變形鋼筋與鐵尾礦砂混凝土粘結(jié)性能試驗研究

王秋維，張月坤，康洪震，董 磊

（ 1. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 唐山學(xué)院土木工程系，河北 唐山 063000；3. 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080 ）

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，工業(yè)與民用建筑的數(shù)量越來越多，因此大量工程導(dǎo)致對混凝土的需求量迅猛增長，目前全國建筑用砂年均已達(dá)到20億噸[1]．建筑用砂常為河砂，河砂的大量開采導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，多個城市已禁止開采河砂．而同時，我國各地礦山產(chǎn)生了大量的尾礦，廢棄的尾礦不僅占用大量耕地，還污染環(huán)境．若用鐵尾礦砂代替天然河砂配制混凝土，則既能夠解決天然河砂短缺的問題，又可以解決尾礦的危害．

鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度直接影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性．目前，國內(nèi)外對普通河砂混凝土的材料性能和其與鋼筋的粘結(jié)性能進(jìn)行了較多研究[2-4]，而對鐵尾礦砂混凝土的研究還停留在材料性能方面[5-6]，有關(guān)鋼筋與鐵尾礦砂混凝土粘結(jié)性能的研究報道較少．

在此背景下，本文采用鐵尾礦砂代替天然河砂拌制混凝土，通過拔出試驗研究變形鋼筋與鐵尾礦砂混凝土的粘結(jié)性能，并與普通混凝土相對應(yīng)的性能進(jìn)行比較，以便為鐵尾礦砂的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)．

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

拔出試驗包括鐵尾礦砂混凝土和普通混凝土兩種類型．設(shè)計試件的變化因素包括混凝土強度等級(C20、C30和C40)和鋼筋直徑d (12 mm、16 mm、20 mm和25 mm)，鋼筋植入長度為5 d，立方體試件邊長為10 d．每組試件6 個，共24 組試件．試件的設(shè)計參數(shù)如表1所示，試件的尺寸及現(xiàn)場制作如圖1所示．

表1 試件類型及尺寸Tab.1 Type and size of the specimens

圖1 試件尺寸及現(xiàn)場制作Fig.1 Specimen size and field production

1.2 鐵尾礦砂混凝土原材料及配合比

鐵尾礦砂混凝土由42.5R普通硅酸鹽水泥、遷安鐵尾礦砂（細(xì)度模數(shù)為2.20～2.80）、粒徑為5～18 mm的花崗巖碎石、礦粉、Ⅰ號粉煤灰和高效減水劑配制而成．

由于鐵尾礦砂本身強度較低，根據(jù)JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[7]及GB 50119-2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[8]規(guī)定，適當(dāng)?shù)丶尤敕勖夯摇⑼饧觿┘暗V粉進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，其配合比詳見表2．

表2 鐵尾礦砂混凝土配合比/kg·m-3Tab.2 Mixture ratio of ferrous mill tailing concrete /kg·m-3

1.3 材料力學(xué)性能

鋼材的材性依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2975-1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》[9]進(jìn)行取樣及加工制作，對HRB400級鋼筋進(jìn)行拉伸試驗，得到其力學(xué)性能指標(biāo)如表3所示．采用商品混凝土，所有試件為同一批澆筑，自然養(yǎng)護(hù)．試驗前對各種混凝土強度預(yù)留的6個邊長為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行強度測試，測得普通混凝土和鐵尾礦砂混凝土立方體抗壓強度平均值如表4所示．

表3 鋼材的力學(xué)性能Tab. 3 Mechanical properties of steel

表4 混凝土試塊的強度指標(biāo)Tab. 4 Strength index of concrete samples

1.4 加載裝置及量測內(nèi)容

由液壓設(shè)備控制拉拔式千斤頂提供試驗所需的拉力，加載速度Vf=0.03d2(d為鋼筋直徑)，加載裝置如圖2所示．在試件自由端安裝千分表以測量鋼筋自由端與混凝土的相對位移，采用CM-1L-24型數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀采集鋼筋的應(yīng)變．

圖2 加載裝置Fig.2 The loading device

2 試驗現(xiàn)象及分析

試件的破壞形態(tài)分為鋼筋拔出和混凝土劈裂兩類，如圖3所示．普通河砂混凝土拉拔試件均發(fā)生鋼筋拔出破壞，切開已破壞試件，混凝土的咬合齒被剪斷，孔內(nèi)壁形成較光滑的縱向擦痕，鋼筋的凹處完全被混凝土碎屑填滿；對于鐵尾礦砂混凝土拉拔試件，直徑為25 mm時出現(xiàn)混凝土劈裂，破壞時沒有任何征兆，并伴有聲響，其余試件的鋼筋被拔出，現(xiàn)象與普通混凝土試件相同．

