全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋的極限粘接強度影響研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.012

摘 要：全輕頁巖陶粒混凝土和鋼筋之間的粘接作用較為復雜，粘接強度受鋼筋類型、錨固長度、混凝土強度等因素影響，通常采用中心拉拔試驗方法分析全輕頁巖陶粒混凝土的粘接效果。對此，采用該方法進行了12組不同標準的全輕頁巖陶粒鋼筋混凝土試件粘接強度測試試驗，分析了試件拉拔破壞和劈裂破壞二種破壞形態，對比了不同鋼筋直徑、鋼筋類型和混凝土強度等級下試件的粘接強度變化，并提出了更加合理的極限粘接強度計算方式。以期促進全輕頁巖陶粒混凝土的深入研究和在建筑行業的廣泛應用。

關鍵詞：全輕頁巖陶粒混凝土；鋼筋；中心拉拔試驗；粘接強度；計算方式

中圖分類號：TU528；TQ178

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）02-0042-04

Study on the influence of ultimate adhesion strength of all-light shale ceramsite concrete and steel bar

JIA Hong1，LI Suibo2

（1.Baoji Vocational amp; Technical College，Baoji 721000，Shaanxi China;

2.Xi’an University of Science and Technology，Xi’an "710054，China）

Abstract：The adhesion between all-light shale ceramsite concrete and steel bars is complex，and the bond strength is affected by factors such as steel bar type，anchorage length，concrete strength，etc，and the central drawing test is usually used to analyze the bonding effect of all light shale ceramide concrete.Based on this method，12 groups of full light shale ceramic reinforced concrete specimens with different standards were tested by this method，the two failure modes of the specimens were analyzed，the two failure modes of the specimens were analyzed，the changes of the adhesion strength of the specimens under different steel bar diameters，steel bar types and concrete strength grades were compared，and a more reasonable calculation method of the ultimate bond strength was proposed.In order to promote the in-depth research of full light shale ceramide concrete and extensive application in the construction industry.

Key words：all light shale ceramide concrete;steel bar;center drawing test;bond strength;calculation mode

全輕頁巖陶粒混凝土是采用輕粗骨料、輕砂為骨料所配備的一種輕骨料混凝土，有著自重輕、抗裂性能好、抗震性能好等優勢，減輕建筑物質量、提升其抗震能力的同時還可使得建筑的使用更加節能。相比于普通混凝土，全輕頁巖陶粒混凝土在橋梁、房屋、超高層建筑中能夠更好地與鋼筋結合，發展前景更加廣闊^[1-2]。目前，對全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋粘接性能的研究較少，對此，研究采用中心拉拔試驗測定二者之間的粘接強度，設計并制備了鋼筋直徑、鋼筋類型以及混凝土強度不同的12組試件，利用液壓伺服萬能試驗機根據鋼筋直徑采用不同的加載速率進行破壞試驗，探究影響全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋之間粘接強度的因素，并提出優化后的極限粘接強度計算方式，以期為全輕頁巖陶粒鋼筋混凝土的應用提供參考。

1"全輕頁巖陶粒混凝土概述

1.1"全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋粘接機理

全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋之間的粘接錨固作用是保障二者協同工作的基礎，相互作用的本質即為粘接應力。粘接應力由化學膠結力、摩擦阻力、機械咬合力3部分組成。化學膠合力一般特別小，一旦混凝土和鋼筋之間發生相對滑動，這個力就消失了。摩擦阻力是混凝土與鋼筋之間發生相對滑移后，鋼筋表面所受到的力，力的大小與鋼筋混凝土界面的摩擦系數有關。鋼筋外表面凸起肋與其周圍混凝土咬合在一起形成機械咬合力，凸起肋的存在極大提高了兩者之間的粘接應力。因此，全輕頁巖陶粒混凝土和光圓鋼筋之間的粘接應力主要由化學膠接力和摩擦阻力組成，與帶肋鋼筋之間主要由化學膠接力、摩擦阻力和機械咬合力組成^[3-5]。

