冻融环境下引气剂对钢筋与混凝土黏结性能影响的试验研究

沙 勇，宿晓萍

(长春工程学院土木工程学院，长春 130012)

冻融环境下引气剂对钢筋与混凝土黏结性能影响的试验研究

沙 勇，宿晓萍

(长春工程学院土木工程学院，长春 130012)

针对冻融环境下钢筋与混凝土结构黏结性能劣化的问题开展试验研究。以引气剂掺入量和冻融循环次数为变动因素制作了3批共9组钢筋混凝土试件，采用快速冻融试验和钢筋中心拔出试验方法，研究了冻融环境下不同掺量引气混凝土与钢筋之间的黏结应力、滑移量，对比分析了引气剂对冻融环境下钢筋与混凝土黏结性能的影响规律。试验结果表明，掺入一定量引气剂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黏结性能得到明显改善。

混凝土；引气剂；冻融循环；拔出；黏结应力

0 前言

所谓黏结应力是指钢筋与混凝土接触面上的剪应力，是钢筋与周围混凝土之间一种复杂的相互作用[1]。在混凝土结构中，钢筋与混凝土这两种性质不同的材料之所以能够共同工作，主要是依靠这两者之间的黏结应力，这是钢筋与混凝土组成复合构件并共同工作的基本前提，黏结应力的大小即黏结性能的好坏直接影响混凝土结构的耐久性和受力性能。

在我国东北地区气候寒冷、严酷的自然条件下每年会有超过50余次的冻融循环。频繁的冻融循环对该地区大量的混凝土构件造成严重侵蚀，表层混凝土剥落、裂缝开展明显、钢筋锈蚀加剧，进而导致钢筋与混凝土之间的黏结应力大幅下降，黏结性能劣化。一旦钢筋与混凝土之间出现相对滑移，两者就不再是一个黏结牢固的整体，构件的力学性能将严重退化，甚至发生提前破坏，给国民经济造成巨大损失[2]。所以，如何改善冻融循环条件下钢筋与混凝土的黏结性能是十分迫切并亟需解决的问题。

已有的工程经验显示，在混凝土中掺入一定比例的引气剂可以有效提高混凝土的抗冻能力，但其在冻融环境下改善钢筋与混凝土黏结性能的规律尚未明确。本文通过对引气混凝土试件的快速冻融试验和钢筋中心拔出试验，得出冻融环境下钢筋与引气混凝土之间的荷载—滑移曲线，并调整引气剂的掺入量，以此来对比分析引气剂对冻融环境下钢筋与混凝土黏结性能的影响规律，为寒冷地区混凝土结构的耐久性设计和结构运行期的可靠度分析提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验主要研究引气剂对冻融环境下钢筋与混凝土黏结性能的影响规律，试验中考虑两个影响因素：一是引气剂的含量；二是冻融循环次数。根据GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》中研究钢筋与混凝土黏结性能的有关规定，试件的主要参数设计如下，混凝土构件尺寸：b×h×l=120 mm×120 mm×120 mm，钢筋采用直径为12 mm的Ⅲ级螺纹钢，长度为430 mm，为避免在加载过程中钢吊篮对混凝土进行挤压，影响试验数据的准确性，试件上部用PVC管套住钢筋，并灌入石蜡以密封，如图1所示。

图1 试件示意图

试件混凝土等级为C30，采用P·O42.5级水泥、粒径不超过3 cm的碎石和中砂。配合比为：水泥∶砂∶石∶水=1∶1.828∶3.383∶0.501，每立方米用量：水泥355 kg，砂子649 kg，石子1 201 kg，水178 kg。

1.2 试件分组

试件按照引气剂掺量不同分3个批次加工而成，第1批为普通混凝土试件，不加引气剂，用于与引气混凝土试件进行对比分析，第2批和第3批试件引气剂的掺量分别为水泥质量的0.02%和0.04%。每批试件又分3组，分别进行0次、25次和50次冻融循环。考虑到试验过程中会存在误差，每种工况下试件个数为3个，实验数据取平均值，便于分析。本次试验的试件数量共为27个，具体分组的试验试件见表1。

