高温后钢筋与玄武岩纤维混凝土黏结性能

2021-04-29赵燕茹石国星

科学技术与工程 2021年9期

赵燕茹，刘明，王磊，石国星

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特 010051； 2.内蒙古电力(集团)有限责任公司培训中心，呼和浩特 010010)

随着社会的发展，应用钢筋混凝土结构的建筑越来越广泛，目前最重要的是提高钢筋混凝土结构的工作性能来确保人们的生命财产安全。钢筋混凝土要拥有良好的工作性能的前提就是要有良好的黏结性能，许多学者就怎样改善钢筋与混凝土之间的黏结性能问题展开了研究。吴立朋等[1]通过在混凝土中加入适量粉煤灰发现适量粉煤灰的加入可以改善钢筋混凝土的黏结性能，而且运用声发射和交流阻抗谱技术可定量分析黏结损伤的发展。Zhang等[2]发现地质聚合物钢筋混凝土与普通钢筋混凝土相比能表现出更好的黏结性能。但是钢筋混凝土结构在火灾高温等情况下，其黏结性能会发生显著的变化[3-6]，使得钢筋混凝土结构的稳定性、耐久性降低。研究发现混凝土中加入纤维可改善混凝土的抗高温性能以及提高钢筋与混凝土之间的黏结性能[7-9]。陈良豪[9]研究了高温后掺聚丙烯纤维高性能混凝土的黏结性能，发现在高性能混凝土中掺入适量聚丙烯纤维不仅能有效提高钢筋与混凝土的极限黏结强度而且对混凝土的延性也有一定的提升。王邦[8]研究了高温后钢筋与钢纤维混凝土黏结性能，发现在混凝土中加入钢纤维对混凝土的强度和钢筋与混凝土的黏结性能有明显的提高和改善作用，但是随着温度的升高，钢筋与钢纤维混凝土的初始黏结强度和极限黏结强度逐渐降低，两者呈现负相关。

玄武岩纤维是将玄武岩经过1 500 ℃左右高温熔融后通过铂铑合金拉丝漏板拉制而成，其本身就具有耐高温、耐腐蚀、强度高等特点[10]，而且价格低廉容易获取，所以应用到混凝土中可以提高混凝土的高温力学性能和耐久性。王振山等[10]研究了玄武岩纤维混凝土的力学性能，发现在混凝土中加入少量玄武岩纤维对混凝土的抗裂性能和耐久性有显著的提高，而且对混凝土耐碱腐蚀性能也有所提升，但过量纤维的加入，混凝土的力学性能并没有得到明显的提升。赵燕茹等[11]研究了玄武岩纤维混凝土高温后力学性能，结果表明：在20～200 ℃时玄武岩纤维混凝土的抗压强度有所提高，但抗折强度下降，在400～800 ℃时温度的升高与抗压强度和抗折强度呈正相关，与抗压峰值应变和温度呈负相关。

然而，目前对于玄武岩纤维混凝土的高温黏结性能研究较少。故现通过光圆钢筋与玄武岩纤维混凝土的拉拔试验，研究不同温度和纤维掺量对其黏结性能的影响规律。

1 试验方法

1.1 试验材料及配比

采用P·O42.5的普通硅酸盐水泥；拌合水采用呼和浩特市生活用水；细骨料采用天然水洗河沙，密度为2.65 g/cm3；粗骨料选用粒径范围为5～20 mm，密度为2 800 kg/m3的碎石，级配连续；试件的强度等级为C30，其配合比为水泥489 kg/m3、粗骨料1 160 kg/m3、沙子592 kg/m3、水245 kg/m3、水灰比0.5、砂率0.35%。选用长度为18 cm、密度为2.75 g/cm3的玄武岩纤维，其抗拉强度为4 256 MPa，弹性模量为105 GPa，断裂伸长率为3.1%，4种不同体积掺量分别为0、0.2%、0.4%、0.6%；采用HPB300钢筋，其直径为14 mm，截面面积为153.86 mm2，屈服强度为356.5 MPa，抗拉强度为499.1 MPa，伸长率为20.4%。

1.2 中心拉拔试件制备

在制作中心拉拔试件之前，先对试验用钢筋进行除锈处理，将钢筋浸泡在草酸溶液中，每隔20 min检查一次钢筋的除锈程度，然后将除完锈的钢筋用清水清洗干净并在室外通风处快速晾干，放置于室内干燥环境中备用。

制作中心拉拔试件：首先，用电工胶布将靠近加载端部分的钢筋进行缠绕，然后用PVC管套在该加载端部分的钢筋上，目的是为了使黏结长度更加准确以及防止出现较大的应力集中，PVC管距离钢筋自由端70 mm(即5倍钢筋直径)，如图1所示。缠绕电工胶布的目的一是为了浇筑混凝土时防止混凝土进入钢筋的非黏结区域，二是为了固定PVC管，同时保证试验的准确性。

