鋼筋與砌塊專用砌筑砂漿的黏結錨固性能試驗研究

陳　萌，馬婷婷，張豪劍，劉樂慶

(鄭州大學土木工程學院，河南鄭州　450002)

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鋼筋與砌塊專用砌筑砂漿的黏結錨固性能試驗研究

陳萌，馬婷婷，張豪劍，劉樂慶

(鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450002)

摘要:通過36根鋼筋在蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體專用砌筑砂漿中的拉拔試驗，劃分了構件拉拔荷載與滑移曲線的5個受力階段;給出了鋼筋未屈服拔出和鋼筋屈服拔出兩種破壞形態，并分析了豎向正應力、砂漿強度等級和鋼筋錨固長度等因素對拉結鋼筋黏結錨固性能的影響;通過6根預貼電阻應變片的鋼筋拉拔試驗，量測構件的鋼筋應變，計算極限荷載下沿錨固長度的平均黏結應力，分別給出專用砌筑砂漿強度等級為Mb5和Mb10的鋼筋界限錨固長度。

關鍵詞:拉拔試驗專用砌筑砂漿豎向正應力錨固長度

蒸壓加氣混凝土砌塊作為一種工程技術人員普遍接受的墻體材料，廣泛應用于房屋建筑和鐵路工程中。近年來，為了推動綠色建筑與節能建筑的發展，蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體越來越受到人們的關注，它采用蒸壓加氣混凝土砌塊和配套專用砂漿，使墻體的傳熱阻能夠滿足綠色建筑和節能建筑的要求。其保溫層和結構層合為一體，不必擔心保溫層的使用壽命，且造價低，裝飾性強，較適用于多、高層住宅和公共建筑。目前，已建有蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體的科研項目試點工程，且出臺了相關地方性標準和圖集，成為當前墻體發展新趨勢［1-4］。

為達到節能建筑的要求，蒸壓加氣混凝土砌塊采用砌塊專用砌筑砂漿，它不同于普通砌筑砂漿，具有較高的黏結性能、抗裂性能和(或)一定的保溫隔熱性能。自保溫墻體在工程應用中，其與混凝土柱交接面鋼筋的錨固是亟待解決的技術難點之一，因此，本文擬對鋼筋與砌塊專用砌筑砂漿的黏結錨固性能展開試驗研究。通過36根鋼筋在蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體水平灰縫中的拉拔試驗，劃分拉拔荷載與滑移曲線的不同工作階段，分析鋼筋的錨固影響因素和錨固破壞形態，并求得鋼筋在專用砌筑砂漿中的臨界錨固長度，為自保溫墻體的應用提供理論依據［5-7］。

1　試驗方案設計

參考國內外已有的試驗資料，共設計了9組36個構件，考慮了豎向正應力、專用砌筑砂漿強度等級和鋼筋錨固長度三種變化因素;在預貼電阻應變片的6個拉拔構件中，分析鋼筋黏結應力在拉拔各個受力階段的變化情況，給出鋼筋在砌塊專用砌筑砂漿中的臨界錨固長度［8］。

1. 1構件設計及制作

試驗構件中，豎向正應力取為0，0. 2，0. 4 MPa;專用砌筑砂漿強度等級取為Mb5和Mb10;并取鋼筋錨固長度為300，400，500 mm。

構件拉結鋼筋為φ6 HPB300級鋼筋，鋼筋的屈服強度為341. 8 MPa，極限強度為589. 4 MPa。Mb5強度等級的專用砌筑砂漿抗壓強度為5. 2 MPa，劈裂抗拉強度為0. 817 MPa; Mb10強度等級的專用砌筑砂漿抗壓強度為11. 2 MPa，劈裂抗拉強度為1. 010 MPa。

