超低温环境下钢筋与混凝土的粘结性能

杨雅新

河南水利与环境职业学院（450011）

超低温环境下钢筋与混凝土的粘结性能

杨雅新

河南水利与环境职业学院（450011）

工程建设中，钢筋、混凝土的使用是必不可少的，但是钢筋、混凝土之间的黏结性能在一般条件下、在超低温环境下是有所不同的。这里将一般条件下钢筋、混凝土之间的黏结性能作为标杆，讲述超低温环境下混凝土、钢筋在黏结性能上发生的变化。

钢筋；混凝土；超低温环境；一般环境；黏结性能

随着科技的不断进步，工程技术人员开始向极地等超低温区域拓展。当前全世界都面对着资源开发殆尽的境况，各国均开始争夺极地资源，并为之建立了石油钻探、浮动码头等生产及挖掘设施，而这些均需要使用钢筋混凝土。为了确保钢筋、混凝土等材料在超低温环境下正常应用,必须要确保其具有良好的黏结性能，只有如此才能使其发挥出理想的力学性能，获得最好的应用效果。

1 超低温环境下的力学性能

1.1 混凝土

以常温状态下混凝土的力学性能作为标杆，将超低温环境下的混凝土力学性能与其进行对比，可以发现超低温状态下混凝土将会出现如下的力学性能变化：混凝土强度随着含水率的提高而提高，抗压强度增量、含水率之间为线性关系；混凝土强度增加，同时其弹性模量也随之增加，但是强度与弹性模量并没有随着温度的变化而出现线性改变；低温环境中水分凝结成冰，实际上可以提高混凝土的强度,但在温度为-120℃时冰将会发生结构的改变，因此如果温度继续下降，强度值的试验将更容易出现离散性结果；混凝土中含有三种形式的水分，即物理吸附水、自由水与化学结合水，前两者非常容易受到温度变化的影响；当温度反复变化、混凝土在“常温”和“低温”的状态中反复出现冻融状态时，混凝土的强度将会下降，尤其是在超低温的冷热循环状态下，即使循环次数减少，混凝土的强度也会大幅度下降；水灰比的提高将会增加混凝土的含气量，而水灰比、含气量的增加将会使混凝土在低温环境下出现强度的明显提高[1]。

1.2 钢筋

以常温状态下钢筋的力学性能作为标杆，将超低温环境下的钢筋力学性能与其进行对比，可以发现超低温状态下钢筋将会出现如下的力学性能变化。

1.2.1 普通钢筋

通过国外的试验结果可知,在超低温条件下，普通钢筋会在极限强度与屈服强度上出现明显提高，而屈服强度的提高速度要明显快于极限强度，其原因是结构钢材的性能更容易受到低温的影响，钢筋的塑性在超低温环境中将会更低。此外，在低温环境下，钢筋的弹性模量会比在常温环境下出现至少10%的增长比。在-165～70℃的温度区间，普通钢筋的线膨胀系数会一直保持在10-5/℃左右。在超低温环境中，普通钢筋的脆性将会明显增加，韧性将会显著降低。若在普通钢筋中加入少量的铝或钛,则可以改善其降低的韧性和增加的脆性。

1.2.2 预应力钢筋

预应力钢筋在超低温环境中也会出现力学性能的显著变化，如同样会因温度下降而出现屈服强度与极限强度的明显提高。一般而言，温度低于-195℃时，预应力钢筋的弹性模量将会提升10%。若将预应力钢筋放置在-165℃的环境中进行拉伸试验，那么预应力钢筋的极限强度则会出现至少15%的提高幅度，其伸长率基本等同于常温环境；若将预应力钢筋放置在低于-100℃的环境中、使其处于张拉状态至少10 h，那么钢筋将会处于非常明显的松弛状态[2]。

