后摻骨料混凝土與鋼筋粘結性能的研究

賈金青，王樹鈞，李 璐

(大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024)

0 引 言

后摻骨料混凝土是粗骨料嵌鎖技術[1-2]在建筑結構工程中的一種應用方式。后摻骨料混凝土是在基準混凝土攪拌完成后拋填一定體積分數的粗骨料，經過二次攪拌，得到均勻的混凝土拌和物。后摻骨料混凝土一方面保持了混凝土的可泵性，使其仍具有泵送混凝土勞動強度低、工作效率高的優點；另一方面，能夠有效改善泵送混凝土的早期開裂現象，并且作為一種“綠色混凝土”[3]，后摻骨料混凝土摻入了粗骨料，減少了水泥的使用，從而有效減少了CO2的排放，在改善生態環境方面具有重大意義。

目前，國內外關于二次添加粗骨料施工工藝的研究成果已有很多[4- 8]，但對于后摻骨料混凝土與鋼筋的粘結性能研究尚未開展。基于此，本文通過中心拉拔試驗研究后摻骨料混凝土與鋼筋的粘結滑移機理和破壞形態，根據試驗結果統計回歸得到粘結錨固的極限強度公式，試驗也為有關規程的修訂提供依據。

1 試驗概況

1.1 材料性能

試驗所用水泥采用普通硅酸鹽42.5R級水泥，粉煤灰為Ι級粉煤灰，基準粗骨料粒徑為5～16 mm，后摻粗骨料粒徑為10～20 mm，細集料為河砂(中砂)，水為自來水，減水劑采用ViscaCrete3301聚羧酸高效減水劑。配合比為(水泥+粉煤灰)∶砂子∶石子∶水∶減水劑=1∶1.4∶2.99∶0.49∶0.006。后摻粗骨料體積含量(即后摻率)分別為0、10%、20%、30%。

表1 后摻骨料混凝土拉拔試件參數

每個后摻率混凝土試塊預留6個邊長150 mm的立方體試塊作對比，利用預留試塊分別測得各后摻率下的混凝土抗壓強度和劈拉強度。本試驗縱向鋼筋采用HRB400熱軋鋼筋，并對其進行抗拉試驗。

1.2 拉拔試驗設計

考慮混凝土強度、后摻率、鋼筋直徑、錨固長度、保護層厚度和配箍率的不同，共設計了14組試驗，每組3個共42個試件，拉拔試件參數見表1。采用中心拉拔試驗，試件的尺寸如圖1所示。

圖1 鋼筋拉拔試驗示意(單位：mm)

試驗在大連理工大學結構試驗大廳的MTS液壓伺服試驗機進行。為了測得加載端和自由端的位移，在相應位置安裝位移計，位移計的數據用IMC動態數據采集系統自動采集。

2 試驗結果及分析

2.1 粘結強度

假定在整個鋼筋埋置長度范圍內粘結應力均勻分布[9]，按下式求出平均粘結應力

τ=P/(πdla)

(1)

式中，P為加載力；d為鋼筋直徑；la為鋼筋在后摻骨料混凝土中的錨固長度。

2.2 破壞形式

后摻骨料混凝土粘結錨固破壞與普通混凝土相似，可歸納為3類，分別是：①劈裂破壞型。主要發生在無橫向配筋試件以及少箍試件，此類試件破壞突然，并發出劈裂聲響，試件被劈裂成2塊。τ-s曲線幾乎無下降段，為脆性破壞，如圖2a所示。從破壞截面可以觀察到，后摻混凝土從骨料邊緣斷開。②劈裂-剪切破壞型。錨固長度較短屬此類型，隨著劈裂的縱向延伸，破壞時發出劈裂聲響，肋前混凝土逐漸擠碎，最終在裂縫貫通錨長后，咬合齒被剪斷而破壞，破壞后試件不會被劈開，仍保持為一整體。③剪切破壞型。在拉拔過程中，混凝土始終未劈裂，也未發出劈裂聲響，如圖2b所示，厚保護層或密箍試件將發生此類破壞。

圖2 鋼筋與后摻骨料混凝土粘結滑移破壞特征

2.3 粘結滑移曲線

由于每組試件的粘結-滑移曲線相似，故本文在每組試件中僅選取其中1個試件的粘結-滑移曲線作分析，各類試件的粘結-滑移曲線如圖3所示。由圖3可知，后摻骨料混凝土與鋼筋之間的粘結破壞過程與普通混凝土總體上相似，也可分為5個階段，即微滑移段、內裂滑移段、拔出階段、下降階段和殘余階段[10]。

