冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土的粘结性能

冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土的粘结性能

牛建刚1，郝吉1，李伯潇2

(1. 内蒙古科技大学 建筑与土木工程学院，内蒙古 包头 014010；

2. 青岛理工大学琴岛学院 土木工程系，山东 青岛 266106)

摘要：通过对内贴应变片钢筋的直接拔出试验，分析冻融作用下粉煤灰掺量对钢筋与粉煤灰混凝土间粘结性能的影响，得出冻融循环作用对钢筋与粉煤灰混凝土之间粘结性能的影响规律。试验结果表明：钢筋与粉煤灰混凝土的粘结强度随粉煤灰掺量的增加而降低；当粉煤灰掺量一定时，随着冻融循环次数的增加，混凝土强度有所下降，钢筋与粉煤灰混凝土间极限粘结强度降低；当粉煤灰掺量较大，达到40%时，随冻融次数的增加，钢筋粉煤灰混凝土试件极限粘结强度的下降幅度明显减缓，极限粘结强度对应的滑移量增大。表明掺入较多粉煤灰可使试件的冻融损伤现象得到缓解，冻融环境下钢筋混凝土的粘结性能得到提高。

关键词：冻融循环；粉煤灰混凝土；直接拔出试验；粘结强度；粘结应力分布

Received:2015-07-30

Foundation item： National Natural Science Foundation of China(No. 51368042)

粉煤灰作为混凝土材料中最为常用的一种矿物掺合料，既可以减少水泥用量，降低混凝土的成本，又可以改善混凝土部分工作性能、力学性能和耐久性[1-2]，能够更好地满足实际工程的需求。

在寒冷环境下的混凝土结构会受到冻融侵蚀，冻融作用会使混凝土劣化[3]，劣化后的混凝土与钢筋间的粘结性能将受到影响[4-6]。在影响混凝土结构破坏的因素中，冻融侵蚀对于混凝土结构的破坏程度较大，冻融损伤严重时会导致结构失效[7-9]。钢筋与混凝土间的粘结性能是影响混凝土构件正常使用性能的重要因素之一[10-14]，在混凝土工程中合理利用粉煤灰是否能够发挥其在冻融环境中改善钢筋与混凝土之间的粘结性能尚不明确。Arezoumandi等[15]研究了粉煤灰掺量大于50%的混凝土试件与钢筋的粘结性能，Costel等[16]对高温养护的粉煤灰混凝土试件的粘结性能开展了试验分析。胡晓鹏等[17]分析了粉煤灰掺量对直接拔出试件与梁式试件中钢筋与粉煤灰混凝土粘结性能的影响，冀晓东等[10]研究了冻融循环作用后钢筋与混凝土的粘结性能，而关于冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土间粘结性能方面可供参考的试验与分析并不多，冻融作用与粉煤灰掺量对钢筋混凝土间粘结性能的影响有待深入研究。

通过对钢筋粉煤灰混凝土试件的快速冻融试验和钢筋直接拔出试验，得出冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土间的粘结规律，分析冻融循环作用对钢筋与粉煤灰混凝土的粘结性能的影响，以便为钢筋混凝土结构工程的可靠度分析和耐久性设计提供参考，并为以后钢筋与粉煤灰混凝土之间粘结性能分析提供参考。

1试验概况

1.1　试验材料

取混凝土结构中使用较多的C30到C40的混凝土进行试验，对实际工程有一定参考价值。直接拔出试验考虑冻融循环次数以及粉煤灰掺量对粘结性能的影响，粉煤灰掺量分别为0%、10%、20%、30%和40%，其中，对粉煤灰掺量为0%、20%及40%的3组试件进行冻融循环作用，冻融次数为0、25、50、75、100次。

水泥采用包钢综合企业(集团)公司水泥厂生产的“草原牌”PO42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰选用鄂尔多斯市达旗电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，细度、需水量比、烧失量分别为0.26、93.3%、0.13；细骨料选用普通河砂，其粒径小于5 mm，含泥量小于2%，细度模数、级配等各项性能指标均合格；普通粗骨料：碎石粒径不大于20 mm，含泥量、细度模数、级配等各项性能指标合格；拌和用水采用城市普通自来水，外加剂采用萘系B3减水剂，以及AH-1型引气剂。试验中粉煤灰混凝土的基本参数如表1。

