超低温冻融循环下钢筋与混凝土的黏结性能

谢 剑，魏 强，李会杰

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

超低温冻融循环下钢筋与混凝土的黏结性能

谢 剑1,2，魏 强1，李会杰1

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

借助低温冰箱和超低温环境箱降温的方式，对7组21个试件分别进行了不同循环次数、不同温度变化的超低温冻融循环．通过对冻融循环后试件的中心拔出试验，得到了钢筋与混凝土的荷载-滑移曲线．结果表明，在循环次数较少的情况下，低温对钢筋与混凝土的荷载-滑移曲线形状影响不大，但对两者的黏结强度有明显的降低作用；在冻融循环中，20～-75,℃温度段对钢筋与混凝土的黏结强度降低作用明显，相比之下，-75～-120,℃温度段对钢筋与混凝土黏结强度的后续降低作用不明显；随着循环次数的增多，每次循环对于钢筋与混凝土黏结强度的降低作用逐渐减弱．

超低温；冻融循环；混凝土；钢筋；黏结性能

随着人们探知和活动的范围越来越广，钢筋混凝土结构也更多地应用在低温环境中，而液化天然气(liquefied natural gas，LNG)储罐的泄漏会导致钢筋混凝土外罐直接遭受超低温的作用[1-4]．因此，有必要对超低温下和超低温冻融循环的钢筋混凝土的黏结性能进行试验研究．国内外的研究表明[5-11]，随着温度的降低，钢筋混凝土的材料强度及两者的黏结强度都有较大的提升，但是关于更不利的超低温冻融循环方面，仅有文献[8]提到经10次20～-100,℃的循环，钢筋与混凝土黏结强度并不降低．除此之外，尚未发现其他关于超低温冻融循环下钢筋与混凝土黏结性能的研究报道．另外，考虑到LNG储罐泄漏为偶然工况，笔者采取较少的循环次数，主要研究了冻融温度和循环次数对钢筋与混凝土黏结性能退化的影响规律，对评估温差较大的严寒地区或冷库等内的钢筋混凝土结构以及发生泄漏工况后的LNG储罐的安全度和剩余寿命有一定的工程意义．

1 试验概况

1.1 试件设计

根据《混凝土结构试验方法标准》(GB50152—92)[12]、《水工混凝土试验规程》(SL352—2006)[13]及试验室实际情况，采用中心拔出试验研究钢筋与混凝土的黏结性能．本试验共分为7组，每组3个试件，试件尺寸为150,mm×150,mm×150,mm，另预留试件并在其中心放入测温装置铂金传感器作为温度块．图1为试件的几何尺寸．此外，预留规定数量的标准立方体试块用以测试混凝土强度．

图1 试件几何尺寸(单位：mm)Fig.1 Dimensions of specimen(unit：mm)

各组试件混凝土的强度设计等级为C50，混凝土的配合比和实测强度见表1．采用直径为16,mm的HRB400级变形钢筋，屈服强度452,MPa，极限强度644,MPa，断后伸长率为22%．

表1 混凝土的配合比和实测强度Tab.1Mix proportion and compressive strength of concrete

1.2 试件的冻融循环

1.2.1 降温设置

试件养护完毕后，采用低温冰箱和超低温环境箱进行试件的降温[14]，装置如图2所示．试件由室温到-80,℃采用低温冰箱降温，-80,℃以下温度采用液氮在超低温环境箱内降温．温度块同试验试件共同降温，并在箱内空间另放入测温装置铂金传感器，通过外置的读数设备LU-906M智能调节仪显示内部温度.

