凍融下預濕方式對塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋粘結性能的影響

牛建剛　謝承斌　郝吉

摘要：

通過常壓預濕和加壓預濕兩種方式對燒結頁巖陶粒輕骨料進行處理，探究不同凍融循環次數下，塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋的粘結性能，著重分析了兩種預濕方式下試件力學性能、粘結強度、荷載滑移曲線、粘結韌性的變化規律。試驗結果表明：加壓預濕試件的力學性能、極限粘結強度低于常壓預濕試件，且加壓預濕試件的破壞形態均為劈裂破壞；加壓預濕試件的極限粘結韌性Au隨凍融循環次數增加而減小，殘余粘結韌性A80、A60下降較為平緩，但常壓預濕試件粘結韌性均高于加壓預濕試件。建立了凍融環境下塑鋼纖維輕骨料混凝土剩余粘結強度與抗壓強度之間退化模型和粘結韌性退化模型，模型計算值與試驗值吻合較好。

關鍵詞：常壓預濕；加壓預濕；混凝土；粘結性能；凍融環境

中圖分類號：TU528.1

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2018）03006607

Abstract：

The sintered shale ceramsite lightweight aggregate was treated by the atmospheric prewetting and pressurized prewetting. The bonding properties of the lightweight aggregate concrete and the steel bar under different freezing and thaw cycles were investigated. The mechanical properties， bond strength， loadslip curve and bond toughness of the specimen under prewetting were analyzed. The experimental results show that the mechanical properties and ultimate bonding strength of the preheated wetting specimen were lower than those of the prewetting specimen， and the failure modes of the prewetting specimen were all fractured. The ultimate bond toughness of Au decreases with the increase of freezethaw cycle， and the residual toughness of A80 and A60 is relatively flat， but the bond toughness of the prewetting specimen is higher than that of pressurized prewetting specimen.Under the freezing and thawing environment， the bond toughness degradation model and the degenerative model of the residual strength and compressive strength of the steel fiber lightweight aggregate concrete were established. The calculated values of the model were in good agreement with the experimental values.

Keywords：

atmospheric prewetting； pressurized prewetting； concrete； bonding properties； freezing thawing environment

中國北方嚴寒及寒冷地區的混凝土結構主要受凍融侵蝕。嚴重的凍融損傷可致使混凝土構件無法繼續承擔荷載，縮短了混凝土結構的使用壽命。鋼筋與混凝土的粘結性能是影響構件結構力學性能退化的主要原因之一[1]。因此，在嚴寒地區工程中，對混凝土粘結性能研究至關重要[2]。

輕骨料混凝土密度小，混凝土結構自重較輕，表面多孔，可增強混凝土的抗凍性，但輕骨料混凝土強度低，易發生脆性破壞[34]。為了解決這一缺陷，在水泥基體中摻加纖維是最有效的方法，塑鋼纖維具有質輕、耐腐蝕等優點，摻入輕骨料混凝土中能明顯提高其韌性及其他力學性能[56]。由于輕骨料自身質量較輕，在混凝土攪拌、運輸、振搗及澆筑過程中會出現骨料上浮現象，同時，輕骨料在養護時會吸收骨料表面的水分，從而影響骨料與水泥漿界面的強度。預濕骨料可以在一定程度上抑制骨料上浮[78]，輕骨料預濕可采用常壓預濕與加壓預濕兩種方法，常壓預濕較便捷，但由于其預濕壓力有限，使得預濕時間較長，且很難使骨料達到飽水狀態，從而使骨料上浮的抑制作用受到限制[910]；加壓預濕輕骨料由于外部較高的水壓力，使骨料很快就接近飽水狀態，可以極大地縮短預濕時間，實現輕骨料混凝土的工業化生產以及規模化使用[1112]。對于凍融環境下不同預濕方式塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋粘結性能的理論與試驗資料較少。

筆者研究不同凍融循環次數（0、50、100、150）、輕骨料預濕方式對塑鋼纖維輕骨料混凝土的力學性能、粘結強度、粘結韌性的影響規律，并基于試驗數據擬合凍融環境下塑鋼纖維輕骨料混凝土抗壓強度與粘結強度的退化模型和粘結韌性的退化模型。