表1　粉煤灰混凝土的基本参数

1.2　试件设计

试件截面尺寸均为150 mm的立方体，配置1根HRB400级钢筋，长400 mm，钢筋有效粘结长度为70 mm，无粘结段钢筋通过PVC套筒隔离，在自由端及加载端分别预留10、240 mm长的钢筋以固定千分表和施加荷载，试件简图如图1(a)所示。钢筋预先开槽处理，锚固长度范围钢筋槽内粘结5个应变片，应变片将锚固长度划分为4个区段，每个区段长为17.5 mm，测点编号如图1(b)。因试验主要研究钢筋与粉煤灰混凝土间粘结性能在冻融循环作用下的变化规律，故不考虑钢筋直径等对粘结性能的影响，试验统一使用直径为14 mm的钢筋。根据实验室的实际情况，自行设计加载装置，符合《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)的规定，千分表安装在试件的自由端用以测定钢筋滑移量，如图2。冻融试验使用KDR-V冻融试验机，符合《混凝土抗冻试验设备》(JG/T 243)的规定。冻融温度控制在(-17±2)℃~(8±2)℃，每次冻融循环在3~4 h内完成。

图1　试件设计简图Fig.1　Specimen design

图2　直接拔出试验加载装置Fig.2　Loading device of pull-out

2试验现象及破坏形态

未经冻融循环作用的普通混凝土试块进行直接拔出试验后，在自由端处的混凝土表面出现2条裂缝，且2条裂缝处于一条直线上，裂缝宽度较大，但并没有使混凝土完全破坏。粉煤灰掺量为20%时，出现2条夹角大于90°的细小裂缝；当粉煤灰的掺量为40%，试件破坏时，试件的混凝土表面完好，没有出现裂缝，钢筋被直接拔出，如图3。

图3　不同粉煤灰掺量试件直接拔出试验破坏现象Fig.3　Pull-out test damage phenomenon of reinforcedconcrete with different content of fly

对试件进行冻融循环作用后，试件混凝土的表面发生一定的剥落，受冻融损伤程度随着冻融循环次数的增多而愈加明显。从冻融50次开始，试件表面剥落情况变得更加明显，而且不同掺量的粉煤灰亦对冻融后试件的破坏有不同程度的影响。当粉煤灰的掺量达到40%时，试件在冻融后表面的损伤现象明显减小，而少量加入粉煤灰并没有使试件表面的损坏缓解。

经冻融循环作用后，未掺粉煤灰的普通混凝土试件经过拔出试验，试件破坏形态以拔出破坏为主，试件混凝土表面的裂缝宽度随着冻融次数的增加而逐渐变小。粉煤灰混凝土试件的破坏形态与普通混凝土基本一致，随着冻融循环次数的增加，混凝土表面裂缝宽度逐渐减少，直至不再出现裂缝，混凝土表面保持完整。

3试验结果与分析

3.1　钢筋与粉煤灰混凝土间粘结性能

未进行冻融循环的试件，钢筋与粉煤灰混凝土间的粘结性能主要受粉煤灰掺量的影响，因此，在进行冻融试验之前需要分析钢筋与混凝土间粘结性能受粉煤灰掺量的影响。

(1)

图4　不同粉煤灰掺量试件粘结强度滑移曲线Fig.4　Curve of bonding strength-slip withdifferent content of fly

加载初期，钢筋与混凝土间的粘结力主要是由化学胶着力提供，自由端位移较小，几乎为0，处于微滑阶段。化学胶着力破坏后，随着荷载向自由端发展，钢筋与混凝土发生相对位移，由于混凝土强度会随掺入粉煤灰的掺入有一定程度的降低，使混凝土对钢筋的握裹力减小，试件破坏时其极限粘结强度降低。

钢筋粉煤灰混凝土的极限粘结强度对应的自由端滑移量基本相同，均比未掺粉煤灰试件的自由端滑移量小。粉煤灰掺量为0%、10%、20%和30%的试件在曲线滑移阶段较为接近，而粉煤灰掺量为40%的试件的粘结刚度稍有减小，与文献[17]未冻融条件粉煤灰混凝土与钢筋的粘结规律相近。粉煤灰掺入量为10%和20%时，粘结强度在下降段的下降速度较快，在试件承载力达到极限后就会发生破坏，进入残余阶段，原因在于少量掺入粉煤灰起到改善混凝土内部结构的作用有限，且会降低混凝土基体强度，试件的粘结力在荷载向自由端发展时会产

生应力集中，钢筋应变增加，钢筋与混凝土间的相对位移增加，应力集中区段的粘结作用减弱，钢筋与混凝土在锚固段内粘结能力下降速度加快，提前残余阶段；当粉煤灰掺量为30%和40%时，粘结强度在下降段和残余段的下降趋势与未掺粉煤灰试件相似，在试件承载能力达到极限后仍能有较高的承载力，破坏后粘结锚固能力较好，不至于出现脆性破坏。

