水灰比对裂缝钢筋与混凝土粘结性能的影响

焦俊婷，许金鼓，丘文涛，陈 勋，严凌静

(厦门理工学院土木工程与建筑学院,福建 厦门 361024)



水灰比对裂缝钢筋与混凝土粘结性能的影响

焦俊婷，许金鼓，丘文涛，陈 勋，严凌静

(厦门理工学院土木工程与建筑学院,福建 厦门 361024)

针对大气环境和氯盐侵蚀环境中带预制裂缝钢筋与混凝土粘结滑移性能进行研究.通过实验室模拟亚热带沿海地区工作环境，对具有不同水灰比带初始裂缝梁试件，经海水浸泡180d干湿循环或大气环境180d作用下，着重研究水灰比对钢筋与混凝土之间粘结性能影响.结果表明：在海水腐蚀环境下峰值滑移，随着水灰比减小而减小；在大气环境下，峰值滑移随着水灰比变化规律不明显.极限粘结应力随着水灰比减小而增大.

钢筋混凝土；粘结性能；水灰比；氯离子侵蚀；大气环境

钢筋混凝土结构一般带工作裂缝，在盐侵环境下裂缝加快氯离子的侵蚀速度[1]，导致钢筋极易发生锈蚀；在大气环境中裂缝存在使得混凝土保护层厚度减小，易使钢筋锈蚀.钢筋锈蚀会使钢筋截面面积减小，导致钢筋与混凝土之间粘结退化[2]，影响混凝土结构的安全性和耐久性.因此，研究带裂缝钢筋混凝土结构在一定环境中钢筋与混凝土粘结性能是一个具有实际意义的重要课题.国内外现有关于锈蚀钢筋与混凝土粘结性能试验方法，多采用制作及装置比较简单而试验结果便于分析的中心拔出试验[3-4]，而采用与实际构件受力状态符合较好的梁式或半梁式试验方法较少[5-9].有关带初始裂缝钢筋混凝土构件在一定腐蚀环境中钢筋与混凝土粘结性能的研究不多：袭杰等[3]采用中心拔出试验研究得出，带初始裂缝混凝土试件经过冻融循环与氯离子侵蚀后钢筋与混凝土粘结强度比无裂缝情况低；许豪文等[4]采用中心拔出试验研究了带初始裂缝混凝土试件分别经过冻融循环与氯离子侵蚀、大气环境腐蚀后，钢筋与混凝土粘结强度受裂缝宽度的影响情况.钢筋与混凝土粘结受多因素影响，如环境、腐蚀方法、裂缝、粘结长度、混凝土水灰比、钢筋直径和外形等.为真实了解带初始裂缝构件在氯盐腐蚀环境或大气环境中钢筋与混凝土粘结性能，本文采用梁式试验方法，通过试验室模拟沿海亚热带地区工作环境，试验研究了经历海水浸泡180d干湿循环或在大气环境180d不同环境腐蚀后带初始裂缝梁试件，旨在研究水灰比对钢筋与混凝土粘结性能退化规律的影响，为沿海亚热带地区钢筋混凝土结构及耐久性设计提供参考.

1 试验

1.1 试件材料

水泥采用中国建筑材料科学研究院生产的普通硅酸盐水泥，强度等级42.5；粗骨料使用厦门市生产的粒径6～14mm玄武岩碎石；细骨料为厦门市石料厂生成的中砂，细度模数2.6，Ⅱ区级配合格；水用自来水.

试件混凝土按水灰比(w/c)分别为0.60、0.47设计.钢筋用HRB335级螺纹钢，直径d=10mm.材料力学性能见表1.

表1 材料力学性能

1.2 试件制作及试验过程

本文钢筋与混凝土粘结强度试验采用无箍筋梁试件，试件尺寸如图1所示.试件尺寸为100mm×100mm×430mm的铰梁，钢筋与混凝土的粘结长度l=10d(d表示钢筋直径)，在钢筋与混凝土粘结段中间预制不同宽度横向裂缝，无粘结部分用PVC塑料管包裹.梁试件按照水灰比和裂缝宽度不同分2组，每组8个试件，共16个试件，试件编号、水灰比和裂缝宽度见表2.

