再生混凝土與鋼筋間黏結應力分布函數

楊海峰，鄧志恒，龔馬馳

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再生混凝土與鋼筋間黏結應力分布函數

楊海峰1, 2，鄧志恒1, 2，龔馬馳1, 2

(1. 廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧，530004；2. 廣西大學廣西防災減災與工程安全重點實驗室，廣西南寧，530004)

通過改變箍筋間距，采用鋼筋開槽內貼片方法，測試全天然骨料和全再生骨料共6組鋼筋混凝土構件的平均黏結?滑移曲線及錨固段內不同位置處的鋼筋應變。基于試驗結果，計算不同錨固位置處鋼筋與混凝土的黏結應力和相對滑移，得到相應位置的黏結?滑移曲線。分析箍筋約束對再生混凝土?鋼筋黏結應力分布的影響機理，并建立再生混凝土與鋼筋間黏結應力分布函數模型。研究結果表明：未配箍構件的加載端黏結應力大于自由端黏結應力；構件配箍筋后，平均極限黏結強度提高，峰值滑移顯著增加，平均黏結?滑移曲線下降段變平緩，且隨著箍筋間距減小，錨固段黏結應力分布逐漸均勻；再生粗骨料對鋼筋混凝土的黏結應力分布影響較小。

再生混凝土；內貼片；箍筋約束；黏結應力分布

隨著相關研究的深入，再生混凝土材料應用于結構用途已成為趨勢[1?5]。鋼筋?再生混凝土黏結?滑移本構關系是鋼筋再生混凝土結構有限元分析的基礎，具有重要的作用。已有的鋼筋?再生混凝土黏結性能研究中，大多數均假定黏結應力沿錨固長度均勻分 布[6?10]，這與實際黏結應力分布并不完全相符[11?13]。實際構件中鋼筋混凝土構件均在箍筋約束作用下服役，箍筋約束限制了再生混凝土裂縫的開展并直接影響黏結應力的傳遞，對再生混凝土?鋼筋黏結應力分布具有重要影響。基于此，本文作者研究不同間距箍筋作用下全天然骨料和全再生骨料混凝土與鋼筋間的黏結應力分布函數，以便為鋼筋再生混凝土結構理論分析提供參考。

1 試驗

1.1 原材料與配合比

本試驗再生粗骨料采用南寧市某路面混凝土經過破碎后篩分獲得，天然骨料采用碎石，細骨料采用天然河沙，水泥為海螺牌R32.5硅酸鹽水泥，粗骨料相關性能見表1。鋼筋采用HRB400，直徑=20 mm，箍筋采用f8 HPB300級鋼，間距為50 mm和100 mm。為對比同強度再生混凝土和普通混凝土與鋼筋間黏結應力分布的差異，選擇全天然骨料和全再生骨料混凝土進行試配，詳細配合比見表2。

表1 粗骨料性能

表2 混凝土配合比

1.2 試件制作及加載

構件澆筑前進行鋼筋開槽加工(見圖1)，在槽內指定位置粘貼應變片(合計6個應變片相互等間距布置)，并用導線從自由端引出。試驗共制作6組中心拉拔試件(見圖2)，鋼筋有效錨固長度取=5=100 mm。試驗在RMT-201巖石壓力機上進行，測試時鋼筋應變、荷載及鋼筋混凝土相對滑移同步采集。

圖1 鋼筋開槽尺寸和貼片位置(單位：mm)

圖2 試件尺寸(單位：mm)

2 試驗結果

實測黏結?滑移曲線如圖3所示，其中縱坐標0為平均黏結強度，0=/(π)，(式中，為外加荷載)；橫坐標為鋼筋的平均相對滑移，曲線特征值見表3。

表3 試驗結果特征值

注：u為極限黏結強度；lu和fu分別為加載端和自由端鋼筋對應黏結強度時的滑移。

由圖3可知：鋼筋再生混凝土平均黏結?滑移曲線與普通鋼筋混凝土相似；隨著箍筋間距減小，平均黏結強度整體提高，峰值滑移顯著增大，曲線下降段逐漸變平緩，構件從劈裂破壞過渡到劈裂?拔出破壞。說明箍筋明顯改善了鋼筋再生混凝土的黏結延性。