1.2"與鋼筋粘接強度測試方法

研究鋼筋與混凝土粘接強度的方法有很多，傳統方法如中心拉拔試驗、梁氏試驗和局部粘接-滑移試驗，以及新興的數值模擬方法等。其中中心拉拔試驗是分析全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋粘接強度較為常用的方法。該方法所用試件制作簡單、成本低，結果也容易處理。試件可為圓柱體或棱柱體，采用立方體試件，將鋼筋貫通埋置在試件中軸線上，同時為避免承壓板對加載端局部的擠壓，在試件加載端局部設置PVC套管，形成一段混凝土和鋼筋無粘接區域。之后對加載端進行拉拔，直到發生破壞。當試件混凝土強度較高，與鋼筋之間粘接較差時大多發生拔出破壞，當混凝土強度低而粘接較好時，大多發生劈裂破壞。當使用螺紋鋼筋進行測試時，試件和鋼筋之間的機械咬合力較大，則通常在試件內設置螺旋段箍筋，增加橫向約束以測得粘接強度^[6-7]。

2"全輕頁巖陶粒混凝土粘接試驗

2.1"試驗材料

粗骨料采用的是頁巖陶粒，其無毒、無氣味，是以天然巖石、頁巖為原料高溫燒焙而成。采用粒徑為5 Symbol～A@15 mm的頁巖陶粒，其堆積密度為650 kg/m³，簡壓強度為4.5 MPa。使用前需將頁巖陶粒浸泡24 h，撈出后瀝水再進行投料使用。輕細骨料主要采用頁巖陶砂、水、水泥和添加劑等。頁巖陶沙的粒徑小于5 mm，其堆積密度小于880 kg/m³，細度模度為2.5Symbol～A@3.2。水泥為普通硅酸鹽水泥。粉煤灰作為礦物外加劑，摻量占膠凝材料的15%Symbol～A@45%。選用HRB400和HRB500 2種類型的鋼筋，鋼筋直徑分別為14、16、20、25 mm^[8]。

2.2"試件設計與制備

采用不同類型和直徑的鋼筋制作出12組拔出試件，每組3個試件。試件自由端長50 mm，加載端長300 mm，錨固長度為5倍的鋼筋直徑，12組試件的參數如表1所示。

當鋼筋直徑較大時，為促使試件發生拔出破壞，直徑為25 mm的鋼筋制備的試件尺寸稍大，為200 mm×200 mm×200 mm，其余尺寸采用150 mm×150 mm×150 mm的即可。PVC管控制鋼筋與全輕頁巖陶粒混凝土的錨固長度，向PVC管與鋼筋之間的縫隙注入玻璃膠進行密封^[9]。

試件制備流程：首先準備模具，涂刷脫模劑，將鋼筋入模。根據一定比例先投放輕粗骨料后投放輕細骨料，水分2次添加，澆筑到模具內。為避免出現輕陶粒上浮現象，先人工分層差插搗，然后置于振動臺上快速振動成型。成型后再次抹平表面，若鋼筋發生偏移及時調整。澆筑2 d后脫模，用聚乙烯薄膜覆蓋養護28 d，最后得到一次成型的全輕頁巖陶粒混凝土試件^[10-11]。

2.3"試驗方案

將標準條件下養護28 d后的試件取出，靜置至表面干燥后以中心拔出試驗測試全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋之間的粘接強度。采用的主要儀器為液壓伺服萬能試驗機，在鋼筋自由端和加載端布設電子位移計，設定不同的加載速率進行拉拔，直徑為14、16、20和25 mm的鋼筋，其加載速率分別為98、128、200和313 N/s。當試件破壞或者總滑移長度達到25 mm時停止試驗。測量試件破壞時的荷載和各級荷載下相對滑移距離^[12-13]。試件拉拔試驗示意圖如圖1所示。