砌塊尺寸分別為600 mm×300 mm×200 mm和300 mm×300 mm×200 mm。水平灰縫及豎向灰縫的厚度均為15 mm。構件尺寸為600 mm×300 mm×630 mm，如圖1所示。設計構件如表1所示，帶*的6個構件表面預貼電阻應變片。應變片的布置如圖2所示。

圖1試驗構件

表1試驗構件及試驗結果

圖2錨固長度400 mm的鋼筋應變片布置

1. 2試驗加載及測量

試驗采用的儀器為小型荷載傳感器、千斤頂、BLR-1液壓荷載傳感器、拉拔儀、100 mm位移傳感器和TST3822靜態電阻應變儀等，試驗加載裝置如圖3所示。構件上設置千斤頂和荷載傳感器以控制豎向正應力大小;用拉拔儀和BLR-1液壓荷載傳感器對構件進行分級加載;分別在加載端和自由端安裝100 mm位移傳感器測量加載端相對滑移sl和自由端相對滑移sf。鋼筋應變、鋼筋加載端及自由端的相對滑移由TST3822靜態電阻應變儀采集數據。

圖3試驗加載裝置

2　試驗結果

36根鋼筋在專用砌筑砂漿水平灰縫中的拉拔試驗結果如表1所示。表中給出了各個構件的拉拔極限荷載Fu及構件加載端和自由端的相對滑移值sl和sf。

3　荷載滑移曲線分析

圖4為構件A6-1的拉拔荷載與滑移曲線，滑移s = ( sf+ sl) /2。

圖4構件A6-1的荷載滑移曲線

由圖4可知:鋼筋在專用砌筑砂漿中的受力可分為以下5個階段:

1)加載初期微小滑移段:加載的初始階段，在加載端可以量測到砂漿與鋼筋的相對變形，膠結滑移逐漸向內滲透，自由端滑移尚未發生。在加載至極限荷載的20%之前，拉拔荷載與滑移曲線處于彈性階段。

2)滑移段:加載至極限拉拔荷載20%左右，自由端發生滑移。荷載與滑移穩定增長，開始呈現非線性狀態。拉拔鋼筋周圍砂漿中內部斜裂縫的出現和發展，使得滑移比拉拔荷載增長要快。

3)劈裂段:當拉拔荷載達到80%極限荷載時，在荷載稍微增加的情況下，滑移出現較大的增長，呈現明顯的非線性狀態，砂漿中內部斜裂縫沿錨固長度充分發展，滑移的增長加速形成了拉拔荷載與滑移曲線的明顯轉折。

4)下降段:達到極限荷載后，拉拔荷載迅速下降，滑移大幅增長，砂漿在極限荷載作用下發生突然的脆性破壞，強度陡降。

5)殘余段:當鋼筋的滑移達到10 mm時，荷載不再下降，而是保持穩定的殘余荷載(約40%極限荷載)，直到鋼筋從砂漿中拔出。

4構件破壞形態及錨固影響因素

4. 1構件破壞形態

試驗構件均發生黏結錨固破壞，出現了鋼筋未屈服拔出和鋼筋屈服拔出兩種破壞形態，如圖5和圖6所示。

注:錨固長度300 mm，正應力0. 2 MPa，Mb5砂漿。圖5構件A5-1未屈服拔出破壞

圖5表明，鋼筋沒有達到屈服強度時即發生拔出破壞。未達到屈服強度即破壞的主要原因是因為鋼筋的錨固長度較小，砌筑砂漿強度較低，此時，對應的黏結應力尚未達到鋼筋的屈服強度，即在鋼筋沒有充分發揮作用時就被拔出。

圖6表明，鋼筋達到屈服強度后發生拔出破壞。這是最理想的破壞形態，即鋼筋在達到屈服強度之后尚未達到極限強度之前，黏結應力達到其極限強度，鋼筋被拔出破壞。這種情況下，既能保證鋼筋的強度充分發揮，又能保證鋼筋的黏結充分發揮作用。