(a) NC；(b) RC

3 再生混凝土?鋼筋黏結應力分布

3.1 黏結應力計算

根據實測測點處鋼筋應變，選取鋼筋微單元建立平衡方程，測點間黏結應力[14?15]為

式中：為測點間黏結應力；d為鋼筋微段兩端拉力差；和(i+1)為鋼筋測點應力；ε和ε(i+1)為鋼筋測點應變；h為測點與測點+1的間距。將黏結應力沿錨長積分可得到每級荷載作用下的拉拔荷載理論值，如果該值與實測結果不等，則將差值采用反符號微調至各微段。

3.2 箍筋約束對再生混凝土黏結應力分布影響機理

各級荷載作用下計算所得黏結應力分布如圖4所示，圖中橫坐標為相鄰測點距加載段距離的平均值。由圖4可知，再生混凝土黏結應力分布與普通混凝土相似；在加載前期，加載端黏結應力增加迅速，靠近加載端黏結應力可與外荷載平衡，自由端黏結應力仍較小，此時箍筋約束對黏結應力分布影響很小；隨著外荷載增加，錨固段內黏結應力不斷增加，并逐漸向自由端傳遞。受鋼筋滑移影響，再生混凝土受徑向擠壓形成拉應力。對于未配箍構件，再生混凝土拉應力逐漸增加，內裂縫逐漸向混凝土表層發展，當達到抗拉強度時發生劈裂，混凝土對鋼筋的握裹力和咬合力降低而破壞。此時由于缺乏箍筋約束，主要黏結應力分布在加載端，自由端黏結應力并未完全發揮時已經出現劈裂破壞。

對于配箍構件，加載前期鋼筋再生混凝土黏結應力和未配箍構件相似，黏結應力在加載端分布較大、自由端仍然較小。隨著荷載增加，鋼筋?再生混凝土接觸界面開裂且內裂縫逐漸向外開展，達到箍筋表面。再生混凝土開裂后，由于箍筋約束作用致使再生混凝土對鋼筋的握裹力并未顯著下降，此時，加載端黏結應力已經發揮殆盡，為平衡外部荷載，黏結應力逐漸向自由端傳遞，自由端黏結應力迅速增加。當荷載繼續增加時，錨固段中后段內層再生混凝土也逐漸開裂并向外擴展，當整個錨固段的裂縫貫通為一主裂縫發展至試件表面時，黏結力達到峰值，錨固段內中部的黏結應力幾乎相等，試件隨后發生劈裂?拔出破壞。

對比天然骨料混凝土試件與再生骨料混凝土試件的黏結應力分布發現，各試件達到峰值黏結力時的黏結應力分布區別并不十分明顯。對于未配箍構件，再生骨料混凝土試件在靠近自由端位置黏結應力的增長要比天然骨料混凝土的大，說明鋼筋再生混凝土試件的黏結應力傳遞更快。對于配箍構件，由于箍筋約束作用，使再生混凝土和天然混凝土的差異逐漸 減小。

4 測點處鋼筋?再生混凝土黏結?滑移曲線

4.1 測點處相對滑移計算

各測點處滑移實際由鋼筋和混凝土變形差引起，可采用相鄰測點實測鋼筋應變通過微段界面平衡方程計算獲得，同時考慮混凝土應變沿截面不均勻分布引入不均勻系數c[13?15]：

其中：s和f為不同錨固位置和自由端相對滑移；；；；ci和si分別為各測點混凝土、鋼筋應變值；ci為測點處微段混凝土平均應力，可根據微段平衡計算獲得；c為鋼筋彈性模量；，Δci和Δsi分別為各微段長度及微段混凝土、鋼筋變形；c為混凝土應變截面不均勻系數，可采用加載端和自由端實測滑移值反算獲得。計算獲得不同位置處相對滑移沿錨固長度分布如圖5所示。

4.2 測點處黏結?滑移曲線

將計算所得不同位置處的黏結應力和滑移繪圖可到不同錨固位置處黏結?滑移曲線如圖6所示。由圖6可知，在不同位置處鋼筋?再生混凝土的黏結?滑移曲線并不一致。受箍筋約束影響，除端部=7.5 mm和95 mm處外，配箍構件中間段黏結應力分布較未配箍構件更加均勻。此外，鋼筋再生混凝土不同位置處黏結?滑移曲線與普通鋼筋混凝土黏結?滑移曲線差異不明顯。

