改性环氧涂层钢筋混凝土粘结性能及梁抗弯性能试验研究

2021-01-28张君博商怀帅王永峰李莉王玉广贾军明

中国港湾建设 2021年1期

张君博，商怀帅，王永峰，李莉，王玉广，贾军明

（1.青岛市人民防空办公室，山东青岛 266071；2.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033；3.青岛市人民防空工程质量监督站，山东青岛 266071；4.青岛市建筑材料研究所有限公司，山东青岛 266011）

0 引言

环氧涂层钢筋具备很多优点，但是，其粘结力较差，开裂后裂缝会稍宽等[1-2]。这制约了环氧涂层钢筋的推广和防腐效果[3]。石墨烯具有许多优异性能，包括良好的热学以及抗腐蚀性[4-5]，可用石墨烯做改性环氧树脂材料[6]。Ziat 等[7]研究发现：改性环氧涂层具有高疏水性、良好的机械性能和阻隔性能，并且涂层防腐性能优异。刘栓等[8]研究了改性环氧涂层的摩擦磨损性能，发现石墨烯的加入会使涂层的抗磨减摩性能得到巨大的提升。由此可见改性环氧涂层有着广阔的应用前景。

目前关于改性环氧涂层的研究还仅限于涂层自身，尚无将改性环氧涂层钢筋应用于混凝土结构中的研究。使用其他材料制作的涂层钢筋与混凝土间粘结性能的研究已有不少，但是关于涂层钢筋在混凝土构件中的研究却很少[9-10]。基于此，本文通过中心拔出试验和梁正截面抗弯试验，研究了改性环氧涂层钢筋与混凝土的粘结性能，然后通过梁的正截面抗弯试验，比较改性环氧涂层钢筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁在破坏性形态与承载能力方面的相同点与不同点。

1 试验概况

1.1 中心拔出试验

1.1.1 试验材料及性能指标

本试验所用改性环氧树脂由青岛理工大学材料试验室制备，先利用改性Hummers 法得到氧化石墨，通过水浴还原法制备出石墨烯溶液，烘干研磨后得到石墨烯；最后，通过原位聚合法将质量分数为0.1%的石墨烯掺入环氧树脂中获得改性环氧树脂。

本试验选择了直径为14 mm、18 mm、22 mm、25 mm 的4 种HRB400 热轧带肋钢筋，改性环氧涂层和无涂层2 种类别。为确保各组钢筋的涂层厚度一致，每根钢筋选取6 个点测量涂层厚度，钢筋材料参数见表1。每根钢筋长度为600 mm，钢筋端部用角磨机打磨平整。本次试验采用青岛生产C30 预拌混凝土，具体配合比及材料性能见表2。

表1 钢筋材料参数Table 1 Rebar material parameters

表2 混凝土配合比及材料性能Table 2 Concrete mix ratio and material properties

1.1.2 试件设计与制作

首先制作尺寸为150 mm伊150 mm伊150 mm 的钢筋混凝土中心拔出试件（见图1），养护完成后进行中心拔出实验。钢筋粘结段长度为5d（d 为钢筋公称直径）；钢筋加载端和自由端长度分别约为350 mm、100 mm。PVC 管与钢筋之间的缝隙用树脂密封。本试验共制作8 组试件，每组3 块共24块。试件编号其中a 表示无涂层，b 表示含0.1%环氧树脂的石墨烯。

1.1.3 加载方式

本试验依据GB 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》进行。在试验前期，采取分级加载的方式，每一级荷载增加2 kN，加载后持荷30 s，当达到极限荷载后改用位移控制加载，直到试件被拉坏。

图1 中心拔出试件尺寸图Fig.1 Dimensional drawing of the center pull-out specimen

1.2 钢筋混凝土梁抗弯试验

1.2.1 试验设计

本试验制作普通钢筋混凝土梁和改性环氧涂层钢筋混凝土梁各1 根，编号分别为RCB1 和RCB2；纵向受拉钢筋的保护层厚度为25 mm；混凝土强度等级为C30，试件尺寸及配筋如图2 所示。在浇筑梁试件时，同时浇筑6 个尺寸为150 mm 的立方体试块，并在相同温度、湿度条件下进行养护，以检验混凝土的抗压和劈裂抗拉强度，试件的基本参数见表3。

图2 梁配筋图（mm）Fig.2 Beam reinforcement diagram(mm)

