凍融環境下鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結性能

摘要：通過對內貼應變片鋼筋的直接拔出試驗，分析凍融作用下粉煤灰摻量對鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能的影響，得出凍融循環作用對鋼筋與粉煤灰混凝土之間粘結性能的影響規律。試驗結果表明：鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結強度隨粉煤灰摻量的增加而降低；當粉煤灰摻量一定時，隨著凍融循環次數的增加，混凝土強度有所下降，鋼筋與粉煤灰混凝土間極限粘結強度降低；當粉煤灰摻量較大，達到40%時，隨凍融次數的增加，鋼筋粉煤灰混凝土試件極限粘結強度的下降幅度明顯減緩，極限粘結強度對應的滑移量增大。表明摻入較多粉煤灰可使試件的凍融損傷現象得到緩解，凍融環境下鋼筋混凝土的粘結性能得到提高。

關鍵詞：凍融循環；粉煤灰混凝土；直接拔出試驗；粘結強度；粘結應力分布

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2015）06000708

Abstract：The effect of freeze-thaw cycle to the bonding performance between steel bar and fly ash concrete was analysed through pull-out test to steel bars attached strain gages inside. The results of pull-out test under different number of freeze-thaw cycle show that the bonding strength between steel bar and concrete decrease as the content of fly ash increasing； when the content of fly ash stay the same， with the number of freeze-thaw cycle increasing， the concrete compressive strength decline， and the bonding strength decrease； as the fly ash replacement rate stay 40%， with the number of freeze-thaw cycle increasing， the ultimate bonding strength decreased speed reduce， and the free end displacement corresponding to the ultimate bonding strength increase， which shows that mixed with a large number of fly ash can remit the freeze-thaw damage phenomenon， the bonding performance of reinforced concrete specimens under freeze-thaw environment is improved.

Key words：freeze-thaw cycle； fly ash concrete； pull-out test； bonding strength； bonding stress distributing

粉煤灰作為混凝土材料中最為常用的一種礦物摻合料，既可以減少水泥用量，降低混凝土的成本，又可以改善混凝土部分工作性能、力學性能和耐久性[1-2]，能夠更好地滿足實際工程的需求。

在寒冷環境下的混凝土結構會受到凍融侵蝕，凍融作用會使混凝土劣化[3]，劣化后的混凝土與鋼筋間的粘結性能將受到影響[4-6]。在影響混凝土結構破壞的因素中，凍融侵蝕對于混凝土結構的破壞程度較大，凍融損傷嚴重時會導致結構失效[7-9]。鋼筋與混凝土間的粘結性能是影響混凝土構件正常使用性能的重要因素之一[10-14]，在混凝土工程中合理利用粉煤灰是否能夠發揮其在凍融環境中改善鋼筋與混凝土之間的粘結性能尚不明確。Arezoumandi等[15] 研究了粉煤灰摻量大于50%的混凝土試件與鋼筋的粘結性能，Costel等[16]對高溫養護的粉煤灰混凝土試件的粘結性能開展了試驗分析。胡曉鵬等[17]分析了粉煤灰摻量對直接拔出試件與梁式試件中鋼筋與粉煤灰混凝土粘結性能的影響，冀曉東等[10]研究了凍融循環作用后鋼筋與混凝土的粘結性能，而關于凍融環境下鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能方面可供參考的試驗與分析并不多，凍融作用與粉煤灰摻量對鋼筋混凝土間粘結性能的影響有待深入研究。

通過對鋼筋粉煤灰混凝土試件的快速凍融試驗和鋼筋直接拔出試驗，得出凍融環境下鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結規律，分析凍融循環作用對鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結性能的影響，以便為鋼筋混凝土結構工程的可靠度分析和耐久性設計提供參考，并為以后鋼筋與粉煤灰混凝土之間粘結性能分析提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

取混凝土結構中使用較多的C30到C40的混凝土進行試驗，對實際工程有一定參考價值。直接拔出試驗考慮凍融循環次數以及粉煤灰摻量對粘結性能的影響，粉煤灰摻量分別為0%、10%、20%、30%和40%，其中，對粉煤灰摻量為0%、20%及40%的3組試件進行凍融循環作用，凍融次數為0、25、50、75、100次。

