高強鋼筋與高性能混凝土黏結性能試驗方法探討

王愛蘭

山東交通職業(yè)學院（261206）

0 前言

鋼筋混凝土結構在工程建設行業(yè)占據(jù)主導地位,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和新材料、新規(guī)范的應用,人們對鋼筋和混凝土材料的要求越來越高。鋼筋混凝土結構整體承受荷載的前提是具有良好的黏結作用。文章介紹高強鋼筋與高性能混凝土的相關背景，探究高強鋼筋與高性能混凝土的黏結性能試驗，并對高強鋼筋與高性能混凝土的試驗結果進行分析。

1 高強鋼筋與高性能混凝土相關背景概述

鋼筋混凝土結構的使用可以提高建筑工程的使用強度，提升建筑結構穩(wěn)定性，為工程建設提供良好的建筑結構支撐，維護結構安全。低強度的鋼筋混凝土建筑材料在長期使用過程中容易出現(xiàn)承載力失效或者變形等現(xiàn)象，導致建筑物的使用安全受到嚴重影響。利用低強度建筑材料時必須考慮到材料使用特性，設計與施工難度加大。相比較于高強度混凝土材料而言，普通混凝土也容易在使用中出現(xiàn)破碎、開裂等現(xiàn)象，不利于長期的建筑質(zhì)量維護，降低了建筑物安全性和穩(wěn)定性。所以對高強鋼筋和高性能混凝土進行深入研究非常重要[1]。

高強度鋼筋和高性能混凝土的黏結性能是承受荷載的主要影響因素，通過對高強鋼筋及超高性能混凝土進行黏結性能試驗，探究其結構應用性能，明確影響?zhàn)そY強度的主要影響因素，指引建筑材料領域和建筑施工領域的發(fā)展，對促進工程建設行業(yè)進步，維護建筑材料節(jié)約事業(yè)的良好發(fā)展態(tài)勢等具有積極意義。

2 高強鋼筋與高性能混凝土黏結性能試驗形式

2.1 拉拔試驗

拉拔試驗測量加荷端滑移和自由端滑移，當達到最大荷載時，黏結應力沿埋入長度方向基本相等，用黏結破壞時的最大平均黏結應力代表鋼筋與混凝土的年結強度。這種試驗的試件制作簡單，試驗設置方便，便于分析試驗數(shù)據(jù)，但是忽略了黏結應力沿錨固長度的不均勻性[2]。

2.2 梁錨固試驗

梁錨固試驗模擬實際結構中鋼筋在混凝土中的錨固類型和特點，構件除了承載拉力以外，和實際梁體一樣，還受到剪力和彎矩的影響。但是這種試驗試件制作煩瑣，成本高，試驗復雜，試驗結果與錨固類型分析較困難。

2.3 鋼筋內(nèi)貼片試驗

鋼筋內(nèi)貼片試驗在鋼筋內(nèi)開槽，在不同位置布置電阻應變片，利用鋼筋兩端的相對滑移推算內(nèi)滑移，建立位置函數(shù)，模擬黏結強度和滑移位移之間的關系，反映不同位置的黏結應力。但是鋼筋內(nèi)開槽復雜，試驗耗時長[3]。

3 高強鋼筋與高性能混凝土黏結性能試驗過程

本次試驗采用的高強鋼筋型號為HRB500，直徑16 mm，采用425 類型的普通硅酸鹽水泥，強度達到C60 的等級。分兩種混凝土類型進行比較，一種是普通混凝土，一種是摻入鋼纖維的混凝土。粗骨料最大粒徑15 mm，使用高效減水劑，砂率為52%，水灰比為0.32。

