高溫下鋼筋與混凝土的黏結性能試驗與分析

楊鷗　王朝陽　霍靜思

摘要：為研究鋼筋混凝土構件在高溫下的黏結性能，制作了25個中心拉拔試件及8個溫度場試件，同時制作了標準立方體試塊.對鋼筋、標準立方體試塊及中心拉拔試件分別進行室溫（20 ℃）、100 ℃、200 ℃、400 ℃和600 ℃加溫，完成了高溫后鋼筋抗拉強度試驗、高溫下標準立方體試塊劈裂抗拉強度試驗、溫度場試驗及中心拉拔試驗.根據溫度場試驗研究結果，提出一種簡易的高溫下中心拉拔試驗的方法，闡述不同溫度下鋼筋強度、混凝土抗拉劈裂強度及鋼筋與混凝土黏結性能的退化規律，并從混凝土的力學性能退化角度分析了高溫環境對黏結強度的影響，并以割線剛度的方法定量地研究了高溫對黏結剛度的影響.試驗結果表明：高溫后鋼筋強度在低于400 ℃時變化不大，高溫下混凝土劈裂抗拉強度基本呈線性下降，且高溫下鋼筋與混凝土的黏結強度變化趨勢與混凝土抗拉強度衰減趨勢相近.以滑移量0.015 mm為臨界點，黏結剛度與溫度的關系曲線呈現兩種不同變化形式.

關鍵詞：高溫下；抗拉強度；黏結強度；黏結剛度

中圖分類號：TU375.4文獻標志碼：A

Experimental Study and Analysis on Bond Performance between

Reinforcing Bar and Concrete under High Temperature

YANG Ou1， WANG Zhaoyang1， HUO Jingsi1，2

（1.Ministry of Education Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency， Hunan University，

Changsha410082， China； 2. College of Civil Engineering， Huaqiao University， Xiamen361021， China）

Abstract：To investigate the bond performance of reinforcement and concrete components under high temperature， twentyfive central pullout test specimens and other eight specimens for temperature field test were casted. The corresponding standard cube compressive specimens were also casted for concrete tensile splitting strength test under different temperatures. After exposed to 100 ℃， 200 ℃， 400 ℃， and 600 ℃， the tensile splitting strength of the cube specimens and the bond properties between rebar and concrete were tested immediately to simulated the concrete circumstance and reinforcing steel performance under high temperature. The strength of rebars which underwent temperature cycle loadings was tested after its cooling. The strength of rebar， tensile splitting strength of the cube specimens， and the bond performance between rebar and concrete under different temperatures were recorded. According to the temperature test results， a simplified test method of the bond strength between reinforcing bar and concrete under high temperature was proposed. The effect of high temperature environment on bond performance between rebar and concrete was analyzed from the perspective of the mechanical properties degradation of materials， and the influence of high temperature on bond stiffness was studied by the method of tangential bond stiffness. The experimental results show that the strength of rebar after high temperature shows little change below 400 ℃， the tensile splitting strength of concrete decreases linearly with temperatures and the variation trend of bond strength under high temperature is similar to the tensile strength of concrete. The results present two different relationships between bond stiffness and temperature by the slip of 0.015 mm.

Key words：under high temperature； split tensile strength； bond strength； bond stiffness

變形鋼筋與混凝土的黏結強度主要取決于兩者間的機械咬合力[1-2]，而拉應力是混凝土開裂的關鍵[3]，當鋼筋肋前堆楔作用對混凝土產生的環向拉應力超過混凝土的抗拉強度時，將會使鋼筋與混凝土發生黏結破壞[1-2].高溫作用后鋼筋與混凝土的力學性能嚴重退化[4-6]，將會導致鋼筋混凝土的黏結性能急劇下降.目前國內外學者就常溫下鋼筋和混凝土間的黏結性能進行了較為全面的研究[7-8]，同時對高溫后的黏結性能也進行了較深入的分析，研究結果表明隨著溫度的增高，鋼筋與混凝土的黏結強度呈現降低趨勢，峰值滑移逐漸增大[3，9-10].另一些學者研究發現在較低溫度段時黏結強度下降緩慢甚至略有增大的現象[11].

