超低温环境下钢筋与混凝土的粘结性能

2017-03-02杨雅新

河南建材 2017年1期

关键词：黏结性超低温力学性能

杨雅新

河南水利与环境职业学院（450011）

超低温环境下钢筋与混凝土的粘结性能

杨雅新

河南水利与环境职业学院（450011）

工程建设中，钢筋、混凝土的使用是必不可少的，但是钢筋、混凝土之间的黏结性能在一般条件下、在超低温环境下是有所不同的。这里将一般条件下钢筋、混凝土之间的黏结性能作为标杆，讲述超低温环境下混凝土、钢筋在黏结性能上发生的变化。

钢筋；混凝土；超低温环境；一般环境；黏结性能

随着科技的不断进步，工程技术人员开始向极地等超低温区域拓展。当前全世界都面对着资源开发殆尽的境况，各国均开始争夺极地资源，并为之建立了石油钻探、浮动码头等生产及挖掘设施，而这些均需要使用钢筋混凝土。为了确保钢筋、混凝土等材料在超低温环境下正常应用,必须要确保其具有良好的黏结性能，只有如此才能使其发挥出理想的力学性能，获得最好的应用效果。

1 超低温环境下的力学性能

1.1 混凝土

以常温状态下混凝土的力学性能作为标杆，将超低温环境下的混凝土力学性能与其进行对比，可以发现超低温状态下混凝土将会出现如下的力学性能变化：混凝土强度随着含水率的提高而提高，抗压强度增量、含水率之间为线性关系；混凝土强度增加，同时其弹性模量也随之增加，但是强度与弹性模量并没有随着温度的变化而出现线性改变；低温环境中水分凝结成冰，实际上可以提高混凝土的强度,但在温度为-120℃时冰将会发生结构的改变，因此如果温度继续下降，强度值的试验将更容易出现离散性结果；混凝土中含有三种形式的水分，即物理吸附水、自由水与化学结合水，前两者非常容易受到温度变化的影响；当温度反复变化、混凝土在“常温”和“低温”的状态中反复出现冻融状态时，混凝土的强度将会下降，尤其是在超低温的冷热循环状态下，即使循环次数减少，混凝土的强度也会大幅度下降；水灰比的提高将会增加混凝土的含气量，而水灰比、含气量的增加将会使混凝土在低温环境下出现强度的明显提高[1]。

1.2 钢筋

以常温状态下钢筋的力学性能作为标杆，将超低温环境下的钢筋力学性能与其进行对比，可以发现超低温状态下钢筋将会出现如下的力学性能变化。

1.2.1 普通钢筋

通过国外的试验结果可知,在超低温条件下，普通钢筋会在极限强度与屈服强度上出现明显提高，而屈服强度的提高速度要明显快于极限强度，其原因是结构钢材的性能更容易受到低温的影响，钢筋的塑性在超低温环境中将会更低。此外，在低温环境下，钢筋的弹性模量会比在常温环境下出现至少10%的增长比。在-165～70℃的温度区间，普通钢筋的线膨胀系数会一直保持在10-5/℃左右。在超低温环境中，普通钢筋的脆性将会明显增加，韧性将会显著降低。若在普通钢筋中加入少量的铝或钛,则可以改善其降低的韧性和增加的脆性。

1.2.2 预应力钢筋

预应力钢筋在超低温环境中也会出现力学性能的显著变化，如同样会因温度下降而出现屈服强度与极限强度的明显提高。一般而言，温度低于-195℃时，预应力钢筋的弹性模量将会提升10%。若将预应力钢筋放置在-165℃的环境中进行拉伸试验，那么预应力钢筋的极限强度则会出现至少15%的提高幅度，其伸长率基本等同于常温环境；若将预应力钢筋放置在低于-100℃的环境中、使其处于张拉状态至少10 h，那么钢筋将会处于非常明显的松弛状态[2]。

2 黏结性能试验

2.1 方案设计

2.1.1 标准

针对超低温条件下钢筋、混凝土的黏结性能进行试验。试验实际上是将试件进行黏结、锚固、拉拔试验,所参照的相关标准有《水工混凝土试验规程》、《混凝土结构试验方法标准》（分别为SL 352—2006、GB 50152—1992），选择2个标准文件中关于钢筋混凝土握裹力的试验部分，基于现实条件进行试验方案设计。黏结力的计算公式为：

其中，N为钢筋拉力，d为钢筋直径，1a为黏结锚固的长度，t为黏结力。

2.1.2 试件制作

本研究所选钢筋试件为立方体形态，边长为15 cm，钢筋由非黏结段和黏结段构成，其中，非黏结段套有硬质的PVC塑料管，试验使用百分表来测定钢筋受力端出现的滑移。考虑到实际施工中使用的钢筋在直径上有很大的差异，本研究为钢筋试件选择了1.2 cm、1.6 cm、2.0 cm、2.5 cm等多种直径。鉴于低温环境下多选用高强混凝土进行结构构建，因此试件多使用C50混凝土制作,其水灰比为0.36,28 d立方体抗压强度实测结果为45～53 MPa，平均为50 MPa。上述参数代表混凝土具有合理的配比，振捣结果非常均匀，碎石为粗骨料，中砂为细骨料，所用粗、细骨料均符合本次试验的相关要求。

2.1.3 试件分组

将试件划分为4个组次，即：甲组、乙组、丙组、丁组。基于锚固长度、钢筋直径、环境温度、相对保护层的厚度、钢筋级别等参数带来的不同影响,本次试验共使用近70个试件。各组试件均使用一个变化参数,其中，甲组为温度，乙组为保护层厚度与钢筋直径，丙组为锚固长度，丁组为钢筋级别。

2.2 试验结果及分析

图1 试验加载装置的结构图（上）与实景图（下）

本试验所使用的装置可见图1。具体试验结果及相关参数均可见表1：

表1 钢筋、混凝土黏结试验结果

从试验结果可以发现，在低温环境中试件可能出现两种破坏形态：一种是拔出时发生的剪切破坏。钢筋在混凝土中发生了大量滑移，但混凝土保护层仍完好无缺损，即拔出破坏。另一种是混凝土出现劈裂形态的破坏。钢筋在混凝土中发生了较小量的滑移，保护层被劈裂，即劈裂破坏。一般而言，当钢筋直径小于1.6 cm时，混凝土有更大的概率发生拔出破坏。当钢筋直径大于1.6 cm时，混凝土有更大的概率发生劈裂破坏。当钢筋直径等于1.6 cm时，混凝土发生拔出破碎与劈裂破坏的概率是相同的。这两种破坏实际表现出钢筋、混凝土黏结性能从常温状态到超低温状态的力学性能变化，即微滑移→滑移→劈裂。劈裂破坏源自低温状态下混凝土握裹力增强，其脆性增加，钢筋受压产生反作用力，混凝土保护层发生劈裂现象。在发生破坏的过程中，温度的降低会增加极限破坏荷载，试件在黏结滑移系数不断增大，钢筋和混凝土之间的黏结性能不断升高，钢筋直径、保护层厚度等因素也会与温度同时发生作用，使混凝土增加了针对钢筋的握裹力。而力的作用是相互的，被“握裹”的钢筋会反过来向混凝土施加一种相向的力。此时受低温等因素的影响，混凝土本身在硬度和脆性上明显增加，其受力能力降低，自然会发生“破坏”。