高温后钢筋与混凝土黏结性能的试验研究

刘桂荣，肖飒，闫磊源，王亚宇

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

近年来，建筑火灾发生频繁，场景触目惊心． 当钢筋混凝土建筑结构发生火灾后，虽然钢筋的强度能得到较大程度的恢复［1］，但混凝土的强度和弹性模量、钢筋与混凝土之间的黏结强度均明显降低［2－3］，导致火灾后钢筋混凝土构件或结构的损伤不可恢复．研究表明，钢筋与混凝土之间的黏结作用是影响钢筋混凝土结构的承载能力和使用性能的重要因素之一［4］． 目前，针对高温后混凝土与钢筋黏结性能的研究主要考虑了混凝土保护层、升温速率、温度等级及混凝土强度等影响因素［5－7］． 由于影响黏结性能的因素较多，破坏机理复杂［8］，对高温后混凝土与钢筋黏结－滑移模型定量研究较少，尚缺少受温度影响的黏结－滑移模型．

本文考虑箍筋约束的影响，在钢筋中心拔出试验的基础上，分析了试件的破坏形态、温度对黏结－滑移曲线的影响规律，并给出了相关系数的取值建议．

1 试验概况

1．1 材料参数

混凝土的配合比为:水泥∶水∶砂∶石子=1．00∶0．46∶1．29∶1．93(质量比)． 水泥采用新乡天瑞42．5 级普通硅酸盐水泥．细骨料选用石灰岩质岩石破碎机制砂，细度模数为3．82． 粗骨料采用5 ～20 mm连续粒级的碎石，堆积密度为1 680．4 kg/m3．混凝土中掺入TX － 102 缓凝减水剂(掺量为0．2%)，设计坍落度为150 mm．

黏结试件主筋选用直径为16．0 mm 的带肋钢筋，其屈服强度为473．86 MPa，极限强度为639．07 MPa．箍筋采用直径为6．5 mm 的光圆钢筋，其屈服强度为445．96 MPa，极限强度为638．46 MPa．

1．2 试件设计

采用中心拔出试验方法，试件采用普通混凝土浇筑，主筋选用直径为16 mm 的螺纹钢筋． 由于加热装置空间有限，钢筋长度为350 mm，端部车成丝扣以便加载．为考虑实际构件中箍筋的约束影响，在试件中部布置两道箍筋，箍筋选用直径为6．5 mm的光圆钢筋，混凝土保护层厚20 mm．试件黏结段长度为5d(其中d 为纵向钢筋的直径)［9］，即80 mm．为消除加载时试件端部应力集中的影响，主筋两端各80 mm 为非黏结段．试件的尺寸和配筋如图1 所示．其中，主筋位置处预埋一个K 型热电偶，以测量中心温度值．黏结－滑移试验考虑的加热温度分别为100、300、500、700 ℃．每组3 个试件．

图1 试件的尺寸及配筋(单位:mm)

1．3 加热过程

钢筋混凝土黏结试件采用箱式电阻炉加热．炉膛净空间尺寸为500 mm ×600 mm×500 mm，额定功率为20 kW，最高加热温度为1 200 ℃，温度控制精度为±2 ℃．每次试验并排放置3 个试件．炉内温度按照20 ℃/min 的升温速率缓慢上升至设定温度，然后保持恒温6 h 左右．当黏结试件的中心温度达到预定温度后，取出黏结试件，放在空气中自然冷却．

1．4 拔出试验

单调加载试验采用穿心千斤顶加载，在千斤顶和试件之间布置位移传感器和荷载传感器，在自由滑移端布置位移传感器．根据仪器操作规程，在正式加载前实行预加载，加载值控制为3 ～5 kN．正式加载时，加载速度要缓慢，同时观察试验现象并做好试验记录．

2 试验结果和分析

2．1 加热升温曲线

当加热温度为700 ℃时，炉温及黏结试件的内部温度随时间的变化情况如图2 所示．

图2 混凝土内部温度和炉温随时间变化规律

由图2 可知:炉内温度在较短的时间内升至预定温度值并维持在此温度;由于混凝土的热惰性，黏结试块的中心温度缓慢上升，当温度升高至100 ℃左右时，出现了明显的温度“平台阶”，这是由于混凝土内部水分蒸发及水蒸气向混凝土内部迁移所导致的;炉温维持最高温度6 h 后，黏结试块中心达到了预定的温度值． 在加热时，3 个试件水平并排放置，而炉内温度并不是绝对均匀，因而不同位置的试块的内部温度并不是完全相同，但经历了长时间加热后，可以认为其温度基本一致．

2．2 加热试验现象

混凝土试件在电炉中加热，降温取出，观察其表面裂缝，如图3 所示． 加热温度为100 ℃的试件，其表面基本无裂缝．当加热温度升至300 ℃时，试件表面有少量不规则的裂缝． 当温度继续升高至500 ℃时，裂缝明显增多，个别试件出现混凝土掉角现象．当加热温度升至700 ℃时，试件表面出现了大量的裂缝，试件角部出现较大缺损．

