環氧涂層鋼筋與海水珊瑚混凝土的黏結性能

黃一杰, 李曉蔚, 張錫成, 馬 輝

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院, 山東 青島 266590; 2.西安建筑科技大學 土木工程學院, 陜西 西安 710055; 3.西安理工大學 土木建筑工程學院, 陜西 西安 710048)

進行遠洋海島地區開發建設時會面臨一系列不可忽視的問題,特別是建筑材料的匱乏更是增加了建造成本和工期.采用海水珊瑚混凝土是一種解決以上問題的良好途徑.將混凝土中的粗骨料全部用珊瑚取代,拌和水采用海水制備而成的海水珊瑚混凝土,具有就地取材、降低工程造價與周期等優點.研究表明[1-4]：海水珊瑚混凝土的性能可滿足工程對強度、和易性等方面的基本要求,是一種良好的綠色環保材料.

然而,若單獨將海水珊瑚混凝土用于海洋建筑結構中,容易引發嚴重的力學與耐久性能問題.為此,一般采用在混凝土內部配置不銹鋼筋、FRP(纖維增強復合材料)筋或環氧涂層鋼筋3種方法來解決上述問題.其中,不銹鋼筋造價較高,不利于大規模應用;FRP筋雖有較好的抗腐蝕能力與強度,但延性與變形性能還有待提高[5];環氧涂層鋼筋不僅具有較好的耐腐蝕性能[6],且延性與耗能均優于FRP筋,造價還較低,因此被普遍應用于海水珊瑚混凝土結構中.

環氧涂層鋼筋雖具有較好的力學與耐久性能,但由于其表面涂覆了樹脂涂層,導致鋼筋與混凝土間的黏結性能發生變化[7-9].此外,海水與珊瑚骨料的加入也使得鋼筋與混凝土間的黏結性能有所改變[10].在這兩方面共同作用下,環氧涂層鋼筋與海水珊瑚混凝土間的黏結性能具有明顯的特點,但現階段尚未有相關研究.為此,本文開展環氧涂層鋼筋與海水珊瑚混凝土間黏結性能的試驗研究,以期為中國海工混凝土結構的發展提供理論基礎.

1 試驗

1.1 試驗材料

1.1.1鋼筋

鋼筋采用普通鋼筋和環氧涂層鋼筋,二者均來自同一批鋼材.2種鋼筋的橫肋外形與尺寸相同,強度等級均為HRB 400.實測鋼筋屈服強度fy、抗拉強度fs和彈性模量Es等力學性能如表1所示.

表1 鋼筋的力學性能Table 1 Mechanical properties of reinforcements

1.1.2粗細骨料與拌和水

采用普通混凝土和海水珊瑚混凝土2種混凝土,以對比分析混凝土類型對黏結性能的影響.2種混凝土所用水泥均為42.5R抗硫酸鹽水泥,其化學組成如表2所示.海水珊瑚混凝土的拌和水為海水;細骨料為海砂,取自青島靈山灣;粗骨料為珊瑚粗骨料,取自西沙島礁.普通混凝土拌和水為自來水；細骨料為河砂；粗骨料為碎石.粗細骨料性能見表3、4.

1.1.3配合比

普通混凝土強度等級為C25,海水珊瑚混凝土強度等級為C25和C35.2種混凝土配合比及其立方體抗壓強度fcu、劈裂強度ft和彈性模量E見表5.由表5可見：受珊瑚粗骨料性能的影響,在同強度等級條件下,海水珊瑚混凝土配合比與普通混凝土有明顯差別;在同強度等級條件下,普通混凝土與珊瑚混凝土的力學性能基本一致,但前者彈性模量較高.

表2 水泥的化學組成Table 2 Chemical composition of cement w/%

表3 粗骨料性能Table 3 Property of coarse aggregates

表4 細骨料性能Table 4 Property of fine aggregates

表5 混凝土配合比及力學性能Table 5 Mix proportion and mechanical property of concrets

1.2 試件設計與養護

1.2.1試件設計

黏結應力-自由端滑移(以下簡稱黏結-滑移)試驗采用中心拉拔試件.在考慮混凝土類型、強度、保護層厚度(C)、鋼筋種類與錨固長度(la)條件下,共設計13組拉拔試件,每組3個.試件詳情如表6所示,其中試件編號按以下規則命名：混凝土類型(“O”代表普通混凝土,“S”代表海水珊瑚混凝土)+錨固長度(“3d”、“5d”、“8d”表示錨固長度分別為鋼筋直徑(d)的3、5、8倍(48、90、128mm))+混凝土強度等級(“25”表示混凝土強度等級為C25,“35”表示混凝土強度等級為C35)+鋼筋種類(“E”代表環氧涂層鋼筋,“O”代表普通鋼筋)+保護層厚度(“A”表示混凝土保護層厚度為67mm,“B”表示混凝土保護層厚度為42mm).拉拔試件尺寸為150mm×150mm×150mm.通過調整PVC管長度實現錨固長度變化.