2 黏结性能试验

2.1 方案设计

2.1.1 标准

针对超低温条件下钢筋、混凝土的黏结性能进行试验。试验实际上是将试件进行黏结、锚固、拉拔试验,所参照的相关标准有《水工混凝土试验规程》、《混凝土结构试验方法标准》（分别为SL 352—2006、GB 50152—1992），选择2个标准文件中关于钢筋混凝土握裹力的试验部分，基于现实条件进行试验方案设计。黏结力的计算公式为：

其中，N为钢筋拉力，d为钢筋直径，1a为黏结锚固的长度，t为黏结力。

2.1.2 试件制作

本研究所选钢筋试件为立方体形态，边长为15 cm，钢筋由非黏结段和黏结段构成，其中，非黏结段套有硬质的PVC塑料管，试验使用百分表来测定钢筋受力端出现的滑移。考虑到实际施工中使用的钢筋在直径上有很大的差异，本研究为钢筋试件选择了1.2 cm、1.6 cm、2.0 cm、2.5 cm等多种直径。鉴于低温环境下多选用高强混凝土进行结构构建，因此试件多使用C50混凝土制作,其水灰比为0.36,28 d立方体抗压强度实测结果为45～53 MPa，平均为50 MPa。上述参数代表混凝土具有合理的配比，振捣结果非常均匀，碎石为粗骨料，中砂为细骨料，所用粗、细骨料均符合本次试验的相关要求。

2.1.3 试件分组

将试件划分为4个组次，即：甲组、乙组、丙组、丁组。基于锚固长度、钢筋直径、环境温度、相对保护层的厚度、钢筋级别等参数带来的不同影响,本次试验共使用近70个试件。各组试件均使用一个变化参数,其中，甲组为温度，乙组为保护层厚度与钢筋直径，丙组为锚固长度，丁组为钢筋级别。

2.2 试验结果及分析

图1 试验加载装置的结构图（上）与实景图（下）

本试验所使用的装置可见图1。具体试验结果及相关参数均可见表1：

表1 钢筋、混凝土黏结试验结果

从试验结果可以发现，在低温环境中试件可能出现两种破坏形态：一种是拔出时发生的剪切破坏。钢筋在混凝土中发生了大量滑移，但混凝土保护层仍完好无缺损，即拔出破坏。另一种是混凝土出现劈裂形态的破坏。钢筋在混凝土中发生了较小量的滑移，保护层被劈裂，即劈裂破坏。一般而言，当钢筋直径小于1.6 cm时，混凝土有更大的概率发生拔出破坏。当钢筋直径大于1.6 cm时，混凝土有更大的概率发生劈裂破坏。当钢筋直径等于1.6 cm时，混凝土发生拔出破碎与劈裂破坏的概率是相同的。这两种破坏实际表现出钢筋、混凝土黏结性能从常温状态到超低温状态的力学性能变化，即微滑移→滑移→劈裂。劈裂破坏源自低温状态下混凝土握裹力增强，其脆性增加，钢筋受压产生反作用力，混凝土保护层发生劈裂现象。在发生破坏的过程中，温度的降低会增加极限破坏荷载，试件在黏结滑移系数不断增大，钢筋和混凝土之间的黏结性能不断升高，钢筋直径、保护层厚度等因素也会与温度同时发生作用，使混凝土增加了针对钢筋的握裹力。而力的作用是相互的，被“握裹”的钢筋会反过来向混凝土施加一种相向的力。此时受低温等因素的影响，混凝土本身在硬度和脆性上明显增加，其受力能力降低，自然会发生“破坏”。

3 结语

社会的发展与科技的进步使得越来越多的工程项目在气候严寒的极地区域开始建设，这种环境对钢筋、混凝土的黏结性能提出了严格要求。本文对二者的黏结性能进行了研究分析，以供从事相关研究的人员参考。

[1]李会杰,谢剑.超低温环境下钢筋与混凝土的黏结性能[J].工程力学,2011,28(1)：80-84.

[2]谢剑,李海瑞,李会杰.超低温下钢筋与混凝土黏结性能试验研究[J].冰川冻土,2014,36(3)：626-631.