油菜秸秆灰分混凝土与钢筋粘结性能的研究

易督航，刘保华,2*，曾哲，易恋，周雲，方亮*



油菜秸秆灰分混凝土与钢筋粘结性能的研究

易督航1，刘保华1,2*，曾哲1，易恋1，周雲1，方亮1*

(1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)

用油菜秸秆灰分等量替代5%、10%、15%的水泥，分别制作强度为C20、C30、C40的秸秆灰分混凝土试件，测试混凝土的粘结强度，考察月牙纹钢筋与油菜秸秆灰分混凝土的粘结性能。结果表明，油菜秸秆灰分掺量为5%时，3个强度下的油菜秸秆灰分混凝土与月牙纹钢筋的粘结强度分别为19.06、19.90、20.08 MPa，与普通混凝土相当，油菜秸秆灰分掺量10%和15%的混凝土与月牙纹钢筋粘结性能较普通混凝土减弱。改变5%掺量油菜秸秆灰分混凝土植入钢筋的类型与月牙纹钢筋直径，月牙纹钢筋与油菜秸秆灰分混凝土的粘结强度是光圆钢筋的2.55倍；月牙纹钢筋直径从12 mm增至16、20 mm，粘结强度分别下降了6%与25%，油菜秸秆灰分混凝土粘结性能随着月牙纹钢筋直径增加而减弱。

油菜秸秆灰分混凝土；钢筋；粘结性能

黄伟等[1]的研究表明，油菜秸秆灰分能与水泥水化产物发生二次反应，形成的产物能填充混凝土内部空隙，从而改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。刘巧玲等[2]的研究表明，混凝土的抗压强度随着油菜秸秆纤维掺量的增加而降低，在同等水胶比下，油菜秸秆纤维长度在0.5~2.5 cm范围内，抗压强度随着纤维长度的增加而增强。张强等[3]在混凝土中掺入油菜秸秆灰分基础上复掺硅灰，结果双掺混凝土水胶比取值0.5~0.6时，混凝土的力学性能及工作性能最优。

钢筋与混凝土粘结性能的优劣直接影响钢筋混凝土承受外力荷载时极限承载力的大小。笔者运用钢筋与普通混凝土粘结性能研究方法[4–6]，对油菜秸秆灰分混凝土中心植入直径为12 mm的变形钢筋进行中心拔出试验，研究油菜秸秆灰分掺量分别为5%、10%、15%时的钢筋与混凝土粘结性能，以期获得直径12 mm的月牙纹钢筋与混凝土粘结性能最佳的油菜秸秆灰分掺量以及筛选最佳油菜秸秆灰分掺量混凝土中的钢筋类型与变形钢筋直径。现将结果报道如下。

1　材料与方法

1.1　材料

收集湖南农业大学耘园基地油菜秸秆，洗净后，在马弗炉中500 ℃煅烧5 h，过筛，得到油菜秸秆灰分，其表观密度为2.98 g/cm3，SiO2含量61.76%。混凝土所需材料：复合硅酸盐水泥强度为P·O42.5；河砂细度模数M=2.96；卵石粒径5~20 mm；直径分别为12、16、20 mm的HRB400热轧月牙纹钢筋(变形钢筋)，直径为12 mm的HPB300光圆钢筋；萘系减水剂，经预试验确定减水剂掺量为水泥质量的1%。

1.2　方法

1.2.1试件制作

秸秆灰分掺量参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55—2011)[7]，设计混凝土强度等级为C20、C30、C40，分别用油菜秸秆灰分等量替代水泥质量的5%、10%、15%，直径12 mm的月牙纹钢筋，制作边长为150 mm的立方体粘结试件[8]。为减小局部混凝土提前开裂对拉拔试验结果产生的影响，采用70 mm的PVC套管将钢筋与混凝土隔开设置非粘结区段，如图1–a所示，制作粘结试件共12组，每组3个。在浇筑同一批粘结试件时，预留设计边长为100 mm立方体[9]抗压与劈裂抗拉试块各3个，用以测试粘结试件的材料力学性能，如图1–b所示，共12组，每组3个。对粘结试件进行编号，如C4005–d12编号中，C40代表混凝土强度为C40，05代表掺量为5%，d12代表月牙纹钢筋直径12 mm。以不掺油菜秸秆灰分混凝土试件作对照。