图2 降温设备Fig.2 Cooling device

1.2.2 温度控制

降温阶段，采用不泡水试件进行，且保证每组试件的降温速率相同．实际降温情况见表2，第1组为对比组，没有进行冻融循环．

表2 冻融循环降温实际情况Tab.2 Practical situation of freeze-thaw cycles

回温阶段，采取在室内空气中自然回温的方式．由图3可知，4,h内-170,℃试件可回温到0,℃以上，为了统一，采用试件至少回温24,h的标准．回温图片见图4．

1.3 拔出试验加载装置与加载制度

拔出试验在天津大学结构实验室完成．自行设计制做了一套钢制加载装置，见图5．其原理是固定的试验机上压板通过钢骨架将试件的钢筋部分用螺母固定，而向上移动的试验机下压板通过反力钢架对试件的混凝土部分施加向上的力，由此试件的钢筋部分与混凝土部分受到相反的力而产生相对运动，最终将钢筋部分从混凝土中拔出，见图6．

在钢骨架下部的两侧各设置一个百分表来测定钢筋加载端与混凝土的滑移量．经计算钢制加载装置的刚度够大，在较低的加载力下产生的变形对所测的滑移值影响可以忽略不计．试验前进行预加载，加载全程采用荷载控制，每级荷载为5,kN．

图3 18 ℃环境中试件回温曲线Fig.3 Elevated temperature curve of specimen at 18,℃

图4 试件回温Fig.4 Temperature comeback of specimen

图5 加载装置Fig.5 Loading device

图6 加载装置侧视原理示意Fig.6 Side view of schematic diagram for loading device

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

经过若干次冻融循环后，试件表面出现不同程度的温度裂缝．随着循环设定温度的降低，温度裂缝有所增加，但不同试件具体情况有所不同．图7为试验过程中试件的结霜现象，图8为试件表面出现的温度裂缝．本次试验中，绝大多数试件发生劈裂破坏，只有第2组和第7组各有一块发生拔出破坏，试件破坏形态如图9所示．

图7 冻融过程试件结霜现象Fig.7 Frosting of specimen during freeze-thaw cycles

图8 第5组试件冻融后裂缝Fig.8 Crack of specimen in group 5 after freeze-thaw cycles

2.2 荷载-滑移曲线

各组试件的荷载P和平均滑移S(加载端两表的平均值)曲线见图10．从图10中可以看出：在循环次数较低的情况下，即便循环的最低温度达到-160,℃左右的超低温时，其荷载-滑移曲线趋势不会出现较大变化．

图9 试件破坏形式Fig.9 Specimen failure mode

2.3 黏结强度

各组冻融后钢筋与混凝土的黏结性能试验结果见表3．由表3可知，第6组试件在20～-120,℃循环5次时，钢筋与混凝土的黏结强度下降了19%．此外，冻融后钢筋与混凝土的黏结强度离散性较大，这主要是由于冻融过程试件自身缺陷效应增大以及钢筋与混凝土黏结性能对影响因素较敏感所致．

由第1组、第2组、第3组和第5组共4组数据可知：在相同的3次冻融循环，试件冻融温度为20～-40,℃、20～-75,℃及20～-120,℃时，钢筋与混凝土的平均黏结强度分别下降了6%、13%和14%；由第1组、第4组和第6组共3组数据可知，在相同的5次冻融循环，试件冻融温度为20～-75,℃和20～-120,℃时，钢筋与混凝土的平均黏结强度分别下降了14%和19%．由此可见，当试件冻融温度为20～-75,℃时，钢筋与混凝土的平均黏结强度降低程度在3次和5次循环下仅比20～-120,℃时稍低，也就是说钢筋与混凝土的平均黏结强度的降低速率并不随着冻融温度的降低呈线性，而是在20～-75,℃低温范围内降低较快，在-75～-120,℃超低温范围内降低较慢．这主要是由于混凝土和钢筋在温度降低时体积变化不一致导致的．由文献[11]可知，在-20～-70,℃范围内混凝土先膨胀后收缩，钢筋则一直收缩，两者线膨胀系数的较大差别将使钢筋与混凝土在黏结处出现较大的微滑移，黏结面产生大量微裂缝和缺陷，导致黏结强度降低较快；而随着温度的降低，钢筋与混凝土的线膨胀系数虽有一定的差别，但两者的变化趋势是一致的，在黏结面处新产生的损伤也是有限的，宏观上则表现为黏结强度降低较慢．

