混凝土和鋼筋間連接性能受加載速率影響研究

王澤中 張志騰 王喜臣 沈 杰 牟倫船

（中國建筑第八工程局第二建設有限公司，山東 濟南 250014）

在建筑結構設計中，混凝土和鋼筋之間的連接是至關重要的部分。其連接性能直接關系到整個結構的安全性和持久性，特別是在受到極端載荷條件的情況下。隨著建筑結構的發展，越來越多的結構需要在復雜、多變的載荷條件下進行設計，這就需要更加關注不同加載速率對混凝土和鋼筋間連接性能影響。

目前，已經有多位學者對混凝土和鋼筋的連接性能進行了研究[1-3]，楊淑雁等[4]基于往復荷載下的未銹蝕鋼筋混凝土構件的黏結滑移模型，研究了鋼筋銹蝕的影響；袁廣林等[5]對在不同受熱溫度、冷卻方式和加載制度下的鋼筋混凝土黏結性能進行試驗，發現這些因素對高溫后鋼筋混凝土的黏結性能、極限黏結應力、極限滑移有很大的影響；任雪振等[6]研究了高溫后混凝土和鋼筋之間的黏結性能，發現在經歷300℃高溫后，與常溫時相比，機制砂混凝土與鋼筋黏結強度下降速度快。

在現有研究中對不同加載速率的混凝土和鋼筋之間連接性能的研究較少，因此該研究制作了鋼筋混凝土梁試件，進行不同加載速率的三點彎加載測試，研究結果可以為混凝土和鋼筋連接的設計和維護提供重要依據。

1 工程概況

黃河體育中心智慧停車場項目位于濟南新舊動能轉換起步區崔寨片區，北至鳳凰路北延線，南至華河路，西至黃河大道，東至規劃路。東區范圍占地約21 萬m2，黃河體育中心智慧停車場項目總建筑面積約7.76 萬m2，其中地上建筑面積約0.54 萬m2，地下建筑面積約7.22 萬m2，項目包括南車庫、北車庫、足球場外圍車庫、4 片足球訓練場以及4 棟配套服務用房。

2 試驗概況

2.1 試件設計

共使用了16 根具有相同尺寸和鋼筋配置的混凝土梁試樣，這些試樣的尺寸為1600mm（長）×140mm（寬）×300mm（高）。試樣的混凝土配合比見表1，經過28 天的養護，立方體抗壓強度達到43MPa。選用了不同直徑的鋼筋作為試件的受壓鋼筋、箍筋和受拉鋼筋。其中，受壓鋼筋直徑為14mm，彈性模量為2.2×105MPa，斷裂后相對伸長率為19%。箍筋直徑為8mm，彈性模量為2.0×105MPa，斷裂后伸長率為30%。受拉鋼筋直徑為20mm，其極限強度為458MPa，屈服強度為659MPa，彈性模量為2.0×105MPa，斷裂后伸長率為25%。為了確保鋼筋與混凝土的良好黏結，設置的黏結長度為鋼筋直徑的7.5 倍，即150mm。試件的非黏結區域位于試件跨中800mm 和試件兩端各200mm處，并采用PVC 護套進行保護。此外，在距離試件兩端350mm 處，還設置兩個凹槽，其尺寸為120mm（長）×140mm（寬）×75mm（高），用于測量鋼筋的變形量和與混凝土的滑移值。

表1 混凝土配合比

2.2 試驗步驟

將所有混凝土梁分成兩組進行試驗，詳細參數見表2。

表2 試件試驗參數

D 組：對8 個混凝土梁試件進行了三點彎曲加載測試，以評估其強度特性。在測試過程中，采用了不同的加載速率，分別是0.5mm/min、5mm/min、30mm/min 和300mm/min，每種加載速率使用2 根梁進行試驗。每個梁試件的右端被固定，在左端放置位移傳感器，以實時監測混凝土和鋼筋之間的相對滑移情況。此外，在每個梁試件的2 個凹槽中都安裝了位移傳感器，還在受拉鋼筋上固定了2 個應變片，可以精確地測量鋼筋的變形情況。

在E 組中，針對8 根梁試件中的縱向鋼筋進行加速電流銹蝕處理。為提高試驗的可靠性和精度，采用外加電流法以加速梁試件中縱向鋼筋的銹蝕。為避免箍筋生銹，在梁試件的箍筋表面涂上了環氧樹脂。在梁試件左側黏結區的混凝土表面放置了一塊不銹鋼板作為陰極，并在不銹鋼板上放置一塊海綿。每天噴灑2 次5%的NaCl 溶液，以提供試驗所需的氧氣和水分。該研究采用300μA/cm2的電流密度，以充分模擬真實工程中鋼筋的銹蝕情況，并考慮試驗周期的問題。在電流施加結束后，將4 根鋼筋混凝土梁樣品并聯在一個電源上以確保電流一致，試驗步驟示意圖如圖1所示。梁試件在電流施加后經過62 天至通電試驗結束后，將鋼筋混凝土梁試樣置于室內（約25℃和55%相對濕度）干燥72h，然后進行靜態三點彎曲加載。加載速率、試件數量及位移傳感器和應變片的放置與D 組梁試件相同。

