℃后，有些混凝土試塊發(fā)生爆裂，爆裂時有悶響，高溫爆裂后試塊如圖5所示.研究［14－16］表明，高強混凝土高溫爆裂具有很強的隨機性，一般可以通過摻加聚丙烯纖維加以改善.高溫后抗壓強度試驗在同濟大學混凝土材料試驗室進行，不同溫度經歷的高強混凝土殘余強度見表2.

對于高強混凝土，當經歷的溫度低于400℃，混凝土強度已經開始下降，折減系數(shù)為0.84～1.00.當經歷超過400℃的高溫后，混凝土強度大幅下降，如經歷800℃高溫后，混凝土強度折減系數(shù)為0.26.常溫下混凝土的顏色基本為黑、紅和白三種顏色的混合：黑色為硅的化合物，如燒制黏土磚的芯部物質；紅色和褐色通常表示含有鐵的氧化物；呈現(xiàn)白色的礦物有石英等［7，14－16］.這些表觀現(xiàn)象對評價高強混凝土結構火災經歷溫度具有一定的參考價值.

表2 高溫后混凝土立方體抗壓強度Tab.2 Compressive strength of cubes after elevated temperatures

4 高溫后推出試驗

4.1 加載制度與加載裝置

推出試驗在同濟大學結構試驗室完成.試驗開始時，首先在水平方向施加橫壓力P夾緊黏結試塊，然后由豎向千斤頂對H型加載裝置施加豎向壓力F.試驗過程中采集豎向千斤頂壓力F和加載裝置相對于左右兩個黏結試塊的位移值，取左右位移計的均值作為滑移量；同時，水平方向橫壓力P由傳感器實時監(jiān)控.按此加載方案逐步提高水平方向橫壓力，多次加載，直到混凝土試塊破壞為止.由試塊的設計和構造可知每個翼緣分擔的壓力為P／2，黏結應力τ和豎向千斤頂壓力F的轉換關系為

式中：d為鋼筋直徑，l為黏結長度.本文中d取12 mm，l取100mm.

試驗在剛度較大的自平衡反力架上進行，如圖6所示.豎向液壓千斤頂額定荷載為500kN，荷載控制加載速率為5kN·min－1.水平方向用手動千斤頂，額定荷載為300kN，在端部串聯(lián)力傳感器.

圖6 自平衡反力架與推出試驗裝置Fig.6 Self－balancing reaction frame and push－out setup

4.2 試驗現(xiàn)象與試驗結果

隨著豎向千斤頂?shù)南乱疲粩嘤谢炷练勰┍还纬?，在加載裝置下方積累了大量的混凝土粉末，如圖7所示.鋼筋的肋間充滿了被剪斷的混凝土鍵，如圖8所示.因此，在橫壓力較低的情況下，黏結破壞形式與刮出式破壞相似.為了不影響下次試驗結果，每次加載完畢后清除肋間混凝土，當所有試驗完成后，鋼筋肋仍然完好.

圖9為不同溫度經歷混凝土在各級橫壓力作用下的黏結－滑移曲線和對應的橫壓力值在試驗過程中的衰減曲線.由圖可見，混凝土的黏結強度隨施加的橫壓力的提高而增大.然而，高溫對混凝土的損傷致使混凝土所能承受的橫壓力水平迅速降低，經歷溫度越高所能承受的橫壓力越低（400℃除外），黏結性能退化越明顯.

通過對圖9的對比分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)曲線的下降趨勢幾乎相同，而20℃和400℃溫度經歷的試塊在最高橫壓力水平下的曲線卻與其他曲線相交.其主要原因是當橫壓力提高到一定水平后，加載時沿混凝土試塊的預留槽口發(fā)生劈裂破壞，而混凝土試塊存在兩種不同的劈裂形式.圖10為兩種不同的裂縫發(fā)展形式：①由預留槽口向側面發(fā)展，如圖10a所示；②由預留槽口向對面發(fā)展，如圖10b所示.前者裂縫發(fā)展迅速，槽口劈裂部分瞬間脫落，因此曲線下降趨勢較快，20℃和400℃溫度經歷試塊的最終破壞形式與此相同；后者裂縫發(fā)展較緩慢，曲線的下降趨勢較緩和，200，300，500和600℃溫度經歷的混凝土試塊均屬于此類破壞形式.在將來的試驗研究中，建議增大槽口至側邊的距離，使裂縫向對面發(fā)展，充分發(fā)揮試塊潛在的黏結性能，減少試驗結果的離散性.

