不同功率微波照射下钢筋混凝土粘结滑移试验分析

戴 俊，冯昌超，李栋烁，黄斌斌

(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)

混凝土结构拆除技术已经成为当今城市地下工程领域和房屋加固领域的一个很重要的问题[1-3]，随着城市的快速发展，每年需要拆除大量的混凝土建筑，新旧混凝土建筑结构物的交替也势必更加频繁。而对于地下混凝土结构的拆除会经常遇到大型机械无法到达工作面的困难，人工拆除效率通常很低。因此迫切需要一种高效率的地下混凝土结构物的破碎拆除方法。

近年来，中外学者在钢筋混凝土拆除技术领域做了一定量的研究，当前研究较多的混凝土拆除技术有金刚石钢丝索切割技术、加热法拆除技术、高温火焰、等离子枪技术和电能破碎混凝土技术等[4-6]。也有部分学者在高温后对钢筋与混凝土粘结性能方面有一定的研究，研究表明：钢筋混凝土的整体粘结滑移曲线走势在高温条件下与常温条件下大致相同，曲线峰值粘结应力随着温度的升高而有所降低，相应的滑移量也持续减小[7-9]。Chiang等[10]通过研究不同温度下钢筋和混凝土粘结强度，得到了粘结强度和温度、加热时间的关系式。Hasan等[11]通过考虑保护层厚度、混凝土强度和温度等因素，对钢筋混凝土之间的粘结滑移关系进行了量化分析。综上所述，目前关于拆除钢筋混凝土结构的研究虽然很多，但仍然存在诸多缺点很难使其推广应用；而微波作为一种新型的破碎方法却主要停留在岩石破碎上，通过微波照射能损伤岩石并降低其强度[12-13]。微波辅助机械作为一种较完善的破碎拆除方法，不仅在破岩方面适用，而且对于城市狭窄区域以及特殊钢筋混凝土构筑物的拆除也适用；对于钢筋混凝土粘结性能方面研究，大多使用电炉加热试块[14-15]，加热速率慢且温度梯度低，火灾防护方面应用较多。为此，要想将微波辅助机械拆除混凝土技术更广泛地推广到工程应用上，必须在初期对微波照射下钢筋与混凝土之间的粘结损伤和破坏特征进行深入研究。鉴于此，在前人研究的基础上，选择钢筋混凝土为研究对象，对钢筋混凝土试件进行微波照射试验、对微波照射条件下钢筋混凝土试块的粘结强度衰减和破坏特征两方面展开研究，从理论上对微波照射钢筋混凝土粘结强度损伤进行分析，给出不同功率微波对应的粘结滑移本构方程，旨在为微波辅助机械拆除钢筋混凝土方面的研究提供理论与技术支撑。

1 试验部分

1.1 试件设计

本次混凝土强度等级为C30，参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)，经适配采用的混凝土配合比为：水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.46∶1.29∶1.93(质量比)。所需主筋和PVC(聚氯乙烯)套管均在大明宫钢材市场加工，其中主筋加工为250 mm每段共计50 段，PVC管加工为55 mm每段共计100 段。模具为150 mm立方体可拆卸塑料试模，因试块加入钢筋的特殊要求，需在试模对称两面中心钻直径为24 mm圆孔。制作试件之前，在试模上预先刷上隔离剂，混凝土是由JG 3036—96型单卧轴强制式混凝土搅拌机拌合而成，达到一定强度后拆模，相同条件下薄膜覆盖洒水养护28 d。一共制作15块边长为100 mm的立方体钢筋混凝土试块。

1.2 微波照射

将12块立方体钢筋混凝土试块分成4组，每组3个。分别采用0、1 500、3 000、5 000 W功率微波对4组钢筋混凝土进行5 min的照射。

1.3 加载试验

中心拉拔试验采用天水红山试验机有限公司生产的RFP-09型600 kN智能测力仪配合前述的拉拔夹具进行拉拔试验，试验机如图1(a)所示。通过调节控制使力以0.2 kN/s的速率加载，拉拔力和位移均由试验机传感器读出，开始加载之前对力值和位移值清零[图1(b)]。中心拉拔试验如图2所示。

