變形鋼筋與再生混凝土粘結性能試驗研究

安新正，王李鑫，蔣毓晉，張翠霞，劉浩楠

(河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

將建筑垃圾制備成再生骨料應用于混凝土結構中，不僅可以緩解土木工程建設對天然河砂及石材資源的依賴，還可以減輕建筑垃圾的堆放對環境污染所造成的影響[1]。鋼筋與再生混凝土間的粘結性能是鋼筋再生混凝土結構安全設計的重要因素。目前，盡管眾學者對鋼筋與再生混凝土之間的性能進行了眾多研究，但主要研究多集中在普通混凝土或者由再生粗骨料制備而成的再生混凝土與鋼筋之間的粘結性能方面，如曹萬林等[2]通過設計鋼筋與混凝土粘結滑移性能試驗，指出了再生骨料取代率、混凝土強度、鋼筋直徑以及鋼筋外形是影響試件粘結滑移性能的重要因素；董宏英等[3]研究指出，隨著再生粗骨料取代率的增加，鋼筋與混凝土之間粘結強度減小；楊海峰等[4]通過進行同強度、不同再生粗骨料取代率的鋼筋-混凝土中心拉拔試驗，研究了不同再生粗骨料取代率、相對保護層厚度、配箍率等參數對再生混凝土與鋼筋黏結強度的影響；國外學者Pandurangan等[5]設計試驗并研究對比了不同混凝土與鋼筋之間粘結強度。而對以再生細骨料作為細集料的再生混凝土材料的研究大多集中在材料性能方面，譚藝帥等[6]通過設計不同再生細骨料取代率的再生混凝土單軸受壓試驗，得出結論：隨著再生細骨料取代率增大, 再生混凝土的抗壓強度、彈性模量呈下降趨勢，而峰值應變和極限應變增大；趙敏等[7]研究了再生細骨料取代率及預濕狀態對再生保溫混凝土抗壓強度的影響，指出隨著再生細骨料取代率的增加，再生保溫混凝土的抗壓強度先增后減。而以再生細骨料作為參量的再生混凝土與變形鋼筋間粘結性能方面的相關研究較少。

為了研究以再生細骨料作為細集料的再生混凝土材料與變形鋼筋間的粘結性能，本文以再生細骨料取代率及HRB400E月牙鋼筋直徑作為試驗變量，設計制作了72個鋼筋-再生混凝土立方體試件(粗骨料為再生粗骨料)，并通過對鋼筋-再生混凝土試件進行中心拔出試驗，較為系統地分析研究了再生細骨料取代率及鋼筋直徑對鋼筋與再生混凝土粘結性能的影響規律，可為HRB400E月牙鋼筋與再生混凝土在工程中應用提供理論參考。

1 試件設計、制作與試驗

1.1 試件用原材料

1.2 中心拔出試件的設計與制作

1.2.1 試件設計

為了研究再生細骨料取代率β及鋼筋直徑d對鋼筋與再生混凝土粘結性能的影響，本文設置再生細骨料取代率β=0%、30%、50%、100%和鋼筋直徑d=12、14、18 mm作為試驗變量，依據 《水工混凝土試驗規程》(DL/T 5150―2017)[11]設計了12組共72個150 mm×150 mm×150 mm的中心拔出試件。在試件中心埋置HRB400E月牙鋼筋，有效錨固長度5d，自由端和加載端均設置a(a與試驗設計錨固長度有關，a=(150-5d)/2)長的PVC套管，并在管內灌入石蠟防止水泥漿進入。試件詳細參數詳見圖1和表1。

以再生細骨料取代率為0時的再生混凝土試件作為基準試件，基準組再生混凝土的設計配合比為水泥：水：天然河砂：再生細骨料：再生粗骨料：減水劑：粉煤灰=390∶170∶720∶0∶1 130∶2∶21，其他組的再生細骨料用量按照取代率β利用質量法取代天然河砂，同時因再生骨料有較好的吸水性，配置再生混凝土時還需要考慮附加用水量[12]。試驗所用的配合比詳見表2。

