改性環氧涂層鋼筋混凝土粘結性能及梁抗彎性能試驗研究

張君博，商懷帥，王永峰，李莉，王玉廣，賈軍明

（1.青島市人民防空辦公室，山東 青島 266071；2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033；3.青島市人民防空工程質量監督站，山東 青島 266071；4.青島市建筑材料研究所有限公司，山東 青島 266011）

0 引言

環氧涂層鋼筋具備很多優點，但是，其粘結力較差，開裂后裂縫會稍寬等[1-2]。這制約了環氧涂層鋼筋的推廣和防腐效果[3]。石墨烯具有許多優異性能，包括良好的熱學以及抗腐蝕性[4-5]，可用石墨烯做改性環氧樹脂材料[6]。Ziat 等[7]研究發現：改性環氧涂層具有高疏水性、良好的機械性能和阻隔性能，并且涂層防腐性能優異。劉栓等[8]研究了改性環氧涂層的摩擦磨損性能，發現石墨烯的加入會使涂層的抗磨減摩性能得到巨大的提升。由此可見改性環氧涂層有著廣闊的應用前景。

目前關于改性環氧涂層的研究還僅限于涂層自身，尚無將改性環氧涂層鋼筋應用于混凝土結構中的研究。使用其他材料制作的涂層鋼筋與混凝土間粘結性能的研究已有不少，但是關于涂層鋼筋在混凝土構件中的研究卻很少[9-10]。基于此，本文通過中心拔出試驗和梁正截面抗彎試驗，研究了改性環氧涂層鋼筋與混凝土的粘結性能，然后通過梁的正截面抗彎試驗，比較改性環氧涂層鋼筋混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁在破壞性形態與承載能力方面的相同點與不同點。

1 試驗概況

1.1 中心拔出試驗

1.1.1 試驗材料及性能指標

本試驗所用改性環氧樹脂由青島理工大學材料試驗室制備，先利用改性Hummers 法得到氧化石墨，通過水浴還原法制備出石墨烯溶液，烘干研磨后得到石墨烯；最后，通過原位聚合法將質量分數為0.1%的石墨烯摻入環氧樹脂中獲得改性環氧樹脂。

本試驗選擇了直徑為14 mm、18 mm、22 mm、25 mm 的4 種HRB400 熱軋帶肋鋼筋，改性環氧涂層和無涂層2 種類別。為確保各組鋼筋的涂層厚度一致，每根鋼筋選取6 個點測量涂層厚度，鋼筋材料參數見表1。每根鋼筋長度為600 mm，鋼筋端部用角磨機打磨平整。本次試驗采用青島生產C30 預拌混凝土，具體配合比及材料性能見表2。

表1 鋼筋材料參數Table 1 Rebar material parameters

表2 混凝土配合比及材料性能Table 2 Concrete mix ratio and material properties

1.1.2 試件設計與制作

首先制作尺寸為150 mm伊150 mm伊150 mm 的鋼筋混凝土中心拔出試件（見圖1），養護完成后進行中心拔出實驗。鋼筋粘結段長度為5d（d 為鋼筋公稱直徑）；鋼筋加載端和自由端長度分別約為350 mm、100 mm。PVC 管與鋼筋之間的縫隙用樹脂密封。本試驗共制作8 組試件，每組3 塊共24塊。試件編號其中a 表示無涂層，b 表示含0.1%環氧樹脂的石墨烯。

1.1.3 加載方式

本試驗依據GB 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》進行。在試驗前期，采取分級加載的方式，每一級荷載增加2 kN，加載后持荷30 s，當達到極限荷載后改用位移控制加載，直到試件被拉壞。

圖1 中心拔出試件尺寸圖Fig.1 Dimensional drawing of the center pull-out specimen

1.2 鋼筋混凝土梁抗彎試驗

1.2.1 試驗設計

本試驗制作普通鋼筋混凝土梁和改性環氧涂層鋼筋混凝土梁各1 根，編號分別為RCB1 和RCB2；縱向受拉鋼筋的保護層厚度為25 mm；混凝土強度等級為C30，試件尺寸及配筋如圖2 所示。在澆筑梁試件時，同時澆筑6 個尺寸為150 mm 的立方體試塊，并在相同溫度、濕度條件下進行養護，以檢驗混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度，試件的基本參數見表3。

圖2 梁配筋圖（mm）Fig.2 Beam reinforcement diagram(mm)

表3 試件基本參數Table 3 Basic parameters of test piece

1.2.2 試件加載及測點布置

集中載荷施加在梁的三分點處，并通過分配梁傳遞到試驗梁，在試驗梁的跨中處形成一個600 mm 的純彎段。位移傳感器被布置在梁兩端的支撐處、集中載荷處和梁的跨中，在每個縱向受拉鋼筋的跨中布置應變片。正式加載之前先進行預加載，每級加載完成后，用ZBL-F800 裂縫綜合測試儀來觀察裂縫的產生與發展，并測量裂縫的寬度。

2 試驗結果及分析

2.1 中心拔出試驗

2.1.1 極限粘結強度和峰值滑移量

當粘結段長度小于一定值時（一般為5d），一般可認為粘結應力沿鋼筋縱向均勻分布，其粘結強度可由式（1）進行計算。

式中：F為鋼筋拉拔力，kN；滋s為鋼筋周長，m m；la為錨固長度，mm。

極限粘結荷載、極限粘結強度和峰值滑移量的取值均為同組3 個試件的中間值，見表4。

表4 中心拔出試驗數據Table 4 Center pull-out test data

依據試驗結果可知：直徑為14 mm 的改性環氧鋼筋混凝土間極限粘結強度為鋼筋混凝土間極限粘結強度的89.66%，直徑為22 mm 的改性環氧鋼筋混凝土間極限粘結強度為鋼筋混凝土間極限粘結強度的73.40%；可見鋼筋與混凝土間的極限粘結強度能夠被環氧涂層所降低。這一結論與文獻[11]一致。Choi 等[12]的試驗結果也表明：鋼筋直徑越大，環氧涂層鋼筋混凝土間粘結強度的降低程度也越大，這與本文試驗結果一致。

