气泡轻质土与钢筋的黏结性能试验研究

赵德文

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

气泡轻质土是一种新型填土材料，由气泡群、固化剂、水及其他材料按一定比例混合制成，具有强度可调、凝结自立、便于施工、保温隔热等特点，适用于路基加宽填筑、结构物减荷、基底软基换填、矿山开采区回填、市政管线回填等多种工况。2011年天津西站重建工程为减小对原地铁一号线混凝土框架的顶部压力，对原设计2 m厚的土方采用气泡轻质土换填，取得了良好的应用效果[1]。四川省天府新区货运通道与成渝铁路相交处，为满足不扰动成渝客运专线桥下承台和桩基的要求，采用气泡轻质土换填杂填土的方案并获得较好效果[2]。

国内外学者对轻质土展开了大量的研究，文献[3]研究了EPS轻质填土在城市人行道受人群荷载作用下的受力变形情况。文献[4]研究了聚苯乙烯泡沫塑料轻质土的轻质、高强、变形间的相关关系，找到具有工程应用前景的配方。文献[5]研究了轻质土密度、强度与材料组成之间的关系，论述了轻质土试样的制备方法。在实际施工中，对于换填高度较高的工况，为满足气泡轻质土路基的抗滑和抗倾覆稳定性，保证与既有路基的结合稳定，在路基内部常使用钢筋进行锚固。但目前国内对于气泡轻质土这种强度相对较低的微孔类材料与普通热轧钢筋的黏结性能及其锚固机制的相关研究较少，在实际工程中通常根据经验进行施工。为此，本文对钢筋与气泡轻质土进行拉拔破坏试验，研究其黏结性能、破坏机制以及相关影响因素。

1 拉拔破坏试验

1.1 原材料与试件制备

试验固化剂采用P42.5硅酸盐水泥，发泡剂起泡密度为50 kg/m3，试件为150 mm×150 mm×150 mm的立方体,气泡轻质土材料配制要求见表1。钢筋采用普通热轧钢筋HRB400,HPB400级，直径为14，16，18，25 mm，具体力学性能参数见表2。

表1 气泡轻质土材料配制要求

表2 钢筋力学性能

试验中钢筋沿立方体轴心线位置埋设，为消除端部效应，避免试件加载端轻质土受到挤压破坏，在钢筋与轻质土两端接触部位加设胶套管。

1.2 试验方法

图1 钢筋拉拔示意

由于轻质土与普通钢筋的黏结力较小，其拉拔值也较小(试验拉拔力一般<10 kN),经计算得直径14 mm 的HRB400钢筋AC段变形量为2.4 μm,可见对于轻质土与钢筋的黏结性能试验，钢筋的本身变形较小。试验在量程为300 kN 的WDW4100型微机控制电液伺服万能试验机上进行，加载应变速率为0.1 kN/s，预紧力为1 kN,采用无横向约束心拔出试件，养护龄期不小于28 d。加载模具外部尺寸为154 mm×154 mm×154 mm的中空立方体，使用10 mm厚加肋钢板和直径25 mm的HRB400钢筋制作。电子万能试验机可实现动态采集自由端位移数据，试验按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)[6]中的相关规定进行。试验中钢筋的有效黏结长度分别取50，75，100 mm，共制作12组试件，每组3个，试验结果取均值。试件参数见表3。

表3 试件参数

1.3 试验结果

钢筋拉拔试验结果如图2所示。可知：试件破坏形式全部为钢筋拔出破坏。在试验过程中钢筋未被拉断，试件也没有发生劈裂破坏现象，且表面完整性较好，无破坏裂缝产生，钢筋与轻质土之间发生沿钢筋横肋圆柱面上的剪切破坏。从拔出的钢筋可看出，无论是螺纹钢筋还是光圆钢筋，无论直径大小，拔出钢筋外径表面均附着有1层0.5～1.5 mm厚的轻质土层，说明钢筋与轻质土之间的化学黏结力相对较大。在轻质土浇筑成形过程中，钢筋外径表面与轻质土形成了一定厚度的轻质土黏结界面层，但该界面层的力学性能要低于其他部位轻质土层。在钢筋拉拔过程中，黏结界面层与轻质土发生撕裂滑移，实为剪切破坏，随后部分附着于钢筋上被拔出。