表2 再生混凝土配合比

1.2.2 試件制作

依據再生混凝土配合比，計算并稱量出各種材料用量，然后按照再生粗骨料、水泥、天然河砂、再生細骨料、粉煤灰的入料順序將材料依次倒入強制攪拌機內干拌1 min，隨后加入設計用水(包括附加水)與減水劑后再強制攪拌2 min。將攪拌好的再生混凝土澆筑到已涂抹脫模油并安裝好鋼筋的試模內，在混凝土振動臺上振搗密實后放置到養護室內養護24 h后拆模、編號，然后標準養護28 d后備用。同時每組配合比再預留3個邊長100 mm的立方體試件，以備測定再生混凝土的立方體抗壓強度。

1.3 拔出試驗的加載與量測方案

1.3.1 加載方案

中心拔出試驗加載設備采用鋼筋拉拔加載試驗系統，加載方式分為荷載控制和位移控制，當加載值P≤拔出極限荷載Pu的80%時采用荷載控制的方法，加載速率取400 N/s；當加載值P>拔出極限荷載Pu的80%時采用位移控制的方法，加載速率取0.5 mm/s。當試驗過程中出現再生骨料混凝土破裂，或者鋼筋與再生骨料混凝土間相對位移較大時應停止加載。

1.3.2 量測方案

“三個一”精準化鉆井實現了技術措施監控由事后處理向事前控制的轉變。以往井隊做出技術決策后對公司技術部門存在不報或瞞報問題，只有技術措施執行不下去或出現復雜故障的時候才向技術部門匯報。對此公司技術部門采取以下措施：

試驗時，每個中心拔出試件的鋼筋自由端及加載端與再生混凝土間的相對位移量采用高速高精度位移量測系統進行實時采集記錄。每個中心拔出試件的拔出鋼筋與再生混凝土間的平均相對位移值S依據式(1)計算得出[13]。

(1)

(2)

式中：P為施加在試件中心拔出鋼筋上的拉拔力即時值，kN；d為試件中心拔出鋼筋的公稱直徑，mm；La為試件中心拔出鋼筋的有效粘結長度，mm。

(3)

式中：Pu,i為第i個試件的極限拔出力，kN；di為第i個試件中拔出鋼筋直徑，mm；La,i為第i個試件中拔出鋼筋的有效粘結長度，mm。

2 試驗結果與分析

2.1 平均粘結應力-滑移曲線

圖2 不同條件下平均粘結應力-滑移曲線(-S)Fig.2 Bond stress-slip curves under different parameter (-S)

2.2 再生細骨料取代率對極限粘結應力的影響

圖3 不同鋼筋直徑下隨β的變化規律Fig.3 Regularity for change of with β under different steel bar diameters

2.3 鋼筋直徑對極限粘結應力的影響

圖4 不同取代率β下隨鋼筋直徑d的變化規律Fig.4 Variation of with diameter d of steel bar at different substitution rates β

(4)

圖5 再生細骨料取代率β對再生混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Effect of RFA replacement rate β on recycled concrete compression strength

圖6 相對粘結應力與鋼筋直徑關系曲線Fig.6 The Relation curve of relative bond stress and steel bars diameter

3 結論

1)HRB400E月牙鋼筋與再生混凝土的粘結剛度的變化表現為：與天然河砂細骨料相比較，再生細骨料取代率在30%以內時，極限粘結應力與粘結剛度降低較小；當再生細骨料取代率超過30%時，極限粘結應力與粘結剛度則隨再生細骨料取代率的增加而明顯降低。

2)鋼筋直徑相同時，HRB400E月牙鋼筋與再生混凝土間的極限粘結應力隨再生細骨料取代率的增大而降低；再生細骨料取代率相同時，HRB400E月牙鋼筋與再生混凝土間的極限粘結應力隨鋼筋直徑的減小而增大。

3)基于試驗成果及分析，得到了再生混凝土與HRB400E月牙鋼筋的極限粘結應力計算公式，可為HRB400E月牙鋼筋再生混凝土的相關研究提供理論參考。