1原材料與試驗方案

1.1原材料及配合比

水泥：內蒙古蒙西水泥股份有限公司生產的P·O 42.5水泥；粗骨料：湖北宜昌寶珠陶粒生產的燒結圓球型頁巖陶粒，主要性能指標見表1；塑鋼纖維：寧波大成新材料生產的聚丙烯粗纖維，呈波浪型，其性能參數見表2，根據前期研究成果，輕骨料混凝土中塑鋼纖維摻量采用8 kg/m3；外加劑：B2萘系高效減水劑，AH1型引氣劑，新拌混凝土含氣量為3.6%；參照《輕骨料混凝土技術規程》（JGJ 51—2002）中的松散體積法進行塑鋼纖維輕骨料混凝土配合比的初步設計，塑鋼纖維輕骨料混凝土的配合比見表3。

1.2試驗方案

根據文獻[13]中輕骨料預濕試驗研究結果可知：常壓預濕頁巖陶粒1 h，輕骨料的含水狀態已接近穩定；頁巖陶粒在1.5 MPa壓力下預濕15 min處理，輕骨料已接近飽水狀態。按照上述方法進行預濕，常壓預濕骨料在清水中浸泡1 h，表干狀態的輕骨料最終含水率為5.2%；加壓預濕使用骨料加壓預濕機，陶粒在1.5 MPa的壓力下預濕15 min，然后將陶粒表面處理至表干，骨料最終含水率為16.28%。

參照《纖維混凝土試驗方法》（CECS 13—2009）進行輕骨料混凝土的攪拌與振搗試驗，凍融試驗程序參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009），試件標準養護24 d后水養4 d，對試件進行快凍法，分別凍融循環0、50、100及150次。試件編號中A代表常壓預濕、P代表加壓預濕，A050表示骨料常壓預濕下凍融循環50次。

通過鋼筋內貼應變片的方法測得錨固段內鋼筋在加載過程中的應變趨勢。鋼筋沿縱向剖切為兩片，在鋼筋的兩個剖面中間位置處開槽，槽口寬為5 mm，深為2 mm。在鋼筋錨固段內均勻分布粘貼5個應變片。然后用AB膠將槽填滿，以保護應變片，最后將鋼筋剖面打磨平整，將兩片鋼筋焊接固定在一起。在試件加載端及自由端的非粘結段使用PVC套筒隔離鋼筋與混凝土，以免影響試件的錨固長度。使用膠槍密封鋼筋與PVC管間的縫隙，避免漿體滲入縫隙內影響錨固效果。直接拔出試驗用60 t液壓式萬能試驗機施加荷載，直接拔出試件基準設計圖與試驗加載裝置分別如圖1、圖2所示。

2試驗結果及分析

2.1試驗現象

塑鋼纖維輕骨料混凝土試塊表面的混凝土剝落情況隨凍融循環次數的增加逐漸加重，試塊上輕骨料與塑鋼纖維表面附著水泥漿隨之剝落，常壓預濕輕骨料混凝土表面剝落情況少于加壓預濕試件，如圖3凍融環境下不同預濕方式輕骨料混凝土試件表面現象所示。

[]兩組試件在不同凍融循環次數下，試件破壞形貌基本類似。圖4為未凍融時頁巖陶粒劈裂破壞圖，試件斷裂面處的陶粒皆為劈裂破壞，塑鋼纖維被拔斷；50次凍融時試件斷裂面中約40%陶粒被劈裂，其余陶粒保持完整，且塑鋼纖維皆被拔斷，劈斷面略顯粗糙；100次凍融試件斷裂面僅有少部分陶粒被劈裂，且塑鋼纖維皆被拔出；150凍融時試件斷裂面的陶粒均與水泥漿體相剝離，且塑鋼纖維皆被拔出。

