后掺骨料混凝土与钢筋粘结性能的研究

贾金青，王树钧，李 璐

(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)

0 引 言

后掺骨料混凝土是粗骨料嵌锁技术[1-2]在建筑结构工程中的一种应用方式。后掺骨料混凝土是在基准混凝土搅拌完成后抛填一定体积分数的粗骨料，经过二次搅拌，得到均匀的混凝土拌和物。后掺骨料混凝土一方面保持了混凝土的可泵性，使其仍具有泵送混凝土劳动强度低、工作效率高的优点；另一方面，能够有效改善泵送混凝土的早期开裂现象，并且作为一种“绿色混凝土”[3]，后掺骨料混凝土掺入了粗骨料，减少了水泥的使用，从而有效减少了CO2的排放，在改善生态环境方面具有重大意义。

目前，国内外关于二次添加粗骨料施工工艺的研究成果已有很多[4- 8]，但对于后掺骨料混凝土与钢筋的粘结性能研究尚未开展。基于此，本文通过中心拉拔试验研究后掺骨料混凝土与钢筋的粘结滑移机理和破坏形态，根据试验结果统计回归得到粘结锚固的极限强度公式，试验也为有关规程的修订提供依据。

1 试验概况

1.1 材料性能

试验所用水泥采用普通硅酸盐42.5R级水泥，粉煤灰为Ι级粉煤灰，基准粗骨料粒径为5～16 mm，后掺粗骨料粒径为10～20 mm，细集料为河砂(中砂)，水为自来水，减水剂采用ViscaCrete3301聚羧酸高效减水剂。配合比为(水泥+粉煤灰)∶砂子∶石子∶水∶减水剂=1∶1.4∶2.99∶0.49∶0.006。后掺粗骨料体积含量(即后掺率)分别为0、10%、20%、30%。

表1 后掺骨料混凝土拉拔试件参数

每个后掺率混凝土试块预留6个边长150 mm的立方体试块作对比，利用预留试块分别测得各后掺率下的混凝土抗压强度和劈拉强度。本试验纵向钢筋采用HRB400热轧钢筋，并对其进行抗拉试验。

1.2 拉拔试验设计

考虑混凝土强度、后掺率、钢筋直径、锚固长度、保护层厚度和配箍率的不同，共设计了14组试验，每组3个共42个试件，拉拔试件参数见表1。采用中心拉拔试验，试件的尺寸如图1所示。

图1 钢筋拉拔试验示意(单位：mm)

试验在大连理工大学结构试验大厅的MTS液压伺服试验机进行。为了测得加载端和自由端的位移，在相应位置安装位移计，位移计的数据用IMC动态数据采集系统自动采集。

2 试验结果及分析

2.1 粘结强度

假定在整个钢筋埋置长度范围内粘结应力均匀分布[9]，按下式求出平均粘结应力

τ=P/(πdla)

(1)

式中，P为加载力；d为钢筋直径；la为钢筋在后掺骨料混凝土中的锚固长度。

2.2 破坏形式

后掺骨料混凝土粘结锚固破坏与普通混凝土相似，可归纳为3类，分别是：①劈裂破坏型。主要发生在无横向配筋试件以及少箍试件，此类试件破坏突然，并发出劈裂声响，试件被劈裂成2块。τ-s曲线几乎无下降段，为脆性破坏，如图2a所示。从破坏截面可以观察到，后掺混凝土从骨料边缘断开。②劈裂-剪切破坏型。锚固长度较短属此类型，随着劈裂的纵向延伸，破坏时发出劈裂声响，肋前混凝土逐渐挤碎，最终在裂缝贯通锚长后，咬合齿被剪断而破坏，破坏后试件不会被劈开，仍保持为一整体。③剪切破坏型。在拉拔过程中，混凝土始终未劈裂，也未发出劈裂声响，如图2b所示，厚保护层或密箍试件将发生此类破坏。

图2 钢筋与后掺骨料混凝土粘结滑移破坏特征

2.3 粘结滑移曲线

由于每组试件的粘结-滑移曲线相似，故本文在每组试件中仅选取其中1个试件的粘结-滑移曲线作分析，各类试件的粘结-滑移曲线如图3所示。由图3可知，后掺骨料混凝土与钢筋之间的粘结破坏过程与普通混凝土总体上相似，也可分为5个阶段，即微滑移段、内裂滑移段、拔出阶段、下降阶段和残余阶段[10]。

