后摻骨料混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的研究

賈金青，王樹鈞，李 璐

(大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024)

0 引 言

后摻骨料混凝土是粗骨料嵌鎖技術(shù)[1-2]在建筑結(jié)構(gòu)工程中的一種應(yīng)用方式。后摻骨料混凝土是在基準(zhǔn)混凝土攪拌完成后拋填一定體積分數(shù)的粗骨料，經(jīng)過二次攪拌，得到均勻的混凝土拌和物。后摻骨料混凝土一方面保持了混凝土的可泵性，使其仍具有泵送混凝土勞動強度低、工作效率高的優(yōu)點；另一方面，能夠有效改善泵送混凝土的早期開裂現(xiàn)象，并且作為一種“綠色混凝土”[3]，后摻骨料混凝土摻入了粗骨料，減少了水泥的使用，從而有效減少了CO2的排放，在改善生態(tài)環(huán)境方面具有重大意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于二次添加粗骨料施工工藝的研究成果已有很多[4- 8]，但對于后摻骨料混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能研究尚未開展?；诖?，本文通過中心拉拔試驗研究后摻骨料混凝土與鋼筋的粘結(jié)滑移機理和破壞形態(tài)，根據(jù)試驗結(jié)果統(tǒng)計回歸得到粘結(jié)錨固的極限強度公式，試驗也為有關(guān)規(guī)程的修訂提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 材料性能

試驗所用水泥采用普通硅酸鹽42.5R級水泥，粉煤灰為Ι級粉煤灰，基準(zhǔn)粗骨料粒徑為5～16 mm，后摻粗骨料粒徑為10～20 mm，細集料為河砂(中砂)，水為自來水，減水劑采用ViscaCrete3301聚羧酸高效減水劑。配合比為(水泥+粉煤灰)∶砂子∶石子∶水∶減水劑=1∶1.4∶2.99∶0.49∶0.006。后摻粗骨料體積含量(即后摻率)分別為0、10%、20%、30%。

表1 后摻骨料混凝土拉拔試件參數(shù)

每個后摻率混凝土試塊預(yù)留6個邊長150 mm的立方體試塊作對比，利用預(yù)留試塊分別測得各后摻率下的混凝土抗壓強度和劈拉強度。本試驗縱向鋼筋采用HRB400熱軋鋼筋，并對其進行抗拉試驗。

1.2 拉拔試驗設(shè)計

考慮混凝土強度、后摻率、鋼筋直徑、錨固長度、保護層厚度和配箍率的不同，共設(shè)計了14組試驗，每組3個共42個試件，拉拔試件參數(shù)見表1。采用中心拉拔試驗，試件的尺寸如圖1所示。

圖1 鋼筋拉拔試驗示意(單位：mm)

試驗在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗大廳的MTS液壓伺服試驗機進行。為了測得加載端和自由端的位移，在相應(yīng)位置安裝位移計，位移計的數(shù)據(jù)用IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 粘結(jié)強度

假定在整個鋼筋埋置長度范圍內(nèi)粘結(jié)應(yīng)力均勻分布[9]，按下式求出平均粘結(jié)應(yīng)力

τ=P/(πdla)

(1)

式中，P為加載力；d為鋼筋直徑；la為鋼筋在后摻骨料混凝土中的錨固長度。

2.2 破壞形式

后摻骨料混凝土粘結(jié)錨固破壞與普通混凝土相似，可歸納為3類，分別是：①劈裂破壞型。主要發(fā)生在無橫向配筋試件以及少箍試件，此類試件破壞突然，并發(fā)出劈裂聲響，試件被劈裂成2塊。τ-s曲線幾乎無下降段，為脆性破壞，如圖2a所示。從破壞截面可以觀察到，后摻混凝土從骨料邊緣斷開。②劈裂-剪切破壞型。錨固長度較短屬此類型，隨著劈裂的縱向延伸，破壞時發(fā)出劈裂聲響，肋前混凝土逐漸擠碎，最終在裂縫貫通錨長后，咬合齒被剪斷而破壞，破壞后試件不會被劈開，仍保持為一整體。③剪切破壞型。在拉拔過程中，混凝土始終未劈裂，也未發(fā)出劈裂聲響，如圖2b所示，厚保護層或密箍試件將發(fā)生此類破壞。

圖2 鋼筋與后摻骨料混凝土粘結(jié)滑移破壞特征

2.3 粘結(jié)滑移曲線

由于每組試件的粘結(jié)-滑移曲線相似，故本文在每組試件中僅選取其中1個試件的粘結(jié)-滑移曲線作分析，各類試件的粘結(jié)-滑移曲線如圖3所示。由圖3可知，后摻骨料混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)破壞過程與普通混凝土總體上相似，也可分為5個階段，即微滑移段、內(nèi)裂滑移段、拔出階段、下降階段和殘余階段[10]。

