高温下钢筋与混凝土的黏结性能试验与分析

杨鸥　王朝阳　霍静思

摘要：為研究钢筋混凝土构件在高温下的黏结性能，制作了25个中心拉拔试件及8个温度场试件，同时制作了标准立方体试块.对钢筋、标准立方体试块及中心拉拔试件分别进行室温（20 ℃）、100 ℃、200 ℃、400 ℃和600 ℃加温，完成了高温后钢筋抗拉强度试验、高温下标准立方体试块劈裂抗拉强度试验、温度场试验及中心拉拔试验.根据温度场试验研究结果，提出一种简易的高温下中心拉拔试验的方法，阐述不同温度下钢筋强度、混凝土抗拉劈裂强度及钢筋与混凝土黏结性能的退化规律，并从混凝土的力学性能退化角度分析了高温环境对黏结强度的影响，并以割线刚度的方法定量地研究了高温对黏结刚度的影响.试验结果表明：高温后钢筋强度在低于400 ℃时变化不大，高温下混凝土劈裂抗拉强度基本呈线性下降，且高温下钢筋与混凝土的黏结强度变化趋势与混凝土抗拉强度衰减趋势相近.以滑移量0.015 mm为临界点，黏结刚度与温度的关系曲线呈现两种不同变化形式.

关键词：高温下；抗拉强度；黏结强度；黏结刚度

中图分类号：TU375.4文献标志码：A

Experimental Study and Analysis on Bond Performance between

Reinforcing Bar and Concrete under High Temperature

YANG Ou1， WANG Zhaoyang1， HUO Jingsi1，2

（1.Ministry of Education Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency， Hunan University，

Changsha410082， China； 2. College of Civil Engineering， Huaqiao University， Xiamen361021， China）

Abstract：To investigate the bond performance of reinforcement and concrete components under high temperature， twentyfive central pullout test specimens and other eight specimens for temperature field test were casted. The corresponding standard cube compressive specimens were also casted for concrete tensile splitting strength test under different temperatures. After exposed to 100 ℃， 200 ℃， 400 ℃， and 600 ℃， the tensile splitting strength of the cube specimens and the bond properties between rebar and concrete were tested immediately to simulated the concrete circumstance and reinforcing steel performance under high temperature. The strength of rebars which underwent temperature cycle loadings was tested after its cooling. The strength of rebar， tensile splitting strength of the cube specimens， and the bond performance between rebar and concrete under different temperatures were recorded. According to the temperature test results， a simplified test method of the bond strength between reinforcing bar and concrete under high temperature was proposed. The effect of high temperature environment on bond performance between rebar and concrete was analyzed from the perspective of the mechanical properties degradation of materials， and the influence of high temperature on bond stiffness was studied by the method of tangential bond stiffness. The experimental results show that the strength of rebar after high temperature shows little change below 400 ℃， the tensile splitting strength of concrete decreases linearly with temperatures and the variation trend of bond strength under high temperature is similar to the tensile strength of concrete. The results present two different relationships between bond stiffness and temperature by the slip of 0.015 mm.

Key words：under high temperature； split tensile strength； bond strength； bond stiffness

变形钢筋与混凝土的黏结强度主要取决于两者间的机械咬合力[1-2]，而拉应力是混凝土开裂的关键[3]，当钢筋肋前堆楔作用对混凝土产生的环向拉应力超过混凝土的抗拉强度时，将会使钢筋与混凝土发生黏结破坏[1-2].高温作用后钢筋与混凝土的力学性能严重退化[4-6]，将会导致钢筋混凝土的黏结性能急剧下降.目前国内外学者就常温下钢筋和混凝土间的黏结性能进行了较为全面的研究[7-8]，同时对高温后的黏结性能也进行了较深入的分析，研究结果表明随着温度的增高，钢筋与混凝土的黏结强度呈现降低趋势，峰值滑移逐渐增大[3，9-10].另一些学者研究发现在较低温度段时黏结强度下降缓慢甚至略有增大的现象[11].

目前，大部分学者[12-13]在试验装置上设置高温炉以保证试验时试件处于高温环境，因此高温拉拔装置较为复杂，国内外对高温下钢筋与混凝土的黏结性能研究相对较少.同时虽然一些学者基于自己的试验给出了恒温时间的建议[14-15]，但由于试件规格、含水率、配合比等因素不同，将设定温度假定为黏结段温度进行分析并不合理.本次试验监测拉拔试件核心黏结段温度随时间的变化情况，提出一种简易的高温下拉拔试验方法，同时对已有的高温下及高温后钢筋与混凝土两种材料强度的退化数据进行统计并与试验得到的强度退化结果进行对比，以高温下混凝土力学性能退化原理来阐述高温下黏结性能退化机理.