设计混凝土强度为C20，油菜秸秆灰分掺量为5%，选用直径12 mm的光圆钢筋和月牙纹钢筋，制作1组粘结试件，每组3个，用于钢筋类型筛选试验，C2005–d12为掺量试验重复组，试件编号中g12表示直径为12 mm的光圆钢筋。设计混凝土强度为C30，油菜秸秆灰分掺量为5%，采用直径为12、16、20 mm的月牙纹钢筋，分别制作2组粘结试件，用于月牙纹钢筋直径筛选试验。

图1　秸秆灰分混凝土试件的尺寸

1.2.2试验方法

混凝土试件中心拔出试验与油菜秸秆灰分混凝土材料强度试验均在恒瑞金WAW–1000D液压万能试验机上加载进行。中心拉拔试验加载速度设定为1 mm/min[8]。立方体抗压与劈裂抗拉试验速度分别设定为0.5 MPa/s和0.05 MPa/s[9]。

将混凝土立方体试块放入万能试验机压板中心位置进行混凝土抗压试验，记录混凝土破坏时的力值，得到混凝土立方体抗压强度。劈裂破坏试验应在立方体试件中部的上下面与万能试验机压板之间各加一条钢制垫条，使立方体试件形成对应的条形加载，造成沿立方体试块中心的劈裂破坏，破坏时的力值为混凝土的劈裂抗拉破坏强度，并记录此时力值大小。

2　结果与分析

2.1　油菜秸秆灰分掺量对混凝土粘结性能的影响

通过月牙纹钢筋与混凝土的粘结强度、粘结试件混凝土材料的抗压、劈裂抗拉强度来考查油菜秸秆灰分掺量对钢筋混凝土粘结性能的影响。

由表1可以看出，油菜秸秆灰分掺量为5%时，油菜秸秆灰分混凝土与对照组粘结强度接近，当掺量提升至10%和15%，其粘结强度降低较明显。主要是因为随着掺量增加，混凝土的抗压与劈裂抗拉强度降低，钢筋横肋前方混凝土容易被剪断并磨碎，导致油菜秸秆灰分混凝土与变形钢筋间的粘结强度降低。

表1　不同油菜秸秆灰分掺量混凝土的粘结强度

图2　不同油菜秸秆灰分掺量混凝土的粘结–滑移曲线

图3　5%油菜秸秆灰分掺量混凝土的粘结–滑移曲线

掺量为5%的油菜秸秆灰分混凝土粘结性能不仅与普通混凝土相当，还可改善变形钢筋拔出过程的粘结性能。

2.2　钢筋类型对5%油菜秸秆灰分掺量混凝土的粘结性能的影响

油菜秸秆灰分5%掺量混凝土与直径12 mm的月牙纹钢筋和光圆钢筋的粘结强度测定值列于表2。从表2可知，月牙纹钢筋与油菜秸秆灰分混凝土的粘结强度约为光圆钢筋与油菜秸秆灰分混凝土的2.55倍。

表2　5%油菜秸秆灰分掺量混凝土与不同类型钢筋的粘结强度

图4　5%油菜秸秆灰分掺量混凝土与不同类型钢筋的粘结–滑移曲线

2.3　月牙纹钢筋直径对5%油菜秸秆灰分掺量混凝土粘结性能的影响

5%油菜秸秆灰分掺量混凝土与不同直径月牙纹钢筋的粘结性能测定值列于表3。随着变形钢筋直径的增大，油菜秸秆灰分混凝土与钢筋的粘结强度减小，主要是随着钢筋直径的增加，其肋间距相应增大，而增大变形钢筋横肋间距会减弱变形钢筋与混凝土之间的咬合力，从而导致粘结强度的降低。油菜秸秆灰分混凝土相对保护层厚度从5.75降低至4.19与3.25，粘结强度随之降低，粘结试件的破坏模式也从钢筋拔出破坏转化为劈裂破坏。