表1 试验试件详细列表

注：表中试件编号Y表示引气剂含量，D表示试件冻融循环次数。

1.3 快速冻融试验

根据快速冻融试验要求，制定冻融循环程序如下：首先将试验箱的内部温度控制在20 ℃，由20 ℃降至-15 ℃所需时间为2 h，试件在-15 ℃条件下维持恒温2 h。然后温度由-15 ℃上升至20 ℃，所需的时间也为2 h，并在20 ℃条件下维持恒温2 h，此为一个冻融循环。[3]

本试验采用GDW-010L高低温试验箱对试件进行快速冻融，该设备既可以模拟高低温环境，也可以用于检查试件受某些腐蚀的耐久能力。试验箱内壁尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm；温度范围为-40～120 ℃；升降温速率为0.7～1.5 ℃/min，符合快速冻融试验要求。

1.4 中心拔出试验

试件中心拔出试验采用电子万能试验机进行加载，其最大荷重为100 kN，荷重测量精度为误差小于示值的±0.5%；在加载时提前设定加载速度，由电脑自行控制，加载速度通过计算确定为4.32 kN/min。在加载端，为保证试验过程安全可靠，用万能试验机下部的V型夹具夹持钢吊篮，上部的V型夹具夹持试件的钢筋，当试件发生破坏，或者外荷载达到峰值，即停止加载[4]。

2 试验结果及分析

2.1 试件表面损伤情况观察

快速冻融试验后,对混凝土试件表面的损坏情况进行观察发现，即使在混凝土中掺入了引气剂，试件经过25次和50次的冻融循环后，混凝土表面仍有明显损伤。如图2所示，经过25次冻融循环后，试件混凝土表面变得粗糙，部分水泥砂浆剥落，产生微小裂缝；而经过50次冻融循环后，试件表面损伤程度更加严重，表层砂浆剥落更加明显，局部粗骨料裸露，表面裂缝扩展、延伸。对比未掺入引气剂的试件(如图3)可以发现，掺入引气剂试件表面的冻融损伤程度明显轻于未掺引气剂试件，这说明引气剂可以有效改善混凝土的抗冻性能。

(a)冻融25次

(b)冻融50次

(a)冻融25次

(b)冻融50次

2.2 峰值黏结应力

试验过程中测出极限荷载及滑移量，并计算出峰值黏结应力(表2)。根据表2数据可以得出冻融循环次数与黏结应力关系曲线，如图4所示，冻融循环次数与滑移量的关系曲线如图5所示。

从表2数据对比可以看出，冻融循环次数从0次增加到50次，试件的钢筋混凝土黏结应力都有较大幅度下降。同一批次试件的钢筋与混凝土黏结应力随着冻融循环次数递增，普通混凝土试件的钢筋与混凝土黏结应力的衰减最大，衰减量大约为原始的1/5，随着引气剂的掺入，试件的钢筋与混凝土黏结应力的衰减逐渐减少，当引气剂的掺入量为水泥用量的0.04%时，钢筋与混凝土黏结应力衰减量大约为原始试件的1/8。

表2 钢筋与混凝土的平均滑移和试件的黏结应力

从图4可以看出，随着冻融循环次数的增加，钢筋与混凝土黏结应力呈下降趋势，曲线前半段下降较为缓慢，后半段下降较为陡峭，说明试件的损伤程度随着冻融循环次数的增加而加剧。从图5可以看出，曲线前半段下降较为陡峭，后半段下降较为平缓，这说明随着冻融循环次数的增加，试件的破坏程度加剧，抵抗外荷载的能力越来越低。在相同冻融循环次数下，加气混凝土的黏结应力和最大滑移量都明显好于普通混凝土。

图4 冻融循环次数与黏结应力关系图

图5 冻融循环次数与滑移量关系图

2.3 荷载—滑移曲线

图6是不同批次混凝土分别在完成0次、25次、50次冻融循环试验和中心拔出试验后，试件的极限荷载与滑移量关系曲线，对比分析可以看出，在加载初期，滑移量和荷载之间的变化呈线性关系，荷载增加的速率较快，但滑移量变化较小。随着荷载的不断增加，曲线斜率减小，滑移量的变化速率开始加大，但荷载变化速率变小，呈现出非线性关系。