1.3 高温试验

高温试验使用的是额定功率为30 kW的高温炉，升温制度依据国际标准升温曲线ISO-834[式(1)]进行，当试件温度达到(200、400、600、800 ℃)目标温度时恒温120 min，然后自然冷却到室温。

T-T0=3 45lg(8t+1)

(1)

式(1)中：T为t时刻的目标温度，℃；T0为试验初始温度，本试验采用室温 20 ℃；t为升温时间，min。

由于试件内部有钢筋，在高温环境下钢筋的升温速度远大于混凝土的升温速度，于是制备了直径为22 mm贯穿孔隔温立方体试块，防止钢筋直接暴露在高温环境下，并且在试件和隔温立方体之间放置石棉布，以保证钢筋与混凝土的升温速度一致。

1.4 中心拉拔试验

中心拉拔试验采用的是HWG-1型钢筋混凝土握裹力测定仪，加载试验机为100 kN微机控制电子万能试验机，光圆钢筋试件的加载速率为0.2 mm/min。加载示意图如图2所示。

图2 中心拉拔试件加载示意详图Fig.2 Central drawing specimen loading detail schematic detail

2 黏结破坏过程分析

钢筋与混凝土之间的黏结力主要由三方面构成[12]：①混凝土中的水泥胶体在化学作用下产生与钢筋之间的胶结力，记作Fp；②混凝土收缩与钢筋产生相对滑移从而生成的摩擦力，记作Ff；③滑移时混凝土与钢筋表面凹凸挤压而生成的机械咬合力，记作Fj。因此，光圆钢筋与混凝土之间黏结力可表示为

P=Fp+Fj+Ff

(2)

所以，钢筋与混凝土之间的平均黏结应力可用式(3)计算，由平均黏结应力和钢筋滑移量s即可确定黏结滑移曲线。

(3)

式(3)中：τ为平均黏结应力，MPa；d为光圆钢筋直径，mm；l为钢筋与混凝土黏结长度，mm。

图3为光圆钢筋与混凝土之间典型的黏结-滑移曲线。由图3可知，黏结滑移曲线可分为OA、AB、BC、CD4个阶段。

图3 光圆钢筋典型黏结-滑移曲线Fig.3 Typical bond-slip curve of circular steel bar

2.1 第一阶段：上升阶段(OA)

OA段可视为垂直上升阶段，在开始加载阶段钢筋的加载端开始受力，由于钢筋受到与混凝土之间的化学胶结力以及混凝土对钢筋的束缚作用，使得钢筋在加载前期产生的位移很小，由图3中可以看到OA段的开始部分接近垂直，此时黏结力P=Fp。随着加载的进行，黏结力沿钢筋黏结长度方向出现分布不均匀[13]，在加载端处钢筋与混凝土之间出现了微小滑移，并且在靠近加载端的区域发现了混凝土“局部脱黏”现象，在脱黏的光圆钢筋表面会发现有许多已硬化的水泥浆颗粒紧固的黏结在钢筋表面，在荷载作用下这些水泥浆颗粒会与混凝土之间产生挤压和摩擦，因此加载区的黏结力是由钢筋与混凝土之间的机械咬合力和摩擦力构成，因为产生的滑移非常小，所以加载端的黏结力非常小。在加载端产生滑移部分的其他区域(包括自由端)由于没有滑移的产生所以黏结力仍为化学胶结力，而且化学胶结力要远远大于加载区由于微小滑移而产生的机械咬合力和摩擦力，所以总体上在OA段的黏结力主要是化学胶结力构成。

2.2 第二阶段：劈裂阶段(AB)

随着加载端荷载的不断增加，钢筋与混凝土之间产生相对滑移，所以钢筋与混凝土之间的化学胶结力失效，即Fp=0，此时黏结力由机械咬合力Fj和摩擦力Ff构成。随着滑移的持续增加，钢筋表面的水泥浆颗粒被挤压减少，引起机械咬合力Fj的增加速度减小，当机械咬合力达到最大值时黏结力达到最大。

2.3 第三阶段：下降阶段(BC)

由第二阶段分析可得，当滑移持续增加时钢筋在混凝土中发生剥离，其表面的水泥浆颗粒逐渐磨平减少，机械咬合力Fj严重下降，黏结力下降，所以在BC阶段黏结力主要是由滑动摩擦力Ff构成。摩擦力表达式为

F=μN

(4)