1试验概况

1.1试件设计

试件混凝土设计强度为C45，其配合原料为：强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，石灰质粗骨料（骨料粒径≤15 mm），细骨料为天然河砂，拌合水为自来水.混凝土设计配合比（质量比）为水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.4∶1.08∶2.09；混凝土28 d实测平均抗压强度为47.5 MPa；试验前实测平均抗压强度为54.0 MPa；采用沪南电炉烘箱厂制造的101-3A型电热鼓风恒温干燥箱烘烤标准立方体试块，实测混凝土含水率为0.47%.试件拉拔钢筋为直徑20 mm的HRB500钢筋，实测屈服强度为558 MPa，极限强度为683 MPa，箍筋采用直径6 mm的HRB400钢筋.拉拔试件尺寸如图1（a）所示.温度场试件与拉拔试件外部尺寸相同，如图1（b）所示，热电偶温度测点位于黏结段中心但不与钢筋接触.

（a）拉拔试件几何尺寸

（b）温度场试件几何尺寸

1.2试验装置及试验方法

升温装置采用多功能组合式结构试验高温炉，温度控制和温度测试采用工控机和控制软件进行控制、显示和保存.

本次拉拔试验采用无锡新路达制造的WA-1000B型电液式万能试验机，并设计了一种可消除高温对位移计及力传感器影响的拉拔试验装置，如图2所示.使用力传感器和电阻式位移计分别对试验中的拉拔力及自由端位移进行测量，使用National Instruments的数据采集卡进行采集.

高温试验分为温度场试验、钢筋与混凝土两种材料高温力学性能试验及高温下中心拉拔试验3个部分.升温制度统一设定为升温速率10 ℃/min[15]，恒温时间由温度场试验升温段结果决定（实测恒温

5 h时黏结段温度基本已达到设定温度，故恒温时间设定为5 h）.恒温时间结束后立即取出温度场试件放于室内环境中自然冷却50 min，观察完成一次拉拔试验过程中黏结段温度变化情况（保守估计完成一次高温拉拔试验为50 min，实际完成一次高温拉拔试验约为30 min），整个升降温过程中采用M400温度巡检仪记录试件核心黏结区温度变化.同样，恒温结束后分别完成高温后钢筋抗拉试验、高温下标准立方体劈裂抗拉试验及钢筋与混凝土拉拔试验.

2试验结果

2.1温度场试验

升温过程中炉膛温度与试件黏结区温度变化曲线如图3（a）所示，恒温5 h时试件黏结段的温度基本已达到目标温度.由图3（b）可知，室内环境下（实测试验时室内环境为10 ℃）试件核心区温度在20 min内基本保持稳定，超过20 min后缓慢下降，在室内环境下冷却30 min时核心黏结区温度降幅约为11%左右，黏结区温度下降不多，因此对于从炉内取出高温拉拔试件在室内环境下30 min内完成的拉拔试验，可以认为是设定温度下的高温试验.

2.2钢筋与混凝土高温力学性能试验

高温后钢筋抗拉试验在万能试验机上完成，高温下混凝土劈裂试验在压力试验机上完成.钢筋与混凝土材料高温力学性能试验结果如表1所示.

2.3高温下钢筋与混凝土黏结性能试验

常温拉拔试件的破坏呈现较为明显的劈裂破坏特征.在荷载较大时会在临近加载端的侧面形成细微纵向裂纹并迅速向自由端发展，随着拉拔力进一步增大试件侧面纵向裂纹迅速变宽并贯穿整个保护层，此时荷载达到峰值后瞬间下降且自由端伴有明显的滑移.由于箍筋的对混凝土的横向约束作用，试件在达到极限荷载时仍保留少许的黏结力.经历了高温的拉拔试件在加载的过程中虽然也产生纵向劈裂裂纹，但其黏结力在达到峰值荷载后缓慢下降同时自由端滑移缓慢增大，高温下试件破坏特征逐渐向拔出破坏过渡.拔出试件的破环形态及特征值见表2.

3分析与讨论

3.1高温作用下钢筋与混凝土力学性能

高温下钢筋与混凝土的黏结性能与这两种材料在高温下的力学性能的变化有密切关系.文献[4]统计整理了国内外学者关于钢筋与混凝土两种材料的强度随温度变化的折减系数，因此本文对文献[4]中所整理的一部分高温下和高温后材料强度折减数据以及其他学者研究成果进行了统计，并与试验实测强度折减系数进行对比.高温下和高温后钢筋强度变化规律如图4所示.高温下钢筋屈服强度以200 ℃为界，低于200 ℃时下降缓慢而高于200 ℃时迅速下降；高温下钢筋的极限强度在400 ℃前下降缓慢甚至略有提高，当温度高于400 ℃后极限强度迅速下降，600 ℃时强度不到常温下的40%，与文献[16]的结论基本一致.而高温后钢筋强度在温度大于400 ℃后才呈现较小的下降趋势，600 ℃时强度下降约10%.对比屈服强度与极限强度衰减趋势可知，高温下和高温后钢筋屈服强度劣化程度大于其极限强度.对比高温下和高温后钢筋强度折减系数可知，高温下钢筋的强度劣化程度要远大于其高温后强度的退化.

