变形钢筋与再生混凝土粘结性能试验研究

安新正，王李鑫，蒋毓晋，张翠霞，刘浩楠

(河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)

将建筑垃圾制备成再生骨料应用于混凝土结构中，不仅可以缓解土木工程建设对天然河砂及石材资源的依赖，还可以减轻建筑垃圾的堆放对环境污染所造成的影响[1]。钢筋与再生混凝土间的粘结性能是钢筋再生混凝土结构安全设计的重要因素。目前，尽管众学者对钢筋与再生混凝土之间的性能进行了众多研究，但主要研究多集中在普通混凝土或者由再生粗骨料制备而成的再生混凝土与钢筋之间的粘结性能方面，如曹万林等[2]通过设计钢筋与混凝土粘结滑移性能试验，指出了再生骨料取代率、混凝土强度、钢筋直径以及钢筋外形是影响试件粘结滑移性能的重要因素；董宏英等[3]研究指出，随着再生粗骨料取代率的增加，钢筋与混凝土之间粘结强度减小；杨海峰等[4]通过进行同强度、不同再生粗骨料取代率的钢筋-混凝土中心拉拔试验，研究了不同再生粗骨料取代率、相对保护层厚度、配箍率等参数对再生混凝土与钢筋黏结强度的影响；国外学者Pandurangan等[5]设计试验并研究对比了不同混凝土与钢筋之间粘结强度。而对以再生细骨料作为细集料的再生混凝土材料的研究大多集中在材料性能方面，谭艺帅等[6]通过设计不同再生细骨料取代率的再生混凝土单轴受压试验，得出结论：随着再生细骨料取代率增大, 再生混凝土的抗压强度、弹性模量呈下降趋势，而峰值应变和极限应变增大；赵敏等[7]研究了再生细骨料取代率及预湿状态对再生保温混凝土抗压强度的影响，指出随着再生细骨料取代率的增加，再生保温混凝土的抗压强度先增后减。而以再生细骨料作为参量的再生混凝土与变形钢筋间粘结性能方面的相关研究较少。

为了研究以再生细骨料作为细集料的再生混凝土材料与变形钢筋间的粘结性能，本文以再生细骨料取代率及HRB400E月牙钢筋直径作为试验变量，设计制作了72个钢筋-再生混凝土立方体试件(粗骨料为再生粗骨料)，并通过对钢筋-再生混凝土试件进行中心拔出试验，较为系统地分析研究了再生细骨料取代率及钢筋直径对钢筋与再生混凝土粘结性能的影响规律，可为HRB400E月牙钢筋与再生混凝土在工程中应用提供理论参考。

1 试件设计、制作与试验

1.1 试件用原材料

1.2 中心拔出试件的设计与制作

1.2.1 试件设计

为了研究再生细骨料取代率β及钢筋直径d对钢筋与再生混凝土粘结性能的影响，本文设置再生细骨料取代率β=0%、30%、50%、100%和钢筋直径d=12、14、18 mm作为试验变量，依据 《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150―2017)[11]设计了12组共72个150 mm×150 mm×150 mm的中心拔出试件。在试件中心埋置HRB400E月牙钢筋，有效锚固长度5d，自由端和加载端均设置a(a与试验设计锚固长度有关，a=(150-5d)/2)长的PVC套管，并在管内灌入石蜡防止水泥浆进入。试件详细参数详见图1和表1。

以再生细骨料取代率为0时的再生混凝土试件作为基准试件，基准组再生混凝土的设计配合比为水泥：水：天然河砂：再生细骨料：再生粗骨料：减水剂：粉煤灰=390∶170∶720∶0∶1 130∶2∶21，其他组的再生细骨料用量按照取代率β利用质量法取代天然河砂，同时因再生骨料有较好的吸水性，配置再生混凝土时还需要考虑附加用水量[12]。试验所用的配合比详见表2。