水泥采用包鋼綜合企業（集團）公司水泥廠生產的“草原牌”PO42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰選用鄂爾多斯市達旗電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，細度、需水量比、燒失量分別為0.26、93.3%、0.13；細骨料選用普通河砂，其粒徑小于5 mm，含泥量小于2%，細度模數、級配等各項性能指標均合格；普通粗骨料：碎石粒徑不大于20 mm，含泥量、細度模數、級配等各項性能指標合格；拌和用水采用城市普通自來水，外加劑采用萘系B3減水劑，以及AH-1型引氣劑。試驗中粉煤灰混凝土的基本參數如表1。

1.2 試件設計

試件截面尺寸均為150 mm的立方體，配置1根HRB400級鋼筋，長400 mm，鋼筋有效粘結長度為70 mm，無粘結段鋼筋通過PVC套筒隔離，在自由端及加載端分別預留10、240 mm長的鋼筋以固定千分表和施加荷載，試件簡圖如圖1（a）所示。鋼筋預先開槽處理，錨固長度范圍鋼筋槽內粘結5個應變片，應變片將錨固長度劃分為4個區段，每個區段長為17.5 mm，測點編號如圖1（b）。因試驗主要研究鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能在凍融循環作用下的變化規律，故不考慮鋼筋直徑等對粘結性能的影響，試驗統一使用直徑為14 mm的鋼筋。

根據實驗室的實際情況，自行設計加載裝置，符合《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T 50152—2012）的規定，千分表安裝在試件的自由端用以測定鋼筋滑移量，如圖2。

凍融試驗使用KDR-V凍融試驗機，符合《混凝土抗凍試驗設備》（JG/T 243）的規定。凍融溫度控制在（-17±2）℃～（8±2）℃，每次凍融循環在3～4 h內完成。

2 試驗現象及破壞形態

未經凍融循環作用的普通混凝土試塊進行直接拔出試驗后，在自由端處的混凝土表面出現2條裂縫，且2條裂縫處于一條直線上，裂縫寬度較大，但并沒有使混凝土完全破壞。粉煤灰摻量為20%時，出現2條夾角大于90°的細小裂縫；當粉煤灰的摻量為40%，試件破壞時，試件的混凝土表面完好，沒有出現裂縫，鋼筋被直接拔出，如圖3。

對試件進行凍融循環作用后，試件混凝土的表面發生一定的剝落，受凍融損傷程度隨著凍融循環次數的增多而愈加明顯。從凍融50次開始，試件表面剝落情況變得更加明顯，而且不同摻量的粉煤灰亦對凍融后試件的破壞有不同程度的影響。當粉煤灰的摻量達到40%時，試件在凍融后表面的損傷現象明顯減小，而少量加入粉煤灰并沒有使試件表面的損壞緩解。

經凍融循環作用后，未摻粉煤灰的普通混凝土試件經過拔出試驗，試件破壞形態以拔出破壞為主，試件混凝土表面的裂縫寬度隨著凍融次數的增加而逐漸變小。粉煤灰混凝土試件的破壞形態與普通混凝土基本一致，隨著凍融循環次數的增加，混凝土表面裂縫寬度逐漸減少，直至不再出現裂縫，混凝土表面保持完整。

3 試驗結果與分析

3.1 鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能

未進行凍融循環的試件，鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結性能主要受粉煤灰摻量的影響，因此，在進行凍融試驗之前需要分析鋼筋與混凝土間粘結性能受粉煤灰摻量的影響。

3.1.1 粉煤灰摻量對鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結強度滑移的影響

根據式（1）計算結果繪制不同粉煤灰摻量下試件的粘結強度滑移曲線，如圖4所示，各組粉煤灰混凝土試件的粘結強度滑移曲線變化趨勢基本相同，均由微滑階段、滑移階段、劈裂階段、下降階段和殘余階段組成。與未摻粉煤灰試件相比，當粉煤灰的摻量增加時，鋼筋與粉煤灰混凝土間的極限粘結強度降幅增大。粉煤灰摻量為10%和20%的試件其極限粘結強度分別降低2.62%和3.82%；而粉煤灰摻量為30%時，試件極限粘結強度下降14.12%；摻量為40%時，極限粘結強度下降20.51%。

