低溫下鋼筋與混凝土的粘結性能分析

摘 要：本文研究了不同強度等級的混凝土與螺紋和光圓兩種鋼筋在經受低溫循環作用后的粘結性能，試驗結果表明，低溫循環作用會顯著降低鋼筋與混凝土的粘結性能，光圓鋼筋和螺紋鋼筋被拔出時混凝土的破壞形態不同；隨著混凝土相對動彈性模量的降低，鋼筋被拔出的峰值荷載迅速下降，相同荷載下的滑移值增大；混凝土的相對動彈性模量相同時，螺紋鋼筋與混凝土間脫粘的峰值荷載約為光圓鋼筋的3倍。

關鍵詞：低溫循環；鋼筋混凝土；粘結性能

鋼筋與混凝土之間的粘結作用是二者共同工作的基本前提。它是一種復雜的相互作用，所受的影響因素眾多，加之試驗技術方面相對滯后，使得目前有些基本問題還未得到很好的解決，一套充分完整的粘結性能理論還有待建立。從我國東北地區來看，混凝土結構破壞的一個主要原因是受到低溫循環作用。低溫循環作用不但會使混凝土內部結構發生破壞、強度明顯降低，還會對混凝土與鋼筋的粘結性能產生影響，國內外有關混凝土低溫破壞、銹蝕鋼筋等的單項研究很多，但對于低溫作用下鋼筋與混凝土粘結性能的研究報道很少。因此，本文針對低溫循環作用后，不同強度等級混凝土與鋼筋間的粘結性能開展試驗研究，為寒冷地區鋼筋混凝土工程結構的耐久性能設計以及結構服役過程中的可靠度評估分析提供理論參考。

一、低溫下混凝土的變形

混凝土降溫的過程中，在剛降到℃以下時，其中的部分水會結冰，混凝土輕微膨脹。在這之后隨溫度的降低而收縮，溫度到-30～-60℃時，體積隨溫度的降低而膨脹的，此后一直到-196℃體積都在收縮。回溫時的變形曲線與升溫時基本平行（-50～-20℃時收縮，與降溫時稍有不同）。筆者在研究中也得出了近似的結論，但所不同的是，筆者認為在-25～-70℃時混凝土是膨脹的，并且對比了波特蘭水泥與高爐礦渣水泥在低溫下的變形性能，得出波特蘭水泥在-25～-70℃時的膨脹率更小的結論。低溫下混凝土的抗壓強度隨著含水率的提高而增大，若混凝土中水分處于飽和狀態，則抗壓強度提高達80%～150%，劈裂強度提高60%～70%，而在干燥狀態下即使降溫也不會使混凝土的強度提高。因此這里根據函數曲線可以看出：在已知混凝土常溫狀態下的強度和含水率的情況下可以計算在低溫下的強度。

二、低溫對粘結性能的影響

低溫循環對混凝土的性能有重大的影響，低溫下混凝土強度和彈性模量都會調高，從而使得結構更加偏于安全。但在低溫循環下，混凝土性能將急劇下降，對結構極為不利。尤其第一次低溫循環下，混凝土強度降低最大，而此時結構往往不會引起足夠重視，因此對其應該予以研究。研究表明混凝土殘余應變隨著低溫次數的增多而不斷增大，在-20℃時其殘余應變基本不隨低溫次數而變化，在-30℃時其變化很小，在-50℃之后其變化基本恒定，隨著低溫循環次數的增多，每次殘余應變的增量會減小，可以推測在10次低溫循環之后其殘余應變將會很少降低。彈性模量與抗壓強度有幾乎相同的傾向，在水灰比小的情況下，30次循環左右就顯著下降。在-50℃時，彈性模量下降最快，經過一次低溫循環后下降20%左右，其它溫度下的下降速度要比-50℃時慢。高含水率使得低溫下混凝土的彈性模量和強度都大幅度提高，但回溫后彈性模量下降得也最快，說明高含水率對低溫循環是極為不利的；空氣的含量也會影響彈性模量，試驗表明混凝土中空氣含量越高，對低溫循環的破壞抵抗性越強，彈性模量降低得越小。而水灰比的提高有利于低溫下混凝土強度和彈性模量的提高，但在低溫循環時混凝土的彈性模量會迅速降低。低溫循環后的混凝土強度是降低的，此時是對結構最不利的，對它的研究是很有必要的。對于飽和狀態的硅酸鹽水泥混凝土試塊，經過12次低溫循環，其抗壓強度在最低溫度為-30、-70、-170℃時分別降低50%、60%和55%，抗拉強度則分別降低60%、70%和70%。

三、低溫下混凝土與鋼筋粘結性能分析

隨著混凝土強度提高，試件極限荷載值也增大但不成比例。鋼筋粘結錨固性能試驗中大致分為三個階段：微滑移、滑移和劈裂。第一階段拉拔力很小，主要是化學粘結力起作用，自由端無滑移；第二階段化學粘結力破壞，自由端開始滑移，摩擦力和機械咬合力起作用；第三階段是在臨近破壞時，咬合力的橫向分力使試件劈裂。混凝土強度越高，三段式越明顯，強度越低，曲線越圓滑，分段越不明顯。根據鋼筋與混凝土粘結性能的機理知道，粘結強度，對于變形鋼筋，是與混凝土的抗拉強度有必然聯系的。從上面的研究中可以看出在混凝土的強度（包括抗拉、抗壓）隨著混凝土溫度的降低是提高的，尤其是在高含水量的情況下，因此可以推測在低溫下混凝土與鋼筋的粘結性能會有所提高。比較潮濕和干燥狀態下的粘結強度，證明在潮濕狀態下混凝土的粘結強度高于干燥狀態下的強度，這也同樣驗證了上面的推測。但是，從同一種混凝土在不同溫度下粘結強度的對比來看，粘結強度并沒有隨著溫度的降低而提高。同時從表中可以看到，隨著粘結長度的增加，鋼筋與混凝±之間的粘結破壞荷載增大，但粘結應力是減小的，這與常溫下混凝±與鋼筋的粘結性能是一致的。隨著箍筋數量的增多，鋼筋與混凝土的粘結強度是有明顯提高的，這一點與帶肋鋼筋粘結機理是一致的，即箍筋的加入使混凝土處于三向受力狀態，抗拉強度得到提高，從而使粘結強度提高。試驗得出鋼筋直徑越大，極限荷載值越大，但平均粘結應力越小。

四、結束語

混凝土強度在低溫下會提高，但并不是隨溫度線性變化，抗壓強度在某一溫度達到其最高點，從已有文獻資料中可以看出該點在-100℃左右；混凝土的彈性模量也有相似的趨勢。含水率對混凝土低溫下的強度影響很大，混凝土含水率高則強度提高得多，干燥狀態下混凝土強度基本不提高，但含水率越高在低溫循環時對混凝土的破壞也越大。低溫循環時，混凝土強度和彈性模量均會降低。

參考文獻：

[1]金偉良.鋼筋與混凝土粘結本構關系的試驗研究[J].建筑結構學報，2015.

[2]何世欽.氯離子環境下鋼筋混凝土構件耐久性能試驗研究[J].企業文化，2015.