4. 2錨固影響因素

4. 2. 1豎向正應力

試驗構件豎向正應力選取為0，0. 2，0. 4 MPa。由試驗結果可知，隨著豎向正應力的增大，灰縫砂漿與鋼筋的極限黏結強度逐漸提高。但當豎向正應力超過某一數值時，極限黏結強度的增加作用不明顯。

4. 2. 2砂漿劈裂抗拉強度

光圓鋼筋的黏結強度和砂漿的劈裂抗拉強度有關。試驗構件的砂漿劈裂抗拉強度變化范圍為0. 817 ～1. 550 MPa。由試驗結果可知:黏結強度與專用砂漿的劈裂抗拉強度呈對數曲線分布，當砂漿劈裂抗拉強度＜1. 50 MPa時，黏結強度增長較快;當砂漿劈裂抗拉強度≥1. 50 MPa時，黏結強度增長速率變緩，逐漸趨于穩定［9］。

基于試驗數據，回歸得出極限黏結強度隨專用砂漿劈裂抗拉強度變化的計算公式

式中:τu為鋼筋與專用砌筑砂漿的極限黏結強度，MPa; fmt為專用砌筑砂漿的劈裂抗拉強度，MPa。

4. 2. 3錨固長度

試驗構件的相對錨固長度la/d(錨固長度la與鋼筋直徑d的比值)變化范圍為14～83. 3。隨著相對錨固長度的增大，構件極限黏結強度隨之減小。相對錨固長度從14變化到50時，極限黏結強度下降速率較快，超過50以后，黏結強度變化逐漸趨于穩定。

5黏結應力沿錨固長度的分布

黏結應力不能由試驗直接測定。在構件A1-1，A1-2，A4-1，A4-2，A8-1和A8-2鋼筋表面粘貼電阻應變片，實測各測點的鋼筋應變，再計算求出各測點間的平均黏結應力。

在任何一級拉拔荷載作用下，沿錨固長度上任一點的黏結應力與相應鋼筋應變的變化率成正比關系。因此，實測沿錨固長度的鋼筋應變ε( x)，由式( 2)求出各測點間的平均黏結應力。式中:τi為各測點間的平均黏結應力; Es為鋼筋彈性模量; As為鋼筋面積; d為鋼筋直徑;Δεs為鋼筋應變差;Δxi為相鄰應變片的測點間距;εj，εj + 1分別為第j，j +1點的鋼筋應變; Pj，Pj + 1分別為第j，j + 1點的鋼筋拉力。

圖7和圖8分別給出了構件A4-1和A8-1的平均黏結應力沿錨固長度分布曲線。由圖可知:在錨固長度范圍內，黏結應力經歷了從0逐漸增大至峰值，再逐漸減小至0的過程，最大應力出現在偏加載端附近。當拉拔荷載＜3 kN時，黏結應力的峰值出現在距加載端25 mm處;此后至破壞荷載，黏結應力峰值向自由端移動，出現在距加載端100 mm處;隨著拉拔荷載的增大，應力圖形漸趨豐滿，應力面積增大，應力峰值也逐漸增大。

圖7 A4-1的平均黏結應力沿錨固長度分布曲線

圖8 A8-1的平均黏結應力沿錨固長度分布曲線

對專用砂漿強度等級為Mb5的試驗構件( A1-1，A1-2，A4-1和A4-2)和砂漿強度等級為Mb10的試驗構件( A8-1和A8-2)，由各自的平均黏結應力沿錨固長度的分布曲線，求出極限荷載下錨固破壞時沿錨固長度變化的平均黏結應力τ—。經計算，砂漿強度等級為Mb5的平均黏結應力為0. 95 MPa，砂漿強度等級為Mb10的平均黏結應力為1. 22 MPa。分別代入界限錨固長度計算公式