加載初期，鋼筋與混凝土間的粘結力主要是由化學膠著力提供，自由端位移較小，幾乎為0，處于微滑階段。化學膠著力破壞后，隨著荷載向自由端發展，鋼筋與混凝土發生相對位移，由于混凝土強度會隨摻入粉煤灰的摻入有一定程度的降低，使混凝土對鋼筋的握裹力減小，試件破壞時其極限粘結強度降低。

鋼筋粉煤灰混凝土的極限粘結強度對應的自由端滑移量基本相同，均比未摻粉煤灰試件的自由端滑移量小。粉煤灰摻量為0%、10%、20%和30%的試件在曲線滑移階段較為接近，而粉煤灰摻量為40%的試件的粘結剛度稍有減小，與文獻[17]未凍融條件粉煤灰混凝土與鋼筋的粘結規律相近。粉煤灰摻入量為10%和20%時，粘結強度在下降段的下降速度較快，在試件承載力達到極限后就會發生破壞，進入殘余階段，原因在于少量摻入粉煤灰起到改善混凝土內部結構的作用有限，且會降低混凝土基體強度，試件的粘結力在荷載向自由端發展時會產生應力集中，鋼筋應變增加，鋼筋與混凝土間的相對位移增加，應力集中區段的粘結作用減弱，鋼筋與混凝土在錨固段內粘結能力下降速度加快，提前殘余階段；當粉煤灰摻量為30%和40%時，粘結強度在下降段和殘余段的下降趨勢與未摻粉煤灰試件相似，在試件承載能力達到極限后仍能有較高的承載力，破壞后粘結錨固能力較好，不至于出現脆性破壞。

3.1.2 粉煤灰摻量對鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結錨固位置的影響

由試件中鋼筋各點應變差繪制鋼筋粉煤灰混凝土的粘結錨固位置關系曲線，如圖5所示。在各級荷載作用下，試件的加載端和自由端的粘結應力均為0。

在未摻粉煤灰的試件中，如圖5（a），其局部粘結應力主要分布在錨固段中部，其粘結應力集中位置并沒有隨著粘結應力的增大而改變位置，說明對于此試件來說，5d的錨固長度滿足錨固要求；在粉煤灰摻入量為10%的試件中，如圖5（b），由于摻入少量粉煤灰起到能夠使混凝土內部結構變得致密均勻的作用有限，且使基體強度下降，粘結剛度降低，粘結應力峰值位置向自由端移動到區段4內，并且拉拔荷載越大，粘結應力分布越不均勻；粘結應力集中區域隨著粉煤灰摻量的增加逐漸由自由端向加載端移動，當粉煤灰摻量為20%～30%時，如圖5（c）、（d），粘結應力在錨固長度內均勻分布，主要分布于區段2、3內，即粉煤灰的適量摻入有利于拉拔荷載在錨固段內均勻傳遞以及混凝土與鋼筋間粘結應力的均勻分布，對試件的內部均勻受力起到一定的增強作用；當粉煤灰摻入量為40%時，如圖5（e），應力分布曲線波峰前移到區段1，粘結應力在區段2、3、4內緩慢下降，且保持較高的粘結強度，為鋼筋與混凝土間的粘結強度達到極限后提供一定粘結強度儲備，在極限粘結強度破壞后能夠繼續承擔一定的荷載。

適量摻入粉煤灰對鋼筋混凝土間粘結錨固的影響作用較為明顯，由于摻入粉煤灰的混凝土試件內部變得均勻密實，且隨著粉煤灰摻量的增大，試件強度逐漸降低，鋼筋混凝土間粘結剛度減小，即荷載相同時，自由端滑移量增大，使得荷載在錨固段內能夠比較均勻地傳遞到自由端，且能夠使鋼筋的粘結應力均勻分布，有利于鋼筋混凝土間的粘結性能。