表3　5%油菜秸秆灰分掺量混凝土与不同直径月牙纹钢筋的粘结强度

图5　5%油菜秸秆灰分掺量混凝土与不同直径月牙纹钢筋的粘结–滑移曲线

3　结论

改变植入钢筋的类型以及月牙纹钢筋直径，发现5%油菜秸秆灰分掺量混凝土与月牙纹钢筋的粘结强度是光圆钢筋的2.55倍，月牙纹钢筋与5%掺量的油菜秸秆灰分混凝土粘结性能优于光圆钢筋；月牙纹钢筋直径从12 mm增至16、20 mm，粘结强度分别下降了6%与25%，油菜秸秆灰分混凝土粘结性能随着月牙纹钢筋直径增大而降低，因此，直径12 mm的月牙纹钢筋与5%掺量的油菜秸秆灰分混凝土粘结性能优于直径16、20 mm的月牙纹钢筋。

[1] 黄伟，刘保华，齐臻，等．油菜秸秆灰分混凝土抗硫酸盐的侵蚀性能[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2016，42(2)：222–224．

[2] 刘巧玲，刘保华，张强．油菜秸秆纤维混凝土力学性能研究[J]．混凝土与水泥制品，2012(12)：51–53．

[3] 张强，刘保华，刘巧玲，等．双掺油菜秸秆灰分和硅粉对混凝土性能的影响[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2014，40(3)：334–336．

[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(3)：26–36．

[5] 滕智明．月牙纹钢筋粘结滑移关系试验研究[R]．北京：清华大学建筑工程系，1985．

[6] 毛达岭．HRB500钢筋粘结锚固性能的试验研究[D]．郑州：郑州大学，2004．

[7] 刘巧玲．秸秆基混凝土的性能研究[D]．长沙：湖南农业大学，2013．

[8] GB50152—1992混凝土结构试验方法标准[S]．

[9] GBT50107—2010混凝土强度检验评定标准[S]．

责任编辑：罗慧敏

英文编辑：吴志立

Experimental study on bond property between rape straw ash concrete and steel bars

YI Duhang1, LIU Baohua1,2*, ZENG Zhe1, YI Lian1, ZHOU Yun1, FANG Liang1*

(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

The rape straw ash concrete specimen with the strength of C20, C30, C40 was made by replacing 5%, 10% and 15% of cement with rape straw ash. The bonding properties of rape straw ashes concrete was test to analysis the bond property between rape straw ash concrete and steel bars. The results showed that when the rape straw ash content was 5%, the bond strength of rape straw ash concrete with crescent steel bar under three concrete strength was 19.06, 19.90 and 20.08 MPa respectively, equivalent to ordinary concrete, whereas the bond strength with 10% and 15% content of rape straw ash is weaker than that of ordinary concrete. Changing the type of reinforced concrete and the diameter of crescent bar reinforced by ash concrete with 5% dosage, the bond strength between crescent bar reinforced concrete and rape straw ash concrete is 2.55 times as high as that of round steel bar. The diameter of crescent bar increased from 12 mm to 16 and 20 mm, and the bond strength decreased by 6% and 25% respectively. It is found that the bond property of rape straw ash concrete decreases with an increase in the diameter of crescent bar.

rape straw ash; steel bar; bond property

TU528.041

A

1007-1032(2017)06-0680-04

2017–05–02

2017–10–11

湖南省政府重大专项(湘府阅[2014]35号)；湖南省研究生科研创新项目(CX201613286)

易督航(1991—)，男，湖南怀化人，硕士研究生，主要从事新型建筑材料研究，dohanyizzz@163.com；

通信作者，刘保华，硕士，副教授，主要从事新型建筑材料、土木工程结构研究，bhliu@hunau.edu.cn；

通信作者，方亮，博士研究生，讲师，主要从事土木工程结构研究，fangliang@hunau.edu.cn

投稿网址：http://xb.hunau.edu.cn