鋼纖維混凝土制作成本高，施工難度較大，主要應用在重要的隧道、地鐵、機場以及防震工程中。重點工程防震要求較高或施工環(huán)境比較惡劣時，使用鋼纖維混凝土可以極大程度地保證工程建設的質(zhì)量，延長工程的使用壽命，具有普通混凝土不能比擬的優(yōu)點。摻入鋼纖維可以顯著地改善混凝土的力學性能。當摻量在許可范圍之內(nèi)，可提高混凝土抗拉強度30%～50%，抗彎強度一般可提高50%～100%，韌性可提高10～50 倍。鋼纖維混凝土抗拉性能強，收縮力低，抗剪性能強，抗磨性能以及耐磨性強，為此，在工程建設中得到廣泛地應用[4]。本試驗制作鋼纖維摻量0.6%、1.2%、2.0%的混凝土構件，通過試驗分析不同鋼纖維含量混凝土與螺紋鋼筋的黏結性能，并與普通混凝土與鋼筋黏結性進行比較。同時，關注錨筋對于鋼筋和混凝土黏結性能的影響，搭配有、無箍筋的試驗構件，通過試驗分析錨固長度、錨筋強度等對鋼筋和混凝土黏結性能的影響。

文章中采用不同的試驗段進行單調(diào)拉拔測試，根據(jù)測試結果，明確不同試驗環(huán)境、混凝土類型、錨筋種類及強度等相關數(shù)據(jù)等。

4 高強鋼筋與高性能混凝土試驗結果分析

試驗中的試驗段以錨筋的直徑數(shù)值、混凝土類型、鋼筋表面處理為劃分依據(jù)。根據(jù)ZY-30 的錨桿拉力儀器，在不同試驗段情況下的材料拉力數(shù)值被精確確定。在本次試驗中，在試驗段的不同位置放置了有效位移的檢測點，能夠準確測量出位移水平。

根據(jù)高強鋼筋與高性能混凝土黏結性能試驗的試驗結果，整個試驗過程出現(xiàn)三種現(xiàn)象，分別為混凝土開裂試驗結果、混凝土錨筋拔出試驗結果和混凝土錨筋屈服試驗結果。

4.1 鋼筋不同方式對黏結強度的影響分析

在加載初期，鋼筋對混凝土的斜向擠壓力形成了滑動阻力，從而使鋼筋肋根部的混凝土出現(xiàn)局部擠壓變形，黏結剛度較大，黏結強度與加荷端滑移之間形成的黏結- 滑移曲線接近直線。隨著荷載逐漸增大，沿鋼筋縱向產(chǎn)生內(nèi)部斜裂縫，混凝土環(huán)向同時受拉力，產(chǎn)生徑向裂縫。當徑向裂縫逐漸增大直至到達試件表面時，相應的應力為測得的劈裂黏結應力。試驗結果表明，黏結試驗中試件的破壞是鋼筋拔出的剪切破壞，黏結應力τ 很大程度上取決于鋼筋的表面情況，表面越凹凸不平，則τ 越高[5]。光圓鋼筋的滑移大，強度最低，帶肋鋼筋表面的凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生機械咬合力，提高了黏結強度。

4.2 鋼纖維含量對黏結強度的影響分析

試驗結果表明，與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土與鋼筋間的黏結強度提高，鋼纖維摻量0.6%、1.2%、2.0%的混凝土構件黏結強度分別提高了8.95%、13.91%、11.47%。這說明，適當摻入鋼纖維可以提高與混凝土間的黏結強度，但是鋼纖維含量增加對黏結強度的增加沒有明顯變化規(guī)律。

同時，試件在拉拔試驗中，荷載產(chǎn)生的拉應力超過混凝土的實際抗拉強度而產(chǎn)生混凝土開裂。在裂縫出現(xiàn)的截面，開裂的混凝土退出抗拉工作，原來由混凝土承擔的拉力轉(zhuǎn)移到鋼筋承擔，裂縫截面處的鋼筋應力突然增加。相比較于普通混凝土，高強度混凝土抗拉強度更高，脆性更大，同時本身水泥用量大，早期強度來的快，前期水化熱高，水灰比小，早期失水快，很容易因為溫差而開裂。在黏結試件損壞時，所得的黏結- 滑移曲線分為上升段、穩(wěn)定段、下降段。試驗中摻入鋼纖維的混凝土表面沒有明顯的變化，裂縫很小，拉拔過程有明顯的鋼纖維撕裂的聲音，黏結曲線相比普通混凝土更加平緩[6]。