图1 试验机图

图2 中心拉拔试验图

图3 微波照射后试件外部破坏照片

2 试验分析

2.1 破坏特性分析

微波照射后钢筋混凝土中心拉拔试验与常温试件类似，钢筋混凝土拉拔试件出现三种破坏模式，分别为劈裂破坏、劈裂-拔出破坏和拔出破坏。将钢筋混凝土中心拉拔试件中破坏模式具有代表性的5种微波功率下试件试验后试块外部破坏照片进行整理，如图3所示，可以很明显地看到钢筋拔出现象，黄色箭头指向试件表面劈裂裂缝处(只有发生劈裂现象的试件才存在箭头)。

由图3可以看出，在常温情况下，由于钢筋混凝土的劈裂抗拉强度未超过粘结区钢筋周围混凝土受到的环向拉应力，钢筋拔出时试块发生较为明显的劈裂破坏；当用1 500 W的微波照射后，钢筋和混凝土之间的咬合作用已经有了一定程度的削弱，拉拔后混凝土钢筋拔出面出现三条劈裂裂缝，大致呈120°左右环绕分布在钢筋端的周围，这时劈裂裂缝依然比较清晰且数量较多，但依然没有发生较大的贯穿裂缝现象，而且试块本身较为完整，再者与常温拉拔试验后的试块相比，这种劈裂现象有所减弱，且已经出现少量的钢筋拔出痕迹，试块发生拔出-劈裂破坏；当用3 000 W微波照射后，试件的破坏现象与1 500 W时较为相似，也是劈裂-拔出破坏，只是这时裂缝宽度与数量逐渐减少；当用微波功率为5 000 W的微波照射后由于钢筋和混凝土的粘结作用削弱程度进一步增大，试块只发生拔出破坏，而且未产生任何宏观裂缝。

为了进一步研究钢筋混凝土内部粘结面处的破坏情况，分别将0、1 500、3 000、5 000 W微波照射条件下在拉拔实验中破坏的试件剖开并对钢筋混凝土粘结界面进行观察，如图4所示。

图4 微波照射后试件内部粘结面处破坏照片

由试件内部钢筋与混凝土粘结面处的破坏图像可以看出：无微波照射时发生劈裂破坏的试件内部混凝土粘结面上的钢筋肋痕比较清晰，混凝土机械咬合齿并未发生断裂，由此可以推测钢筋拔出时的大部分位移都发生在试块内部发生裂纹之后，并且位移发生时钢筋肋与混凝土机械咬合齿已经分离；1 500 W微波照射条件下发生拔出-劈裂破坏的混凝土内部粘结面处的钢筋肋痕已经开始模糊，混凝土机械咬合齿局部发生断裂，在粘结面处出现一条细裂缝沿钢筋纵向贯穿；3 000 W微波照射条件下试块内部的破坏情况与1 500 W条件下相似，而此时钢筋肋痕更加模糊，混凝土机械咬合齿断裂数量有所增大，沿钢筋纵向的裂缝在左侧部分几乎闭合，裂缝的开裂程度减弱；5 000 W功率微波照射条件下发生拔出破坏的试块内部混凝土机械咬合齿断裂程度达到最大，沿钢筋纵向已无任何细微裂缝。

2.2 粘结滑移曲线分析

在拉拔试验时，钢筋和混凝土在粘结区加载端的粘结应力通常大于自由端，粘结应力分布不均匀，本试验将粘结区最大平均黏结应力τu,a作为钢筋混凝土之间的粘结强度，计算式如下：

(1)

式(1)中:Fmax为试件破坏时荷载实测值，kN；d为钢筋公称直径，mm；la为钢筋混凝土粘结长度，mm。对于本试验中的钢筋混凝土试块，在钢筋产生不大于105 mm滑移时，粘结区钢筋长度恒定保持为40 mm，因此可认为试验中la为定值。

对于粘结滑移曲线模型，通常将曲线简化为多段折(曲)线，目前已经有多种简易模型，如3段式、4段式、5段式和6段式等。在确定若干个粘结应力和滑移特征值后以折线或者简单的曲线相连即可构成较为完整的粘结滑移本构模型，本试验采用模式根据规范CEB-FIPMC90建议的4段式模型。如图5所示为0、1 500、3 000、5 000 W功率微波照射后的钢筋混凝土试件粘结-滑移曲线。如图6所示为微波照射后试件粒结-滑移曲线汇总图。

