变形钢筋与机制砂混凝土黏结性能试验研究

赵顺波，丁新新，李长明，李长永

（华北水利水电学院土木与交通学院，河南郑州 450011）

随着天然河砂资源的枯竭及对河道农田的保护，采用山岩或卵石作为原料生产的机制砂逐渐成为混凝土的主要砂源［1］.目前，与机制砂相关的研究主要集中于机制砂混凝土配合比设计［2－4］，以及机制砂性能与石粉含量对混凝土基本力学性能［5－12］、收缩性能［10，13］和抗冻抗渗耐久性能［14－15］的影响，但是对机制砂混凝土结构性能、钢筋与机制砂混凝土黏结性能的研究还很少［16］.因此，本文进行了变形钢筋与机制砂混凝土黏结性能的试验研究，为机制砂在混凝土结构中的应用奠定基础.

1 试验设计

1.1 混凝土原材料与配合比

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥；石子：石灰岩质碎石，按粒级510，1019，1926.5mm 以质量比3∶4∶3混合；机制砂：由焦作市附近山区规模较大的机制砂场生产.水泥、石子、机制砂的物理力学性能分别见表13.试验用机制砂中的石粉含量1）本文涉及的含量、减水率、砂率、水灰比等除特别注明外均为质量分数或质量比.是经筛分测定后调整所得.减水剂：JHY－6000萘系高效减水剂，实测减水率为15.5%；拌和水：自来水.

表1 水泥物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of cement

表2 石子物理力学性能Table 2 Physical and mechanical properties of crushed stone

表3 机制砂物理性能Table 3 Physical properties of machine－made sand

试验选取机制砂石粉含量为9%，配制强度等级为C30，C40，C50和C60的混凝土.对强度等级为C50的混凝土，在固定水灰比、用水量、砂率和外加剂掺量的前提下，增配石粉含量为5%和13%的机制砂混凝土.外加剂掺量为水泥用量的1%.机制砂混凝土的配合比见表4.

表4 机制砂混凝土的配合比Table 4 Mix proportion of machine－made sand concrete

1.2 钢筋

选用直径为12mm 的HRB400月牙肋变形钢筋，其实测屈服强度为463 MPa，极限抗拉强度为554MPa.

1.3 试验方法

采用中心拉拔试验方法，仅试件中钢筋的埋置方式稍作改进，将钢筋与混凝土的黏结段置于混凝土中部，钢筋两端敷设PVC 套管并用石蜡密封端口，以免承压面混凝土横向变形受到约束以及自由端混凝土对钢筋滑移产生的不均匀约束对黏结性能测试产生影响［17］.试件具体尺寸如图1所示.同时制作边长为150mm 的混凝土立方体伴随试块以测试混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度.混凝土试件标准养护28d后进行拉拔试验.

图1 黏结试件尺寸Fig.1 Dimension of specimen（size：mm）

在钢筋自由端安装位移计以测试钢筋和混凝土的相对位移，钢筋承受的拉力通过荷载传感器采集.在加载过程中，采用全自动数据采集系统记录拉力和位移值.

2 试验结果分析

2.1 试件破坏特征

本试验混凝土的握裹层厚度与钢筋直径之比达6.9，大于发生劈裂破坏时的有效比值4.5［18］，因此，所有试件均为典型剪切拔出型破坏，钢筋因肋前端的混凝土被完全挤碎而拔出（见图2（a））.将混凝土试件沿钢筋拔出方向劈开，发现钢筋肋前区表面附着有混凝土碎末（见图2（b））.混凝土强度等级最低的EA2，LA2试件黏结破坏面光滑，存在明显滑动痕迹（见图2（c））；其余试件加载端处的黏结破坏面粗糙，残留着数个大小不一的混凝土齿（见图2（d））.

图2 试件破坏特征Fig.2 Failure states of specimens

2.2 黏结-滑移关系曲线

各组试件的平均黏结应力与钢筋自由端滑移量关系曲线见图3.

图3 不同试件的黏结－滑移曲线Fig.3 Bond－slip curves of different specimens

由图3可以看出：黏结－滑移关系曲线大致可以分为4个阶段：微滑移阶段、滑移段、内劈裂段和下降段.当黏结应力达到滑移强度τs时，黏结面剪切刚度缓慢减小，黏结－滑移关系曲线开始呈现非线性而进入滑移阶段；当黏结应力达到内劈裂强度τcr时，钢筋肋前区的混凝土齿受到剪切和挤压作用而出现劈裂裂缝，黏结面的剪切刚度逐渐降低，黏结面的滑移量明显增大，黏结－滑移关系曲线的非线性明显增大而进入内劈裂阶段；随着滑移量的增大，黏结应力达到极限强度即τu，伴随着混凝土咬合齿的剪断，黏结应力迅速下降，黏结－滑移关系曲线进入下降段.除EA2，LA2试件以外，其他各组试件由于残留的混凝土齿对钢筋滑移产生阻挡作用，其黏结应力在几乎相同的滑移量处出现程度不同的上升，与劈开后的混凝土滑动面表观现象相一致.与钢筋和普通混凝土黏结－滑移曲线［18］相比，钢筋和机制砂混凝土黏结－滑移曲线的下降段平缓，且伴随着较大滑移的残余黏结强度较高.