1.2.2試件養護

普通混凝土試件拆模后,放入(20±1)℃,相對濕度為95%的標準養護室養護28d;海水珊瑚混凝土試件浸沒于海水中養護,室溫保持在(20±1)℃,待達到規定齡期(28d)后,測試試件的黏結-滑移性能.

1.3 加載設備與制度

拉拔試驗加載設備由2部分組成：(1)MTS-SANS萬能試驗機,量程為400kN;(2)剛性加載架,由4根高強螺桿和2塊中心鉆孔鋼板(厚度20mm)組成.試驗采用位移加載模式,加載速率為0.2mm/min.拉拔試件自由端設置電子引伸計,用于獲取鋼筋與混凝土間相對滑移數據.

2 結果及分析

2.1 破壞過程與模式

在試驗初期,試件滑移很小;隨著外力的增加,加載端出現明顯滑移;當接近/到達峰值拉力時,試件表面出現細微裂紋,裂紋隨滑移的增長而增長;最終,試件發生斷裂,其主要破壞模式為劈裂破壞.部分試件內部破壞情況如圖1所示.由圖1可見：(1)環氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件(S5d25E-A)內部珊瑚骨料斷裂,主裂紋穿過珊瑚粗骨料與水泥砂漿(圖1(a));同條件下環氧涂層鋼筋普通混凝土試件(O5d25E-A)內部碎石粗骨料基本完整,主裂紋多位于骨料與砂漿交界面(圖1(b)).(2)鋼筋類型對試件破壞狀態有明顯影響,普通鋼筋海水珊瑚混凝土試件(S5d25O-A)受氯離子影響,鋼筋在短期內(28d)就產生了明顯的銹蝕(圖1(c));該現象在同條件環氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件(S5d25E-A)和普通鋼筋普通混凝土試件(O5d25O-A)(圖1(d))中均未出現,表明環氧涂層可有效防止氯離子對鋼筋的侵蝕.

2.2 黏結強度

試件黏結強度計算公式如下：

(1)

式中：τu,e為黏結強度;Pu為最大拉拔力.

各試件的黏結強度τu,e值也列于表6.由表6可見：(1)混凝土類型對試件黏結強度有明顯影響.相同條件下,海水珊瑚混凝土的黏結強度高于普通混凝土,如試件S5d25E-A、S5d25O-A黏結強度分別比試件O5d25E-A、O5d25O-A提高了11.09%、15.43%,主要是因為峰值荷載前珊瑚混凝土中裂紋數量與尺寸均小于普通混凝土[2].(2)試件黏結強度隨混凝土強度等級的增長而提高,且其提高程度隨錨固長度的增加而增加.當其他條件一致時,混凝土強度等級為C35的試件S3d35E-A、S5d35E-A、S8d35E-A的黏結強度分別比混凝土強度等級為C25的試件>S3d25E-A、S5d25E-A、S8d25E-A提高5.44%、13.97%、17.07%.(3)海水珊瑚混凝土試件的黏結強度隨錨固長度的增加而降低,且降低幅度隨混凝土強度的增加而減小.如試件S8d25E-A的黏結強度比試件S3d25E-A、S5d25E-A降低了28.32%、21.71%;而試件S8d35E-A比試件S3d35E-A、S5d35E-A減少了22.79%、19.69%.這是因為黏結應力的峰值是由應力拱作用產生的,當錨固長度較小時,高應力區相對較大,應力豐滿,黏結強度相對較高.(4)采用環氧涂層鋼筋試件的黏結強度比普通鋼筋試件平均降低17.84%,且受海水珊瑚混凝土強度的影響;隨混凝土保護層厚度的增加,試件黏結強度有明顯提高,如混凝土保護層厚度為67mm試件S3d25E-A、S5d25E-A的黏結強度比混凝土保護層厚度為42mm 試件S3d25E-B、S5d25E-B提高29.82%和40.15%.(5)相同條件下，環氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的黏結強度為普通鋼筋普通混凝土試件的91.8%.

