环氧涂层钢筋与海水珊瑚混凝土的黏结性能

黄一杰, 李晓蔚, 张锡成, 马 辉

(1.山东科技大学 土木工程与建筑学院, 山东 青岛 266590; 2.西安建筑科技大学 土木工程学院, 陕西 西安 710055; 3.西安理工大学 土木建筑工程学院, 陕西 西安 710048)

进行远洋海岛地区开发建设时会面临一系列不可忽视的问题,特别是建筑材料的匮乏更是增加了建造成本和工期.采用海水珊瑚混凝土是一种解决以上问题的良好途径.将混凝土中的粗骨料全部用珊瑚取代,拌和水采用海水制备而成的海水珊瑚混凝土,具有就地取材、降低工程造价与周期等优点.研究表明[1-4]：海水珊瑚混凝土的性能可满足工程对强度、和易性等方面的基本要求,是一种良好的绿色环保材料.

然而,若单独将海水珊瑚混凝土用于海洋建筑结构中,容易引发严重的力学与耐久性能问题.为此,一般采用在混凝土内部配置不锈钢筋、FRP(纤维增强复合材料)筋或环氧涂层钢筋3种方法来解决上述问题.其中,不锈钢筋造价较高,不利于大规模应用;FRP筋虽有较好的抗腐蚀能力与强度,但延性与变形性能还有待提高[5];环氧涂层钢筋不仅具有较好的耐腐蚀性能[6],且延性与耗能均优于FRP筋,造价还较低,因此被普遍应用于海水珊瑚混凝土结构中.

环氧涂层钢筋虽具有较好的力学与耐久性能,但由于其表面涂覆了树脂涂层,导致钢筋与混凝土间的黏结性能发生变化[7-9].此外,海水与珊瑚骨料的加入也使得钢筋与混凝土间的黏结性能有所改变[10].在这两方面共同作用下,环氧涂层钢筋与海水珊瑚混凝土间的黏结性能具有明显的特点,但现阶段尚未有相关研究.为此,本文开展环氧涂层钢筋与海水珊瑚混凝土间黏结性能的试验研究,以期为中国海工混凝土结构的发展提供理论基础.

1 试验

1.1 试验材料

1.1.1钢筋

钢筋采用普通钢筋和环氧涂层钢筋,二者均来自同一批钢材.2种钢筋的横肋外形与尺寸相同,强度等级均为HRB 400.实测钢筋屈服强度fy、抗拉强度fs和弹性模量Es等力学性能如表1所示.

表1 钢筋的力学性能Table 1 Mechanical properties of reinforcements

1.1.2粗细骨料与拌和水

采用普通混凝土和海水珊瑚混凝土2种混凝土,以对比分析混凝土类型对黏结性能的影响.2种混凝土所用水泥均为42.5R抗硫酸盐水泥,其化学组成如表2所示.海水珊瑚混凝土的拌和水为海水;细骨料为海砂,取自青岛灵山湾;粗骨料为珊瑚粗骨料,取自西沙岛礁.普通混凝土拌和水为自来水；细骨料为河砂；粗骨料为碎石.粗细骨料性能见表3、4.

1.1.3配合比

普通混凝土强度等级为C25,海水珊瑚混凝土强度等级为C25和C35.2种混凝土配合比及其立方体抗压强度fcu、劈裂强度ft和弹性模量E见表5.由表5可见：受珊瑚粗骨料性能的影响,在同强度等级条件下,海水珊瑚混凝土配合比与普通混凝土有明显差别;在同强度等级条件下,普通混凝土与珊瑚混凝土的力学性能基本一致,但前者弹性模量较高.

表2 水泥的化学组成Table 2 Chemical composition of cement w/%

表3 粗骨料性能Table 3 Property of coarse aggregates

表4 细骨料性能Table 4 Property of fine aggregates

表5 混凝土配合比及力学性能Table 5 Mix proportion and mechanical property of concrets

1.2 试件设计与养护

1.2.1试件设计

黏结应力-自由端滑移(以下简称黏结-滑移)试验采用中心拉拔试件.在考虑混凝土类型、强度、保护层厚度(C)、钢筋种类与锚固长度(la)条件下,共设计13组拉拔试件,每组3个.试件详情如表6所示,其中试件编号按以下规则命名：混凝土类型(“O”代表普通混凝土,“S”代表海水珊瑚混凝土)+锚固长度(“3d”、“5d”、“8d”表示锚固长度分别为钢筋直径(d)的3、5、8倍(48、90、128mm))+混凝土强度等级(“25”表示混凝土强度等级为C25,“35”表示混凝土强度等级为C35)+钢筋种类(“E”代表环氧涂层钢筋,“O”代表普通钢筋)+保护层厚度(“A”表示混凝土保护层厚度为67mm,“B”表示混凝土保护层厚度为42mm).拉拔试件尺寸为150mm×150mm×150mm.通过调整PVC管长度实现锚固长度变化.