图3 高温后黏结试件的裂纹

2．3 黏结－滑移曲线

通过拔出试验得到了不同温度下试件的黏结－滑移曲线，曲线具有明显的下降段．由于试件中布置了两道箍筋，所有试件均发生了钢筋拔出破坏，未见贯穿钢筋和混凝土表面的裂缝．

部分试件的黏结－滑移曲线如图4 所示．由图4 可知:高温后混凝土与钢筋的黏结－滑移曲线形状与常温下的相似，荷载在达到极限黏结强度之前滑移量都比较小，为1 ～2 mm，然后荷载下降较快，但达到10 mm 左右后，黏结强度下降幅度明显减缓;随着温度的升高，试件的极限黏结强度会下降，当试件经过700 ℃高温后，其极限黏结强度大约仅为常温的35%．

高温后混凝土与钢筋的黏结－滑移曲线形状与常温下的一致，也可以分为上升段和下降段2 个阶段．因此，高温后混凝土与钢筋的黏结－滑移曲线可利用常温下对应的公式进行拟合．

图4 试验曲线和预测曲线对比

上升段［10］

下降段［11］

式中:τ 为黏结应力，MPa;τu为极限黏结强度，MPa，τu=Pu/(πdla);Pu为极限黏结力，kN;d 为钢筋公称直径，mm;la为黏结长度，mm;s－=s/s1，s1为极限黏结强度对应的滑移量，mm;a、b 为系数．

通过分析试验数据可知:在不同温度下，曲线上升段变化较小，a 可统一取0．3;对于曲线下降段，当温度T 不超过300 ℃时，b 取常温时曲线下降段的系数b0，建议值为0． 5;当温度T 介于300 ℃和700 ℃之间时，b/b0=1 +k1(T －300)，由试验数据作回归计算可得k1=0．003 7．

将各系数取值代入式(1)、(2)中，可得到黏结强度的计算值，部分计算结果绘于图4．比较计算值与试验值可得，本文提出的公式具有较好的精度．

试块的黏结强度随温度的变化规律如图5 所示．

图5 温度对黏结强度的影响规律

由图5 可知，随着温度的升高，试块的黏结强度有下降的趋势． 黏结强度与温度之间的关系可表示为:

式中:τ0为常温下钢筋混凝土的黏结强度，MPa;T为温度，℃;kT为温度影响系数;fcu为常温下混凝土立方体的抗压强度．由于本次试验采用的是16 mm带肋钢筋，通过回归计算可得到kT=0．002 9．

3 结 语

1)在试件加热的过程中，试件中心位置的温度上升慢于炉温上升，加热开始约6 h 后才与炉温接近．黏结试件经升温与自然冷却后，加热温度高于500 ℃的试件的表面裂缝明显增多．

2)由于黏结试件受箍筋的约束，本次试验中试件均发生带肋钢筋拔出破坏，黏结－滑移曲线具有明显的下降段．根据试验得到的黏结－滑移曲线形状，给出了黏结－滑移曲线的关系表达式，对试验数据进行回归计算，给出了相关系数的取值建议．

［1］NEVES I C，RODRIGUES J P C，LOUREIRE A P． Mechanical properties of reinforcing and prestressing steels after heating［J］． Journal of Materials in Civil Engineering，1996，8(4):189 －194．

［2］阎继红，林志伸，胡云昌． 高温作用后混凝土抗压强度的试验研究［J］．土木工程学报，2002，35(5):17 －19．

［3］周新刚，吴江龙．高温后混凝土与钢筋粘结性能的试验研究［J］．工业建筑，1995，25(5):37 －40．

［4］徐有邻，沈文都，汪洪． 钢筋混凝土粘结锚固性能的试验研究［J］．建筑结构学报，1994，15(5):26 －36．

［5］CHIANG C H，TSAI C L． Time-temperature analysis of bond strength of a rebar after fire exposure［J］．Cement and Concrete Research，2003，33(10):1651 －1654．

［6］XIAO Jianzhuang，FALKNER H． Bond behaviour between recycled aggregate concrete and steel rebars［J］．Construction and Building Materials，2007，21:395 －401．

［7］AREL H S，YAZICI S． Effect of different parameters on concrete-bar bond under high temperature［J］．ACI Materials Journal，2014，111(6):633 －639．

［8］牛向阳，王全凤，徐玉野，等．高温后HRB 高强钢筋粘结锚固性能的试验研究［J］． 工业建筑，2010，40(9):84－87．

［9］中华人民共和国住房和城乡建设部． 混凝土结构试验方法标准:GB/T 50152—2012［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［10］HARAJLI M H． Development/splice strength of reinforcing bars embedded in plain and fiber reinforced concrete［J］．ACI Structural Journal，1994，91(5):511 －520．

［11］过镇海．混凝土的强度和变形:试验基础和本构关系［M］．北京:清华大学出版社，1997:31 －33．