高温后横压力对钢筋与高强混凝土间黏结影响

肖建庄，赵卫平，2

（1.同济大学土木工程学院，上海200092；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京100083）

国内外学者对高温（火灾）作用下混凝土及钢筋的力学性能、热工性能，构件及结构在高温下的反应等进行了大量研究［1－3］.高温下钢筋与混凝土之间黏结退化问题同样受到了重视［4－8］.许多学者采用预裂试块研究横压力对黏结强度的影响［9－12］.该方面有关成果也收录在FIB 2000报告［13］中.研究表明，黏结强度随横压力的增加而增大，并且随着混凝土保护层厚度的增加，横压力对黏结性能的有利影响越明显.本文设计了特殊的加载装置，从更加细致的方面研究了高温后钢筋与高强混凝土间的黏结作用，并进一步考察了横压力对黏结作用的影响.

1 试块制作

结合笔者以前的试验［7］，配制C100混凝土所需的材料如下：42.5R普通硅酸盐水泥，S90级磨细高性能矿渣复合掺合料，微硅粉，细度模数为2.5左右的中砂，5～20mm粒径钙质连续级配碎石，萘系高效减水剂，自来水.高强混凝土配合比见表1.

表1 C100混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of C100concrete

搅拌工艺为：先投入水泥、矿渣、硅粉、砂及碎石，搅拌均匀后加入一半的水搅拌约2min，然后加入另一半水并紧跟着加入减水剂，搅拌6～8min后出料，实测混凝土坍落度在200～220mm之间.

采用特制模具浇注黏结试块，尺寸为100mm× 100mm×150mm.在试块的上表面三分点预留两个半径为7mm的半圆状槽，如图1所示.人工插捣密实后用刮刀插实周边、抹平表面，在试验室放置1d后拆模.拆模后在标准养护箱内养护28d，然而将试块取出，放在室内自然干燥1个月后试验.试块分为4组，每组6个试块分别对应6个温度工况，共24对试块.

图1 黏结试块Fig.1 Bond specimen

进行推出试验时，2个试块一组，有预留槽的面相对，在中间卡入人工焊接的H型加载装置.为保证试验过程中钢筋和混凝土始终保持100mm的黏结长度，型钢长度为160mm.沿型钢长度方向焊接4根φ12热轧月牙变形钢筋，如图2所示.

图2 试块与加载装置的连接（单位：mm）Fig.2 Connection of specimen and loading sketch（Unit：mm）

2 升温制度

高温试验采用DRX－36型升温设备，如图3所示.炉膛有效尺寸为700mm×600mm×530mm（深×宽×高）.该设备经设定后自动控温，参照国际ISO834标准，升温速率约为10℃·min－1，当炉膛温度接近设定温度值之前，该设备自动减缓升温速度，避免过热冲击.当炉膛温度达到设定目标温度后，恒温45min，使得与带肋钢筋接触影响范围内的混凝土高温损伤充分，之后打开炉门，让试块随炉自然冷却至室温，升温曲线见图4.

3 高温后抗压试验

采用C100高强混凝土，制作100mm×100mm× 100mm的立方体试块，其与黏结试块在同条件下养护，养护期均为28d.高温试验时，当温度超过300℃后，有些混凝土试块发生爆裂，爆裂时有闷响，高温爆裂后试块如图5所示.研究［14－16］表明，高强混凝土高温爆裂具有很强的随机性，一般可以通过掺加聚丙烯纤维加以改善.高温后抗压强度试验在同济大学混凝土材料试验室进行，不同温度经历的高强混凝土残余强度见表2.

对于高强混凝土，当经历的温度低于400℃，混凝土强度已经开始下降，折减系数为0.84～1.00.当经历超过400℃的高温后，混凝土强度大幅下降，如经历800℃高温后，混凝土强度折减系数为0.26.常温下混凝土的颜色基本为黑、红和白三种颜色的混合：黑色为硅的化合物，如烧制黏土砖的芯部物质；红色和褐色通常表示含有铁的氧化物；呈现白色的矿物有石英等［7，14－16］.这些表观现象对评价高强混凝土结构火灾经历温度具有一定的参考价值.

表2 高温后混凝土立方体抗压强度Tab.2 Compressive strength of cubes after elevated temperatures

4 高温后推出试验

4.1 加载制度与加载装置

推出试验在同济大学结构试验室完成.试验开始时，首先在水平方向施加横压力P夹紧黏结试块，然后由竖向千斤顶对H型加载装置施加竖向压力F.试验过程中采集竖向千斤顶压力F和加载装置相对于左右两个黏结试块的位移值，取左右位移计的均值作为滑移量；同时，水平方向横压力P由传感器实时监控.按此加载方案逐步提高水平方向横压力，多次加载，直到混凝土试块破坏为止.由试块的设计和构造可知每个翼缘分担的压力为P／2，黏结应力τ和竖向千斤顶压力F的转换关系为

式中：d为钢筋直径，l为黏结长度.本文中d取12 mm，l取100mm.

试验在刚度较大的自平衡反力架上进行，如图6所示.竖向液压千斤顶额定荷载为500kN，荷载控制加载速率为5kN·min－1.水平方向用手动千斤顶，额定荷载为300kN，在端部串联力传感器.