2.2凍融環境下預濕方式對試件力學性能的影響

從圖5、圖6可以看出，凍融環境下，加壓預濕與常壓預濕輕骨料混凝土抗壓強度和劈拉強度皆隨凍融循環次數的增加而降低，且加壓預濕輕骨料混凝土的抗壓強度均低于常壓預濕試件。這是因為常壓預濕下陶粒的吸水能力沒有加壓預濕下陶粒的吸水能力強，在混凝土拌和過程中，常壓預濕輕骨料并未達到飽和水狀態，陶粒吸水造成混凝土有效水灰比下降，從而抗壓強度變大。并且，在硬化水化過程中，常壓預濕陶粒返水能力低于加壓預濕陶粒返水能力。

2.3凍融環境下預濕方式對試件粘結強度的影響

由圖7可以看出，兩組粘結試件的極限粘結強度退化規律與試件強度退化規律相似，其中，加壓預濕輕骨料試件的抗凍性相較于常壓預濕試件表現得較差。這是由于加壓預濕飽和水狀態下陶粒表面孔隙的水分比常壓預濕陶粒表面孔隙的水分多，在混凝土攪拌過程中水泥漿體很難進入加壓預濕陶粒表面孔隙中，降低了輕骨料與水泥漿體界面間的化學膠著力。同時，在反復凍融作用下，加壓預濕陶粒吸水量小而返水能力強，靜水壓力和滲透壓力加劇了加壓預濕骨料的劣化，使得加壓預濕陶粒抗凍性低于常壓預濕陶粒，導致加壓預濕試件的粘結性能弱于常壓預濕試件。

2.4凍融環境下預濕方式對試件荷載滑移曲線的影響

如圖8（a）所示，P000與A000在微滑階段與滑移階段幾乎相重合；當曲線進入到劈裂階段時，A000試件產生較大的滑移而后拔出破壞，而P000試件在自由端稍有滑移后即發生劈裂破壞，兩組試件的峰值滑移量差距較大。

如圖8（b）所示，試件經受50次凍融循環，兩組試件的上升曲線幾乎重合，P050試件在劈裂階段僅產生較小的滑移即發生劈裂破壞，隨后荷載迅速下降。而A050則在試件的劈裂階段產生較大的滑移，試件達到極限粘結強度后仍具有較高的承載能力，且該試件的卸載過程較為平緩。

經歷100次凍融循環后，兩組試件的破壞形態均為劈裂破壞，且曲線發展趨勢相似。由于不同預濕方式試件基體強度經100次凍融循環后表現出較大的差別，導致P100與A100試件的曲線從滑移階段就表現出一定的差異，如圖8（c）所示。

常壓預濕與加壓預濕輕骨料混凝土經150次凍融循環皆進入凍融響應階段，混凝土的強度與剛度基本相同，所以，兩組試件的荷載滑移曲線在加載與卸載過程中基本相同，二者的曲線如圖8（d）所示。

2.5凍融環境下預濕方式對試件粘結韌性的影響

定義塑鋼纖維輕骨料混凝土直接拔出試件荷載滑移曲線下的面積作為拔出試件的韌性指標，以衡量直接拔出試件在加載過程中界面粘結能量的變化情況，定義3個粘結韌性參數：極限韌性Au、殘余韌性A80和殘余韌性A60。極限韌性Au：從加載到極限粘結荷載，荷載滑移曲線下的面積，表示試件破壞時所吸收的拔出荷載能量；殘余韌性A80：從加載到下降段殘余荷載為極限粘結荷載值80%，荷載滑移曲線下的面積，表示試件破壞后拔出荷載能量的耗散；殘余韌性A60：從加載到下降段殘余荷載為極限荷載60%，荷載滑移曲線下的面積，如圖9所示。

從圖10可看出，加壓預濕輕骨料混凝土試件Au、A80與A60均隨凍融循環的增加而減小；在凍融前期，常壓預濕輕骨料混凝土試件Au略有增大趨勢，凍融后期Au逐漸降低，而A80與A60均隨凍融循環的增加而減小。其原因是：加壓預濕的輕骨料幾乎為飽水狀態，陶粒在混凝土試件的養護期內會一直向陶粒表面的水泥漿體中返水，提高水泥漿輕骨料粘結界面過渡區的水灰比，同時影響早期水化物在陶粒表面孔隙內的生成與發展，從而影響輕骨料混凝土早期的基體強度，導致加壓預濕輕骨料混凝土的抗凍性低于常壓預濕輕骨料混凝土。因此，在容易遭受凍融侵蝕的環境中，建議使用常壓預濕輕骨料混凝土。

