水环境下钢筋与混凝土黏结性能试验研究

刘桂荣,窦晓雪,曲福来，赵顺波

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045;2.华北水利水电大学 河南省生态建材工程国际联合实验室，河南 郑州 450045)

长期处于水环境中的混凝土结构，如渡槽、渠道、桥墩、近海建筑等，在水压和液体表面张力的作用下，外界水会渗透到这些结构混凝土的孔隙或裂缝中，形成湿态混凝土或饱和混凝土[1-2]。已有研究发现：渗入到混凝土中的水不但会改变混凝土内部湿度分布[3-5]，还会产生孔隙水压力，使混凝土处于比较复杂的应力状态，当孔隙水压力逐渐增大时，试件抗裂能力和峰值荷载将会降低[6]。众多试验研究表明[7-8]：随着混凝土孔隙率、孔隙中含水量的增加，湿态混凝土的静力抗压强度逐渐降低。研究环境水对混凝土抗拉强度的影响发现[9-12]：在快速加载条件下，湿态混凝土的拉伸强度随含水率的增加而提高；但在准静态荷载作用下，随着含水率的提高，混凝土抗拉强度大幅降低，且饱和混凝土的劈裂抗拉强度低于普通混凝土的。

上述研究表明，水环境下混凝土的抗压和抗拉强度与普通混凝土的不同。水环境下混凝土力学性能的下降将会对钢筋与混凝土黏结性能、钢筋临界锚固长度产生影响。钢筋与混凝土之间良好的黏结锚固是两者共同工作的基础[13-15]，研究水环境下钢筋与混凝土黏结性能对于该类结构的安全性能具有重要意义。但是文献检索结果表明，目前对此方面开展的研究很少。为此，本文通过中心拉拔试验对水环境下钢筋与混凝土静力黏结性能进行试验研究，建立水环境下钢筋与混凝土黏结强度和滑移量的表达式，为水环境下钢筋混凝土结构设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本次试验主要考虑混凝土强度和浸泡时间两个因素的影响，制作了10组共30个中心拉拔黏结试件。黏结试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，锚固钢筋采用直径16 mm的HRB500变形钢筋。试件内部设置2道Φ6@100箍筋，黏结段长度设计为80 mm。为避免加载端应力集中的影响，在加载端设置长度为70 mm的非黏结段，非黏结段钢筋用PVC套管包裹，并用石蜡密封端口。黏结试件几何尺寸和配筋如图1所示。在浇筑每组黏结试件的同时浇筑边长为150 mm立方体伴随试块，用以测试不同浸泡时间的试块的含水率、抗压强度和劈裂抗拉强度。

图1 混凝土试件尺寸及配筋情况示意图(单位：mm)

1.2 材料性能

试验设计2个强度等级普通混凝土，设计强度分别为C20和C40。水泥分别采用P·O32.5级和P·O42.5级普通硅酸盐水泥；砂为天然河砂，细度模数为2.91，表观密度为2 578 kg/m3，堆积密度为1 440 kg/m3；粗骨料选用5～20 mm连续粒级的碎石，表观密度为2 718 kg/m3，堆积密度为1 460 kg/m3；外加剂采用萘系高效减水剂，实测减水率为20.4%，掺量为胶凝材料用量的0.7%，混凝土的配合比见表1。拉拔钢筋屈服强度和极限强度分别为557、724 N/mm2。

表1 混凝土配合比

1.3 含水率测试

将浇筑成型的混凝土试块拆模后放置在水中，浸泡时间分别为28、90、180、270、360 d。达到浸泡天数后，将立方体伴随试块从水中取出，用湿毛巾擦去表面水称重，质量记为m1，然后将其置于已预热至(105±2)℃的电热鼓风干燥箱中烘烤12 h后，从干燥箱中取出放至室温，用电子秤称重，质量记为m2。取混凝土质量差为试块中的含水量，含水量与烘干后质量比值为含水率ρ，表达式为ρ=(m1-m2)/m2。

1.4 黏结试验

黏结试验用试件为中心拉拔试件，加载设备采用中空自复位型液压千斤顶，在试件的自由端布置3个位移传感器，分别测出钢筋和混凝土的位移，从而计算出自由端钢筋的滑移量。在加载端布置荷载传感器，从而得到试件的黏结荷载，加载过程依据《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)的规定，采用荷载控制方式加载，加载速率控制为7.5 kN/min左右，均匀缓慢加载，直至试件破坏或钢筋的滑移量达到18 mm时试验结束。整个加载过程通过数据采集系统自动采集荷载和位移数据。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

由于黏结试块中箍筋的约束作用，中心拔出试验试件的主筋被缓慢拔出，少量试件伴随着混凝土的劈裂破坏时仍可承受一定荷载。带肋钢筋与混凝土之间的黏结力除了由摩擦力和化学胶着力承担外，主要由钢筋横肋与混凝土间机械咬合力承担。将破坏后的试件进行破型，发现混凝土黏结界面发生“剐犁式”破坏，钢筋横肋前部有混凝土粉末存在，黏结滑移界面如图2所示。