式中: lcar為界限錨固長度; Fy為鋼筋的屈服荷載，實測為9 659 kN; d為鋼筋的直徑。

由公式( 3)計算求得砂漿強度等級為Mb5的界限錨固長度為540 mm，砂漿強度等級為Mb10的界限錨固長度為420 mm［10］。

6　結論

1)通過36根鋼筋在蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體專用砌筑砂漿中的拉拔試驗，得出了構件拉拔荷載與滑移曲線的5個不同工作階段:微小滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和殘余段。

2)試驗構件均發生黏結錨固破壞，出現了鋼筋未屈服拔出和鋼筋屈服拔出兩種破壞形態;給出了豎向正應力、砂漿強度等級和鋼筋錨固長度等因素對拉結鋼筋黏結錨固性能的影響規律。

3)通過6根預貼電阻應變片的鋼筋拉拔試驗，量測錨固長度范圍的鋼筋應變，給出鋼筋與專用砌筑砂漿黏結應力的分布曲線。

4)通過極限荷載下沿錨固長度的平均黏結應力，分別給出砂漿強度等級為Mb5和Mb10的鋼筋界限錨固長度。

參考文獻

［1］重慶市建設委員會．08J07蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫墻體建筑構造圖集［Z］．重慶:重慶市建設委員會，2011．

［2］江蘇省住房和城鄉建設廳．DGJ32 /TJ107—2010蒸壓加氣混凝土砌塊自保溫系統應用技術規程［S］．江蘇:江蘇省工程建設標準站，2010．

［3］趙成文，吳迪，高連玉．蒸壓加氣混凝土砌塊砌體水平灰縫鋼筋錨固試驗［J］．沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2013( 2) : 243-250．

［4］劉明，黃承逵，程云．灌孔混凝土與鋼筋粘結應力分布的試驗研究［J］．遼寧工程技術大學學報，2006，25 ( 5) : 705-707．

［5］劉立新，羅國生．鋼筋混凝土并筋梁的粘結錨固及受力性能研究［J］．鄭州工業大學學報，2001( 3) : 215-218．

［6］劉明，苑振芳，王利民，等．配筋砌體結構結合帶中鋼筋的錨固搭接長度的試驗研究［J］．混凝土，2001( 3) : 34-36．

［7］胡玨．頁巖多孔磚砌體抗剪性能與拉結筋、膨脹螺栓錨固性能的試驗研究［D］．重慶:重慶大學，2003．

［8］毛達嶺．HRB500鋼筋粘結錨固性能的試驗研究［D］．鄭州:鄭州大學，2004．

［9］陳萌，畢蘇萍，王寶朝，等．中強度預應力HR鋼棒在混凝土中的錨固試驗及可靠度分析［J］．鐵道建筑，2012( 11) : 136-139．

［10］中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB 50003—2011砌體結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2011．

(責任審編周彥彥)

Experimental research on bonding-anchoring behaviour between special masonry mortar and steel bar for concrete block

CHEN Meng，MA Tingting，ZHANG Haojian，LIU Leqing

( School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450002，China)

Abstract:T he paper carried out pullout tests on 36 steel bars in special masonry mortar for walls of insulating layers and autoclaved aerated concrete blocks．By dividing the loading-displacement curve into five stages，it noticed two types of failure forms - namely pullout before the specimen yields and the other way around，and looked into the influence of stress at normal direction，mortar strength and anchorage length，etc．on the bonding-anchoring behaviour of the specimens．T he pullout tests on six steel bars with strain gauges attached beforehand helped measure any strain change and enabled the calculation of average adhesive stress along the anchorage length under loading limit．On this basis，the paper provided the length limits for M b5 and M b10 mortars．

Key words:Pullout test; Special masonry mortar; Stress at normal direction; Anchorage length

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0152-05

作者簡介:陳萌( 1969—)，女，教授，博士。

基金項目:河南省省級新型墻體材料專項基金項目(豫財建［2012］430號)

收稿日期:2015-08-03;修回日期: 2015-10-17

中圖分類號:TU375

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．36