各试件中钢筋的黏结滑移强度τs，内劈裂强度τcr和黏结强度τu对应于黏结－滑移关系曲线的初始直线上非线性转折点、非线性快速增加点和黏结应力最大点，可通过图形分析各个曲线的斜率变化加以确定.由此可得各组试件黏结－滑移曲线的特征强度和滑移量实测值（见表5），其中fcu，0，ft，0分别为混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的实测值；ss，scr，su分别为对应于τs，τcr，τu的特征滑移量.

表5 黏结-滑移曲线特征值试验结果Table 5 Test results of characteristic values of bond－slip curves

结合表5试验数据，可通过机制砂混凝土抗压强度换算得到其劈裂抗拉强度计算值ft，c［3－4，12］，即ft，c＝0.395（fcu，0）0.55，黏结强度特征值的统计分析结果见表6，其中：μ，δ分别为各项比值对应的平均值和离散系数.

表6 黏结-滑移曲线特征强度值统计分析结果Table 6 Statistical results of characteristic strength values of bond－slip curves

变形钢筋与机制砂混凝土的黏结面滑移强度在机制砂原料为卵石时大于为碎石时，但均略低于普通混凝土的0.99ft［18－19］，故建议取τs＝0.9ft.内劈裂强度在机制砂原料为碎石时明显高于普通混凝土的4.75ft，而机制砂原料为卵石时则基本相当，建议机制砂原料为碎石时取τcr＝5.1ft，机制砂原料为卵石时取τcr＝4.5ft.黏结强度在机制砂原料为碎石和卵石时均明显高于普通混凝土的4.75ft，建议机制砂原料为碎石时取τu＝6.15ft，机制砂原料为卵石时取τu＝5.2ft.同时对应于上述各强度指标的特征滑移量ss，scr，su在机制砂原料为卵石时普遍大于机制砂原料为碎石时，且分别大于普通混凝土的对应值0.096，0.288，0.442mm［18］.因钢筋的月牙肋间距与钢筋直径d 相关，仍以钢筋直径为变量表示黏结面的特征滑移量，建议变形钢筋与机制砂黏结－滑移关系曲线的特征滑移量ss＝0.0094d，scr＝0.042d，su＝0.16d.

上述统计结果表明，钢筋与机制砂混凝土的黏结强度与混凝土抗拉强度成正比增长关系，这与普通混凝土相一致［18－19］.机制砂的原料形态对钢筋与机制砂混凝土的黏结性能产生了一定影响，这源于机制砂的原料形态对机制砂颗粒特征的影响［3，10，12］，碎石破碎的机制砂颗粒表面粗糙，卵石破碎的机制砂颗粒存在部分光滑表面，因此前者与水泥浆体和钢筋表面形成的界面黏结将优于后者，有利于提高混凝土与变形钢筋的黏结强度.与普通混凝土比较，变形钢筋与机制砂混凝土黏结－滑移关系曲线各特征点的滑移量均较大，表明机制砂的颗粒组成中小于0.15mm 粒径的含量偏多，更易于在混凝土与钢筋之间形成较厚的浆体黏结界面层，促成了界面受力时的滑移，使得黏结滑移量增大.

同时注意到，机制砂石粉含量对变形钢筋与混凝土的黏结性能也产生一定影响.石粉含量的增加进一步增加了混凝土中的浆体总量，在变形钢筋表面形成较厚的黏结界面层，将降低变形钢筋与混凝土的黏结强度（见图3，当机制砂原料为碎石时更为明显），并使其黏结－滑移曲线的内劈裂段延长，下降段变陡.机制砂混凝土弹性模量随石粉含量的增加而降低也是导致上述结果的原因之一［3，12］.

3 黏结-滑移本构关系

结合本文机制砂混凝土与钢筋的黏结－滑移关系曲线的试验结果，在分析相关文献［18，20］基础上，给出了机制砂混凝土与钢筋的黏结－滑移本构关系表达式.

式中：αsr为考虑机制砂原料影响的系数，采用碎石破碎时取1.0，采用卵石破碎时取1.1.由于变形钢筋的月牙肋间距约为0.7d，考虑到滑移超过1.5倍肋间距后，钢筋与混凝土之间已呈摩擦滑动状态，故取最大滑移值为1.5×0.7d≈d.

分别取混凝土抗拉强度的实测值ft，0和计算值ft，c，将本试验实测黏结－滑移关系曲线（图3）纵坐标换算为黏结应力与混凝土抗拉强度的比值τ／ft，0，τ／ft，c后，绘制相应的（τ／ft，0）－s，（τ／ft，c）－s 关系曲线（见图4，5）.按上述本构关系、各特征点黏结强度和滑移建议值绘制计算曲线（以粗实线表示，下降段上、下2条粗实线对应于式（4）中ft分别取3.0，4.0 MPa）.

4 结论

（1）所有试件均为钢筋肋前区混凝土齿剪切破坏，钢筋被拔出.

（2）变形钢筋与机制砂混凝土的黏结－滑移关系曲线可划分为微滑移、滑移、内劈裂和下降等4个阶段，根据实测曲线取得了各组试件对应这4个阶段的黏结应力和滑移量特征值.通过统计分析，确定了各特征变量的计算方法，提出了变形钢筋与机制砂混凝土的黏结－滑移本构关系表达式.

（3）变形钢筋与机制砂混凝土的黏结性能随着混凝土强度的提高而增强，碎石破碎机制砂混凝土与变形钢筋的黏结性能优于卵石破碎机制砂混凝土，石粉含量对黏结强度及黏结－滑移曲线的内劈裂段和下降段具有一定影响.

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