图6 自平衡反力架与推出试验装置Fig.6 Self－balancing reaction frame and push－out setup

4.2 试验现象与试验结果

随着竖向千斤顶的下移，不断有混凝土粉末被刮出，在加载装置下方积累了大量的混凝土粉末，如图7所示.钢筋的肋间充满了被剪断的混凝土键，如图8所示.因此，在横压力较低的情况下，黏结破坏形式与刮出式破坏相似.为了不影响下次试验结果，每次加载完毕后清除肋间混凝土，当所有试验完成后，钢筋肋仍然完好.

图9为不同温度经历混凝土在各级横压力作用下的黏结－滑移曲线和对应的横压力值在试验过程中的衰减曲线.由图可见，混凝土的黏结强度随施加的横压力的提高而增大.然而，高温对混凝土的损伤致使混凝土所能承受的横压力水平迅速降低，经历温度越高所能承受的横压力越低（400℃除外），黏结性能退化越明显.

通过对图9的对比分析发现，大多数曲线的下降趋势几乎相同，而20℃和400℃温度经历的试块在最高横压力水平下的曲线却与其他曲线相交.其主要原因是当横压力提高到一定水平后，加载时沿混凝土试块的预留槽口发生劈裂破坏，而混凝土试块存在两种不同的劈裂形式.图10为两种不同的裂缝发展形式：①由预留槽口向侧面发展，如图10a所示；②由预留槽口向对面发展，如图10b所示.前者裂缝发展迅速，槽口劈裂部分瞬间脱落，因此曲线下降趋势较快，20℃和400℃温度经历试块的最终破坏形式与此相同；后者裂缝发展较缓慢，曲线的下降趋势较缓和，200，300，500和600℃温度经历的混凝土试块均属于此类破坏形式.在将来的试验研究中，建议增大槽口至侧边的距离，使裂缝向对面发展，充分发挥试块潜在的黏结性能，减少试验结果的离散性.

此外，200℃温度经历的混凝土试块的横压力衰减曲线在40kN时出现了水平段，然而此压力水平下对应的黏结－滑移曲线并无异常，经初步分析此异常是由传感器故障所致，黏结－滑移关系曲线依然有效.

图10 混凝土沿槽口的劈裂Fig.10 The splitting of concrete along the notch

4.3 高温后黏结强度与温度经历的关系

将黏结强度折减系数与文献［6，17－18］的对比图绘于图11.从图中看出，无论是普通混凝土还是高强混凝土，当温度经历超过300℃时，光圆钢筋和带肋钢筋的黏结强度均降低，但光圆钢筋的黏结强度退化较带肋钢筋更明显.

图11 黏结强度折减系数Fig.11 Reduction coefficients of bond strength

300℃温度经历时，光圆钢筋黏结强度开始迅速下降.这主要是光圆钢筋与混凝土之间的黏结应力主要由混凝土中水泥凝胶体与钢筋表面的化学胶着力和钢筋与混凝土接触面间的摩擦力等组成，当混凝土处于300～400℃时，水泥凝胶体产生破坏，钢筋与混凝土接触面的胶着力和摩擦力将显著下降，从而引起黏结应力的陡降.

400℃温度经历时，带肋钢筋的黏结能力下降显著.特别是高强混凝土，下降速度很快.这是因为带肋钢筋的黏结能力主要取决于钢筋表面凸出的肋与混凝土的机械咬合力，而这种咬合力的大小主要取决于钢筋外围混凝土的环向抗拉强度.从前面的分析来看，400℃时，混凝土强度开始大幅度下降，黏结强度的变化规律与此相符.

600℃温度经历时，不仅混凝土的凝胶体发生破坏，而且其中的粗骨料也发生明显损伤，从而引起抗拉强度的急剧下降.因为混凝土与钢筋的黏结性能很大程度上取决于混凝土的抗拉强度和保护层厚度，所以带肋钢筋的黏结强度在温度600℃左右下降幅度更大.

4.4 黏结应力与横压力之间的关系

图12a为横向压力一定时不同温度经历混凝土试块黏结－滑移曲线，图12b为不同温度经历混凝土试块最高横压力衰减曲线.显然，高温对混凝土黏结性能的影响十分明显，随温度经历的提高，混凝土的黏结性能迅速退化；与此同时，试块所能承受的横压力也迅速降低.应当指出，常规黏结性能对比试验中，钢筋和混凝土界面横压力是由于钢筋的锥楔作用所引起混凝土的被动约束而产生，而本文中的横压力是作为主动约束直接施加到混凝土试块上.通过对比发现，黏结－滑移曲线的下降段与对应的横压力衰减曲线的趋势和走向都极为相似，可由此推断横压力的衰减是导致刮出式破坏中黏结－滑移曲线出现下降段的主要原因.

图12 不同温度经历黏结－滑移曲线和最高横压力衰减曲线Fig.12 Bond－slip curve and the maximum lateral pressure degrade curve after different elevated temperatures

5 结论

（1）对于高强混凝土，当经历的温度低于400℃，混凝土强度已经开始下降，折减系数为0.84～1.00.当经历超过400℃的高温后，混凝土强度大幅下降，经历800℃高温后，混凝土强度折减系数为0.26.

（2）钢筋和混凝土的界面损伤后，不断有混凝土粉末被刮出是致使横压力迅速降低的主要原因，而横压力的逐渐衰减是导致黏结－滑移曲线出现下降段的主要原因.

（3）黏结强度随横压力的提高而增大，黏结－滑移曲线的下降段与横压力的衰减曲线发展趋势相似.

（4）高温后高强混凝土材性退化致使试块不能承受更高的横压力是本文试验方法中黏结性能降低的主要原因.

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