图5、图6分别给出了高温下混凝土抗压强衰减曲线、高温下及高温后混凝土劈裂抗拉强度衰减曲线，由于各个学者所使用的混凝土配合比、骨料种类、恒温时间等不同，因此试验数据之间略有差异，但经历高温作用的混凝土强度变化整体趋势为随着温度升高而下降.对于高温下混凝土抗压强度，如图5所示，当温度小于300 ℃时衰减缓慢，大于300 ℃时混凝土抗压强度迅速衰减，Huo等[23]、胡海涛等[24]得到类似结论.由图6可知，抗拉强度随温度升高整体呈线性下降，在温度小于200 ℃之前下降缓慢，高于200 ℃时抗拉强度随温度升高迅速下降.由图5与图6对比可知，高温作用的混凝土劈拉强度劣化程度比抗压强度要大得多.本试验得到的混凝土劈拉强度衰减系数处于图6的下限但与文献[14]数据吻合良好，查阅统计文献发现本次试验恒温时间较长因此混凝土抗拉强度偏低，而文献[14]的恒温时间为6 h与本试验恒温时间5 h相差不多所以吻合较好.

高温下混凝土强度的变化与混凝土内部发生复杂的物理化学发应息息相关：在100～300 ℃时由于混凝土内部自由水和结合水相互被蒸发，在此阶段混凝土的抗压强度下降缓慢甚至略有提高[23，25].在400～600 ℃时混凝土中的C—S—H凝胶在高温作用下已经严重破坏，因此混凝土强度迅速下降[23-24，26].高温作用的混凝土劈拉强度比抗压强度劣化更加严重，主要是由于混凝土劈拉强度主要取决于粗骨料与水泥砂浆的黏结强度，在混凝土劈裂抗拉试验中混凝土中的温度裂隙在拉应力作用下加剧了混凝土抗拉强度的降低，因此混凝土抗拉强度对温度损伤更为敏感，高温下混凝土劈拉强度衰减比抗压强度要大得多.

3.2高温作用下钢筋与混凝土黏结强度

图7给出了不同温度下钢筋与混凝土的黏结滑移曲线，对比不同温度下的黏结滑移曲线，可以发现随着温度升高黏结强度下降，峰值滑移增大.由于高温下黏结试验有限，因此表3统计了已有学者完成的高温下及高温后钢筋与混凝土黏结试验结果，将各个学者试验中的高温黏结强度退化系数绘于图8中.大部分试验[9-10，13，32]均表明在100～300 ℃时高温后黏结强度下降较少，大于400 ℃时黏结强度退化显著.Bingl等[11]研究表明在低于150 ℃时，高温后残余黏结强度略有提高.一般而言，高温下黏结强度较高温后略有提高.而本试验结强度在100 ℃有一个较大的降低主要是由于混凝土内部自由水被蒸发内部裂隙增多导致混凝土强度降低，且较长的恒温时间导致温度对黏结段的损伤比其他学者的更为严重；在200 ℃时黏结强度略有回升的原因是由于混凝土内部结合水脱出加强混凝土内部二次水化作用，从而使混凝土强度略有增强；400～600 ℃时黏结强度随着温度升高而下降，主要是由此温度段内混凝土中的C—S—H凝胶在高温作用下已经严重破坏，HCP与粗骨料黏结界面裂纹进一步发展，混凝土强度迅速下降[23]所导致.