圖3 粘結強度-滑移曲線

3 粘結錨固強度的分析

3.1 錨固條件對粘結錨固強度的影響

3.1.1軸心抗拉強度

不同后摻率導致混凝土強度的不同，隨著混凝土抗拉強度ft的增大，延遲了拔出試件的內裂和劈裂應力，提高了極限粘結強度τu和粘結剛度。對10組試件進行軸心抗拉試驗，將試驗值用最小二乘法回歸計算，得到τu=4.99ft，繪制回歸曲線如圖4所示，試驗值與計算值的相關系數為0.766。

圖4 混凝土強度的影響

與普通混凝土相比，后摻骨料混凝土攪拌地更加均勻，水泥水化更充分，可使粗骨料得到更好的包裹。此外粗骨料的增多對裂縫發展有延緩作用，故后摻骨料混凝土與鋼筋有可靠的粘結。

3.1.2保護層厚度

混凝土保護層厚度為c，與鋼筋直徑d相比，相對保護層厚度為c/d，研究c/d對變形鋼筋的影響。變形鋼筋錨固破壞的顯著特點是以劈裂為保護層先導，保護層越厚，對劈裂約束作用就越大。但這種增加并不是無限的，到一定限度(c/d≥6)后不再增大[11]。此時，試件不再是劈裂破壞，而是鋼筋沿橫肋外圍切斷混凝土而拔出，故粘結強度τu不再增加。在臨界保護層厚度以內，粘結強度隨保護層增加大體呈線性提高。為簡化計算，利用最小二乘法作線性回歸曲線，可得τu=(2.85+0.58c/d)ft，其中，當c/d≥6時，取c/d=6。圖5為擬合的回歸曲線，試驗值與計算值的相關系數為0.781。

圖5 保護層厚度的影響

3.1.3錨固長度

圖6 錨固長度的影響

3.1.4配箍率

由試驗結果可知，后摻骨料混凝土的粘結強度隨著配箍率的提高而不斷增加，無橫向配筋的試件往往一達到劈裂強度就發生脆性斷裂，粘結強度無法繼續提高，而橫向箍筋對握裹層混凝土提供了一種側向約束作用。當劈裂達到試件表面時，箍筋應力劇增，限制了劈裂的縱向發展，同時也使得鋼筋橫肋的擠壓力在環向均勻變化。此時，粘結應力的增量并不完全取決于肋前混凝土的強度，更依賴于劈裂后所受橫向約束程度的大小。在錨固鋼筋外圍混凝土劈裂到混凝土齒狀錐體被剪斷，防止了錨固試件的脆性崩裂，使曲線τ-s有較平緩的下降段，最終因咬合齒剪斷而進入殘余錨固力。

3.1.5鋼筋直徑

在后摻骨料混凝土中，粘結強度隨直徑的增大而減小。因粗鋼筋的肋高和肋距都加大，肋前擠壓較直接作用在骨料上，剪切滑移面上骨料所占的面積比增大，加大了骨料傳遞肋前擠壓的比例。故后摻骨料混凝土粘結錨固對鋼筋直徑較為敏感，在取錨固設計長度時應對粗鋼筋進行錨固長度修正。

3.2 粘結錨固的極限強度

粘結錨固的極限強度τu具有實際工程意義。根據試驗分析，在考慮混凝土抗拉強度ft、相對保護層厚度c/d、配箍率ρsv、相對錨固長度la/d等錨固條件的影響后，可得特征粘結錨固強度經驗公式為τu=(0.32+3.56d/la)(2.92+0.47c/d+51.68ρsv)ft。

4 結 論

通過試驗可知，后摻骨料混凝土與鋼筋的粘結強度有不同程度的提高，粗骨料后摻率為20%的粘結強度達到最大。螺紋鋼筋與后摻骨料混凝土的粘結破壞形式主要為劈裂破壞，有箍筋橫向約束時為剪切破壞。從混凝土和鋼筋的粘結滑移曲線可以看出，后摻骨料混凝土和普通混凝土類似，都經歷了微滑移段、內裂滑移段、拔出階段、下降階段和殘余階段。在臨界保護層厚度以內，粘結強度隨保護層增加大體呈線性提高；隨著錨固長度的增大，鋼筋與后摻骨料混凝土拉拔的極限荷載會增大，但是粘結強度會減小；隨著配箍率的提高，鋼筋與后摻骨料混凝土的粘結強度會增大。