3"試驗結果與分析

3.1"試件破壞形態

在這12組試件中第一組試件發生拔出破壞，其他的均為劈裂破壞。拔出破壞和劈裂破壞試件形態如圖2所示。

通過萬能試驗機控制微機直接測得鋼筋的相對滑移長度和受拉荷載之間的曲線。對于第1組拔出破壞試件，在加載初期，依靠化學膠接力，加載端先出現輕微的滑移，隨著荷載的加大，化學膠接作用減弱，當其完全消失后，鋼筋開始整體滑動，試件內部出現裂縫。當自由端位移為1.06 mm時，試件達到最大荷載，為53.1 kN。之后荷載快速下降，當自由端位移達到10 mm時，荷載不變，機械咬合力失效，鋼筋與混凝土之間作用力僅有摩擦力。對于第2組劈裂破壞試件，加載初期加載端位移緩慢增加，自由端不變。當荷載達到最大值59.2 kN時，試件突然劈裂，從試件破壞面可以看出，鋼筋橫肋間的混凝土咬合齒保留清晰完整，說明破壞時鋼筋與混凝土間的機械咬合力沒有達到極限值^[14]。全輕頁巖陶粒混凝土的強度很大程度取決于陶粒本身強度，一般的混凝土產生裂縫時有一個貫通的過程，在骨料與水泥基體的界面出現很多裂縫，而全輕頁巖陶粒混凝土，一旦出現裂縫就會迅速拓展為破壞裂縫，且裂縫數量較少。

3.2"粘接強度影響因素

鋼筋的直徑、屈服強度均會影響其與混凝土之間的粘接強度^[15]。以前6組HRB400類型鋼筋試件為例，鋼筋直徑對試件極限粘接強度的影響如圖3所示。

當鋼筋直徑相同時，混凝土強度大的試件粘接應力也大，這一變化規律與普通混凝土相一致。整體上看，對于同批混凝土，其他條件一致的情況下，鋼筋直徑越大試件的極限粘接強度越低，該變化規律也與帶肋鋼筋混凝土的粘接強度變化相同。由于直徑增加，鋼筋截面周長和面積增加，鋼筋與混凝土之間的粘接面積與截面周長成正比，而拉應力與截面積成反比。受拉荷載與受拉應力之比反映了鋼筋的相對粘接面積，直徑越大相對粘接面積減小，不利于鋼筋與全輕頁巖陶粒混凝土的高強度粘接^[16-17]。

鋼筋類型也代表了鋼筋的屈服強度，選擇鋼筋直徑與混凝土強度相同的2組進行對比，探究HRB400和HRB500這2種鋼筋類型對試件粘接強度的影響。將試件分為4組：2、7試件（LC40，直徑16 mm）；3、8試件（LC40，直徑20 mm）；5、10試件（LC45，直徑16 mm）；6、11試件（LC45，直徑20 mm）。從試驗結果發現，鋼筋類型的改變并未導致試件極限粘接強度的明顯變化，這是由于試件破壞時還未達到鋼筋的塑性變形階段。

3.3"極限粘接強度計算方法

目前已有多種計算方式用于表示鋼筋與混凝土之間的極限粘接強度，當應用到全輕頁巖陶粒混凝土時，結果往往有較大偏差。為更精確地計算出全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋之間的粘接強度，將公式進行優化，改進后的表達式為：

式中：c表示保護層厚度；d表示鋼筋直徑，單位均為mm；f_t表示混凝土軸心抗拉強度；f_cu表示實測混凝土立方體抗壓強度，單位均為MPa；F表示破壞荷載，單位為N；A表示試件承壓接觸面面積，單位為mm²；f_t可按照式（2）取值，以獲取更加精準的計算值^[18-20]。

4"結語

通過中心拉拔試驗方法對全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋之間的粘接強度進行了測試與分析，12組試件中第一組為拔出破壞，其余均為劈裂破壞。試驗結果表明，鋼筋直徑相同時，混凝土強度大的試件粘接應力也大。其他條件相同時，鋼筋直徑越大，混凝土和鋼筋的相對粘接面積減小，會降低兩者之間的粘接強度。經過改進后的計算方式可更加精確地計算出全輕頁巖陶粒混凝土和鋼筋之間的粘接強度。

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收稿日期：2023-09-20；修回日期：2023-12-16

作者簡介：賈"虹（1983-），女，講師， 研究方向：工程造價；E-mail：123918710@qq.com。

引文格式：賈"虹，李綏波.全輕頁巖陶粒混凝土與鋼筋的極限粘接強度影響研究[J].粘接，2024，51（2）：31-34.