4.3 鋼筋錨固對黏結強度的影響分析

在混凝土開裂試驗中，試驗段中的錨固處于整個混凝土材料的中心位置。當錨固的長度較短時，錨筋周圍的混凝土保護結構的外部力量較為均勻，整個保護結構的層級較為薄弱，對錨筋的保護力量有限。此時，材料會因為內(nèi)部的裂痕問題而將裂縫狀態(tài)均勻傳導到表面，進而引發(fā)開裂。拉拔測試時，錨筋受力不均勻，造成錨筋的運動軌跡向保護層更加薄弱的區(qū)域偏移，進而引發(fā)材料開裂，導致材料表面出現(xiàn)不規(guī)則的裂痕。

當錨固的長度數(shù)值超過一定限度時，則試驗段之中的錨筋就出現(xiàn)外部承載力過度的現(xiàn)象，進而導致錨筋因為過度疲勞而出現(xiàn)損壞，錨筋的屈服損壞現(xiàn)象因而產(chǎn)生。在混凝土因為裂縫而產(chǎn)生整體結構的被破壞之前，錨筋就已經(jīng)失去正常使用的可能性。同時錨筋和其外部的混凝土材料之間也不會出現(xiàn)空間位置上的移動，裂縫的產(chǎn)生只是小范圍現(xiàn)象。

所以，保證鋼筋的基本錨固長度對黏結性影響較大。以受拉鋼筋應力達到屈服強度時，不發(fā)生黏結錨固損壞，此時的最小埋入長度為基本錨固長度。

4.4 混凝土錨筋拔出試驗結果分析

在設置箍筋的混凝土試驗段中，由于箍筋的存在，該段混凝土容易出現(xiàn)先表面開裂、后錨筋拔出現(xiàn)象。有箍筋的試驗段，混凝土表面裂痕數(shù)量更多，裂痕間的空間關系呈現(xiàn)更加復雜的形態(tài)。沒有箍筋的混凝土裂痕之間呈現(xiàn)較為明顯的縱向平衡關系，有箍筋的混凝土裂痕在分布上呈現(xiàn)交叉關系。由于箍筋的受力性較強，能夠遏制混凝土表面材料的持續(xù)擴張。當作用力繼續(xù)加強，而混凝土裂縫由于箍筋而無法擴張時，錨筋的受力受到較大挑戰(zhàn)，最終因為超出緊固力數(shù)據(jù)極限而被帶出混凝土材料。錨筋此時脫離原本建筑結構，鋼筋混凝土材料的整體完整性受到破壞。

5 結語

高強鋼筋與高性能混凝土的黏結性能試驗中，不同的錨固長度、混凝土的類型、鋼筋的類型都對黏結性有顯著影響。當錨固長度小于一定數(shù)值時，錨筋因受力而被拔出。當錨固長度超出一定數(shù)值時，錨筋因緊固能力等原因出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。當屈服限制較高時，鋼筋與混凝土之間的黏結能力更強，反之更弱。錨筋的錨固長度和錨筋屈服強度指標作為黏結性的重要影響因素。鋼纖維摻入混凝土能顯著地改善混凝土的力學性能，提高混凝土抗拉強度，增加韌性，減小混凝土的收縮，從而減小混凝土裂縫，對混凝土和鋼筋的黏結性有明顯的提高。

改善高強鋼筋與高性能混凝土之間的相關數(shù)值，可提高高強鋼筋與高性能混凝土材料的應用性能，從而推動我國建筑材料行業(yè)的發(fā)展和工程建設行業(yè)的進步。