目前，大部分學者[12-13]在試驗裝置上設置高溫爐以保證試驗時試件處于高溫環境，因此高溫拉拔裝置較為復雜，國內外對高溫下鋼筋與混凝土的黏結性能研究相對較少.同時雖然一些學者基于自己的試驗給出了恒溫時間的建議[14-15]，但由于試件規格、含水率、配合比等因素不同，將設定溫度假定為黏結段溫度進行分析并不合理.本次試驗監測拉拔試件核心黏結段溫度隨時間的變化情況，提出一種簡易的高溫下拉拔試驗方法，同時對已有的高溫下及高溫后鋼筋與混凝土兩種材料強度的退化數據進行統計并與試驗得到的強度退化結果進行對比，以高溫下混凝土力學性能退化原理來闡述高溫下黏結性能退化機理.

1試驗概況

1.1試件設計

試件混凝土設計強度為C45，其配合原料為：強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，石灰質粗骨料（骨料粒徑≤15 mm），細骨料為天然河砂，拌合水為自來水.混凝土設計配合比（質量比）為水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.4∶1.08∶2.09；混凝土28 d實測平均抗壓強度為47.5 MPa；試驗前實測平均抗壓強度為54.0 MPa；采用滬南電爐烘箱廠制造的101-3A型電熱鼓風恒溫干燥箱烘烤標準立方體試塊，實測混凝土含水率為0.47%.試件拉拔鋼筋為直徑20 mm的HRB500鋼筋，實測屈服強度為558 MPa，極限強度為683 MPa，箍筋采用直徑6 mm的HRB400鋼筋.拉拔試件尺寸如圖1（a）所示.溫度場試件與拉拔試件外部尺寸相同，如圖1（b）所示，熱電偶溫度測點位于黏結段中心但不與鋼筋接觸.

（a）拉拔試件幾何尺寸

（b）溫度場試件幾何尺寸

1.2試驗裝置及試驗方法

升溫裝置采用多功能組合式結構試驗高溫爐，溫度控制和溫度測試采用工控機和控制軟件進行控制、顯示和保存.

本次拉拔試驗采用無錫新路達制造的WA-1000B型電液式萬能試驗機，并設計了一種可消除高溫對位移計及力傳感器影響的拉拔試驗裝置，如圖2所示.使用力傳感器和電阻式位移計分別對試驗中的拉拔力及自由端位移進行測量，使用National Instruments的數據采集卡進行采集.

高溫試驗分為溫度場試驗、鋼筋與混凝土兩種材料高溫力學性能試驗及高溫下中心拉拔試驗3個部分.升溫制度統一設定為升溫速率10 ℃/min[15]，恒溫時間由溫度場試驗升溫段結果決定（實測恒溫

5 h時黏結段溫度基本已達到設定溫度，故恒溫時間設定為5 h）.恒溫時間結束后立即取出溫度場試件放于室內環境中自然冷卻50 min，觀察完成一次拉拔試驗過程中黏結段溫度變化情況（保守估計完成一次高溫拉拔試驗為50 min，實際完成一次高溫拉拔試驗約為30 min），整個升降溫過程中采用M400溫度巡檢儀記錄試件核心黏結區溫度變化.同樣，恒溫結束后分別完成高溫后鋼筋抗拉試驗、高溫下標準立方體劈裂抗拉試驗及鋼筋與混凝土拉拔試驗.

2試驗結果

2.1溫度場試驗

升溫過程中爐膛溫度與試件黏結區溫度變化曲線如圖3（a）所示，恒溫5 h時試件黏結段的溫度基本已達到目標溫度.由圖3（b）可知，室內環境下（實測試驗時室內環境為10 ℃）試件核心區溫度在20 min內基本保持穩定，超過20 min后緩慢下降，在室內環境下冷卻30 min時核心黏結區溫度降幅約為11%左右，黏結區溫度下降不多，因此對于從爐內取出高溫拉拔試件在室內環境下30 min內完成的拉拔試驗，可以認為是設定溫度下的高溫試驗.