3.2 凍融環境下鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結性能

3.2.1 凍融循環對粘結強度滑移的影響

不同粉煤灰摻量試件在凍融循環作用下的粘結強度滑移的曲線如圖6所示。

由圖6（a）可知，經歷凍融循環作用后，普通混凝土試件的粘結強度滑移曲線變化趨勢基本相同。隨著凍融循環次數的增加，峰值點對應的極限粘結強度值逐漸降低，且曲線下降段的下降速度加快，凍融循環次數越多試件越容易進入殘余階段。殘余階段的粘結強度值亦隨著凍融循環次數的增加而逐漸減小，凍融循環為100次時，殘余段的粘結強度幾乎接近于0，不能夠繼續承擔荷載。將經歷凍融試驗的試件與未凍融的試件相比較可以得出結論，普通混凝土試件的抗凍性較差。

圖6（b）中摻入20%粉煤灰的混凝土試件的粘結強度滑移曲線峰值變化趨勢與未摻粉煤灰的普通混凝土試件相似，均隨著凍融循環次數的增加而減小。經歷凍融損傷的粉煤灰混凝土試件的曲線在下降階段與殘余階段較為接近，都較早地進入殘余階段，殘余段粘結強度較小。

由圖6（c）可以看到，粉煤灰摻量為40%的混凝土試件，在經歷不同凍融循環之后，粘結滑移曲線在下降段的變化趨勢更為平緩，且粘結強度滑移曲線變化趨勢接近于未凍融試件的曲線，在試件破壞后仍然能保持較高的承載能力，粘結強度下降緩慢，不會在試件達到極限粘結強度之后出現脆性破壞。殘余階段的殘余粘結強度較普通混凝土試件和20%摻量的粉煤灰混凝土試件更高。凍融50次時，粉煤灰混凝土整體的凍融損傷較小，而局部區域（粘結界面附近）的混凝土受凍融影響較大，試件受拔出荷載時，混凝土保護層的變形協調能力差，在試件達到極限粘結強度后，粘結界面附近的混凝土與粘結界面較遠處的混凝土易產生相對滑動，試件的粘結強度在曲線下降段迅速下降。凍融75、100次時，粉煤灰混凝土基體受到的凍融損傷與粘結界面附近混凝土受到的凍融損傷都比較大，混凝土保護層表現出較好的變形協調能力，在試件達到極限粘結強度后，混凝土保護層不會出現相對滑動現象，試件保持較高的粘結強度，在曲線下降段平緩降低。

綜合上述結果可以得出，摻入40%粉煤灰對于混凝土試件在凍融環境下的粘結性能有一定的增強作用，在試件破壞后能保持較好的粘結性能。

3.2.2 凍融循環對鋼筋與粉煤灰混凝土間的粘結性能的影響

對凍融后的鋼筋粉煤灰混凝土試件直接拔出試驗所得試驗數據進行整理，繪制不同粉煤灰摻量混凝土試件的混凝土立方體抗壓強度、試件的極限粘結強度和極限粘結強度對應滑移量在凍融環境中的變化曲線。

由圖7可知，混凝土抗壓強度隨著凍融次數增多逐漸下降。當凍融循環超過50次時，下降幅度明顯增大，粉煤灰摻量為0%的混凝土試塊從凍融50～100次，其抗壓強度下降了37.66%，而粉煤灰摻量為40%的混凝土試塊的抗壓強度則下降幅度較為平緩，降低了26.16%，大量摻入粉煤灰使得混凝土抗壓強度的下降幅度得到一定緩解，且在經歷凍融循環之后，粉煤灰摻量為40%的混凝土立方體抗壓強度要比粉煤灰摻量為20%的混凝土試塊的強度高。凍融次數為100次時，粉煤灰摻量為40%的粉煤灰混凝土試塊的抗壓強度與未摻粉煤灰的混凝土試塊相差不大，均接近于25 MPa。