为了进一步分析高温下混凝土抗拉强度和钢筋与混凝土间的黏结强度之间的关系，将混凝土抗拉强度折减系数、钢筋与混凝土黏结强度折减系数及二者相对强度绘于图9中.由图9可以知，高温下钢筋与混凝土黏结强度折减系数变化趋势基本与混凝土抗拉强度折减系数变化一致：均在100 ℃时有一个较大的下降，在200 ℃时略有回升，之后随温度升高呈线性下降.通过两者的相对强度比值可以发现，相对强度值在100～200 ℃时达到最低，在200～600 ℃时相对强度逐渐增大即黏结强度下降趋势略缓于抗拉强度.相对强度在100 ℃时有一个陡降的过程主要是由于此温度段内自由水蒸发而形成的内部裂隙导致混凝土强度降低，在100～200 ℃时有略微的回升，一方面由于混凝土结合水脱出加强了残余的水泥颗粒二次水化作用，有利于混凝土抗拉强度的提高；另一方面为箍筋的有利作用逐渐显著，箍筋有效地约束了高温下混凝土的横向变形，从而增大了两者之间的相互作用力加强了摩阻力和机械咬合力.相对强度在200～600 ℃时逐渐增大，可能是由于在高温作用下混凝土强度逐渐衰减的过程中箍筋对混凝土有利的约束作用随温度升高逐渐显著，部分抵消了混凝土强度降低带来的不利作用从而有效减小了黏结强度退化，导致相对强度略有增大.

3.3高温作用下钢筋与混凝土的黏结刚度

为研究温度对钢筋与混凝土的黏结刚度的影响，定义割线黏结刚度k（s）为滑移值对应的黏结应力与相应滑移值的比值，同时定义割线黏结刚度折减系数ξ（s）為同一滑移值的不同温度下的割线刚度与常温割线刚度的比值，分别如式（1）、式（2）所示.

k（s）=τ（s）s（1）

ξ（s）=kT（s）k0（s）（2）

式中：k（s）为割线黏结刚度（MPa/mm）；s为滑移值（mm）；τ（s）为相应于滑移值s的黏结应力（MPa）；ξ（s）为相应于滑移值s的割线黏结刚度折减系数；kT（s）为相应于滑移值s的不同温度下的割线黏结刚度（MPa/mm）；k0（s）为相应于滑移值s的常温条件下的割线黏结刚度（MPa/mm）.

将不同温度下试件的不同滑移量对应的黏结刚度进行对比，如图10所示.由图10可知同一温度对应的黏结刚度随着滑移量的增大逐渐减小，而同一滑移量对应的黏结刚度随着温度的升高则表现出两种不同的变化趋势，即当滑移量s<0.015 mm时，黏结刚度k随着温度的升高而减小；当滑移量s≥0.015 mm时，黏结刚度k随着温度的升高呈现先增大后减小的趋势.同时观察图11可以发现滑移量s=0.015 mm对应的黏结刚度基本为上包络线，而滑移量s=0.005 mm对应的黏结刚度为下包络线.究其原因主要是由于在滑移量较小时（s<0.015 mm）钢筋与混凝土的黏结应力主要由化学胶结力提供，当滑移量较大时（s≥0.015 mm）化学胶结力破坏，此时钢筋与混凝土的黏结应力主要由机械咬合力与摩阻力提供.由于化学胶结力在高温过程中遭到破坏，因此较小滑移量（s<0.015 mm）对应的黏结刚度对温度更为敏感，因此随温度升高反而下降，而在温度小于100 ℃时钢筋体积膨胀则会增大钢筋与混凝土的相互作用力从而提高机械咬合力；当温度大于100 ℃时虽然钢筋体积受热膨胀但此时混凝土逐渐劣化，钢筋体积膨胀使混凝土产生环形拉应力，加剧了混凝土内部裂纹开裂，导致黏结刚度逐渐退化，因此黏结刚度随温度升高而下降.

T/℃

4结论

本文通过将钢筋混凝土试件加温后快速进行试验，研究了钢筋混凝土构件在高温下的材料性能及黏结性能变化规律，得出如下结论：

1）高温后钢筋屈服强度、极限强度在100～400 ℃范围内变化不大甚至极限强度略有提高，当超过400 ℃后強度有所降低，在600 ℃时屈服强度下降了15%、极限强度下降了12%.高温后的钢筋屈服强度退化比极限强度更加严重.

2）高温下混凝土劈裂抗拉强度随温度升高整体呈线性下降趋势.混凝土劈拉强度在100 ℃时有较大降幅约为20%，200 ℃时稍有回升但回升幅度不超过5%，大于200 ℃时抗拉强度急剧退化且随温度升高呈线性下降，在600 ℃抗拉强度仅为常温下的37%.

3）高温下黏结强度变化趋势与混凝土抗拉强度衰减趋势基本一致，但高于200 ℃时黏结强度退化趋势明显缓于混凝土抗拉强度，其主要原因为在200 ℃时箍筋的有利作用逐渐显著，且随着温度升高箍筋对黏结强度的有利作用逐渐增大.

4）以割线黏结刚度的方法定量地研究了黏结刚度随温度的变化规律.当滑移量s<0.015 mm时，黏结刚度k随着温度的升高而减小；当滑移量s≥0.015 mm时，黏结刚度k随着温度的升高呈现先增大后减小的趋势.

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