表2 试件分组、水灰比、裂缝宽度、破坏形式及粘结强度

环境类别试件编号w/c裂缝宽度/mmPmax/kN破坏形式l1/mml2/mmla/mml/mmFmax/kNδm/mmτmax/MPa大气环境1-C25-000.600.0039.86局部劈裂175505510545.300.6013.731-C25-050.600.0738.47局部劈裂175505410544.530.4713.501-C25-100.600.1132.86局部劈裂175505010041.080.4413.071-C25-200.600.1938.01局部劈裂175505711041.680.5312.061-C35-000.470.0040.11局部劈裂175475310048.430.4015.421-C35-050.470.0844.56钢筋屈服175475511051.8515.001-C35-100.470.1233.09局部劈裂17545509643.020.7114.261-C35-200.470.1938.30局部劈裂175455510545.260.5313.72海水环境2-C25-000.600.0034.26贯通劈裂175475210042.170.7013.422-C25-050.600.0739.60局部劈裂175475710844.460.3813.102-C25-100.600.1235.41局部劈裂175475711039.760.5811.512-C25-200.600.1938.67局部劈裂175476011541.250.6311.422-C35-000.470.0045.30局部劈裂175455511053.540.4915.492-C35-050.470.0643.56局部劈裂175505410850.420.5114.862-C35-100.470.1144.49局部劈裂175505711548.780.2613.502-C35-200.470.2035.75局部劈裂175505210542.970.4613.03

注：Pmax、Fmax分别表示P和F的最大值;δm表示在Fmax时钢筋与混凝土的相对滑移量，称为峰值滑移

试件制作，按照文献[3-4]中预制裂缝方式，在试件浇筑时预先插入不同厚度0.05mm、0.10mm、0.20mm间隙片，分别在3h、4h、5h后将间隙片拔出，制得不同宽度裂缝.试件养护龄期为28d，其中带模养护1d，拆模后室温养护27d.试验过程分腐蚀阶段和加载试验两阶段.

腐蚀阶段：1)将第1组试件在大气环境中静置180d；2)将第2组试件在人工海水(在自来水中加入质量分数3.5%NaCl制成)中进行浸泡干湿循环180次.每次干湿循环持续1d，将试件在人工海水浸泡8h，在大气环境中静置16h.

加载试验阶段：试件完成腐蚀后，首先在试件表面粘贴碳纤维布[10]，避免试件进行试验时由于没有箍筋发生剪切破坏.然后在最大量程100kN压弯试验机上进行试验(如图2所示).在梁粘贴钢板的两端面自由钢筋上固定电子位移计(量程0～10mm)，位移计顶在粘贴钢板上测量钢筋自由端相对于混凝土的滑移.在加载过程中，电子位移计接入DH3815静态应变仪，加载力与位移通过电脑同步采集.试验过程以等速位移加载方式加载，加载速度为1.0mm/min.

2 试件破坏形态

试件破坏形态分为钢筋拉屈破坏和混凝土劈裂破坏2种(见表2)，以混凝土劈裂破坏为主.其中劈裂破坏又分为2类：一类为贯穿劈裂破坏，即劈裂裂缝贯穿整个试件，如图3(a)所示；另一类为部分劈裂破坏，仅在钢筋自由端至初始横向裂缝之间产生劈裂裂缝，如图3(b)所示，或仅在钢筋两自由端之间产生部分劈裂裂缝，如图3(c)所示.

3 试验结果与分析

3.1 粘结-滑移曲线

钢筋与混凝土粘结应力计算受力简图如图4所示.钢筋与混凝土粘结平均应力τ可由式(1)计算：

(1)

式中：F表示钢筋与混凝土的粘结力；A表示钢筋与混凝土的粘结面积，A=πdl；P、l、l1、l2和la等符号含义如图4所示，其数值见表2.

根据测得钢筋自由端相对滑移量δ以及由计算得到的粘结平均应力τ，得到试件τ-δ曲线，如图5、图6所示.图5和图6分别为w/c=0.60、0.47时混凝土试件的τ-δ曲线，每个图中w/c相同而初始横向裂缝宽度不同.从图5、图6可以看出，同种破坏形态试件的τ-δ曲线形状相似.当接近承载力峰值时，增加少量τ，粘结滑移增量明显，继续增加少量τ，粘结滑移失稳,τ快速下降，降到一定程度后下降速度逐渐变缓.