图2 钢筋拉拔试验结果

采用文献[7-8]中能量吸收和等效强度的理论成果来分析钢筋与气泡轻质土的黏结韧性，经计算得出不同黏结长度条件下不同直径、不同类型的钢筋拉拔试验中吸收的能量和等效黏结强度，见表4。

由表4可知：

当钢筋直径从14 mm增加到18 mm时：①黏结长度50，75，100 mm的钢筋极限荷载Fu分别增加了309.9%，41.7%，7.4%，极限黏结应力分别增加了217.6%，10.1%，-21.9%;②滑移值增加2 mm(S1)条件下：当黏结长度为50 mm时，能量吸收值和等效黏结强度分别增加了302.7%和214.7%，当黏结长度为75 mm时，能量吸收值和等效黏结强度分别增加了37.9%和7.4%，当黏结长度为100 mm时，能量吸收值和等效黏结强度分别减少了2.7%和24.6%；③滑移值增加4 mm(S2)条件下：当黏结长度为50 mm时，能量吸收值和等效黏结强度分别增加了156.5%和100%，当黏结长度为75 mm时，能量吸收值增加了28.9%，等效黏结强度保持不变，当黏结长度为100 mm 时，能量吸收值和等效黏结强度分别减小了198.8%和31.7%；④滑移值增加6 mm(S3)条件下：当黏结长度为50 mm，能量吸收值和等效黏结强度分别增加了107.8%和61.9%，当黏结长度为75 mm，能量吸收值增加了23.6%，等效黏结强度减少4.1%，当黏结长度为100 mm，能量吸收值和等效黏结强度分别减少1.9%和23.6%。

表4 不同黏结长度条件下钢筋的拉拔试验计算结果

注： R-螺纹钢筋，P-光圆钢筋，下角标数字表示钢筋直径，尾数字表示黏结长度。

当直径从18 mm增加到25 mm时，螺纹钢筋极限荷载Fu的在同一黏结长度下增加量均在25%以下，增幅变化较小;同时，Q1,Q2,Q3在同一黏结长度(50,100 mm)下增加量均在7%以下，增幅较小；在黏结长度为75 mm 时，Q1,Q2,Q3均减少，减少量均在5%以下。等效黏结强度τeq1,τeq2,τeq3同一黏结长度下减少量均在22%～30%之间。

直径≥16 mm的钢筋极限黏结应力与钢筋直径、有效黏结长度呈反比，极限荷载整体呈现缓慢增加;直径14 mm钢筋极限黏结应力、极限荷载与有效黏结长度呈正比。

“他妈的小鬼子，真是有钱啊，不是炸弹就是炮弹，跟放爆竹一样，不让我们有个消停。”夏国忠一边骂，一边赶紧和副连长组织战士们躲避小鬼子的炮弹。

2 试验结果分析

2.1 钢筋直径与黏结性能的关系

为确定钢筋直径与黏结性能的关系，在有效黏结长度50,75，100 mm条件下采用不同直径的钢筋进行试验，取得的黏结应力-位移关系见图3。可知，直径≥16 mm的钢筋在同一有效黏结长度下，钢筋直径对黏结性能影响较大，直径增大，钢筋黏结面积变大，黏结应力变小。

图3 不同钢筋直径的黏结-位移曲线

由于实际工程中出于安全因素，往往考虑的是钢筋的黏结极限荷载，当钢筋直径位于18～25 mm时，钢筋极限黏结应力较优。同时，当达到极限荷载后，直径越大，荷载-位移曲线越加平缓，表示其吸收的能量值越多，黏结强度缓慢变小，黏结韧性越好。

2.2 有效黏结长度与黏结性能的关系

为确定有效黏结长度与黏结性能的关系，对直径14,16,18,25 mm的钢筋在不同有效黏结长度条件下进行试验，取得的黏结应力-滑移值关系见图4。

图4 不同直径钢筋的黏结应力-滑移值关系

由图4可知，当钢筋直径≥16 mm时，有效黏结长度对黏结应力的影响较小，而直径为14 mm时，有效黏结长度对极限黏结应力影响较大。即：当钢筋直径较小时，有效黏结长度对极限荷载和极限黏结应力的影响较大；当钢筋直径较大时，有效黏结长度对极限荷载的影响较小。