1.2.2试件养护

普通混凝土试件拆模后,放入(20±1)℃,相对湿度为95%的标准养护室养护28d;海水珊瑚混凝土试件浸没于海水中养护,室温保持在(20±1)℃,待达到规定龄期(28d)后,测试试件的黏结-滑移性能.

1.3 加载设备与制度

拉拔试验加载设备由2部分组成：(1)MTS-SANS万能试验机,量程为400kN;(2)刚性加载架,由4根高强螺杆和2块中心钻孔钢板(厚度20mm)组成.试验采用位移加载模式,加载速率为0.2mm/min.拉拔试件自由端设置电子引伸计,用于获取钢筋与混凝土间相对滑移数据.

2 结果及分析

2.1 破坏过程与模式

在试验初期,试件滑移很小;随着外力的增加,加载端出现明显滑移;当接近/到达峰值拉力时,试件表面出现细微裂纹,裂纹随滑移的增长而增长;最终,试件发生断裂,其主要破坏模式为劈裂破坏.部分试件内部破坏情况如图1所示.由图1可见：(1)环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件(S5d25E-A)内部珊瑚骨料断裂,主裂纹穿过珊瑚粗骨料与水泥砂浆(图1(a));同条件下环氧涂层钢筋普通混凝土试件(O5d25E-A)内部碎石粗骨料基本完整,主裂纹多位于骨料与砂浆交界面(图1(b)).(2)钢筋类型对试件破坏状态有明显影响,普通钢筋海水珊瑚混凝土试件(S5d25O-A)受氯离子影响,钢筋在短期内(28d)就产生了明显的锈蚀(图1(c));该现象在同条件环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件(S5d25E-A)和普通钢筋普通混凝土试件(O5d25O-A)(图1(d))中均未出现,表明环氧涂层可有效防止氯离子对钢筋的侵蚀.

2.2 黏结强度

试件黏结强度计算公式如下：

(1)

式中：τu,e为黏结强度;Pu为最大拉拔力.

各试件的黏结强度τu,e值也列于表6.由表6可见：(1)混凝土类型对试件黏结强度有明显影响.相同条件下,海水珊瑚混凝土的黏结强度高于普通混凝土,如试件S5d25E-A、S5d25O-A黏结强度分别比试件O5d25E-A、O5d25O-A提高了11.09%、15.43%,主要是因为峰值荷载前珊瑚混凝土中裂纹数量与尺寸均小于普通混凝土[2].(2)试件黏结强度随混凝土强度等级的增长而提高,且其提高程度随锚固长度的增加而增加.当其他条件一致时,混凝土强度等级为C35的试件S3d35E-A、S5d35E-A、S8d35E-A的黏结强度分别比混凝土强度等级为C25的试件>S3d25E-A、S5d25E-A、S8d25E-A提高5.44%、13.97%、17.07%.(3)海水珊瑚混凝土试件的黏结强度随锚固长度的增加而降低,且降低幅度随混凝土强度的增加而减小.如试件S8d25E-A的黏结强度比试件S3d25E-A、S5d25E-A降低了28.32%、21.71%;而试件S8d35E-A比试件S3d35E-A、S5d35E-A减少了22.79%、19.69%.这是因为黏结应力的峰值是由应力拱作用产生的,当锚固长度较小时,高应力区相对较大,应力丰满,黏结强度相对较高.(4)采用环氧涂层钢筋试件的黏结强度比普通钢筋试件平均降低17.84%,且受海水珊瑚混凝土强度的影响;随混凝土保护层厚度的增加,试件黏结强度有明显提高,如混凝土保护层厚度为67mm试件S3d25E-A、S5d25E-A的黏结强度比混凝土保护层厚度为42mm 试件S3d25E-B、S5d25E-B提高29.82%和40.15%.(5)相同条件下，环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件的黏结强度为普通钢筋普通混凝土试件的91.8%.

