再生混凝土與鋼筋的粘結性能試驗研究

安新正,易 成,劉 燕,3,張結太

(1.河北工程大學土木學院,河北邯鄲056038;2.中國礦業大學力學與建筑學院,北京 100083;3.河北農業大學城鄉建設學院,河北 保定071001)

再生集料混凝土是實現廢棄混凝土資源化循環利用和建筑材料可持續發展的有效方法之一。目前,國內外在再生混凝土及其與鋼筋之間粘結性能的研究方面已初步取得了一些成果[2-7],但對于不同取代率條件下鋼筋與再生集料混凝土間粘結特性的試驗研究還較為匱乏。本文采用室內梁式粘結試件模擬試驗的方法,借助于鋼筋開槽粘貼點式應變計的檢測技術手段,來研究不同再生集料取代率對鋼筋與再生集料混凝土間粘結性能的影響,以期為類似條件下鋼筋再生集料混凝土結構的工程設計提供有益參考。

1 試驗過程

1.1 再生混凝土配料

再生混凝土配料:①水泥采用太行山P.O 42.5級水泥;②粗集料為在天然粗集料中摻入不同份量的再生粗集料而構成的混合粗集料。其中,天然粗集料的表觀密度為2.53g／cm3,粒徑范圍為5～10mm,再生粗集料采用強度等級為C25的廢棄混凝土經破碎和清洗后制成,粒徑范圍為5～10mm的連續顆粒級配,其基本性能指標見表1;③細集料采用河砂,其表觀密度為2.65g／cm3,細度模數2.6;④摻合料為邯鄲碼頭電廠產的Ⅰ級粉煤灰;⑤水為市供自來水。

表1 再生粗集料性能指標Tab.1 Properties of recycled concrete aggregate

表2 再生集料混凝土配合比及其總孔隙率Tab.2 Mix proportions and total porosity of recycled aggregate concrete

1.2 再生混凝土

配合比是影響再生混凝土孔隙率及其性能特征的關鍵因素之一,而孔隙率對于孔結構形狀、分布特征等都有著重要的影響[6],它直接影響著對鋼筋的握裹強度。

本試驗在再生混凝土坍落度基本不變(通過減水劑調節)和取代率分別為10%(A類)、30%(B類)和50%(C類)的基礎上,設計了再生混凝土配合比,并通過可蒸發水含量法[7]得到了A類、B類和C類再生混凝土的總孔隙率(表2)。

1.3 試件設計與制作

試件設計:由于梁式粘結試驗能夠真實反映彎矩-剪力耦合作用對混凝土梁中錨固區域鋼筋受力性能的影響[8-9],故試驗采用了梁式粘結試驗試件(圖1)。依據再生粗集料組別的劃分,將梁式粘結試件設計為與其對應的A、B和C三個組別,每個組別制作三個試驗試件,即:A1～A3試件、B1～B3試件和C1～C3試件。

為了便于試驗操作和節約資金,在此將再生混凝土梁式粘結試件設計為a和b兩個部分。其中,a部分為梁式粘結測試試件,其尺寸為:150 mm×170mm×260 mm,鋼筋保護層厚度c=24mm;b部分為三個組別粘結試件試驗時的公共部分,其尺寸和形狀與a部分的相同。

在a部分粘結試驗試件中,受拉鋼筋的加載端和支座端各設置有70mm的無粘結區段,中間粘結區段長度為120mm。受拉鋼筋采用邯鋼產B12螺紋鋼筋,實測的屈服抗拉強度為451MPa,極限抗拉強度為613MPa,伸長率為26.3%,彈性模量為2.02×105MPa。

試驗時應將a部分的受拉鋼筋與b部分進行螺栓連接。同時,在a和b兩部分的上部受壓區進行轉動鉸連接,并按圖1的方式最終完成梁式粘結試件的組合與安裝。

試件制作:A、B和C三類試件在澆筑前先在其受拉鋼筋粘結部位表面的設計位置開槽并預埋箔基點式應變片(應變片布置方式見圖2示),應變片導線用測試線引出,并對完成粘貼的應變片進行防水覆蓋處理和荷載-應變關系的率定工作。同時,也要在鋼筋脫粘結的部位的表面全部涂抹石蠟,然后再用直徑稍大一點的PVC管套住,并將PVC管兩端用石蠟密封以避免混凝土漿液灌入,至此完成受拉鋼筋澆筑前的處理工作。