3凍融環境下塑鋼纖維輕骨料混凝土

的強度退化計算模型

根據凍融環境中塑鋼纖維輕骨料混凝土的力學試驗結果，得出輕骨料混凝土試件經歷不同凍融循環次數的損失規律。

3.1凍融環境下塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋粘

結強度計算公式

抗壓強度是混凝土力學強度中應用最為廣泛、表述最為直觀的力學性能指標，輕骨料混凝土在凍融環境中抗壓強度的變化規律直接反應出輕骨料混凝土基體在凍融環境中所承受的凍融損傷[14]。因為混凝土與鋼筋之間粘結性能由諸多繁雜因素影響，并且鋼筋在混凝土錨固區間內應力狀態較為復雜，難以準確地模擬，因此，關于鋼筋與混凝土間的粘結強度計算模型基本上都是基于試驗結果擬合所得。當混凝土處于凍融環境時，混凝土與鋼筋間粘結強度的計算模型所考慮的影響因素更復雜[15]。根據塑鋼纖維輕骨料混凝土試件的抗壓強度試驗結果，選用混凝土抗壓強度作為損傷變量，并定義混凝土損傷度D為

D=1-fcu，res/fcu，0

式中：fcu，o和fcu，res分別為混凝土的初始抗壓強度和凍融損傷后的剩余抗壓強度。

常壓骨料預濕和加壓骨料預濕回歸參數w分別為0.718和0.709，兩者相差不大，且都能較好的反映凍融后塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋τu，res與D之間的關系。

3.2凍融環境下塑鋼纖維輕骨料混凝土粘結韌性的退化計算公式

對凍融環境下塑鋼纖維輕骨料混凝土的粘結韌性值進行擬合，得到試件極限粘結韌性和殘余粘結韌性與凍融循環次數間的損傷演化方程，計算模型使用指數型表達式

AN=A0×ab·N（1）

式中：AN為經N次凍融循環作用的粘結韌性值；A0為未經凍融循環作用的粘結韌性值；a、b為擬合系數。

將極限粘結韌性值和殘余韌性值的試驗結果按照式（1）進行擬合，得到的結果如表4所示，計算式與試驗結果吻合度較高。

4結論

通過對凍融環境下不同預濕方式的塑鋼纖維輕骨料混凝土進行抗壓、劈拉以及直接拔出試驗，分析塑鋼纖維及預濕方式對輕骨料混凝土試件的影響，根據試驗結果得出以下結論：

1）采用常壓預濕的塑鋼纖維輕骨料混凝土直接拔出試件，經受50次凍融循環作用后的破壞形態為拔出破壞，其極限粘結強度對應的自由端滑移量增加；當凍融循環次數增加到100次時，試件的破壞形態變為劈裂破壞，試件的荷載滑移曲線的極限粘結強度、粘結剛度以及殘余粘結強度隨凍融循環的增加逐漸減小。加壓預濕粘結試件的破壞形態均為劈裂破壞。

2）加壓預濕的塑鋼纖維輕骨料混凝土試件的抗壓強度、極限粘結強度以及粘結韌性均比常壓預濕試件小，并且加壓預濕試件的抗凍性比常壓預濕試件差，建議在容易遭受凍融侵蝕的環境中，使用常壓預濕輕骨料混凝土。

3）以混凝土抗壓強度作為損傷度D，探究凍融環境下兩種預濕塑方式鋼纖維輕骨料混凝土試件與鋼筋剩余粘結強度τu，res與損傷度D之間關系，結果表明：兩種骨料預濕方式回歸參數w相差不大且擬合度較高。并且對兩種預濕塑方式鋼纖維輕骨料混凝土試件與鋼筋粘結韌性退化計算模型進行擬合，得出的計算式計算結果與試驗結果的吻合度較高。

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（編輯胡英奎）