(a) NC-1；(b) NC-2；(c) NC-3；(d) RC-1；(e) RC-2；(f) RC-3

(a) NC-1；(b) NC-2；(c) NC-3；(d) RC-1；(e) RC-2；(f) RC-3

(a) NC-1；(b) NC-2；(c) NC-3；(d) RC-1；(e) RC-2；(f) RC-3

5 黏結應力分布函數

鋼筋再生混凝土黏結應力分布與黏結位置有關，各測點處黏結?滑移分布并不一致，為比較不同錨固位置處的黏結應力剛度，將臨近破壞荷載的黏結應力分布量綱一化(/u)，量綱一化RC系列構件黏結剛度分布繪于圖7(a)。由圖7(a)可知：鋼筋再生混凝土黏結應力在加載端和自由端較小，并迅速向中部增加，在(0.15?0.85)范圍為趨于穩定，且未配箍筋構件加載段黏結應力大于自由端黏結應力，而配箍構件在(0.15?0.85)分布較均勻。結合黏結應力分布特點，為工程使用方便，建立三折線黏結應力分布函數()模型，如圖7(b)所示，函數由4個控制點控制，即 點1(0，0)，點2(0.15，1)，點3(0.85，2)，點4(1，0)，通過數值擬合方法確定1和2。

無配置橫向箍筋試件，天然骨料混凝土時，1=1.58，2=0.73；當混凝土為再生骨料混凝土時，1=1.51，2=0.78。

當試件箍筋間距為100 mm時，對于天然骨料混凝土，1=1.63，2=1.27；對于再生骨料混凝土，1=1.61，2=1.32。

當試件箍筋間距為50 mm時，對于天然骨料混凝土，1=1.72，2=1.59；對于再生骨料混凝土，1=1.69，2=1.68。

(a) RC系列黏結應力量綱一化；(b) 黏結應力分布函數

以上結果表明，在相同配箍情況下，再生混凝土1略比天然骨料混凝土的小，而2則相反，說明再生混凝土黏結分布略均勻，但這種差異較小，因此，可以在分析時與普通鋼筋混凝土統一取值。隨著箍筋間距減小，1略微增加，而2則增加幅度較大并逐漸接近1，主要由于箍筋約束作用大大提高了錨固中后段黏結應力的發揮。需要強調的是：由于鋼筋內貼片測試繁雜、難度較大，本文試驗工作量有限，文中黏結應力分布適用于錨固長度為5和配箍間距50 mm和100 mm情況，對于其他錨固長度和配箍情況需進行更多試驗分析工作。

6 結論

1) 箍筋約束提高了鋼筋再生混凝土黏結延性，隨著箍筋間距減小，極限黏結強度提高、峰值滑移量顯著增大，且平均黏結?滑移曲線下降段逐漸變平緩。

2) 未配箍構件加載端黏結應力始終大于自由端黏結應力，由于劈裂拉應力達到再生混凝土極限抗拉強度發生破壞時，錨固中后段黏結應力并未充分發揮。對于配箍構件，當再生混凝土劈裂應力達到抗拉強度時，由于箍筋約束，錨固中后段黏結應力逐漸發揮作用，最后破壞時錨固段中部黏結應力分布較均勻，且箍筋間距的越小規律越明顯。

3) 鋼筋再生混凝土與普通鋼筋混凝土黏結應力分布相似，黏結應力分布函數差異不明顯，根據試驗及計算分析結果，建立了再生混凝土黏結應力分布函數模型。

[1] GB/T 25177—2010, 混凝土用再生粗骨料[S]. GB/T 25177—2010, Recycled coarse aggregate for concrete[S].

[2] EGUCHI K, TERANISHI K, NAKAGOME A, et al. Application of recycled coarse aggregate by mixture to concrete construction[J]. Construction and Building Materials, 2007, 21(7): 1542?1551.

[3] BRECCOLOTTI M, MATERAZZI A L. Structural reliability of eccentrically-loaded sections in RC columns made of recycled aggregate concrete[J]. Engineering Structure, 2010, 32(11): 3704?3712.

[4] 曹萬林, 張勇波, 董宏英, 等. 再生混凝土結構抗震性能研究進展與評述[J]. 地震工程與工程震動, 2013, 36(6): 63?73. CAO Wanlin, ZHANG Yongbo, DONG Hongying et al. A review of mechanical properties and structural behavior of recycled concrete[J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2013, 36(6): 63?73.

[5] 肖建清, 丁德馨, 駱行文, 等. 再生混凝土疲勞損傷演化的定量描述[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2011, 42(1): 170?176. XIAO Jianqing, DING Dexin, LUO Xingwen, et al. Quantitative analysis of damage evolution as recycled concrete approaches fatigue failure[J].Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(1): 170?176.