在试验过程中,试件两肢粘结滑移量不相同，只有一肢粘结滑移量发展充分,而另一肢滑移发展缓慢混凝土没有出现劈裂(如图3所示).这可能是由于两肢中钢筋粘结力不相同,粘结力偏小的肢较容易滑移失稳,而一旦失稳,产生滑移的外部荷载减小,无法提供更大的力使另一肢继续滑移，这与文献[8]中试验现象类似.

3.2 极限粘结应力

极限粘结应力指钢筋与混凝土粘结力F达到最大时计算得到的平均粘结应力，即τmax，其数值见表2.

3.3w/c对粘结滑移的影响

3.3.1w/c对峰值滑移δm的影响

图7给出了试件峰值滑移δm与w/c关系.由图7(a)可以看出，在大气环境下，峰值滑移δm随着w/c变化规律不明显.由图7(b)可以看出，在海水腐蚀环境下，除裂缝宽度约0.05mm的情况外，峰值滑移δm随着水灰比提高而减小,当裂缝宽度W=0.1mm、0.2mm时，w/c=0.47的峰值滑移δm比w/c=0.6的峰值滑移δm分别减少55.17%、26.98%.原因为:w/c越大，材料的脆性越强，钢筋与混凝土相对滑移变形越小.

3.3.2w/c对粘结应力的影响

表3和图 8给出了τmax与w/c的关系，表3中数值为试件的τmax值与其参照值的比值，其中参照值为同环境下、同裂缝宽度和w/c=0.60时的τmax值.由表3和图8可以看出，试件的τmax随着w/c增大而降低，原因为：w/c越小，混凝土强度越大，混凝土对钢筋的握裹力越强，即钢筋与混凝土的极限粘结应力越大.

表3 w/c对τmax的影响

注：*表示混凝土裂缝宽度“约为”

4 结语

本文通过梁式试验法研究了分别经历海水浸泡180d干湿循环或在大气环境180d下的钢筋与混凝土粘结性能，着重分析了水灰比对钢筋与混凝土粘结性能退化规律的影响.试验得到：峰值滑移δm在海水腐蚀环境下，除裂缝宽度约0.05mm的情况外，峰值滑移δm随着水灰比减小而减小；在大气环境下，峰值滑移δm随着水灰比变化规律不明显.极限粘结应力τmax随着水灰比减小而增大.由于预制裂缝忽略了裂缝宽度和深度受荷载作用的大小、形式、作用时间等的影响，相关内容以后尚需进一步深入研究.

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[4]许豪文,刁波,沈孛,等.裂缝宽度及环境对钢筋混凝土粘结性能的影响[C]//第24届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册).厦门：中国力学学会结构工程专业委员会，2015:434- 438.

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(责任编辑 雨 松)

Effect of Water-Cement Ratio on Bond Properties betweenReinforcement and Concrete with Initial Crack

JIAO Junting，XU Jingu，QIU Wentao，CHEN Xun，YAN Lingjing

(SchoolofCivilEngineering&Architecture，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China)

Thebondslippropertybetweensteelbarandconcretewithinitialcrackintheatmosphericorchlorinesalterosionwasstudiedinthispaper.Bylaboratorysimulatedsubtropicalcoastalworkingenvironment，thebeamspecimenswithdifferentwater-cementratiosin180dseawaterimmersionanddrycycleorin180datmosphericenvironmentwereresearchedfocusingontheeffectofwater-cementratioonbondperformancebetweensteelbarandconcrete.Theresultsshowthatthepeakslipdecreaseswiththedecreaseofwater-cementratiointheseawatercorrosionenvironment，andmakesnoobviouschangesinatmosphericconditions;andtheultimatebondstressincreaseswiththedecreaseofwater-cementratio.

reinforcedconcrete;bondproperty;water-cementratio;chlorideionerosion;atmosphere

2016-08-23

2016-09-30

国家自然科学基金项目(51478404);福建省教育厅A类项目(JA14241);福建省大学生创新训练项目(201611062258)

焦俊婷(1968-)，女，教授，博士，研究方向为钢筋混凝土结构非线性与耐久性.E-mail：jtjiao@xmut.edu.cn

TU

A

1673-4432(2016)05-0084-06