钢筋直径对保温混凝土冻融后粘结锚固性能的影响

(太原理工大学建筑与土木工程学院， 山西太原030024)

0 引言

混凝土的耐久性是国内外学术界关注的重大科技问题，近几十年来，混凝土结构因耐久性不足而破坏的事例有增无减，全世界每年因混凝土耐久性不良导致工程寿命达不到设计要求而造成的社会经济损失巨大。相关研究表明冻融循环作用是导致混凝土结构耐久性不足的主要原因之一[1]。在我国三北寒区的建筑物由于受到冻融循环的作用，导致钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能极大降低[2-3]，进而降低了建筑物的耐久性，严重影响了建筑结构安全性。而保温混凝土(TIC)作为一种功能性混凝土，实现了保温性能和结构性能的完美平衡，目前对保温混凝土配合比设计、保温性能、微观结构和力学性能已经有一些研究[4-7]。钢筋与混凝土粘结锚固性能是其两者之间共同工作的首要条件，国内外学者已经对冻融循环作用后钢筋与普通混凝土的粘结锚固性能进行了一定的研究，但对钢筋与保温混凝土的粘结锚固性能的研究尚不深入。

为了衡量TIC的耐久性，已有学者测试了TIC的抗冻性[8]，结果表明在冻融循环300次内，60.5 %～85.2 %的TIC具有良好的抗冻性。张燕[9]研究表明，冻融循环对钢筋与混凝土之间的粘结性能和滑移量影响较大。PETERSEN等[10]的试验结果表明，内部损伤的位置明显使粘结应力减少以及滑移增加。基于前人研究结果可以总结以下两个主要观点，一个是冻融循环作用等对混凝土粘结锚固性能的影响[11]；二是混凝土的材料特性和内部结构对粘结锚固性能的影响，而不是外部环境，如冻融循环次数[8,12-13]。

本文分析了3种不同直径钢筋(d=10 mm、12 mm、16 mm)对冻融循环后TIC粘结性能的影响，为TIC在实际工程中的应用提供设计建议。为了使得试验结果适用范围更广，本试验所有试验方法均参考国际标准。

1 试验

1.1 试验材料

1.1.1 保温混凝土

本次试验所用保温混凝土配合比见表1。

表1 玻化微珠保温混凝土配合比Tab.1 Mixture ratio forglazed hollow beads thermal insulation concrete

注：玻化微珠为体积掺量。

本试验所用胶凝材料为太原狮头水泥厂生产的P·O 42.5级水泥以及四川某公司生产的硅灰，其成分及基本性能指标见表2；砂采用太原某砂厂建筑用中砂，细度模数为2.37，堆积密度1 500 kg/m3；石子采用太原某石厂天然碎石，碎石粒径取5～20 mm。采用的保温骨料是河南信阳某厂家生产的玻化微珠。基本物理性能见表3。

表2 胶凝材料的性质和成分Tab.2 Properties and constituents of cementitious materials

表3 玻化微珠的物理性能Tab.3 Basic physical properties of glazed hollow beads

高效聚羟酸减水剂，减水率35 %～40 %；试验用水为自来水。

1.1.2 钢筋

本次试验选用直径为d=10 mm、12 mm、16 mm的变形钢筋(见图1)。本试验所用钢筋的各参数，测定结果见表4。

图1 不同直径变形钢筋Fig.1 Different-diameter deformed steel bars

钢筋类别直径/mm密度/(kg·m-3)屈服强度/MPa抗拉强度/MPa内直径/mm外直经/mm钢筋肋高/mm钢筋横肋宽/mm100.644536469.8811.480.777.1HRB400120.8740861811.6613.480.907.2161.5241560415.7817.740.979.6

1.2 试件制备

本次试验所有试件的制备与养护均在太原理工大学中心试验室进行。试件类型分为四组，分别为T-R10、T-R12、T-R16、N-R12(字母T、R、N分别为保温混凝土、变形钢筋、普通混凝土；数字10、12、16表示钢筋直径，单位mm)，每组9个，分别用于冻融循环次数为0、50、100拉拔试验；试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

2 试验方法

2.1 拉拔试验

本试验在太原理工大学结构试验室进行，其拉拔加载装置图及示意图如图2所示。

(a) 拉拔试验现场加载装置

b) 拉拔试验加载装置示意图

3 试验现象与结果

3.1 拉拔试验

在拉拔试验过程中，试件破坏形式主要有三种，即拨出破坏、拔出—劈裂破坏与劈裂破坏。典型的破坏形式如图3所示。直径d≦12 mm的钢筋TIC试件均为拨出破坏，试件侧面无裂出现，滑移量明显，拉拔荷载下降平缓，大多数变形钢筋TIC试件破坏形式为拨出破坏；在经历100次后冻融循环后，试件出现破坏形式的劣变，钢筋直径d=16 mm的TIC试件发生劈裂破坏，且为突然开裂，有爆裂的声音，为脆性破坏；钢筋直径d=12 mm的NC与TIC试件，大部分为拔出破坏，且冻融循环100次后，NC试件产生的是拔出—劈裂破坏。由破坏形式可以看出，TIC的粘结性能优于NC。拉拔试验如表5所示。

