凍融后混凝土粘結滑移規律的擬合分析

王安琪　楊曉林

摘 要：為研究混凝土凍融次數對混凝土與鋼筋之間的粘結滑移關系的影響，根據現有的受力模型和凍融后極限粘結力的相關理念，對經歷了0、25、50、75次凍融循環的混凝土立方體試塊進行拉拔試驗，分析得出凍融混凝土與鋼筋之間的4個粘結應力和滑移規律。同時采用數值擬合的方法對粘結滑移曲線進行了Bigaussian函數擬合，結果表明Bigaussian具備較高的擬合決定系數。

關鍵詞：凍融循環 粘結滑移規律 擬合分析 混凝土

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（c）-0051-03

現代建筑以鋼筋混凝土結構為主，通過對鋼筋混凝土結構的了解，我們知道，保證混凝土和鋼筋能夠良好工作的條件是：混凝土和鋼筋之間良好的粘結性能；兩者相似的溫度線膨脹系數；混凝土對其內部鋼筋的保護作用。而鋼筋和混凝土之間的粘結力由三部分組成：混凝土中的水泥膠凝體在鋼筋表面產生的化學黏著力；周圍混凝土對鋼筋的摩阻力；變形鋼筋凸肋和混凝土之間的機械咬合力。我國北方大部分地區的鋼筋混凝土建筑物都會因寒冷天氣而受到凍融損壞，在凍融循環過程中，鋼筋和混凝土之間的粘結強度在凍融循環作用后也會發生退化，進而損壞鋼筋混凝土共同工作的條件。

目前公認的對于鋼筋與混凝土之間粘結性能的機理研究，是在20世紀50年代，R.M.Mains[1]將鋼筋開槽并在內部預埋應變片的方法，得到的光圓鋼筋和變形鋼筋的應力分布，提出了鋼筋與混凝土之間的粘結主要由化學膠結力、摩擦力和機械咬合力三部分組成[2]。對于鋼筋混凝土間粘結滑移性能的研究有很多，現有的粘結試驗方法有[3]：中心拔出試驗、梁端式拔出試驗以及局部粘結滑移試驗。Thompson[4]通過實驗得出粘結力與混凝土強度的平方成正比；王倩等人[5]通過鋼筋開槽內貼應變片進行拉拔試驗，得到隨著鋼筋直徑減小，鋼筋與粉煤灰之間的粘結性能加強。本文進行了鋼筋混凝土試件的中心拔出試驗，研究了凍融循環次數對鋼筋混凝土之間粘結性能的影響，得到凍融循環條件下的τ-s曲線，并用前人研究的經驗公式進行擬合，結果表明Bigaussian函數擬合程度較高。

1 實驗工作

為研究鋼筋凍融后與混凝土間粘結-滑移性能，采用 （GB/T50152-2012）標準方法制作了48個100mm×100mm×100mm混凝土立方體試塊鋼筋混凝土立方體構件（有效錨固長度L=6cm）。水泥為P.O.42.5，鋼筋直徑d=12mm，強度等級HRB300，混凝土設計強度等級為C35。試塊采用標準模具澆筑，在振動臺上進行振搗，24h后拆模，在標準養護室養護28d。而后將試塊分成4種情況進行凍融。試驗用C35普通硅酸鹽混凝土，水泥、水、砂、碎石的質量比為1：0.5：1.65：3.34。將分好混凝土試件分別進行0，25，50，75次的凍融循環。鋼筋混凝土的凍融循環實驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》（GB/T50082-2009）中的快凍法標準。

中心拔出試驗通常被用作鋼筋混凝土粘結滑移研究的方法，本實驗也采用中心拔出試驗[6]。該試驗采用微機控制電液伺服萬能試驗機完成。電腦采集實驗數據，并繪制荷載和滑移曲線圖。

2 結果與討論

2.1 凍融后粘結滑移規律

本文采用拉式試驗進行研究，且以實際工程中應用最多的螺紋鋼作為研究對象。現有的研究成果表明，螺紋鋼的粘結力主要由化學膠著力、摩擦力以及機械咬合力組成，且機械咬合力在螺紋鋼筋尤其重要。凍融循環后的混凝土與鋼筋之間的粘結力發生變化的主要原因是其化學膠著力改變。

其中，τ是平均應力，MPa；P是鋼筋的峰值拉力，N；l是鋼筋和混凝土的粘結長度，mm；d是鋼筋直徑，mm。本實驗所有鋼筋和混凝土之間的粘結長度都為60mm，鋼筋直徑都是12mm。

實驗結果表明，沒有經歷過凍融作用的混凝土的峰值應力最大，對應的滑移量也最大，經歷凍融循環次數越多的試件對應的峰值應力越小且對應的滑移量越小，到達峰值應力后，應力曲線陡然下降，粘結破壞。粘結應力及滑移粘結滑移垂線散點圖（圖1）。與文獻[7]的研究結果對比發現：相同的凍融循環次數下，本文的極限粘結應力和滑移值與其接近，其中的微小差別可能由不同標號、配合比引起。

2.2 實驗數據擬合

對于單調加載下鋼筋與混凝土之間的粘結滑移關系，各國學者已經做過很多研究，然而對凍融因素的影響仍缺乏一套完整的理論體系。Nilson[2]整理了Bresler的實驗結果，提出了一個以3次多項式表示的粘結滑移關系式

其中按4次多項式因為考慮了凍融后混凝土軸向抗壓強度的衰減規律，本文采用4次多項式對凍融后鋼筋與混凝土的粘結滑移曲線進行了擬合，結果如表1所示。

經歷0，25，50，75次凍融循環的試件用4次函數擬合出來的公式的決定系數分別是：0.95，0.92，0.93，0.91。該式體現了混凝土的抗壓強度對粘結效應的影響，認為混凝土的粘結力與其抗壓強度的0.5次冪成正比。

3 結論

凍融循環次數越多的試件對應的峰值應力越小且對應的滑移量越小；3次多項式、4次多項式、Bigaussian函數擬合的試驗數據，決定系數都在0.90以上，擬合度較高，而Bigaussian函數在粘結滑移峰值附近的準確度更高。

參考文獻

[1] Mains R M. Measurement of the Distribution of Tensile and Bond Stress along Reinforcing Bars. ACI， Nov 1951

[2] 徐有鄰.變形鋼筋-混凝土粘結錨固性能的試驗研究 [工學博士學位論文].北京：清華大學，1990

[3] 杜峰，肖建莊，高向玲.鋼筋與混凝土之間粘結試驗方法研究[J].結構工程師，2006，22 （2）：93——97

[4] R.M. and J.N.Thompson.Development length for large high strength reinforcing bars[J].ACI，JournalV.1965，62（1）：71-94.

[5] 王倩，張炳梅，江紅.鋼筋直徑對粉煤灰混凝土粘結性能的影響[J].連云港職業技術學院學報，2011，24（1）：5-8

[6] 王棟. 鋼筋混凝土粘結性能的試驗研究[D].西安建筑科技大學，2010.

[7] 牛建剛，郝吉，李伯瀟.凍融環境下鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結性能[J].土木建筑與環境工程，2015，37（06）：7-14.