2.2鋼筋與混凝土高溫力學性能試驗

高溫后鋼筋抗拉試驗在萬能試驗機上完成，高溫下混凝土劈裂試驗在壓力試驗機上完成.鋼筋與混凝土材料高溫力學性能試驗結果如表1所示.

2.3高溫下鋼筋與混凝土黏結性能試驗

常溫拉拔試件的破壞呈現較為明顯的劈裂破壞特征.在荷載較大時會在臨近加載端的側面形成細微縱向裂紋并迅速向自由端發展，隨著拉拔力進一步增大試件側面縱向裂紋迅速變寬并貫穿整個保護層，此時荷載達到峰值后瞬間下降且自由端伴有明顯的滑移.由于箍筋的對混凝土的橫向約束作用，試件在達到極限荷載時仍保留少許的黏結力.經歷了高溫的拉拔試件在加載的過程中雖然也產生縱向劈裂裂紋，但其黏結力在達到峰值荷載后緩慢下降同時自由端滑移緩慢增大，高溫下試件破壞特征逐漸向拔出破壞過渡.拔出試件的破環形態及特征值見表2.

3分析與討論

3.1高溫作用下鋼筋與混凝土力學性能

高溫下鋼筋與混凝土的黏結性能與這兩種材料在高溫下的力學性能的變化有密切關系.文獻[4]統計整理了國內外學者關于鋼筋與混凝土兩種材料的強度隨溫度變化的折減系數，因此本文對文獻[4]中所整理的一部分高溫下和高溫后材料強度折減數據以及其他學者研究成果進行了統計，并與試驗實測強度折減系數進行對比.高溫下和高溫后鋼筋強度變化規律如圖4所示.高溫下鋼筋屈服強度以200 ℃為界，低于200 ℃時下降緩慢而高于200 ℃時迅速下降；高溫下鋼筋的極限強度在400 ℃前下降緩慢甚至略有提高，當溫度高于400 ℃后極限強度迅速下降，600 ℃時強度不到常溫下的40%，與文獻[16]的結論基本一致.而高溫后鋼筋強度在溫度大于400 ℃后才呈現較小的下降趨勢，600 ℃時強度下降約10%.對比屈服強度與極限強度衰減趨勢可知，高溫下和高溫后鋼筋屈服強度劣化程度大于其極限強度.對比高溫下和高溫后鋼筋強度折減系數可知，高溫下鋼筋的強度劣化程度要遠大于其高溫后強度的退化.

圖5、圖6分別給出了高溫下混凝土抗壓強衰減曲線、高溫下及高溫后混凝土劈裂抗拉強度衰減曲線，由于各個學者所使用的混凝土配合比、骨料種類、恒溫時間等不同，因此試驗數據之間略有差異，但經歷高溫作用的混凝土強度變化整體趨勢為隨著溫度升高而下降.對于高溫下混凝土抗壓強度，如圖5所示，當溫度小于300 ℃時衰減緩慢，大于300 ℃時混凝土抗壓強度迅速衰減，Huo等[23]、胡海濤等[24]得到類似結論.由圖6可知，抗拉強度隨溫度升高整體呈線性下降，在溫度小于200 ℃之前下降緩慢，高于200 ℃時抗拉強度隨溫度升高迅速下降.由圖5與圖6對比可知，高溫作用的混凝土劈拉強度劣化程度比抗壓強度要大得多.本試驗得到的混凝土劈拉強度衰減系數處于圖6的下限但與文獻[14]數據吻合良好，查閱統計文獻發現本次試驗恒溫時間較長因此混凝土抗拉強度偏低，而文獻[14]的恒溫時間為6 h與本試驗恒溫時間5 h相差不多所以吻合較好.