2.3 黏结界面层对黏结性能的影响分析

从拔出的钢筋来看，无论是螺纹钢筋还是光圆钢筋，无论直径大小，极限黏结试验拔出钢筋外径表面均附着有一层0.5～1.5 mm厚的分布不均的轻质土层(参见图2)。参考基于能量的钢与混凝土界面黏结强度以及型钢黏结基本理论等文献[9-13]，拉裂结构破坏如图5所示。

图5 拉拔试验结构破坏示意

由图5可知，由于钢筋与轻质土间形成的黏结界面层的力学性能要低于其他部位轻质土层，在钢筋拉拔受力过程中，钢筋与轻质土的拉拔破坏，其实质为钢筋表层附着的黏结界面在轻质土层内产生的剪切破坏。

为确定钢筋类型与抗拔作用的关系，对25 mm 直径的螺纹钢筋和光圆钢筋，在有效黏结长度分别为50，75，100 mm的条件下进行对比试验，黏结应力-滑移值关系见图6。

图6 黏结应力-滑移值关系

由图6可知，当钢筋有效黏结长度为50 mm时，螺纹钢筋的极限荷载和极限黏结强度比光圆钢筋的分别增加了16.7%和16.4%；当钢筋有效黏结长度为75 mm 时，极限荷载和极限黏结强度分别增加了2.0%和1.6%，当钢筋有效黏结长度为100 mm时，极限荷载和极限黏结强度反而分别减少了0.41%和1.06%。可见，黏结长度变化时，机械咬合力对黏结性能的影响较小，而轻质土与钢筋的附着强度相对较大，这揭示了黏结界面的存在的合理性。

将黏结界面层的抗滑移能力用剪抗比的函数关系来表示，此时，当钢筋从加载开始到发生滑移，即黏结界面层发生剪切破坏时，滑移黏结应力主要跟钢筋相对黏结长度，相对保护层厚度以及黏结界面层抗滑移能力有关，用函数关系表示为

(1)

式中：τ为滑移黏结应力；d为钢筋直径;l为钢筋长度;c为钢筋保护层厚度;τs为钢筋发生滑移时的临界应力;fcu,k为气黏结界面的抗阻应力;l/d为钢筋长径比，c/l为钢筋相对保护层厚度，τ/fcu，k为气泡轻质土剪抗比。s{},f(),g(),p()分别为各自变量对应的因变量函数。

当τ达到钢筋发生滑移时的临界应力τs，钢筋开始滑移时，取直径为14,16,18,20,25 mm的试验数据进行回归分析得出

(2)

回归分析结果显示，复相关系数R2=0.918，标准差为0.026，方程回归效果较好。这说明滑移黏结应力与钢筋相对黏结长度、钢筋相对保护层厚度以及黏结界面层抗滑移能力密切相关。

3 结论与建议

本文通过多组钢筋-气泡轻质土拔出试验，研究了普通热轧钢筋与气泡轻质土的黏结性能。主要结论如下：

1)钢筋直径≥16 mm时，极限黏结应力随钢筋直径和有效黏结长度的增加而逐渐减小，极限荷载缓慢增加，所以实际上增加钢筋直径效能比并不显著，因此不建议在实际工程中使用增大钢筋直径的方法增加极限荷载。

2)当钢筋直径为14 mm时，极限荷载受钢筋直径和有效黏结长度影响较大，极限黏结应力随钢筋直径和有效黏结长度的增加而变大。建议实际工程中使用不小于16 mm的钢筋。

3)有效黏结长度较大时，螺纹钢筋与光圆钢筋的极限黏结应力相差较小。这揭示了一定范围内，黏结性能受黏结界面层影响较大。这是造成钢筋-气泡轻质土黏结性能变化特点的重要因素，但关于黏结界面层的讨论，仍然有待进一步试验分析。

4)鉴于目前缺少气泡轻质土与钢筋的黏结性能的相关研究，建议后期通过深入研究，尝试提出气泡轻质土黏结-滑移本构模型。

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