(a) 拔出破坏

b) 拔出—劈裂破坏

(c) 劈裂破坏

3.2 粘结滑移曲线

为了探究冻融前后变形钢筋直径对TIC粘结锚固性能的影响，绘制了冻融前后TIC和NC试件粘结滑移曲线，如图4所示。

表5 冻融前后试件拉拔试验特征值及破坏形式Tab.5 Eigenvalue and forms of destruction for pull-out specimens

(b) TIC-R126

(c) TIC-R10

(d) TIC-R16

如图4对比可知，冻融前后不同直径变形钢筋TIC试件与NC试件的粘结滑移曲线趋势基本相似。本试验得到的结果与王传智等[14]提出的τ-s曲线模型比较接近，且该模型具有代表性。本次试验以此为参考模型，对粘结滑移曲线展开分析。从图4中可以看出，变形钢筋与TIC和普通混凝土的粘结滑移曲线粘结曲线基本相似，均包含五个阶段：前期滑移段、初期滑移段、拨出阶段、中期下降段和后期残余段，不同阶段的特点如下：

①前期滑移段：不同钢筋直径与TIC的粘结曲线相似。冻融前，为线弹性阶段，拉拔荷载较小，该阶段起主要作用的是钢筋与混凝土接触面上的胶结力，且滑移量较小。冻融后，各组TIC试件粘结滑移曲线变化不明显；且在相同冻融循环次数下，不同直径钢筋下的试件存在不同的比例极限及相应的滑移量。

②初期滑移段：该阶段钢筋与TIC接触面上的胶结力消失，起主要作用的是混凝土收缩握裹钢筋的摩阻力和钢筋与混凝土之间产生的机械咬合力。冻融前，粘结滑移量随拉拔荷载的增加，变化并不明显。相对而言，作用同等拉拔荷载时，冻融后粘结滑移量比冻融前有明显的增加。

③拨出阶段：该阶段机械咬合力起主要作用。由于钢筋横肋与TIC机械咬合界面发生剪切破坏，使得钢筋与试件发生了剪切滑动；冻融前，随着拉拔荷载缓慢增加，滑移量变化较小，粘结应力急速增加；冻融后，随着冻融循环次数增加，峰值滑移量也逐渐增加，而曲线斜率和极限荷载逐渐减小。

④中期下降段：达到拉拔极限荷载时，粘结曲线随着冻融循环次数的增加，其下降段逐渐趋于平缓。

⑤后期残余段：随着冻融循环次数的增加，变形钢筋与TIC之间残余强度逐渐降低。

3.3 峰值滑移

图5 冻融作用下不同变形钢筋 直径与峰值滑移的关系Fig.5 Relationship between diameter of different deformed bars and peak slip for TIC with deformed bars

图5为冻融前后TIC试件的峰值滑移与变形钢筋直径关系，图中N为冻融循环次数。相关研究表明，中心拉拔试验试件的峰值滑移量与钢筋的直径大小有关[15]。

由试验结果可知，试件经过冻融循环100次后，直径d=10 mm、12 mm和16 mm的变形钢筋TIC试件，其对应的峰值滑移分别增加了0.36 mm、0.27 mm和0.01 mm。由此试验结果可知，钢筋直径越大，冻融对变形钢筋试件峰值滑移的作用越不明显。图5所示，峰值滑移量随着冻融循环次数的增加而增大，且锚固变形钢筋直径越大，滑移量越小(劈裂破坏形态除外)；在经历相同冻融循环次数后，TIC试件的峰值滑移量随着变形钢筋直径的增大而减小，这种趋势并未因冻融循环而改变。原因是钢筋相对肋高和肋矩随直径增大而减小，从而导致变形钢筋与混凝土之间的机械咬合面积减小，TIC试件的峰值滑移减小。

4 结论

①变形钢筋TIC试件的破坏形式与钢筋直径有关。经过100次冻融循环后，直径为d=10 mm和12 mm的变形钢筋TIC试件均为拨出破坏，直径为d=16 mm的变形钢筋TIC试件发生劈裂破坏。

②冻融循环对不同直径变形钢筋TIC试件粘结滑移曲线趋势影响大致相似，且对局部滑移阶段影响较小。随着冻融循环次数的增加，极限荷载逐渐减小，达到极限荷载后，下降段曲线逐渐趋于扁平。

③经历相同冻融循环次数后，变形钢筋直径越大，峰值滑移量越小。冻融循环100次后，直径为10 mm、12 mm和16 mm的TIC试件，其对应的峰值滑移增加量分别为0.36 mm、0.27 mm和0.01 mm；峰值滑移量受冻融循环作用影响较大，且锚固变形钢筋直径越小，影响越大。