高溫下混凝土強度的變化與混凝土內部發生復雜的物理化學發應息息相關：在100～300 ℃時由于混凝土內部自由水和結合水相互被蒸發，在此階段混凝土的抗壓強度下降緩慢甚至略有提高[23，25].在400～600 ℃時混凝土中的C—S—H凝膠在高溫作用下已經嚴重破壞，因此混凝土強度迅速下降[23-24，26].高溫作用的混凝土劈拉強度比抗壓強度劣化更加嚴重，主要是由于混凝土劈拉強度主要取決于粗骨料與水泥砂漿的黏結強度，在混凝土劈裂抗拉試驗中混凝土中的溫度裂隙在拉應力作用下加劇了混凝土抗拉強度的降低，因此混凝土抗拉強度對溫度損傷更為敏感，高溫下混凝土劈拉強度衰減比抗壓強度要大得多.

3.2高溫作用下鋼筋與混凝土黏結強度

圖7給出了不同溫度下鋼筋與混凝土的黏結滑移曲線，對比不同溫度下的黏結滑移曲線，可以發現隨著溫度升高黏結強度下降，峰值滑移增大.由于高溫下黏結試驗有限，因此表3統計了已有學者完成的高溫下及高溫后鋼筋與混凝土黏結試驗結果，將各個學者試驗中的高溫黏結強度退化系數繪于圖8中.大部分試驗[9-10，13，32]均表明在100～300 ℃時高溫后黏結強度下降較少，大于400 ℃時黏結強度退化顯著.Bingl等[11]研究表明在低于150 ℃時，高溫后殘余黏結強度略有提高.一般而言，高溫下黏結強度較高溫后略有提高.而本試驗結強度在100 ℃有一個較大的降低主要是由于混凝土內部自由水被蒸發內部裂隙增多導致混凝土強度降低，且較長的恒溫時間導致溫度對黏結段的損傷比其他學者的更為嚴重；在200 ℃時黏結強度略有回升的原因是由于混凝土內部結合水脫出加強混凝土內部二次水化作用，從而使混凝土強度略有增強；400～600 ℃時黏結強度隨著溫度升高而下降，主要是由此溫度段內混凝土中的C—S—H凝膠在高溫作用下已經嚴重破壞，HCP與粗骨料黏結界面裂紋進一步發展，混凝土強度迅速下降[23]所導致.

為了進一步分析高溫下混凝土抗拉強度和鋼筋與混凝土間的黏結強度之間的關系，將混凝土抗拉強度折減系數、鋼筋與混凝土黏結強度折減系數及二者相對強度繪于圖9中.由圖9可以知，高溫下鋼筋與混凝土黏結強度折減系數變化趨勢基本與混凝土抗拉強度折減系數變化一致：均在100 ℃時有一個較大的下降，在200 ℃時略有回升，之后隨溫度升高呈線性下降.通過兩者的相對強度比值可以發現，相對強度值在100～200 ℃時達到最低，在200～600 ℃時相對強度逐漸增大即黏結強度下降趨勢略緩于抗拉強度.相對強度在100 ℃時有一個陡降的過程主要是由于此溫度段內自由水蒸發而形成的內部裂隙導致混凝土強度降低，在100～200 ℃時有略微的回升，一方面由于混凝土結合水脫出加強了殘余的水泥顆粒二次水化作用，有利于混凝土抗拉強度的提高；另一方面為箍筋的有利作用逐漸顯著，箍筋有效地約束了高溫下混凝土的橫向變形，從而增大了兩者之間的相互作用力加強了摩阻力和機械咬合力.相對強度在200～600 ℃時逐漸增大，可能是由于在高溫作用下混凝土強度逐漸衰減的過程中箍筋對混凝土有利的約束作用隨溫度升高逐漸顯著，部分抵消了混凝土強度降低帶來的不利作用從而有效減小了黏結強度退化，導致相對強度略有增大.