图3 粘结强度-滑移曲线

3 粘结锚固强度的分析

3.1 锚固条件对粘结锚固强度的影响

3.1.1轴心抗拉强度

不同后掺率导致混凝土强度的不同，随着混凝土抗拉强度ft的增大，延迟了拔出试件的内裂和劈裂应力，提高了极限粘结强度τu和粘结刚度。对10组试件进行轴心抗拉试验，将试验值用最小二乘法回归计算，得到τu=4.99ft，绘制回归曲线如图4所示，试验值与计算值的相关系数为0.766。

图4 混凝土强度的影响

与普通混凝土相比，后掺骨料混凝土搅拌地更加均匀，水泥水化更充分，可使粗骨料得到更好的包裹。此外粗骨料的增多对裂缝发展有延缓作用，故后掺骨料混凝土与钢筋有可靠的粘结。

3.1.2保护层厚度

混凝土保护层厚度为c，与钢筋直径d相比，相对保护层厚度为c/d，研究c/d对变形钢筋的影响。变形钢筋锚固破坏的显著特点是以劈裂为保护层先导，保护层越厚，对劈裂约束作用就越大。但这种增加并不是无限的，到一定限度(c/d≥6)后不再增大[11]。此时，试件不再是劈裂破坏，而是钢筋沿横肋外围切断混凝土而拔出，故粘结强度τu不再增加。在临界保护层厚度以内，粘结强度随保护层增加大体呈线性提高。为简化计算，利用最小二乘法作线性回归曲线，可得τu=(2.85+0.58c/d)ft，其中，当c/d≥6时，取c/d=6。图5为拟合的回归曲线，试验值与计算值的相关系数为0.781。

图5 保护层厚度的影响

3.1.3锚固长度

图6 锚固长度的影响

3.1.4配箍率

由试验结果可知，后掺骨料混凝土的粘结强度随着配箍率的提高而不断增加，无横向配筋的试件往往一达到劈裂强度就发生脆性断裂，粘结强度无法继续提高，而横向箍筋对握裹层混凝土提供了一种侧向约束作用。当劈裂达到试件表面时，箍筋应力剧增，限制了劈裂的纵向发展，同时也使得钢筋横肋的挤压力在环向均匀变化。此时，粘结应力的增量并不完全取决于肋前混凝土的强度，更依赖于劈裂后所受横向约束程度的大小。在锚固钢筋外围混凝土劈裂到混凝土齿状锥体被剪断，防止了锚固试件的脆性崩裂，使曲线τ-s有较平缓的下降段，最终因咬合齿剪断而进入残余锚固力。

3.1.5钢筋直径

在后掺骨料混凝土中，粘结强度随直径的增大而减小。因粗钢筋的肋高和肋距都加大，肋前挤压较直接作用在骨料上，剪切滑移面上骨料所占的面积比增大，加大了骨料传递肋前挤压的比例。故后掺骨料混凝土粘结锚固对钢筋直径较为敏感，在取锚固设计长度时应对粗钢筋进行锚固长度修正。

3.2 粘结锚固的极限强度

粘结锚固的极限强度τu具有实际工程意义。根据试验分析，在考虑混凝土抗拉强度ft、相对保护层厚度c/d、配箍率ρsv、相对锚固长度la/d等锚固条件的影响后，可得特征粘结锚固强度经验公式为τu=(0.32+3.56d/la)(2.92+0.47c/d+51.68ρsv)ft。

4 结 论

通过试验可知，后掺骨料混凝土与钢筋的粘结强度有不同程度的提高，粗骨料后掺率为20%的粘结强度达到最大。螺纹钢筋与后掺骨料混凝土的粘结破坏形式主要为劈裂破坏，有箍筋横向约束时为剪切破坏。从混凝土和钢筋的粘结滑移曲线可以看出，后掺骨料混凝土和普通混凝土类似，都经历了微滑移段、内裂滑移段、拔出阶段、下降阶段和残余阶段。在临界保护层厚度以内，粘结强度随保护层增加大体呈线性提高；随着锚固长度的增大，钢筋与后掺骨料混凝土拉拔的极限荷载会增大，但是粘结强度会减小；随着配箍率的提高，钢筋与后掺骨料混凝土的粘结强度会增大。