圖1 試驗步驟示意圖

3 試驗結果分析

3.1 黏結應力-滑移曲線

圖2 是黏結應力-滑移曲線在4 種不同加載速率條件下的變化情況，如圖2所示，雖然每個混凝土梁試件通電加速銹蝕的時間相同，都是62d，但是其質量損失率有所不同，總體上在2.7%～8.8%變化，這是因為試驗條件方面可能存在一些誤差，例如溫度、濕度等因素的微小變化可能會影響到試件的銹蝕，從而導致質量損失率的差異。此外，觀察不同質量損失率及不同加載速率下的黏結應力-滑移曲線變化情況可知，其圖像的變化趨勢及形狀基本相同，這與現有研究中的結果相吻合。從圖2（b）中可以看出，隨著加載速率增加，試件的黏結應力增大，這表明加載速率越大，試件的黏結強度和殘余黏結強度越大；當質量損失率為4.2%～6.3%時，當加載速率從0.5mm/min 增至300mm/min時，梁試件的殘余黏結強度增加幅度為40%。

圖2 在4 種不同加載速率條件下黏結應力-滑移曲線的變化

3.2 應變率對黏結性能的影響

圖3 是銹蝕鋼筋混凝土梁試件在不同應變率下的黏結特性。圖3（a）展示了黏結應力-滑移曲線在不同應變率條件下的變化，圖3（b）顯示了黏結強度和殘余黏結強度結果。該試驗表明，將加載速度從0.5mm/min 增至300mm/min 對銹蝕鋼筋混凝土梁的黏結應力-滑移曲線的變化趨勢幾乎沒有影響。如圖3（a）所示，當應變率為10-4s-1～10-1s-1時，在4 種應變率條件下，銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結應力-滑移曲線的輪廓大致相同。改變應變率（加載速率）不會改變黏結應力-滑移曲線的形狀，這是由于黏結應力-滑移曲線可以分為3 個階段：起始階段、轉變階段和平穩階段，曲線的特征主要由混凝土與鋼筋的材料和界面特性所決定，而這些特性與加載速率無關，盡管應變率不同，但是不同應變率的鋼筋與混凝土的黏結破壞機理是不變的，當鋼筋的最大應力達到黏結界面處的最大黏結應力時，混凝土試樣的黏結將失效。

從圖3（b）可以看出，提高應變率將顯著提高鋼筋與混凝土的黏結強度。當應變速率從10-4/s 逐漸增至10-1/s 時，梁試件的黏結強度增加了22%，殘余黏結強度增加了46%。該結果與現有文獻中的研究結果一致，這是由于當混凝土與鋼筋發生黏結時，會在其接觸面上形成一個薄層稱為水化物層。該層是由水化混凝土與鋼筋表面化學反應所形成的，提供了主要的黏結力。這種黏結機制在一定程度上依賴于混凝土與鋼筋之間的相對運動，即應變。提高應變率會增加混凝土與鋼筋接觸面的相對運動，從而促進了水化物層的形成，并提高黏結強度。此外，高應變率還能促進混凝土中的水分向鋼筋表面擴散，也有助于增強黏結強度。當鋼筋與混凝土之間的黏結強度增加時，殘余黏結強度也會相應增加。在該研究中，殘余黏結強度與黏結強度的比值均保持在0.5 左右。一些學者的研究發現，在不同的應變率下，殘余黏結強度和黏結強度的比值為0.3，這是由于鋼筋的腐蝕程度具有差異，其試驗條件也不同。

圖3 應變率對黏結性能的影響

4 結論

該研究制作了鋼筋混凝土梁試件，并將其分組進行不同加載速率下的三點彎加載測試，分析了不同加載速率對試件黏結應力-滑移曲線和黏結性能的影響，得到以下2 個結論：1）隨著加載速率增加，試件的黏結應力增大，當加載速率從0.5mm/min 增至300mm/min 時，試件的殘余黏結強度增加幅度為40%。2）應變率（加載速率）的變化對黏結應力-滑移曲線的形狀影響不大，應變率對銹蝕鋼筋與混凝土間的黏結性能具有強化作用。當應變率從10-4s-1增至10-1s-1時，梁試件的黏結強度增加了22%，殘余黏結強度增加了46%。