图1 部分试件内部的破坏情况Fig.1 Failure surface of part specimens

表6 试件详情及结果汇总Table 6 Details and test results of specimen

2.3 黏结-滑移曲线

2.3.1典型特征

试件典型的黏结-滑移(τ-s)曲线如图2所示.τ-s曲线受不同因素的影响而发生变化,大致可分为3个阶段.

图2 典型τ -s曲线Fig.2 Typical τ -s curve

(1)微滑移段 在此阶段,试件受力较小,在加载端处发生弹塑性微滑移,且滑移向自由端不均匀扩散.但由于胶结力存在,自由端滑移很小或基本忽略不计.黏结应力主要由化学胶结力提供,τ-s曲线斜率不变,曲线形状近似为一条通过原点的斜直线[12-13].

(2)滑移段τ-s曲线呈非线性增长,自由端开始出现滑移,试件化学胶着力丧失.黏结应力主要由机械咬合力和摩阻力提供.随着外载增加,自由端滑移明显增大,而黏结应力增速减缓,试件开始出现宏观裂缝.

(3)下降段 滑移明显增长并且试件裂纹迅速发展.混凝土出现劈裂后,试件破坏并退出工作.

2.3.2不同因素的影响

不同因素对τ-s曲线的影响如图3所示.由图3(a)可见：试件黏结强度随混凝土强度的提高而逐步增长,但相应的滑移量变化不大;混凝土强度等级升高,τ-s曲线下降段相对平缓,上升段曲率降低.这是因为随材料强等级的提高,试件在峰值点前开裂和塑性变形较小,而峰值后裂纹开展有所减缓.

由图3(b)可见：在相同条件下,海水珊瑚混凝土试件的τ-s曲线上升段曲率低于普通混凝土试件,且前者曲线下降更为迅速.这是因为普通混凝土在峰值点前裂纹与塑性变形高于海水珊瑚混凝土;而海水珊瑚混凝土一旦到达峰值点后,裂纹会快速横穿珊瑚粗骨料与水泥砂浆,试件延性明显下降.由图3(c)可见：采用环氧涂层钢筋的试件τ-s曲线曲率高于普通钢筋试件,且曲线下降段平缓.这是因为环氧涂层钢筋的光滑外表面弱化了钢筋与混凝土之间的胶结力和摩阻力,导致峰值点前的试件滑移与曲率较大[14];而峰值点后,受相对较小的界面间相互作用影响,环氧涂层钢筋曲线下降较为平缓.

由图3(d)、(e)可见：随着锚固长度的减小、混凝土保护层厚度的增大,曲线上升段曲率略有降低;曲线下降段随锚固长度增加和保护层厚度的降低,其下降速度加快.究其原因为拉拔力的传导距离过长会使受力不均匀,导致峰值点后长锚固试件的开裂更突然;而增大保护层的厚度可以提高开裂时的应力分量,从而减缓裂纹的开展.

3 黏结强度理论计算公式

(2)

(3)

公式计算值与试验值对比如表6所示,二者吻合良好,相关系数约为0.91.相对于环氧涂层钢筋普通混凝土、普通钢筋轻骨料混凝土的黏结强度计算公式[11],式(2)、(3)考虑了混凝土保护层厚度对涂层/普通钢筋海水珊瑚混凝土黏结强度较为明显的影响,后期可用于相关构件黏结性能的分析.

4 结论

(1)环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件的黏结破坏模式主要为劈裂破坏.与普通钢筋普通混凝土试件劈裂破坏所不同的是,前者内部珊瑚粗骨料大部分被剪断,主裂纹横穿珊瑚粗骨料与水泥砂浆.

(2)在相同条件下,环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件的黏结强度为普通钢筋普通混凝土试件的91.8%.混凝土强度等级和保护层厚度与试件的黏结强度呈正比关系,锚固长度与之呈反比.

(3)环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件的黏结-滑移曲线可分为微滑移、滑移和下降3个阶段.采用海水珊瑚混凝土、环氧涂层钢筋和较大保护层厚度时,曲线上升段曲率有明显降低;而随着混凝土强度等级提高和锚固长度的下降,其黏结-滑移曲线下降相对平缓.

(4)推导得到环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土黏结强度理论计算公式,其计算值与实测值吻合良好.

本文主要研究了环氧涂层钢筋海水珊瑚混凝土试件的短期黏结性能,而在海水和珊瑚骨料作用下,试件的长期黏结性能将发生改变.因此后期会结合预留试件,进一步分析其黏结性能.