表2 再生混凝土配合比

1.2.2 试件制作

依据再生混凝土配合比，计算并称量出各种材料用量，然后按照再生粗骨料、水泥、天然河砂、再生细骨料、粉煤灰的入料顺序将材料依次倒入强制搅拌机内干拌1 min，随后加入设计用水(包括附加水)与减水剂后再强制搅拌2 min。将搅拌好的再生混凝土浇筑到已涂抹脱模油并安装好钢筋的试模内，在混凝土振动台上振捣密实后放置到养护室内养护24 h后拆模、编号，然后标准养护28 d后备用。同时每组配合比再预留3个边长100 mm的立方体试件，以备测定再生混凝土的立方体抗压强度。

1.3 拔出试验的加载与量测方案

1.3.1 加载方案

中心拔出试验加载设备采用钢筋拉拔加载试验系统，加载方式分为荷载控制和位移控制，当加载值P≤拔出极限荷载Pu的80%时采用荷载控制的方法，加载速率取400 N/s；当加载值P>拔出极限荷载Pu的80%时采用位移控制的方法，加载速率取0.5 mm/s。当试验过程中出现再生骨料混凝土破裂，或者钢筋与再生骨料混凝土间相对位移较大时应停止加载。

1.3.2 量测方案

“三个一”精准化钻井实现了技术措施监控由事后处理向事前控制的转变。以往井队做出技术决策后对公司技术部门存在不报或瞒报问题，只有技术措施执行不下去或出现复杂故障的时候才向技术部门汇报。对此公司技术部门采取以下措施：

试验时，每个中心拔出试件的钢筋自由端及加载端与再生混凝土间的相对位移量采用高速高精度位移量测系统进行实时采集记录。每个中心拔出试件的拔出钢筋与再生混凝土间的平均相对位移值S依据式(1)计算得出[13]。

(1)

(2)

式中：P为施加在试件中心拔出钢筋上的拉拔力即时值，kN；d为试件中心拔出钢筋的公称直径，mm；La为试件中心拔出钢筋的有效粘结长度，mm。

(3)

式中：Pu,i为第i个试件的极限拔出力，kN；di为第i个试件中拔出钢筋直径，mm；La,i为第i个试件中拔出钢筋的有效粘结长度，mm。

2 试验结果与分析

2.1 平均粘结应力-滑移曲线

图2 不同条件下平均粘结应力-滑移曲线(-S)Fig.2 Bond stress-slip curves under different parameter (-S)

2.2 再生细骨料取代率对极限粘结应力的影响

图3 不同钢筋直径下随β的变化规律Fig.3 Regularity for change of with β under different steel bar diameters

2.3 钢筋直径对极限粘结应力的影响

图4 不同取代率β下随钢筋直径d的变化规律Fig.4 Variation of with diameter d of steel bar at different substitution rates β

(4)

图5 再生细骨料取代率β对再生混凝土抗压强度的影响Fig.5 Effect of RFA replacement rate β on recycled concrete compression strength

图6 相对粘结应力与钢筋直径关系曲线Fig.6 The Relation curve of relative bond stress and steel bars diameter

3 结论

1)HRB400E月牙钢筋与再生混凝土的粘结刚度的变化表现为：与天然河砂细骨料相比较，再生细骨料取代率在30%以内时，极限粘结应力与粘结刚度降低较小；当再生细骨料取代率超过30%时，极限粘结应力与粘结刚度则随再生细骨料取代率的增加而明显降低。

2)钢筋直径相同时，HRB400E月牙钢筋与再生混凝土间的极限粘结应力随再生细骨料取代率的增大而降低；再生细骨料取代率相同时，HRB400E月牙钢筋与再生混凝土间的极限粘结应力随钢筋直径的减小而增大。

3)基于试验成果及分析，得到了再生混凝土与HRB400E月牙钢筋的极限粘结应力计算公式，可为HRB400E月牙钢筋再生混凝土的相关研究提供理论参考。