[6] XIAO J, FALKNER H. Bond behavior between recycled aggregate concrete and steel rebars[J]. Construction and Building Materials, 2007, 21(2): 395?401.

[7] CHOI H B, KANG K I. Bond behaviour of deformed bars embedded in RAC[J]. Magazine of Concrete Research, 2008, 60(6): 399?410.

[8] BUTLER L, WEST J S, TIGHE S L. The effect of recycled concrete aggregate properties on the bond strength between RCA concrete and steel reinforcement[J]. Cement and Concrete Research, 2011, 41(10): 1037?1049.

[9] FATHIFAZL G, RAZAQPURISGOR A G, ISGOR O B, and et al. Bond performance of deformed steel bars in concrete produced with coarse recycled concrete aggregate[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2012, 39(2): 128?139.

[10] PRINCE M JR, SINGH B. Bond behaviour of normal- and high-strength recycled aggregate concrete[J]. Structural Concrete, 2015, 16(1): 56?70.

[11] ZHAO Yuxi, LIN Hongwei, WU Kang, et al. Bond behavior of normal/recycled concrete and corroded steel bars[J]. Construction and Building Materials, 2013, 48(11): 348?359.

[12] 王博, 白國良, 李堅, 等. 鋼筋與再生混凝土黏結應力分布的試驗研究及理論分析[J]. 工業建筑, 2012, 42(4): 10?14. WANG Bo, BAI Guoliang, LI Jian et al. Experimental and theoretical analysis of bond stress distribution between the rebar and the recycled concrete[J]. Industry Construction, 2012, 42(4): 10?14.

[13] 楊海峰, 鄧志恒, 李雪良, 等. 再生混凝土-鋼筋黏結滑移本構關系研究[J]. 建筑材料學報, 2013, 16(3): 429?436. YANG Haifeng, DENG Zhiheng, LI Xueliang, et al. Experimental study on bond-slip relation between recycled concrete and steel bar[J]. Journal of Building Materials, 2013, 16(3): 429?436.

[14] 趙羽習, 金偉良. 鋼筋與混凝土黏結本構關系的試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2002, 23(1): 32?37. ZHAO Yuxi, JIN Weiliang. Test study on bond stress-slip relationship of concrete and steel bar[J]. Journal of Building Structures, 2002, 23(1): 32?37.

[15] 張偉平, 張譽. 銹脹開裂后鋼筋混凝土黏結滑移本構關系研究[J]. 土木工程學報, 2001, 34(5): 40?44. ZHANG Weiping, ZHANG Yu. Bond-slip relationship between corroded steel bars and concrete[J]. Journal of Civil Engineering, 2001, 34(5): 40?44.

(編輯 趙俊)

Bond stress distribution function between recycled concrete and steel rebar

YANG Haifeng1, 2, DENG Zhiheng1, 2, GONG Machi1, 2

(1. College of Civil and Architecture Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China;2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety of Guangxi, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Six groups of average bond-slip curves between full natural aggregate/full recycled aggregate concrete and rebar and the rebar’s strain along the embedment length were investigated by means of inner-embedded gauges, considering different distances among stirrups. The test data were used to calculate the bond stress, slip, and bond?slip curve was obtained at different locations. Finally, the bond stress distribution function between recycled concrete and steel rebar was established, and the mechanics of stirrups affected on bond distribution function was also analyzed. The results show that specimens without stirrups exhibit a higher bond stress near the load end than those stress near the un-load end. For specimens with stirrups, with the reduction of distance between stirrups, the ultimate bond strength and peak slip increase, the descending blanch of bond?slip curve becomes flatter, and the bond stress distribution becomes uniform as well. In addition, recycled coarse aggregate has little effect on the bond stress distribution.

recycled concrete;inner-embedded gauge;confinement of stirrup;bond stress distribution

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.06.027

TU528

A

1672?7207(2017)06?1615?06

2016?10?16；

2016?11?25

國家自然科學基金資助項目(51308135)；廣西自然科學基金資助項目(2014GXNSFBA118242)；廣西防災減災重點實驗室系統性研究課題(2013ZDX01)(Project(51308135) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2014GXNSFBA118242) supported by the National Science Foundation of Guangxi; Project(2013ZDX01) supported by the Program of Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safely of Guangxi)

鄧志恒，博士，教授，博士生導師，從事混凝土力學及結構性能研究；E-mail：dengzh207@163.com