(a)普通混凝土试件的极限荷载与滑移量关系曲线

(b)掺入0.02%引气剂混凝土试件的极限荷载与滑移量关系曲线

(c)掺入0.04%引气剂混凝土试件的极限荷载与滑移量关系曲线图6 混凝土试件冻融循环试件的极限荷载与滑移量关系曲线

总体来说，冻融破坏对钢筋混凝土黏结应力影响较大，破坏了两者之间原有正常的黏结，导致两者之间的黏结应力退化，结构过早失去了原有力学功能，影响结构原有设计的正常使用性能。随着冻融次数的增加，钢筋与混凝土之间的黏结应力都有明显的下降，从图4可以看出在冻融循环0次到25次曲线与X轴、Y轴围成的面积大于冻融循环25次到50次曲线与X轴、Y轴围成的面积，说明试件在发生破坏(钢筋与混凝土的黏结应力小于外荷载作用)时，试件所消耗的能量下降。引气剂的掺入量对混凝土受到冻融循环影响具有有效的抑制作用。普通试件经过冻融循环50次后，钢筋与混凝土之间的黏结应力会降低原有的1/5左右，但是掺入引气剂的试件经过冻融循环50次后，钢筋与混凝土之间的黏结应力会降低原有的1/7到1/8。混凝土随着引气剂掺入量的增加，钢筋与混凝土之间的黏结应力退化逐渐减慢，有效地抑制了钢筋与混凝土之间的黏结应力的损伤，延缓了钢筋混凝土在受到冻融破坏时的损伤速率。

3 结语

通过以上分析可以得出如下结论：

1)掺入引气剂之后混凝土的抗冻能力提高，而且引气剂含量越高，混凝土抗冻能力提高的幅度就越大。

2)随着引气剂掺入量的递增，冻融条件下钢筋与混凝土峰值黏结应力的衰减问题明显减弱，说明引气剂可以有效提高冻融环境下钢筋与混凝土的黏结强度。

3)拔出荷载作用下引气混凝土与钢筋之间的滑

移量明显小于普通混凝土试件，并且引气剂含量越大，钢筋与混凝土的滑移量越小。

4)掺入引气剂可以有效改善钢筋与混凝土在冻融环境下的黏结性能，减轻构件冻融损伤，延迟结构破坏，这一结论对实际工程有一定参考价值。

本文仅研究了冻融环境下引气剂对钢筋与混凝土黏结性能的影响规律，但在东北地区混凝土结构除受到冻融侵蚀之外还要承受复合盐的侵蚀，对这种盐冻环境下钢筋与混凝土黏结性能的变化规律以及引气剂的作用还需要进行更深入的研究。

[1] 朱彦鹏.混凝土结构设计原理 [M].4版.重庆：重庆大学出版社，2013.

[2] 卢木.混凝土耐久性研究现状和研究方向[J].工业建筑，1997,27(5):1-6.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50082—2012 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4] 徐善华,杨龙,徐颖哲.冻融损伤混凝土与光圆钢筋黏结性能试验研究[J].工业建筑,2015(A02):24.

The Experimental Research on the Effect of Air-entraining Agent to the Bonding Performance of Reinforcement and Concrete under the Environment of Freeze-thaw

SHA Yong，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In this article，the experimental study on the deterioration of bonding performance between reinforcement and concrete structures under freeze-thaw condition is carried out.A total of 9 sets of reinforced concrete specimens are prepared by using air entraining agent and freezing and thawing cycles as variable factors.The rapid freeze-thaw test and the method of reinforcement pull-out are used to study the bonding stress and slippage on the bonding performance of reinforcement and concrete with different dosages of air-entraining agent under freeze-thaw environment，and to make a compared analysis to the influence law of bonding performance between reinforcement and concrete under freeze-thaw environment.The experimental results show that a certain amount of air-entraining agent can alleviate the freeze-thaw damage of the specimen，and improve the bonding performance of the reinforcement and concrete in the freeze-thaw environment.

concrete；air-entraining agent；freeze-thaw cycle；pul-out；bond stress

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.006

2016-12-22

住建部项目(2016-K5-033)

沙勇(1974-)，男( 汉)，长春，讲师 主要研究混凝土结构耐久性实验。

TU375.1

A

1009-8984(2017)01-0026-04