式(4)中：μ为动摩擦因数；N为混凝土与钢筋之间的正压力。

其中动摩擦因数μ与物体表面的光滑程度有关，随着滑移的增加，水泥浆颗粒被持续磨平，动摩擦因数μ逐渐减小，混凝土与钢筋之间的压力也减小，则动摩擦力也随之减小，所以BC段逐渐下降，τ-s曲线的斜率变为负值。

2.4 第四阶段：残余阶段(CD)

由第三阶段分析可知，随着滑移的持续增加，钢筋与混凝土之间的挤压持续减小使得机械咬合力逐渐减小至0，此时黏结力主要由滑动摩擦力构成。因为钢筋与混凝土之间的水泥颗粒被磨平，所以动摩擦因数μ逐渐下降至不变，滑动摩擦力也接近为定值。曲线CD段逐渐下降至平缓。所以此阶段的黏结力主要是由Ff摩擦力构成。

3 温度对黏结性能的影响

3.1 温度对黏结-滑移曲线的影响

不同温度下的光圆钢筋与混凝土黏结滑移曲线如图4所示。从图4中可以看到，随着温度的升高，光圆钢筋与混凝土的黏结滑移曲线整体先升高后降低，200 ℃时曲线最高，800 ℃时曲线最低，而且温度为20、200、400 ℃的黏结滑移曲线有明显的4个阶段，而温度为600、800 ℃的黏结滑移曲线没有明显的4个阶段。温度为20、200、400 ℃时的黏结滑移曲线有明显的4个阶段，这是因为在温度相对较低时，对混凝土造成的损伤比较小。

图4 不同温度下光圆钢筋与混凝土黏结-滑移曲线Fig.4 Bond-slip curve between circular reinforcement and concrete at different temperatures

在黏结滑移过程中3种黏结力在不同阶段表现不同。第一阶段，加载前期混凝土与光圆钢筋接触较为紧实，并没有发生相对滑移，此阶段黏结力为化学胶结力，所以黏结滑移曲线在第一阶段近似垂直上升。第二阶段，随着滑移的逐渐增加，混凝土与钢筋之间的化学胶结力失去作用，所以黏结力为机械咬合力和摩擦力。因为在400 ℃以下时混凝土内部水化产物分解较少，基体损伤较小，结构还较为密实，并且钢筋表面还存有着许多水泥浆体颗粒，随着钢筋与混凝土的相对滑移不断增加，机械咬合力和摩擦力也不断增大，所以宏观的表现在黏结滑移曲线上即为第二阶段较高。在第三阶段、第四阶段，黏结力主要是由摩擦力Ff构成，20、200、400 ℃时,由于钢筋表面还存在着部分水泥浆体颗粒，随着滑移的增加这些颗粒被磨平，滑动摩擦因数变为定值从而黏结滑移曲线变为平缓。

温度为600 ℃和800 ℃时的黏结滑移曲线没有明显的4个阶段，这是因为在高温作用下，混凝土的强度损失严重[14]，所以混凝土与钢筋之间的三种黏结力在不同阶段也受到较大的影响。在第一阶段，600 ℃时混凝土中的水化产物分解使混凝土的结构疏松，其化学胶结力Fj减小，所以表现在曲线上只有很小的一段。800 ℃时，在高温作用下混凝土内部的水化产物的大量分解，混凝土基体结构损伤严重，整体性和致密性严重降低，致使混凝土与钢筋之间的机械咬合力和化学胶结力失去作用，仅存在有部分滑动摩擦力，所以在800 ℃时黏结滑移曲线的第一阶段近似没有。在第二阶段，随着滑移的继续增加，混凝土与钢筋之间的化学胶结力失去作用，600 ℃的黏结力是由机械咬合力和摩擦力构成，但是由于混凝土内部部分水化产物的分解造成混凝土整体性和结构致密性降低，机械咬合力较小，所以600 ℃的第二阶段相对于其他温度(800 ℃除外)较小。800 ℃时由于大量的水化产物分解使得混凝土与钢筋的机械咬合力失效，所以在黏结滑移曲线上没有第二阶段。在第三阶段、第四阶段黏结力主要是由摩擦力Ff构成，600 ℃时由于部分水化产物的分解以及钢筋表面水泥浆体颗粒的“磨平”，使得动摩擦因数较小，动摩擦力较小，所以在黏结滑移曲线上表现出较小的平滑曲段，800 ℃时由于高温作用已经使混凝土结构变得“松散”，再加上随着滑移的增加，钢筋表面的水泥浆体颗粒减少，使得动摩擦因数缓慢减小直到变为定值，使得黏结应力较小且近似为定值，所以在黏结滑移曲线上在800 ℃时近似显示为一条直线。