3.3高溫作用下鋼筋與混凝土的黏結剛度

為研究溫度對鋼筋與混凝土的黏結剛度的影響，定義割線黏結剛度k（s）為滑移值對應的黏結應力與相應滑移值的比值，同時定義割線黏結剛度折減系數ξ（s）為同一滑移值的不同溫度下的割線剛度與常溫割線剛度的比值，分別如式（1）、式（2）所示.

k（s）=τ（s）s（1）

ξ（s）=kT（s）k0（s）（2）

式中：k（s）為割線黏結剛度（MPa/mm）；s為滑移值（mm）；τ（s）為相應于滑移值s的黏結應力（MPa）；ξ（s）為相應于滑移值s的割線黏結剛度折減系數；kT（s）為相應于滑移值s的不同溫度下的割線黏結剛度（MPa/mm）；k0（s）為相應于滑移值s的常溫條件下的割線黏結剛度（MPa/mm）.

將不同溫度下試件的不同滑移量對應的黏結剛度進行對比，如圖10所示.由圖10可知同一溫度對應的黏結剛度隨著滑移量的增大逐漸減小，而同一滑移量對應的黏結剛度隨著溫度的升高則表現出兩種不同的變化趨勢，即當滑移量s<0.015 mm時，黏結剛度k隨著溫度的升高而減小；當滑移量s≥0.015 mm時，黏結剛度k隨著溫度的升高呈現先增大后減小的趨勢.同時觀察圖11可以發現滑移量s=0.015 mm對應的黏結剛度基本為上包絡線，而滑移量s=0.005 mm對應的黏結剛度為下包絡線.究其原因主要是由于在滑移量較小時（s<0.015 mm）鋼筋與混凝土的黏結應力主要由化學膠結力提供，當滑移量較大時（s≥0.015 mm）化學膠結力破壞，此時鋼筋與混凝土的黏結應力主要由機械咬合力與摩阻力提供.由于化學膠結力在高溫過程中遭到破壞，因此較小滑移量（s<0.015 mm）對應的黏結剛度對溫度更為敏感，因此隨溫度升高反而下降，而在溫度小于100 ℃時鋼筋體積膨脹則會增大鋼筋與混凝土的相互作用力從而提高機械咬合力；當溫度大于100 ℃時雖然鋼筋體積受熱膨脹但此時混凝土逐漸劣化，鋼筋體積膨脹使混凝土產生環形拉應力，加劇了混凝土內部裂紋開裂，導致黏結剛度逐漸退化，因此黏結剛度隨溫度升高而下降.

T/℃

4結論

本文通過將鋼筋混凝土試件加溫后快速進行試驗，研究了鋼筋混凝土構件在高溫下的材料性能及黏結性能變化規律，得出如下結論：

1）高溫后鋼筋屈服強度、極限強度在100～400 ℃范圍內變化不大甚至極限強度略有提高，當超過400 ℃后強度有所降低，在600 ℃時屈服強度下降了15%、極限強度下降了12%.高溫后的鋼筋屈服強度退化比極限強度更加嚴重.

2）高溫下混凝土劈裂抗拉強度隨溫度升高整體呈線性下降趨勢.混凝土劈拉強度在100 ℃時有較大降幅約為20%，200 ℃時稍有回升但回升幅度不超過5%，大于200 ℃時抗拉強度急劇退化且隨溫度升高呈線性下降，在600 ℃抗拉強度僅為常溫下的37%.

3）高溫下黏結強度變化趨勢與混凝土抗拉強度衰減趨勢基本一致，但高于200 ℃時黏結強度退化趨勢明顯緩于混凝土抗拉強度，其主要原因為在200 ℃時箍筋的有利作用逐漸顯著，且隨著溫度升高箍筋對黏結強度的有利作用逐漸增大.

4）以割線黏結剛度的方法定量地研究了黏結剛度隨溫度的變化規律.當滑移量s<0.015 mm時，黏結剛度k隨著溫度的升高而減小；當滑移量s≥0.015 mm時，黏結剛度k隨著溫度的升高呈現先增大后減小的趨勢.

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