再生混凝土与钢筋的粘结性能试验研究

安新正,易 成,刘 燕,3,张结太

(1.河北工程大学土木学院,河北邯郸056038;2.中国矿业大学力学与建筑学院,北京 100083;3.河北农业大学城乡建设学院,河北 保定071001)

再生集料混凝土是实现废弃混凝土资源化循环利用和建筑材料可持续发展的有效方法之一。目前,国内外在再生混凝土及其与钢筋之间粘结性能的研究方面已初步取得了一些成果[2-7],但对于不同取代率条件下钢筋与再生集料混凝土间粘结特性的试验研究还较为匮乏。本文采用室内梁式粘结试件模拟试验的方法,借助于钢筋开槽粘贴点式应变计的检测技术手段,来研究不同再生集料取代率对钢筋与再生集料混凝土间粘结性能的影响,以期为类似条件下钢筋再生集料混凝土结构的工程设计提供有益参考。

1 试验过程

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级水泥;②粗集料为在天然粗集料中掺入不同份量的再生粗集料而构成的混合粗集料。其中,天然粗集料的表观密度为2.53g／cm3,粒径范围为5～10mm,再生粗集料采用强度等级为C25的废弃混凝土经破碎和清洗后制成,粒径范围为5～10mm的连续颗粒级配,其基本性能指标见表1;③细集料采用河砂,其表观密度为2.65g／cm3,细度模数2.6;④掺合料为邯郸码头电厂产的Ⅰ级粉煤灰;⑤水为市供自来水。

表1 再生粗集料性能指标Tab.1 Properties of recycled concrete aggregate

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

1.2 再生混凝土

配合比是影响再生混凝土孔隙率及其性能特征的关键因素之一,而孔隙率对于孔结构形状、分布特征等都有着重要的影响[6],它直接影响着对钢筋的握裹强度。

本试验在再生混凝土坍落度基本不变(通过减水剂调节)和取代率分别为10%(A类)、30%(B类)和50%(C类)的基础上,设计了再生混凝土配合比,并通过可蒸发水含量法[7]得到了A类、B类和C类再生混凝土的总孔隙率(表2)。

1.3 试件设计与制作

试件设计:由于梁式粘结试验能够真实反映弯矩-剪力耦合作用对混凝土梁中锚固区域钢筋受力性能的影响[8-9],故试验采用了梁式粘结试验试件(图1)。依据再生粗集料组别的划分,将梁式粘结试件设计为与其对应的A、B和C三个组别,每个组别制作三个试验试件,即:A1～A3试件、B1～B3试件和C1～C3试件。

为了便于试验操作和节约资金,在此将再生混凝土梁式粘结试件设计为a和b两个部分。其中,a部分为梁式粘结测试试件,其尺寸为:150 mm×170mm×260 mm,钢筋保护层厚度c=24mm;b部分为三个组别粘结试件试验时的公共部分,其尺寸和形状与a部分的相同。

在a部分粘结试验试件中,受拉钢筋的加载端和支座端各设置有70mm的无粘结区段,中间粘结区段长度为120mm。受拉钢筋采用邯钢产B12螺纹钢筋,实测的屈服抗拉强度为451MPa,极限抗拉强度为613MPa,伸长率为26.3%,弹性模量为2.02×105MPa。

试验时应将a部分的受拉钢筋与b部分进行螺栓连接。同时,在a和b两部分的上部受压区进行转动铰连接,并按图1的方式最终完成梁式粘结试件的组合与安装。

试件制作:A、B和C三类试件在浇筑前先在其受拉钢筋粘结部位表面的设计位置开槽并预埋箔基点式应变片(应变片布置方式见图2示),应变片导线用测试线引出,并对完成粘贴的应变片进行防水覆盖处理和荷载-应变关系的率定工作。同时,也要在钢筋脱粘结的部位的表面全部涂抹石蜡,然后再用直径稍大一点的PVC管套住,并将PVC管两端用石蜡密封以避免混凝土浆液灌入,至此完成受拉钢筋浇筑前的处理工作。

浇筑前先正确固定受拉钢筋和钢饺的位置,然后进行再生骨料混凝土的浇筑。所有试件注模完成后立即进行塑料薄膜覆盖,并在标准养护室养护24h后拆模并移至标准养护室28d备用。

1.4 试验方法

试验时按3kN、6kN、9kN分级加载的方法,在液压伺服控制试验机上进行。应变片导线应从试件中引出接在高性能静态应变测试仪DH3815上进行应变数据的自动采集。同时,在钢筋的自由端和加载端也各安装一个高精度电测位移计,并接在DH3815上进行自由端的相对位移的量测。当钢筋发生粘结滑移破坏时即认为构件完全破坏。

2 试验结果与分析

2.1 粘结应力

5片应变片将受拉钢筋的锚固长度划分为4个区段,在各级荷载作用下每个区段内的平均粘结应力实测值可依据该区段两端的应变实测值按式(1)和(2)计算求得[10-12]。

式中τi,i+1为第i到i+1区段内的平均粘结应力,MPa;△i,i+1为第i到i+1区段的区段长度,mm;ds为锚固钢筋的直径,mm。

依据各级荷载p下实测的沿钢筋锚固长度内各个测点钢筋应变值的试验数据,并通过(1)式的计算可以求出第i到i+1区段内的平均粘结应力值τi,i+1。在此将 τi,i+1看作第i到i+1区段长度一半处计算点的粘结应力值,并用光滑曲线将端点及各个计算点连接起来,可以获得A类、B类和C类试件的粘结应力沿钢筋锚固长度的基本分布特征曲线(图3)。

比较图3(a)～3(c)可以得知在相同的施加载荷下,随着再生粗集料取代率的增大,粘结应力峰值逐渐从加载端向自由端转移,这主要是因为随着再生粗集料取代率的提高,再生混凝土中各材料的强度分布逐渐趋于均匀,再生混凝土对钢筋握裹强度的分布就越趋于均匀化。

另外,试验结果表明,再生粗集料取代率从10%增大到30%和50%时,再生混凝土的总孔隙率分别增长了1.1%和1.6%(表2)。而且,随着再生粗集料取代率的增加,钢筋与再生混凝土的粘结性能呈逐渐降低的趋势。

2.2 荷载-滑移关系

通过试验,实测了A、B和C三类试件的加载端与自由端钢筋的相对滑移值,并最终得到各组试件的荷载-滑移特征试验曲线(图4)。

试验过程中,A、B和C三类试件均发生了相对滑移现象。比较图4中A类～C类试件的荷载-滑移特征曲线可知,在相同荷载下,从A类试件到C类试件,自由端的相对滑移量呈逐渐增大趋势。主要原因是,对再生混凝土来说,随着再生集料取代率的增大,总孔隙率在逐渐提高,并致使其抗压强度及劈裂强度逐渐降低,从而造成了再生混凝土与钢筋之间机械咬合能力的逐渐减小。

3 结论

1)随着再生粗集料取代率的增加,钢筋与再生混凝土的粘结性能呈逐渐降低的趋势。

2)在加载端施加荷载相同的情况下,从A类试件到C类试件,粘结应力峰值逐渐从加载端向自由端转移。

3)再生粗集料取代率从10%增大到30%和50%时,再生混凝土的总孔隙率分别增长了1.1%和1.6%。

4)由于本次试验仅探讨了不同再生粗集料取代率下B12螺纹钢筋与再生混凝土的粘结性能、荷载-滑移关系,相关不同类别与直径的其他钢筋与再生混凝土粘结性能、荷载-滑移关系还需要通过试验来进行进一步的研究与分析。

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