圖1 部分試件內部的破壞情況Fig.1 Failure surface of part specimens

表6 試件詳情及結果匯總Table 6 Details and test results of specimen

2.3 黏結-滑移曲線

2.3.1典型特征

試件典型的黏結-滑移(τ-s)曲線如圖2所示.τ-s曲線受不同因素的影響而發生變化,大致可分為3個階段.

圖2 典型τ -s曲線Fig.2 Typical τ -s curve

(1)微滑移段 在此階段,試件受力較小,在加載端處發生彈塑性微滑移,且滑移向自由端不均勻擴散.但由于膠結力存在,自由端滑移很小或基本忽略不計.黏結應力主要由化學膠結力提供,τ-s曲線斜率不變,曲線形狀近似為一條通過原點的斜直線[12-13].

(2)滑移段τ-s曲線呈非線性增長,自由端開始出現滑移,試件化學膠著力喪失.黏結應力主要由機械咬合力和摩阻力提供.隨著外載增加,自由端滑移明顯增大,而黏結應力增速減緩,試件開始出現宏觀裂縫.

(3)下降段 滑移明顯增長并且試件裂紋迅速發展.混凝土出現劈裂后,試件破壞并退出工作.

2.3.2不同因素的影響

不同因素對τ-s曲線的影響如圖3所示.由圖3(a)可見：試件黏結強度隨混凝土強度的提高而逐步增長,但相應的滑移量變化不大;混凝土強度等級升高,τ-s曲線下降段相對平緩,上升段曲率降低.這是因為隨材料強等級的提高,試件在峰值點前開裂和塑性變形較小,而峰值后裂紋開展有所減緩.

由圖3(b)可見：在相同條件下,海水珊瑚混凝土試件的τ-s曲線上升段曲率低于普通混凝土試件,且前者曲線下降更為迅速.這是因為普通混凝土在峰值點前裂紋與塑性變形高于海水珊瑚混凝土;而海水珊瑚混凝土一旦到達峰值點后,裂紋會快速橫穿珊瑚粗骨料與水泥砂漿,試件延性明顯下降.由圖3(c)可見：采用環氧涂層鋼筋的試件τ-s曲線曲率高于普通鋼筋試件,且曲線下降段平緩.這是因為環氧涂層鋼筋的光滑外表面弱化了鋼筋與混凝土之間的膠結力和摩阻力,導致峰值點前的試件滑移與曲率較大[14];而峰值點后,受相對較小的界面間相互作用影響,環氧涂層鋼筋曲線下降較為平緩.

由圖3(d)、(e)可見：隨著錨固長度的減小、混凝土保護層厚度的增大,曲線上升段曲率略有降低;曲線下降段隨錨固長度增加和保護層厚度的降低,其下降速度加快.究其原因為拉拔力的傳導距離過長會使受力不均勻,導致峰值點后長錨固試件的開裂更突然;而增大保護層的厚度可以提高開裂時的應力分量,從而減緩裂紋的開展.

3 黏結強度理論計算公式

(2)

(3)

公式計算值與試驗值對比如表6所示,二者吻合良好,相關系數約為0.91.相對于環氧涂層鋼筋普通混凝土、普通鋼筋輕骨料混凝土的黏結強度計算公式[11],式(2)、(3)考慮了混凝土保護層厚度對涂層/普通鋼筋海水珊瑚混凝土黏結強度較為明顯的影響,后期可用于相關構件黏結性能的分析.

4 結論

(1)環氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的黏結破壞模式主要為劈裂破壞.與普通鋼筋普通混凝土試件劈裂破壞所不同的是,前者內部珊瑚粗骨料大部分被剪斷,主裂紋橫穿珊瑚粗骨料與水泥砂漿.

(2)在相同條件下,環氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的黏結強度為普通鋼筋普通混凝土試件的91.8%.混凝土強度等級和保護層厚度與試件的黏結強度呈正比關系,錨固長度與之呈反比.

(3)環氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的黏結-滑移曲線可分為微滑移、滑移和下降3個階段.采用海水珊瑚混凝土、環氧涂層鋼筋和較大保護層厚度時,曲線上升段曲率有明顯降低;而隨著混凝土強度等級提高和錨固長度的下降,其黏結-滑移曲線下降相對平緩.

(4)推導得到環氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土黏結強度理論計算公式,其計算值與實測值吻合良好.

本文主要研究了環氧涂層鋼筋海水珊瑚混凝土試件的短期黏結性能,而在海水和珊瑚骨料作用下,試件的長期黏結性能將發生改變.因此后期會結合預留試件,進一步分析其黏結性能.