3.2 温度对极限黏结应力的影响

从图5中可以看到，随着温度的升高极限黏结应力先增大后减小，而且在温度为200 ℃时极限黏结应力达到最大值，400～600 ℃极限黏结应力下降速率达到最大，800 ℃时极限黏结应力达到最小值。这是因为在温度为200 ℃左右时，混凝土内部未水化的水泥颗粒充分水化，使得混凝土的化学胶结力增大以及结构更加紧密，而且在这个阶段的光圆钢筋表面的水泥浆颗粒与混凝土之间的挤压应力增大使机械咬合力增大，在这两种因素共同作用下，200 ℃时极限黏结应力达到最大，极限黏结应力损失率达到最小。在400～600 ℃时，混凝土内部的部分水化产物分解造成机械咬合力减小，钢筋表面的水泥浆颗粒随着荷载和滑移的增加逐渐“磨平”，最终造成极限黏结应力下降速率最快，即极限黏结应力损失速率达到最大。在800 ℃时由于高温作用导致混凝土内部水化产物严重分解，使混凝土变得非常“酥脆”，加载端不能承受较大的荷载，使得极限黏结应力达到最小值，即极限黏结应力损失率达到最大值。

图5 不同温度作用后极限黏结应力变化与极限黏结应力损失率(未添加纤维)Fig.5 Change of ultimate bond stress and ultimate bond stress loss rate after different temperature action (no fiber added)

4 纤维掺量对黏结性能的影响

4.1 纤维掺量对黏结破坏过程的影响

图6为5种温度下不同纤维掺量的黏结-滑移曲线图。从图6中可以看到，掺入纤维在不同阶段对黏结滑移曲线的影响也不同。对于第一阶段，不同温度下各纤维掺量的黏结滑移曲线图形相差不大，这是因为在第一阶段黏结力主要是由化学胶结力构成的，而化学胶结力是由水泥凝胶体黏结在钢筋表面形成的化学吸附力，所以此时的黏结力与纤维的掺量多少没有很大的关系，所以各纤维掺量相差不大。

图6 不同温度、纤维掺量下，光圆钢筋与混凝土的黏结-滑移曲线Fig.6 Bond-slip curves between plain bar and concrete under different temperature and fiber content

对于第二阶段，通过不同纤维掺量的对比发现，温度20、200、400 ℃下纤维掺量为0的黏结滑移曲线最高，这是因为在第二阶段的黏结力主要是由机械咬合力和摩擦力构成，而纤维的加入会填充在水泥浆体中和钢筋表面的“小凹孔”，从而在加载过程中降低机械咬合力，降低黏结力，所以在第二阶段不掺纤维的混凝土的黏结滑移曲线表现得更好。600 ℃和800 ℃的第二阶段纤维掺量为0.2%的黏结滑移曲线最高，这是因为在高温作用下钢筋与混凝土之间的黏结应力急剧下降，而适量的纤维加入使得钢筋与混凝土之间整体性增加，混凝土不容易变得“酥脆”，使得黏结滑移曲线整体升高。

对于第三阶段和第四阶段，在不同的温度下不同的纤维掺量表现出不同的效果，在20 ℃时，随着纤维掺量的增加，黏结滑移曲线整体先降低再升高后降低；在200 ℃时，随着纤维掺量的增加，黏结滑移曲线整体先降低后升高再降低；在400 ℃时，黏结滑移曲线整体随着纤维掺量的增加先升高后降低。而此阶段的黏结力主要为摩擦力；在600 ℃和800 ℃时，由于高温作用使得黏结应力大大衰减，但整体上黏结滑移曲线随着纤维掺量的增加先升高后降低。总体上混凝土中加入适量纤维可以使混凝土有更好的抗拉性能，牢牢地包裹钢筋，从而产生更大的挤压力，增大摩擦力增大黏结力，而过量的增加纤维掺量会使纤维在混凝土中聚集粘连在一起不能更好地发挥作用，影响钢筋混凝土的黏结而表现出相反的效果。

4.2 纤维掺量对极限黏结应力的影响

5种同温度下不同纤维掺量的极限黏结应力如图7所示。从图7可知，极限黏结应力随着纤维掺量的增加整体上呈现下降趋势，在400、600 ℃时纤维掺量为0.2%情况下极限黏结应力达到最大值，再随着纤维掺量的增加逐渐下降。800 ℃的极限黏结应力随着纤维掺量的增加基本上没有变化，表明玄武岩纤维在800 ℃时对极限黏结应力没有发挥作用。在其他温度(400 ℃和600 ℃)时，适量增加玄武岩纤维有助于增大极限黏结应力，但是过量的纤维掺量会起到相反的作用效果。