此外，200℃溫度經歷的混凝土試塊的橫壓力衰減曲線在40kN時出現(xiàn)了水平段，然而此壓力水平下對應的黏結－滑移曲線并無異常，經初步分析此異常是由傳感器故障所致，黏結－滑移關系曲線依然有效.

圖10 混凝土沿槽口的劈裂Fig.10 The splitting of concrete along the notch

4.3 高溫后黏結強度與溫度經歷的關系

將黏結強度折減系數(shù)與文獻［6，17－18］的對比圖繪于圖11.從圖中看出，無論是普通混凝土還是高強混凝土，當溫度經歷超過300℃時，光圓鋼筋和帶肋鋼筋的黏結強度均降低，但光圓鋼筋的黏結強度退化較帶肋鋼筋更明顯.

圖11 黏結強度折減系數(shù)Fig.11 Reduction coefficients of bond strength

300℃溫度經歷時，光圓鋼筋黏結強度開始迅速下降.這主要是光圓鋼筋與混凝土之間的黏結應力主要由混凝土中水泥凝膠體與鋼筋表面的化學膠著力和鋼筋與混凝土接觸面間的摩擦力等組成，當混凝土處于300～400℃時，水泥凝膠體產生破壞，鋼筋與混凝土接觸面的膠著力和摩擦力將顯著下降，從而引起黏結應力的陡降.

400℃溫度經歷時，帶肋鋼筋的黏結能力下降顯著.特別是高強混凝土，下降速度很快.這是因為帶肋鋼筋的黏結能力主要取決于鋼筋表面凸出的肋與混凝土的機械咬合力，而這種咬合力的大小主要取決于鋼筋外圍混凝土的環(huán)向抗拉強度.從前面的分析來看，400℃時，混凝土強度開始大幅度下降，黏結強度的變化規(guī)律與此相符.

600℃溫度經歷時，不僅混凝土的凝膠體發(fā)生破壞，而且其中的粗骨料也發(fā)生明顯損傷，從而引起抗拉強度的急劇下降.因為混凝土與鋼筋的黏結性能很大程度上取決于混凝土的抗拉強度和保護層厚度，所以帶肋鋼筋的黏結強度在溫度600℃左右下降幅度更大.

4.4 黏結應力與橫壓力之間的關系

圖12a為橫向壓力一定時不同溫度經歷混凝土試塊黏結－滑移曲線，圖12b為不同溫度經歷混凝土試塊最高橫壓力衰減曲線.顯然，高溫對混凝土黏結性能的影響十分明顯，隨溫度經歷的提高，混凝土的黏結性能迅速退化；與此同時，試塊所能承受的橫壓力也迅速降低.應當指出，常規(guī)黏結性能對比試驗中，鋼筋和混凝土界面橫壓力是由于鋼筋的錐楔作用所引起混凝土的被動約束而產生，而本文中的橫壓力是作為主動約束直接施加到混凝土試塊上.通過對比發(fā)現(xiàn)，黏結－滑移曲線的下降段與對應的橫壓力衰減曲線的趨勢和走向都極為相似，可由此推斷橫壓力的衰減是導致刮出式破壞中黏結－滑移曲線出現(xiàn)下降段的主要原因.

圖12 不同溫度經歷黏結－滑移曲線和最高橫壓力衰減曲線Fig.12 Bond－slip curve and the maximum lateral pressure degrade curve after different elevated temperatures

5 結論

（1）對于高強混凝土，當經歷的溫度低于400℃，混凝土強度已經開始下降，折減系數(shù)為0.84～1.00.當經歷超過400℃的高溫后，混凝土強度大幅下降，經歷800℃高溫后，混凝土強度折減系數(shù)為0.26.

（2）鋼筋和混凝土的界面損傷后，不斷有混凝土粉末被刮出是致使橫壓力迅速降低的主要原因，而橫壓力的逐漸衰減是導致黏結－滑移曲線出現(xiàn)下降段的主要原因.

（3）黏結強度隨橫壓力的提高而增大，黏結－滑移曲線的下降段與橫壓力的衰減曲線發(fā)展趨勢相似.

（4）高溫后高強混凝土材性退化致使試塊不能承受更高的橫壓力是本文試驗方法中黏結性能降低的主要原因.

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