在未掺粉煤灰的试件中，如图5(a)，其局部粘结应力主要分布在锚固段中部，其粘结应力集中位置并没有随着粘结应力的增大而改变位置，说明对于此试件来说，5d的锚固长度满足锚固要求；在粉煤灰掺入量为10%的试件中，如图5(b)，由于掺入少量粉煤灰起到能够使混凝土内部结构变得致密均匀的作用有限，且使基体强度下降，粘结刚度降低，粘结应力峰值位置向自由端移动到区段4内，并且拉拔荷载越大，粘结应力分布越不均匀；粘结应力集中区域随着粉煤灰掺量的增加逐渐由自由端向加载端移动，当粉煤灰掺量为20%~30%时，如图5(c)、(d)，粘结应力在锚固长度内均匀分布，主要分布于区段2、3内，即粉煤灰的适量掺入有利于拉拔荷载在锚固段内均匀传递以及混凝土与钢筋间粘结应力的均匀分布，对试件的内部均匀受力起到一定的增强作用；当粉煤灰掺入量为40%时，如图5(e)，应力分布曲线波峰前移到区段1，粘结应力在区段2、3、4内缓慢下降，且保持较高的粘结强度，为钢筋与混凝土间的粘结强度达到极限后提供一定粘结强度储备，在极限粘结强度破坏后能够继续承担一定的荷载。

图5　不同粉煤灰掺量下试件的粘结锚固关系曲线Fig.5　The curve of bonding-anchoring withdifferent content of fly

3.2　冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土间的粘结性能

图6　冻融环境下试件的粘结强度滑移曲线Fig.6　The curve of bonding strength-slip after

综合上述结果可以得出，掺入40%粉煤灰对于混凝土试件在冻融环境下的粘结性能有一定的增强作用，在试件破坏后能保持较好的粘结性能。

3.2.2冻融循环对钢筋与粉煤灰混凝土间的粘结性能的影响对冻融后的钢筋粉煤灰混凝土试件直接拔出试验所得试验数据进行整理，绘制不同粉煤灰掺量混凝土试件的混凝土立方体抗压强度、试件的极限粘结强度和极限粘结强度对应滑移量在冻融环境中的变化曲线。

由图7可知，混凝土抗压强度随着冻融次数增多逐渐下降。当冻融循环超过50次时，下降幅度明显增大，粉煤灰掺量为0%的混凝土试块从冻融50~100次，其抗压强度下降了37.66%，而粉煤灰掺量为40%的混凝土试块的抗压强度则下降幅度较为平缓，降低了26.16%，大量掺入粉煤灰使得混凝土抗压强度的下降幅度得到一定缓解，且在经历冻融循环之后，粉煤灰掺量为40%的混凝土立方体抗压强度要比粉煤灰掺量为20%的混凝土试块的强度高。冻融次数为100次时，粉煤灰掺量为40%的粉煤灰混凝土试块的抗压强度与未掺粉煤灰的混凝土试块相差不大，均接近于25 MPa。

图7　冻融环境下粉煤灰混凝土抗压强度Fig.7　Compressive strength of fly ash concrete after

图8　冻融循环作用下钢筋粉煤灰混凝土间粘结性能曲线Fig.8　The curve of bonding performance between steel and fly ash concrete after freeze-thaw cycle

由图8(a)可见，随着冻融循环次数的增多，试件破坏时的极限粘结强度逐渐减小，未掺粉煤灰的试件冻融循环100次时，试件的极限粘结强度比未冻融试件降低8.29 MPa，降幅达47.24%，粉煤灰掺量为20%的试件的极限粘结强度下降趋势与普通混凝土较为接近，下降幅度达到49.13%；而粉煤灰掺量40%的试件，冻融循环100次时，试件破坏时其极限粘结强度与未冻融的试件相比，仅下降3.46 MPa，降幅为24.80%。经历冻融试验后，粉煤灰掺量为40%的试件其极限粘结强度要比普通混凝土和粉煤灰掺量为20%的试件的强度高，冻融100次时，粉煤灰掺量为40%的试件比普通混凝土试件的极限粘结强度高1.23 MPa，且在冻融环境下，其极限粘结强度下降趋势最为平缓。混凝土中掺入40%粉煤灰可以起到密实混凝土、改善内部孔结构，减小基体中自由水的渗透的作用，从而提高试件的抗冻性，有利于提高试件在冻融环境下的粘结性能。

