冻融后混凝土粘结滑移规律的拟合分析

王安琪　杨晓林

摘 要：为研究混凝土冻融次数对混凝土与钢筋之间的粘结滑移关系的影响，根据现有的受力模型和冻融后极限粘结力的相关理念，对经历了0、25、50、75次冻融循环的混凝土立方体试块进行拉拔试验，分析得出冻融混凝土与钢筋之间的4个粘结应力和滑移规律。同时采用数值拟合的方法对粘结滑移曲线进行了Bigaussian函数拟合，结果表明Bigaussian具备较高的拟合决定系数。

关键词：冻融循环 粘结滑移规律 拟合分析 混凝土

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（c）-0051-03

现代建筑以钢筋混凝土结构为主，通过对钢筋混凝土结构的了解，我们知道，保证混凝土和钢筋能够良好工作的条件是：混凝土和钢筋之间良好的粘结性能；两者相似的温度线膨胀系数；混凝土对其内部钢筋的保护作用。而钢筋和混凝土之间的粘结力由三部分组成：混凝土中的水泥胶凝体在钢筋表面产生的化学黏着力；周围混凝土对钢筋的摩阻力；变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合力。我国北方大部分地区的钢筋混凝土建筑物都会因寒冷天气而受到冻融损坏，在冻融循环过程中，钢筋和混凝土之间的粘结强度在冻融循环作用后也会发生退化，进而损坏钢筋混凝土共同工作的条件。

目前公认的对于钢筋与混凝土之间粘结性能的机理研究，是在20世纪50年代，R.M.Mains[1]将钢筋开槽并在内部预埋应变片的方法，得到的光圆钢筋和变形钢筋的应力分布，提出了钢筋与混凝土之间的粘结主要由化学胶结力、摩擦力和机械咬合力三部分组成[2]。对于钢筋混凝土间粘结滑移性能的研究有很多，现有的粘结试验方法有[3]：中心拔出试验、梁端式拔出试验以及局部粘结滑移试验。Thompson[4]通过实验得出粘结力与混凝土强度的平方成正比；王倩等人[5]通过钢筋开槽内贴应变片进行拉拔试验，得到随着钢筋直径减小，钢筋与粉煤灰之间的粘结性能加强。本文进行了钢筋混凝土试件的中心拔出试验，研究了冻融循环次数对钢筋混凝土之间粘结性能的影响，得到冻融循环条件下的τ-s曲线，并用前人研究的经验公式进行拟合，结果表明Bigaussian函数拟合程度较高。

1 实验工作

为研究钢筋冻融后与混凝土间粘结-滑移性能，采用 （GB/T50152-2012）标准方法制作了48个100mm×100mm×100mm混凝土立方体试块钢筋混凝土立方体构件（有效锚固长度L=6cm）。水泥为P.O.42.5，钢筋直径d=12mm，强度等级HRB300，混凝土设计强度等级为C35。试块采用标准模具浇筑，在振动台上进行振捣，24h后拆模，在标准养护室养护28d。而后将试块分成4种情况进行冻融。试验用C35普通硅酸盐混凝土，水泥、水、砂、碎石的质量比为1：0.5：1.65：3.34。将分好混凝土试件分别进行0，25，50，75次的冻融循环。钢筋混凝土的冻融循环实验采用《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》（GB/T50082-2009）中的快冻法标准。

中心拔出试验通常被用作钢筋混凝土粘結滑移研究的方法，本实验也采用中心拔出试验[6]。该试验采用微机控制电液伺服万能试验机完成。电脑采集实验数据，并绘制荷载和滑移曲线图。

2 结果与讨论

2.1 冻融后粘结滑移规律

本文采用拉式试验进行研究，且以实际工程中应用最多的螺纹钢作为研究对象。现有的研究成果表明，螺纹钢的粘结力主要由化学胶着力、摩擦力以及机械咬合力组成，且机械咬合力在螺纹钢筋尤其重要。冻融循环后的混凝土与钢筋之间的粘结力发生变化的主要原因是其化学胶着力改变。

其中，τ是平均应力，MPa；P是钢筋的峰值拉力，N；l是钢筋和混凝土的粘结长度，mm；d是钢筋直径，mm。本实验所有钢筋和混凝土之间的粘结长度都为60mm，钢筋直径都是12mm。

实验结果表明，没有经历过冻融作用的混凝土的峰值应力最大，对应的滑移量也最大，经历冻融循环次数越多的试件对应的峰值应力越小且对应的滑移量越小，到达峰值应力后，应力曲线陡然下降，粘结破坏。粘结应力及滑移粘结滑移垂线散点图（图1）。与文献[7]的研究结果对比发现：相同的冻融循环次数下，本文的极限粘结应力和滑移值与其接近，其中的微小差别可能由不同标号、配合比引起。

2.2 实验数据拟合

对于单调加载下钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系，各国学者已经做过很多研究，然而对冻融因素的影响仍缺乏一套完整的理论体系。Nilson[2]整理了Bresler的实验结果，提出了一个以3次多项式表示的粘结滑移关系式

其中按4次多项式因为考虑了冻融后混凝土轴向抗压强度的衰减规律，本文采用4次多项式对冻融后钢筋与混凝土的粘结滑移曲线进行了拟合，结果如表1所示。

经历0，25，50，75次冻融循环的试件用4次函数拟合出来的公式的决定系数分别是：0.95，0.92，0.93，0.91。该式体现了混凝土的抗压强度对粘结效应的影响，认为混凝土的粘结力与其抗压强度的0.5次幂成正比。

3 结论

冻融循环次数越多的试件对应的峰值应力越小且对应的滑移量越小；3次多项式、4次多项式、Bigaussian函数拟合的试验数据，决定系数都在0.90以上，拟合度较高，而Bigaussian函数在粘结滑移峰值附近的准确度更高。

参考文献

[1] Mains R M. Measurement of the Distribution of Tensile and Bond Stress along Reinforcing Bars. ACI， Nov 1951

[2] 徐有邻.变形钢筋-混凝土粘结锚固性能的试验研究 [工学博士学位论文].北京：清华大学，1990

[3] 杜峰，肖建庄，高向玲.钢筋与混凝土之间粘结试验方法研究[J].结构工程师，2006，22 （2）：93——97

[4] R.M. and J.N.Thompson.Development length for large high strength reinforcing bars[J].ACI，JournalV.1965，62（1）：71-94.

[5] 王倩，张炳梅，江红.钢筋直径对粉煤灰混凝土粘结性能的影响[J].连云港职业技术学院学报，2011，24（1）：5-8

[6] 王栋. 钢筋混凝土粘结性能的试验研究[D].西安建筑科技大学，2010.

[7] 牛建刚，郝吉，李伯潇.冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土的粘结性能[J].土木建筑与环境工程，2015，37（06）：7-14.