图5 微波照射后试件粘结-滑移曲线

图6 微波照射后试件粘结-滑移曲线汇总图

由图6可知，不同功率微波照射后钢筋混凝土试块拉拔实验中的粘结-滑移曲线整体走势比较相似，其拟合曲线均由初始滑移段、滑移段、下降段和残余段数据均值拟合且误差较小。具体来说，在初始滑移段，各组试件离散点的黏结强度随着滑移量的增加而增加，两者成线性关系；在滑移段各组试件离散点粘结强度仍然随着滑移量的增加而增加，但两者比值逐渐减小，在滑移段终点处的粘结强度即为极限粘结强度；而在下降段和残余段，试件离散点粘结强度均随着滑移量的增加而减小，在下降段两者比值逐渐增大，而在残余段两者比值则逐渐减少并趋于平稳。总体而言，微波照射下钢筋混凝土的粘结-滑移曲线与常温条件下粘结-滑移曲线走势一致，同时说明了微波照射条件下钢筋混凝土在拉拔试验中破坏的过程与常温条件下相比具有相似性。

虽然不同功率微波照射条件下粘结滑移曲线呈现出共同的规律性，但是不同曲线的峰值点和不同阶段的变化趋势均有所差异，为便于表述和进一步研究，首先对曲线关键点进行定义：初始滑移段和滑移段对应的滑移量临界点为A点，用SA表示，对应的初始滑移段极限黏结强度用τA表示；滑移段和下降段滑移量临界点为B点，用SB表示，对应的整体极限黏结强度用τB表示；下降段和残余段滑移量临界点为C点，用SC表示，对应的残余段极限黏结强度用τC表示；残余段滑移量终点为D点，用SD表示，对应的整体残余黏结强度用τD表示。以0 W微波照射下的各试块临界粘结应力(分别记为τA0、τB0、τC0和τD0)为基准。

对于具体微波功率照射下的钢筋混凝土试块，各段对应的滑移量和粘结应力均有所差异，通过图6可以看出：随着微波功率的提高，SA、SB和SC均逐渐增大(由于试验中滑移量取值范围最大值约为24 mm，故认为SD不变)，τA、τB、τC和τD则均逐渐减小，粘结-滑移曲线从形态上来看逐渐由陡变缓，因此可以推测随着微波功率的增加，钢筋混凝土之间的粘结应力变化幅度逐渐减小，进而钢筋从混凝土中剥离时的受力也更加平均，这将有利于混凝土结构拆除实际应用过程中的冲击荷载的控制，减少由于突变力导致的结构破坏不确定性。

通过定量方式进一步确定不同功率微波照射条件下钢筋混凝土粘结应力的降幅情况如表1所示，可以看出：随着功率的逐步增加，混凝土试件各临界点处的粘结应力均有不同程度的降低。其中1 500 W功率微波照射下各点的粘结强度较无照射组基准值而言降幅较小，说明1 500 W功率微波在5 min内并不能有效地降低钢筋混凝土之间的粘结强度；而3 000 W功率微波照射下各点的粘结强度降幅较1 500 W而言有一定程度增加，降幅分别为65.4%、53.3%、61.2%和67.3%；5 000 W功率下各点粘结应力降幅分别为70.8%、60%、69.4%和79.6%，虽然5 000 W功率下各点粘结强度更低，但是相对于3 000 W功率微波照射下各点粘结强度而言降幅仅多了5.4%、6.7%、8.2%和12.3%，因此采用3 000 W功率照射钢筋混凝土试块不仅能使其粘结强度发生较大衰减，更能够获得更好的能效比，因此建议采用3 000 W功率微波照射。

表1 钢筋混凝土试块粘结应力统计表

3 结论

通过对钢筋混凝土试件进行不同功率微波照射后的中心拉拔试验，得到的有关结论如下。

(1)对不同功率微波照射后钢筋混凝土拉拔试验破坏形式进行统计分析，发现无微波照射条件下试块均发生劈裂破坏，0 W和3 000 W功率微波照射下试块破坏形式为拔出-劈裂破坏和劈裂破坏，5 000 W功率微波照射下试块发生拔出破坏。针对其破坏形式的差异性，认为钢筋与混凝土温度应力差造成机械咬合齿抗剪强度的降低是导致拉拔试验过程中破坏形式随着微波功率的增加而逐渐趋于拔出破坏的主要原因。

(2)对4种功率微波照射后钢筋混凝土拉拔试验粘结滑移曲线进行分析，认为整个拟合曲线均可由初始滑移段、滑移段、下降段和残余段4段组成。随着微波功率的提高，不同临界点对应的粘结强度虽然均有不同程度的降低，但是5 000 W功率微波照射条件下粘结强度降低幅度相比3 000 W时并不显著，可见采用3 000 W功率微波照射具有更好的能效比。