2.1.2 粘結-滑移曲線

粘結滑移曲線大致可以分成4 個階段，其中劈裂破壞沒有下降段，其發生過于突然，所以未能測出其下降段。

以直徑為14 mm 的鋼筋混凝土試件為例，其粘結-滑移曲線見圖3，可分為以下4 個階段：

1）加載初期：鋼筋還未產生相對滑移，各組試件呈線性增長，其中涂層鋼筋線性段相對較短。2）滑移階段：滑移段非線性增長，但曲率卻很小；其中環氧涂層鋼筋的滑移段較平緩。3）劈裂階段：此階段的曲線更為平緩，拔出破壞試件中，涂層鋼筋的劈裂段長度較長。其余各試件中，涂層鋼筋制作的試件沒有采集到明顯劈裂段。4）下降段：當荷載達到最大值后，開始大幅下降并最終趨于穩定，但滑移值卻大幅增加，最后鋼筋被緩緩拔出，此階段，鋼筋混凝土間粘結力主要由咬合力提供。

圖3 直徑為14 mm 鋼筋對粘結-滑移曲線的影響Fig.3 The influence of a 14 mm diameter rebar onthe bond-slip curve

2.2 鋼筋混凝土梁抗彎試驗

2.2.1 破壞形態

2 根試驗梁均發生彎曲破壞，破壞過程基本相同。在加載初期，梁處于彈性階段，在同一高度處二者應變相近；當荷載加至（0.15~0.2）Pu（Pu為實測極限荷載）時，在梁跨中處，會出現1~3 條垂直裂縫，并且裂縫高度在1/3 梁高左右；荷載達到0.4Pu時，純彎段裂縫基本出齊，此后裂縫高度發展緩慢；繼續施加荷載，受壓區混凝土被壓碎，此時在其下方會出現新的裂縫，同時梁底也會產生數條貫通裂縫；卸載后，試驗梁出現回彈。

2.2.2 裂縫間距及裂縫寬度

圖4 為RCB2 試驗梁的裂縫分布圖，經統計分析改性環氧涂層鋼筋混凝土梁純彎段豎向裂縫的平均間距為122 mm ，普通鋼筋混凝土梁純彎段豎向裂縫的平均間距為109 mm。對于平均裂縫間距，改性環氧涂層鋼筋混凝土梁純彎段大于普通鋼筋混凝土梁純彎段，增大約11.9%。薛偉辰[10]和聶永明等[13]對環氧涂層鋼筋混凝土梁進行了抗彎性能試驗，其中聶永明等[13]發現配環氧涂層鋼筋后，梁構件的平均裂縫間距約增大10.8%；薛偉辰[10]得出環氧涂層鋼筋混凝土梁的裂縫間距比普通梁試件大10%左右；上述結論與本文試驗所得結果基本一致。從圖5 中可以發現，在正常使用階段普通梁構件的裂縫寬度要小于涂層梁，這表明改性環氧涂層鋼筋與混凝土間的粘結稍差。

圖4 試驗梁裂縫分布圖Fig.4 Crack distribution map of test beam

圖5 荷載-裂縫寬度曲線Fig.5 Load-crack width curve

2.2.3 鋼筋應變及跨中撓度

從圖6 可以發現，在梁開裂前，受拉鋼筋的應變呈線性增長；梁開裂后，鋼筋應力激增，在圖形上體現為斜率降低。2 根試驗梁的荷載-鋼筋應變曲線極為接近，說明改性環氧涂層鋼筋在受彎梁中的受力情況與普通鋼筋相同。

由圖7 可以發現，改性環氧涂層鋼筋混凝土梁的撓度曲線與普通梁構件大體相同，說明在混凝土梁中使用改性環氧涂層鋼筋并不會引起梁的變形性能的增大。

圖6 試驗梁荷載-鋼筋應變曲線Fig.6 Test beam load-rebar strain curve

圖7 荷載-跨中撓度曲線Fig.7 Load-midspan deflection curve

3 結語

本文通過中心拔出試驗和鋼筋混凝土梁抗彎試驗，分別研究了改性環氧涂層鋼筋與混凝土的粘結性能以及抗彎性能。初步得到以下結論：

1）改性環氧涂層鋼筋與混凝土間的粘結強度明顯比普通鋼筋的普通試件要差，隨著鋼筋直徑增大，涂層鋼筋的極限粘結強度越小；配置改性環氧涂層鋼筋的混凝土試件，其裂縫發展趨勢以及裂縫寬度比普通鋼筋混凝土試件要嚴重；直徑14 mm 的試件都會發生拔出破壞，其余試件則發生劈裂破壞。

2）改性環氧涂層鋼筋的粘結-滑移曲線初滑移段較短，整體粘結-滑移曲線處于普通鋼筋的下面。涂層鋼筋試件發生拔出破壞的劈裂段較長，下降段較陡。

3）改性環氧涂層鋼筋混凝土梁的破壞形態和抗彎機理與普通混凝土梁相似，改性環氧涂層鋼筋對梁構件的承載能力和跨中撓度基本無影響，但會導致梁構件的平均裂縫間距和最大裂縫寬度增大。