由第1组、第3组和第4组共3组数据可知，试件循环温度为20～-75,℃、循环次数在3次和5次时，钢筋与混凝土的黏结强度分别降低13%和14%；由第1组、第5组和第6组数据可知，试件循环温度为20～-120,℃、循环次数在3次和5次时，钢筋与混凝土的平均黏结强度分别降低14%和19%．由此可见，前3次的冻融循环中每次循环对钢筋与混凝土平均黏结强度的降低程度要明显大于后2次中每次循环的作用，也就是说，钢筋与混凝土平均黏结强度的降低程度在每次循环中并不一致，而是随着循环次数的增加而降低的．这主要是因为试件内部容易被冻融循环作用破坏的微观结构在最初几次的低温和超低温冻融下便已大量破坏．除此之外，试件循环温度为20～-120,℃时，3次循环对钢筋与混凝土平均黏结强度的降低作用与20～-75,℃时相差不多，而5次冻融循环时，钢筋与混凝土的黏结强度降低程度在试件循环温度20～-120,℃时要比在20～-75,℃时稍大一些，由此可知，随着温度的降低，后续循环对钢筋与混凝土的黏结强度的降低作用会稍有增加．这主要是因为冻融过程中除钢筋与混凝土线膨胀系数不同外，混凝土强度的降低也会影响两者的黏结强度．-75～-120,℃范围内，混凝土内部原本不受低温影响的吸附水会结冰产生冻胀破坏，使混凝土强度降低，进而导致钢筋与混凝土黏结强度的降低，而这些更微小结构的破坏需要更多的冻融循环．

图10 各组试件的荷载-滑移曲线Fig.10 Load vs slip curves of specimen

从表3中还可以看出，钢筋与混凝土的峰值滑移并不呈现一定的规律性，而第7组试验数据在冻融后钢筋与混凝土的黏结强度反而增大，这主要与该组进行试验的日期与其他组相比较晚，混凝土强度有所增加，并且混凝土试验数据本就具有离散性较大的特性有关．

表3 冻融后钢筋与混凝土黏结性能试验结果Tab.3 Test results of bonding behavior between reinforcement and concrete after freeze-thaw cycles

3 结 论

(1) 在低温和超低温下，当循环次数较少时，钢筋与混凝土的荷载-滑移曲线形状基本不变，但黏结强度能够降低1/5左右，已经达到了不能忽视的地步．

(2) 在相同的3次或5次循环，试件循环温度为20～-75,℃或20～-120,℃时，钢筋与混凝土的平均黏结强度都具有一定程度的下降，且两者的下降程度相近，即随着循环温度的降低，钢筋与混凝土的平均黏结强度降低，但在20～-75,℃范围内黏结强度降低较快，在-75～-120,℃范围时降低较慢．

(3) 在试件循环温度为相同的20～-75,℃或20～-120,℃、5次冻融循环时，钢筋与混凝土的平均黏结强度的降低在前3次冻融下的平均程度要大于后2次，即后续循环对钢筋与混凝土平均黏结强度的降低作用有所减弱．

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Bonding Properties Between Reinforcement and Concrete After Freeze-Thaw Cycles at Extra-Low Temperatures

Xie Jian1,2，Wei Qiang1，Li Huijie1
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety，Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

With the cooling system of low-temperature refrigerator and extra-low temperature environment box，freeze-thaw cycles for 7 groups of 21 specimens with different cycle times and at different low or extra-low temperatures were carried out. Through the pull-out test of specimens after freeze-thaw cycles，the load-slip curves between reinforcement and concrete were recorded. The results show that，with fewer cycle times，the tendency of the loadslip curves almost has no changes，but the bonding strength between reinforcement and concrete is reduced significantly；the bonding strength between reinforcement and concrete decreases obviously at 20—-75,℃，while the bonding strength has no obvious follow-up reduction at -75—-120,℃ in freeze-thaw cycles；the reduction of the bonding strength reduces gradually with each cycle.

extra-low temperature；freeze-thaw cycle；concrete；reinforcement；bonding property

TU502

A

0493-2137(2013)11-1012-07

DOI 10.11784/tdxb20131110

2012-06-16；

2012-11-23.

国家自然科学基金资助项目(51078260)．

谢 剑（1974— ），男，博士，副教授．

谢 剑，xiejian@tju.edu.cn．