图8(b)为冻融循环作用下试件的极限粘结强度对应的钢筋自由端滑移量。对于粉煤灰掺量为0%和20%的试件，滑移量随冻融次数的增大而减小，分别减小了1.13、0.62 mm；当粉煤灰掺量为40%时，试件最大拉拔荷载对应的滑移量则是随冻融损伤的加剧而增大的，且增加幅度较大。冻融次数为100次时，不掺粉煤灰的滑移量较未冻融试件下降了65.32%，粉煤灰掺量为20%时，下降了55.36%，而粉煤灰掺量为40%的试件反而上升了73.11%。

图9　冻融环境下粉煤灰混凝土试件钢筋应变锚固关系Fig.9　The curve of steel bar strain-anchoring after

未冻融的试件，如图5(e)，其粘结应力曲线的峰值位于区段1内；当冻融次数较少时，如图9(a)、(b)，钢筋锚固长度内的粘结应力分布较为均匀，说明试件受冻融循环作用后，混凝土内部受到冻融损伤，混凝土与钢筋粘结刚度稍有减小，有利于钢筋粘结应力向自由端传递，使粘结应力在锚固段内均匀分布；随着冻融次数的增加，如图9(c)、(d)，粘结应力的峰值逐渐且缓慢的向加载端区段1内移动，且拉拔荷载越大，粘结应力分布不均匀现象越明显，原因在于冻融循环使混凝土孔隙结构损伤加剧，试件所能承受的粘结强度降低，当荷载增加时，加载端钢筋与粉煤灰混凝土的粘结作用易破坏，而在区段2、3、4内仍能保持较高的粘结强度，所以,在加载端钢筋的应变差较大，在加载端出现了粘结应力峰值。由此可以推断，当钢筋粉煤灰混凝土试件由于冻融循环而产生粘结强度破坏时，锚固段自由端可以继续提供一定的粘结强度。

4结论

通过对钢筋粉煤灰混凝土试件在冻融循环作用后的直接拔出试验，得出冻融作用和粉煤灰掺量对钢筋与粉煤灰混凝土间粘结性能的影响，主要结论如下：

1)掺入适量粉煤灰能够降低钢筋与混凝土间的粘结刚度，有利于粘结应力在钢筋锚固段均匀传递；试件中粉煤灰掺量越大，粘结强度粘结应力峰值越小。

2)冻融循环作用次数越多，混凝土立方体抗压强度、粘结应力峰值越小，但随粉煤灰掺量的增加，试件粘结性能的冻融损伤有所缓解，相较于普通混凝土试件表现出一定的抗冻性。

3)冻融环境下，大量掺入粉煤灰，钢筋混凝土间极限粘结强度下降趋于平缓，且降幅减小，有利于钢筋与混凝土间的粘结性能，且随着冻融循环次数的增加，钢筋混凝土间极限粘结强度对应的钢筋自由端位滑移量逐渐增大，在试件破坏之后表现出比普通混凝土更好的粘结性能。

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(编辑郭飞)

Author brief：Niu Jiangang(1976-), professor, PhD, main research interest:durability of concrete & building reliability,(E-mail) niujiangang@imust.edu.cn.

Bonding properties between reinforcement and fly ash concrete under freeze-thaw cycle

Niu Jiangang1，Hao Ji1，Li Boxiao2

( 1. School of Architecture and Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science and

Technology,Baotou 014010, P. R. China;2. Department of Civil Engineering, Qingdao Technological

University Qindao College, Qingdao 266106, P. R. China)

Abstract:The effect of freeze-thaw cycle to the bonding performance between steel bar and fly ash concrete was analysed through pull-out test to steel bars attached strain gages inside. The results of pull-out test under different number of freeze-thaw cycle show that the bonding strength between steel bar and concrete decrease as the content of fly ash increasing; when the content of fly ash stay the same, with the number of freeze-thaw cycle increasing, the concrete compressive strength decline, and the bonding strength decrease; as the fly ash replacement rate stay 40%, with the number of freeze-thaw cycle increasing, the ultimate bonding strength decreased speed reduce, and the free end displacement corresponding to the ultimate bonding strength increase, which shows that mixed with a large number of fly ash can remit the freeze-thaw damage phenomenon, the bonding performance of reinforced concrete specimens under freeze-thaw environment is improved.

Key words:freeze-thaw cycle; fly ash concrete; pull-out test; bonding strength; bonding stress distributing

作者简介：牛建刚(1976-)，男，教授，博士，主要从事混凝土耐久性及建筑可靠度研究，(E-mail) niujiangang@imust.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51368042)

收稿日期：2015-07-30

中图分类号：TU375

文献标志码：A

文章编号：1674-4764(2015)06-0007-08

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.002