图2 破坏后的钢筋与混凝土滑移面

2.2 含水率及混凝土强度

通过测试得到不同浸泡天数试块的含水率，发现随着浸泡天数的增加，混凝土试块的含水率有增加的趋势，但后期含水率增长的幅度趋于平缓。混凝土强度高的试件含水率偏低，总体上，2个混凝土组别的试件含水率变化规律相似。经过拟合发现，试块含水率与浸泡天数的对数值呈线性变化，如图3所示，n为浸泡天数。

图3 混凝土含水率随lg(n/28)的变化规律

渗入到混凝土孔隙和裂缝中的水对混凝土的受力性能会产生影响，孔隙水压力促进了混凝土的开裂及裂缝扩张，导致水环境下混凝土强度低于同龄期空气中混凝土的强度。本次试验得到不同浸泡天数混凝土立方体试块的抗压强度和劈裂抗拉强度值，虽然混凝土试块的抗压强度和劈裂抗拉强度随浸泡时间的增加有增大的趋势，但其增加幅度有限。对不同浸泡时间的立方体试块的抗压强度与劈裂抗拉强度进行分析发现，这两个强度值与浸泡天数的对数值符合线性关系，具体分别如图4和图5所示。

图4 混凝土抗压强度fcu随lg(n/28)的变化规律

图5 混凝土劈裂抗拉强度fts随lg(n/28)的变化规律

2.3 黏结-滑移曲线

通过中心拉拔试验得到各试件的黏结应力-滑移曲线，黏结应力用式(1)表示：

(1)

式中：τ为黏结应力，MPa；P为黏结力，N；d为钢筋公称直径，mm；la为钢筋黏结长度，mm。

任选一组3个试件的黏结-滑移曲线分析发现：水环境下钢筋与混凝土黏结-滑移曲线与普通混凝土的形状相似，分为微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和残余段。由于试件中箍筋的约束作用，黏结-滑移曲线上有明显的下降段，残余段曲线趋于平缓。

图6 水下钢筋和混凝土的典型黏结-滑移试验结果

2.4 黏结强度及滑移量

黏结强度为黏结-滑移曲线上黏结应力最大值，对本次试验两组试件黏结强度分析发现，浸泡28 d的试件黏结强度最低，且随浸泡天数的增加，试块的黏结强度呈现增大趋势，如图7所示。

图7 钢筋与混凝土黏结强度τu,n随lg(n/28)的变化规律

采用普通混凝土黏结强度公式计算水环境下不同浸泡时间钢筋与混凝土的黏结强度，除了28 d强度吻合较好之外，其他龄期钢筋与混凝土的黏结强度的计算结果与试验结果相差较大。因此，以浸泡28 d混凝土试件的黏结强度为基准，建立不同浸泡时间下钢筋与混凝土黏结强度变化规律的计算式，如式(2)所示：

(2)

式中：ks为系数，A组试件取0.15，B组试件取0.49；τu,28为浸泡28 d试件的黏结强度，采用文献[14]中的公式计算，即公式(3)。

(3)

式中：c为保护层厚度；Asv为箍筋横截面面积；Ssv为箍筋间距；fts为混凝土劈裂抗拉强度。

混凝土黏结强度计算值与试验值比值的平均值为0.924，变异系数为0.085，计算值略小于试验值，相差较小。

在黏结滑移曲线上，黏结强度对应的滑移量为Su，对试验数据进行分析，发现Su随混凝土黏结强度的增大有下降的趋势。经过分析比较，选取式(4)计算混凝土浸泡n天后的Su,n值：

(4)

通过试验数据回归得到：k1=27.369，b=0.125 3。

黏结滑移曲线的下降段滑移量Sr=10 mm，其对应的强度为残余强度τr,n。通过试验数据建立残余强度与黏结强度之间的关系，近似取：

τr,n=0.20τu,n。

(5)

至此，通过试验数据的拟合得到了黏结-滑移曲线主要特征点的表达式，从而可以建立水环境下钢筋与混凝土黏结-滑移本构模型，相关数据可为水环境下的混凝土结构分析提供参考。

3 结论

1)水环境下，混凝土含水率随着浸泡时间的增加而增大，但后期增长幅度趋于平缓。同时，由于混凝土孔隙中水压力的存在会加速裂缝的扩展，水环境对混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和黏结强度均产生不利影响。

2)由于箍筋的约束作用，水环境下钢筋与混凝土的黏结-滑移曲线具有明显的下降段，与箍筋约束普通混凝土的黏结-滑移曲线形状相似。

3)通过试验数据分析给出了水环境下钢筋与混凝土的黏结强度及滑移量、残余强度计算公式，可为水环境下二者黏结-滑移本构模型的建立提供参考。