表3 试件基本参数Table 3 Basic parameters of test piece

1.2.2 试件加载及测点布置

集中载荷施加在梁的三分点处，并通过分配梁传递到试验梁，在试验梁的跨中处形成一个600 mm 的纯弯段。位移传感器被布置在梁两端的支撑处、集中载荷处和梁的跨中，在每个纵向受拉钢筋的跨中布置应变片。正式加载之前先进行预加载，每级加载完成后，用ZBL-F800 裂缝综合测试仪来观察裂缝的产生与发展，并测量裂缝的宽度。

2 试验结果及分析

2.1 中心拔出试验

2.1.1 极限粘结强度和峰值滑移量

当粘结段长度小于一定值时（一般为5d），一般可认为粘结应力沿钢筋纵向均匀分布，其粘结强度可由式（1）进行计算。

式中：F为钢筋拉拔力，kN；滋s为钢筋周长，m m；la为锚固长度，mm。

极限粘结荷载、极限粘结强度和峰值滑移量的取值均为同组3 个试件的中间值，见表4。

表4 中心拔出试验数据Table 4 Center pull-out test data

依据试验结果可知：直径为14 mm 的改性环氧钢筋混凝土间极限粘结强度为钢筋混凝土间极限粘结强度的89.66%，直径为22 mm 的改性环氧钢筋混凝土间极限粘结强度为钢筋混凝土间极限粘结强度的73.40%；可见钢筋与混凝土间的极限粘结强度能够被环氧涂层所降低。这一结论与文献[11]一致。Choi 等[12]的试验结果也表明：钢筋直径越大，环氧涂层钢筋混凝土间粘结强度的降低程度也越大，这与本文试验结果一致。

2.1.2 粘结-滑移曲线

粘结滑移曲线大致可以分成4 个阶段，其中劈裂破坏没有下降段，其发生过于突然，所以未能测出其下降段。

以直径为14 mm 的钢筋混凝土试件为例，其粘结-滑移曲线见图3，可分为以下4 个阶段：

1）加载初期：钢筋还未产生相对滑移，各组试件呈线性增长，其中涂层钢筋线性段相对较短。2）滑移阶段：滑移段非线性增长，但曲率却很小；其中环氧涂层钢筋的滑移段较平缓。3）劈裂阶段：此阶段的曲线更为平缓，拔出破坏试件中，涂层钢筋的劈裂段长度较长。其余各试件中，涂层钢筋制作的试件没有采集到明显劈裂段。4）下降段：当荷载达到最大值后，开始大幅下降并最终趋于稳定，但滑移值却大幅增加，最后钢筋被缓缓拔出，此阶段，钢筋混凝土间粘结力主要由咬合力提供。

图3 直径为14 mm 钢筋对粘结-滑移曲线的影响Fig.3 The influence of a 14 mm diameter rebar onthe bond-slip curve

2.2 钢筋混凝土梁抗弯试验

2.2.1 破坏形态

2 根试验梁均发生弯曲破坏，破坏过程基本相同。在加载初期，梁处于弹性阶段，在同一高度处二者应变相近；当荷载加至（0.15~0.2）Pu（Pu为实测极限荷载）时，在梁跨中处，会出现1~3 条垂直裂缝，并且裂缝高度在1/3 梁高左右；荷载达到0.4Pu时，纯弯段裂缝基本出齐，此后裂缝高度发展缓慢；继续施加荷载，受压区混凝土被压碎，此时在其下方会出现新的裂缝，同时梁底也会产生数条贯通裂缝；卸载后，试验梁出现回弹。

2.2.2 裂缝间距及裂缝宽度

图4 为RCB2 试验梁的裂缝分布图，经统计分析改性环氧涂层钢筋混凝土梁纯弯段竖向裂缝的平均间距为122 mm ，普通钢筋混凝土梁纯弯段竖向裂缝的平均间距为109 mm。对于平均裂缝间距，改性环氧涂层钢筋混凝土梁纯弯段大于普通钢筋混凝土梁纯弯段，增大约11.9%。薛伟辰[10]和聂永明等[13]对环氧涂层钢筋混凝土梁进行了抗弯性能试验，其中聂永明等[13]发现配环氧涂层钢筋后，梁构件的平均裂缝间距约增大10.8%；薛伟辰[10]得出环氧涂层钢筋混凝土梁的裂缝间距比普通梁试件大10%左右；上述结论与本文试验所得结果基本一致。从图5 中可以发现，在正常使用阶段普通梁构件的裂缝宽度要小于涂层梁，这表明改性环氧涂层钢筋与混凝土间的粘结稍差。