圖3 試件破壞形態(tài)Fig.3 The failure pattern of specimens

3 粘結(jié)滑移曲線比較及分析

整理試驗數(shù)據(jù)，可分別得到變形鋼筋與鐵尾礦砂混凝土和普通混凝土的平均粘結(jié)應(yīng)力(τ)-滑移(s)典型曲線，其中平均粘結(jié)應(yīng)力按照式(1)進(jìn)行計算．

式中：τ為鋼筋和混凝土的粘結(jié)應(yīng)力；F為外荷載大??；la為鋼筋埋入長度，la=5d．

以試件C4016W和C4016P為例，鋼筋和鐵尾礦砂混凝土的粘結(jié)滑移曲線與普通混凝土的相類似，大致分為5個階段：微滑移段AB、滑移段BC、極值段CD、下降段DE和殘余段EF段，具體如圖4所示．

圖4 粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.4 The bond stress-slippage curves

分析試驗數(shù)據(jù)可知，混凝土強度和鋼筋直徑對粘結(jié)應(yīng)力(τ)-滑移(s)曲線產(chǎn)生一定影響，分別如圖5和圖6所示，圖中各試件的粘結(jié)應(yīng)力和滑移值均為本組試件測試數(shù)據(jù)的平均值．

3.1 混凝土強度

由圖5可知，在相同的鋼筋直徑下，隨著混凝土強度的提高，大部分試件的極限粘結(jié)應(yīng)力有所增大；鋼筋直徑和混凝土強度相同時，鐵尾礦砂混凝土與鋼筋的極限粘結(jié)應(yīng)力比普通混凝土的略微提高．對于普通混凝土和鐵尾礦砂混凝土而言，當(dāng)鋼筋直徑為20 mm時，其在C30時的粘結(jié)應(yīng)力比C20時有所降低，分析原因可能是這幾組試件在試驗過程中塑料套管定位出現(xiàn)很大偏差，導(dǎo)致變形鋼筋粘結(jié)長度不足5d．另外，試件C4025W的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線未出現(xiàn)下降段，這是由于此試件發(fā)生脆性破壞，在極限粘結(jié)應(yīng)力時突然劈裂，導(dǎo)致加載結(jié)束．

圖5 混凝土強度的影響Fig.5 The influence of concrete strength on τ-s curves

3.2 鋼筋直徑

由圖6可知，混凝土強度相同而鋼筋直徑變化時，鐵尾礦砂和普通混凝土粘結(jié)滑移曲線的變化趨勢基本相同．在相同的混凝土強度等級下，隨著鋼筋直徑增大，大部分試件的極限粘結(jié)應(yīng)力稍有降低，下降段也趨于平緩，例如鋼筋直徑為12 mm時，鋼筋與混凝土的粘結(jié)能力與其他試件相比明顯偏弱．鋼筋直徑和混凝土強度相同時，鐵尾礦砂混凝土與鋼筋的極限粘結(jié)應(yīng)力比普通混凝土的有所提高．當(dāng)混凝土強度為C30時，鋼筋與鐵尾礦砂混凝土的粘結(jié)強度比普通混凝土的偏低，分析原因可能是試驗過程中出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致變形鋼筋的實際粘結(jié)長度不足5d．

圖6 鋼筋直徑的影響Fig.6 The influence of bar diameter on τ-s curves

總體而言，相同條件下，鋼筋與鐵尾礦砂混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力比普通混凝土有所提高．可見，鐵尾礦砂混凝土與變形鋼筋的粘結(jié)性能優(yōu)于普通混凝土，這表明在同等條件下，鐵尾礦砂可以替代天然河砂拌制混凝土．

4 結(jié)論

(1) 普通河砂混凝土拉拔試件均發(fā)生鋼筋拔出破壞；鐵尾礦砂混凝土拉拔試件大部分為鋼筋拔出破壞，直徑為25 mm的試件則出現(xiàn)混凝土劈裂，破壞時沒有征兆，并伴有聲響．

(2) 混凝土強度和鋼筋直徑對鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能產(chǎn)生一定影響：混凝土強度越高，極限粘結(jié)應(yīng)力越高；隨著鋼筋直徑增大，大部分試件的極限粘結(jié)應(yīng)力稍有降低，下降段也趨于平緩．

(3) 相同條件下，鋼筋與鐵尾礦砂混凝土的極限粘結(jié)應(yīng)力比普通混凝土的有所提高，從工程應(yīng)用角度來說，鐵尾礦砂可以代替普通河砂拌制混凝土．

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