圖3 粘結(jié)強度-滑移曲線

3 粘結(jié)錨固強度的分析

3.1 錨固條件對粘結(jié)錨固強度的影響

3.1.1軸心抗拉強度

不同后摻率導(dǎo)致混凝土強度的不同，隨著混凝土抗拉強度ft的增大，延遲了拔出試件的內(nèi)裂和劈裂應(yīng)力，提高了極限粘結(jié)強度τu和粘結(jié)剛度。對10組試件進行軸心抗拉試驗，將試驗值用最小二乘法回歸計算，得到τu=4.99ft，繪制回歸曲線如圖4所示，試驗值與計算值的相關(guān)系數(shù)為0.766。

圖4 混凝土強度的影響

與普通混凝土相比，后摻骨料混凝土攪拌地更加均勻，水泥水化更充分，可使粗骨料得到更好的包裹。此外粗骨料的增多對裂縫發(fā)展有延緩作用，故后摻骨料混凝土與鋼筋有可靠的粘結(jié)。

3.1.2保護層厚度

混凝土保護層厚度為c，與鋼筋直徑d相比，相對保護層厚度為c/d，研究c/d對變形鋼筋的影響。變形鋼筋錨固破壞的顯著特點是以劈裂為保護層先導(dǎo)，保護層越厚，對劈裂約束作用就越大。但這種增加并不是無限的，到一定限度(c/d≥6)后不再增大[11]。此時，試件不再是劈裂破壞，而是鋼筋沿橫肋外圍切斷混凝土而拔出，故粘結(jié)強度τu不再增加。在臨界保護層厚度以內(nèi)，粘結(jié)強度隨保護層增加大體呈線性提高。為簡化計算，利用最小二乘法作線性回歸曲線，可得τu=(2.85+0.58c/d)ft，其中，當(dāng)c/d≥6時，取c/d=6。圖5為擬合的回歸曲線，試驗值與計算值的相關(guān)系數(shù)為0.781。

圖5 保護層厚度的影響

3.1.3錨固長度

圖6 錨固長度的影響

3.1.4配箍率

由試驗結(jié)果可知，后摻骨料混凝土的粘結(jié)強度隨著配箍率的提高而不斷增加，無橫向配筋的試件往往一達到劈裂強度就發(fā)生脆性斷裂，粘結(jié)強度無法繼續(xù)提高，而橫向箍筋對握裹層混凝土提供了一種側(cè)向約束作用。當(dāng)劈裂達到試件表面時，箍筋應(yīng)力劇增，限制了劈裂的縱向發(fā)展，同時也使得鋼筋橫肋的擠壓力在環(huán)向均勻變化。此時，粘結(jié)應(yīng)力的增量并不完全取決于肋前混凝土的強度，更依賴于劈裂后所受橫向約束程度的大小。在錨固鋼筋外圍混凝土劈裂到混凝土齒狀錐體被剪斷，防止了錨固試件的脆性崩裂，使曲線τ-s有較平緩的下降段，最終因咬合齒剪斷而進入殘余錨固力。

3.1.5鋼筋直徑

在后摻骨料混凝土中，粘結(jié)強度隨直徑的增大而減小。因粗鋼筋的肋高和肋距都加大，肋前擠壓較直接作用在骨料上，剪切滑移面上骨料所占的面積比增大，加大了骨料傳遞肋前擠壓的比例。故后摻骨料混凝土粘結(jié)錨固對鋼筋直徑較為敏感，在取錨固設(shè)計長度時應(yīng)對粗鋼筋進行錨固長度修正。

3.2 粘結(jié)錨固的極限強度

粘結(jié)錨固的極限強度τu具有實際工程意義。根據(jù)試驗分析，在考慮混凝土抗拉強度ft、相對保護層厚度c/d、配箍率ρsv、相對錨固長度la/d等錨固條件的影響后，可得特征粘結(jié)錨固強度經(jīng)驗公式為τu=(0.32+3.56d/la)(2.92+0.47c/d+51.68ρsv)ft。

4 結(jié) 論

通過試驗可知，后摻骨料混凝土與鋼筋的粘結(jié)強度有不同程度的提高，粗骨料后摻率為20%的粘結(jié)強度達到最大。螺紋鋼筋與后摻骨料混凝土的粘結(jié)破壞形式主要為劈裂破壞，有箍筋橫向約束時為剪切破壞。從混凝土和鋼筋的粘結(jié)滑移曲線可以看出，后摻骨料混凝土和普通混凝土類似，都經(jīng)歷了微滑移段、內(nèi)裂滑移段、拔出階段、下降階段和殘余階段。在臨界保護層厚度以內(nèi)，粘結(jié)強度隨保護層增加大體呈線性提高；隨著錨固長度的增大，鋼筋與后摻骨料混凝土拉拔的極限荷載會增大，但是粘結(jié)強度會減?。浑S著配箍率的提高，鋼筋與后摻骨料混凝土的粘結(jié)強度會增大。