由圖8（a）可見，隨著凍融循環次數的增多，試件破壞時的極限粘結強度逐漸減小，未摻粉煤灰的試件凍融循環100次時，試件的極限粘結強度比未凍融試件降低8.29 MPa，降幅達47.24%，粉煤灰摻量為20%的試件的極限粘結強度下降趨勢與普通混凝土較為接近，下降幅度達到49.13%；而粉煤灰摻量40%的試件，凍融循環100次時，試件破壞時其極限粘結強度與未凍融的試件相比，僅下降3.46 MPa，降幅為24.80%。經歷凍融試驗后，粉煤灰摻量為40%的試件其極限粘結強度要比普通混凝土和粉煤灰摻量為20%的試件的強度高，凍融100次時，粉煤灰摻量為40%的試件比普通混凝土試件的極限粘結強度高1.23 MPa，且在凍融環境下，其極限粘結強度下降趨勢最為平緩。混凝土中摻入40%粉煤灰可以起到密實混凝土、改善內部孔結構，減小基體中自由水的滲透的作用，從而提高試件的抗凍性，有利于提高試件在凍融環境下的粘結性能。

圖8（b）為凍融循環作用下試件的極限粘結強度對應的鋼筋自由端滑移量。對于粉煤灰摻量為0%和20%的試件，滑移量隨凍融次數的增大而減小，分別減小了1.13、0.62 mm；當粉煤灰摻量為40%時，試件最大拉拔荷載對應的滑移量則是隨凍融損傷的加劇而增大的，且增加幅度較大。凍融次數為100次時，不摻粉煤灰的滑移量較未凍融試件下降了65.32%，粉煤灰摻量為20%時，下降了55.36%，而粉煤灰摻量為40%的試件反而上升了73.11%。

3.2.3 凍融循環對粉煤灰混凝土的粘結錨固位置的影響

由試驗結果可知，盡管在混凝土試件中摻入粉煤灰會降低混凝土基體的抗壓強度和粘結強度，但摻入大量的粉煤灰能夠使基體內部變得致密均勻，鋼筋與混凝土間的粘結剛度降低，使混凝土試塊內部均勻受力，有利于粘結應力的傳遞。在凍融環境中，粉煤灰摻量為40%時，鋼筋與混凝土間粘結性能較好，因此，選用粉煤灰摻量為40%的鋼筋混凝土試件進行凍融循環作用后鋼筋粘結應力錨固位置分析。

未凍融的試件，如圖5（e），其粘結應力曲線的峰值位于區段1內；當凍融次數較少時，如圖9（a）、（b），鋼筋錨固長度內的粘結應力分布較為均勻，說明試件受凍融循環作用后，混凝土內部受到凍融損傷，混凝土與鋼筋粘結剛度稍有減小，有利于鋼筋粘結應力向自由端傳遞，使粘結應力在錨固段內均勻分布；隨著凍融次數的增加，如圖9（c）、（d），粘結應力的峰值逐漸且緩慢的向加載端區段1內移動，且拉拔荷載越大，粘結應力分布不均勻現象越明顯，原因在于凍融循環使混凝土孔隙結構損傷加劇，試件所能承受的粘結強度降低，當荷載增加時，加載端鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結作用易破壞，而在區段2、3、4內仍能保持較高的粘結強度，所以，在加載端鋼筋的應變差較大，在加載端出現了粘結應力峰值。由此可以推斷，當鋼筋粉煤灰混凝土試件由于凍融循環而產生粘結強度破壞時，錨固段自由端可以繼續提供一定的粘結強度。

4 結 論

通過對鋼筋粉煤灰混凝土試件在凍融循環作用后的直接拔出試驗，得出凍融作用和粉煤灰摻量對鋼筋與粉煤灰混凝土間粘結性能的影響，主要結論如下：

1）摻入適量粉煤灰能夠降低鋼筋與混凝土間的粘結剛度，有利于粘結應力在鋼筋錨固段均勻傳遞；試件中粉煤灰摻量越大，粘結強度粘結應力峰值越小。

2）凍融循環作用次數越多，混凝土立方體抗壓強度、粘結應力峰值越小，但隨粉煤灰摻量的增加，試件粘結性能的凍融損傷有所緩解，相較于普通混凝土試件表現出一定的抗凍性。

3）凍融環境下，大量摻入粉煤灰，鋼筋混凝土間極限粘結強度下降趨于平緩，且降幅減小，有利于鋼筋與混凝土間的粘結性能，且隨著凍融循環次數的增加，鋼筋混凝土間極限粘結強度對應的鋼筋自由端位滑移量逐漸增大，在試件破壞之后表現出比普通混凝土更好的粘結性能。

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（編輯 郭 飛）