澆筑前先正確固定受拉鋼筋和鋼餃的位置,然后進行再生骨料混凝土的澆筑。所有試件注模完成后立即進行塑料薄膜覆蓋,并在標準養護室養護24h后拆模并移至標準養護室28d備用。

1.4 試驗方法

試驗時按3kN、6kN、9kN分級加載的方法,在液壓伺服控制試驗機上進行。應變片導線應從試件中引出接在高性能靜態應變測試儀DH3815上進行應變數據的自動采集。同時,在鋼筋的自由端和加載端也各安裝一個高精度電測位移計,并接在DH3815上進行自由端的相對位移的量測。當鋼筋發生粘結滑移破壞時即認為構件完全破壞。

2 試驗結果與分析

2.1 粘結應力

5片應變片將受拉鋼筋的錨固長度劃分為4個區段,在各級荷載作用下每個區段內的平均粘結應力實測值可依據該區段兩端的應變實測值按式(1)和(2)計算求得[10-12]。

式中τi,i+1為第i到i+1區段內的平均粘結應力,MPa;△i,i+1為第i到i+1區段的區段長度,mm;ds為錨固鋼筋的直徑,mm。

依據各級荷載p下實測的沿鋼筋錨固長度內各個測點鋼筋應變值的試驗數據,并通過(1)式的計算可以求出第i到i+1區段內的平均粘結應力值τi,i+1。在此將 τi,i+1看作第i到i+1區段長度一半處計算點的粘結應力值,并用光滑曲線將端點及各個計算點連接起來,可以獲得A類、B類和C類試件的粘結應力沿鋼筋錨固長度的基本分布特征曲線(圖3)。

比較圖3(a)～3(c)可以得知在相同的施加載荷下,隨著再生粗集料取代率的增大,粘結應力峰值逐漸從加載端向自由端轉移,這主要是因為隨著再生粗集料取代率的提高,再生混凝土中各材料的強度分布逐漸趨于均勻,再生混凝土對鋼筋握裹強度的分布就越趨于均勻化。

另外,試驗結果表明,再生粗集料取代率從10%增大到30%和50%時,再生混凝土的總孔隙率分別增長了1.1%和1.6%(表2)。而且,隨著再生粗集料取代率的增加,鋼筋與再生混凝土的粘結性能呈逐漸降低的趨勢。

2.2 荷載-滑移關系

通過試驗,實測了A、B和C三類試件的加載端與自由端鋼筋的相對滑移值,并最終得到各組試件的荷載-滑移特征試驗曲線(圖4)。

試驗過程中,A、B和C三類試件均發生了相對滑移現象。比較圖4中A類～C類試件的荷載-滑移特征曲線可知,在相同荷載下,從A類試件到C類試件,自由端的相對滑移量呈逐漸增大趨勢。主要原因是,對再生混凝土來說,隨著再生集料取代率的增大,總孔隙率在逐漸提高,并致使其抗壓強度及劈裂強度逐漸降低,從而造成了再生混凝土與鋼筋之間機械咬合能力的逐漸減小。

3 結論

1)隨著再生粗集料取代率的增加,鋼筋與再生混凝土的粘結性能呈逐漸降低的趨勢。

2)在加載端施加荷載相同的情況下,從A類試件到C類試件,粘結應力峰值逐漸從加載端向自由端轉移。

3)再生粗集料取代率從10%增大到30%和50%時,再生混凝土的總孔隙率分別增長了1.1%和1.6%。

4)由于本次試驗僅探討了不同再生粗集料取代率下B12螺紋鋼筋與再生混凝土的粘結性能、荷載-滑移關系,相關不同類別與直徑的其他鋼筋與再生混凝土粘結性能、荷載-滑移關系還需要通過試驗來進行進一步的研究與分析。

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