侧向拉力下光圆钢筋与自密实轻骨料混凝土的粘结性能*

汉莫德　江　涛　吴智敏

(大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室　大连　116024)



侧向拉力下光圆钢筋与自密实轻骨料混凝土的粘结性能*

汉莫德江涛吴智敏

(大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室大连116024)

采用39个立方体拉拔试件进行了试验，通过测定粘结强度、残余粘结强度和极限粘结应力对应的滑移量，研究了光圆钢筋与自密实轻骨料混凝土在不同侧向拉力下的粘结性能.结果表明，随着侧向拉力的增加，相对粘结强度和残余粘结强度降低，而极限粘结应力对应的滑移量先增大后保持不变.

自密实轻骨料混凝土；光圆钢筋；粘结滑移；侧向拉力

0　引　　言

自密实轻骨料混凝土(SCLC)是一种结合了自密实混凝土和轻骨料混凝土优良性能的新型混凝土，它能够在配筋过于密集的部位自密实成型，从而节约劳动力，提高混凝土构件的施工质量，同时具有自重轻的优点.配合比、工作性能，以及力学性能是目前研究自密实轻骨料混凝土的主要内容[1]，但对钢筋与自密实轻骨料混凝土的粘结性能研究较少.光圆钢筋是最早应用于混凝土结构的增强金属，其粘结性能在早期得到广泛研究.Abrams[2]在试验中发现，光圆钢筋与混凝土间的粘结力取决于胶粘力和摩擦力，当钢筋与混凝土之间未产生相对滑移时，胶粘力发挥主要作用，而当钢筋与混凝土之间发生相对滑动后，胶粘力消失，钢筋表面和混凝土之间的摩擦力起主要作用.Navaratnarajah[3]研究了变形钢筋与普通混凝土在单轴侧向拉力作用下的粘结性能.试验结果显示，变形钢筋粘结强度随着辅助钢筋应变值的增大而减小.Eibl等[4]通过纵向裂缝宽度研究了单轴侧向拉力对变形钢筋粘结强度的影响.研究表明，随着纵向裂缝宽度的增大，粘结强度降低.Lindorf等[5]研究了反复荷载对侧向拉力下变形钢筋粘结性能的影响，发现当纵向裂缝宽度一定时，随着拉拔荷载循环次数的增多，粘结强度下降，且滑移量上升.Zhang等[6]对光圆钢筋与普通混凝土在侧向拉力作用下的粘结性能进行了研究.试验中，通过电液伺服三轴试验机施加侧向拉力.结果表明，随着侧向拉力的增加，粘结强度降低，当侧向拉力为0.8ft时，粘结强度降低约54%，而对于滑移量，先增大后保持不变或减小.通过以上总结，可以发现光圆钢筋与自密实轻骨料混凝土在侧向拉力作用下的粘结性能还未进行研究.因此，文中研究了侧向拉力对光圆钢筋与自密实轻骨料混凝土的粘结性能的影响，从而为自密实轻骨料混凝土应用于工程结构提供参考.

1　试验概况

1.1试件制作

试验采用的拉拔试件见图1.其中，D为钢筋直径.在试件浇筑前，将钢筋非粘结段用PVC管套住，并将套管与钢筋之间的空隙封闭，以防止砂浆流入非粘结部分.浇筑试件时，混凝土无需振捣，可自密实成型.试件在24 h后拆模并送入标准养护室.28 d后，将试件放置试验室直至进行试验.

试验采用800级页岩陶粒作为粗骨料，天然河沙作为细骨料，页岩陶粒的参数见表1.粉煤灰采用一级粉煤灰，水泥采用小野田水泥厂生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥；减水剂采用Sica公司产生的高效复合减水剂HRWR 3301.水采用自来水.混凝土设计强度为C35, 其配合比见表2.钢筋采用光圆钢筋，钢筋直径为16 mm，屈服强度为310 MPa，弹性模量为210 GPa.

图1　光圆钢筋拉拔试件

1.2试验装置

表1　页岩陶粒轻骨料的物理性能和级配

表2　自密实轻骨料混凝土的配合比　kg·m-3

本次试验在电液伺服三轴试验机上完成.该试验机包含3个独立的轴，1个竖向和2个水平方向.在本试验中，水平轴施加侧向拉力，而竖向轴施加拉拔力，见图2.试验采用量程为50 kN的荷载传感器记录拉拔力，在钢筋的加载端和自由端上分别安装2支量程为20 mm、精度为0.001 mm的LVDT以测量钢筋与混凝土之间的相对滑移.试验由IMC采集系统自动采集.在施加拉应力前，用角磨机打磨试件截面直到露出骨料，然后用丙酮清理打磨后的表面，自然晾干后用JGN建筑结构粘钢胶将钢板与处理后的表面粘结在一起，静置24 h后进行试验.在试验中，水平加载端通过球铰连接以保证施加侧向应力均匀分布， 试件表面粘结的钢板与加载板通过8个M8.8的高强螺栓连接.在加载时，先施加侧向拉力到预期值，再进行拉拔试验.试验采用位移控制，加载速率为0.01 mm/s.

图2　试验装置示意图

2　试验结果及分析

2.1工作性能和基本力学性能

表3给出了新拌SCLC 的工作性能和28 d混凝土的基本力学参数.为了保证SCLC具有良好的流动性、填充能力以及抗离析性能, 采用流动扩展度试验，L形槽试验、V形槽试验、U形槽试验以及筛分离析试验对新拌自密实轻骨料混凝土进行评价.由表3可知，配制的SCLC具有良好的工作性能，能满足欧洲自密实混凝土规范EFNARC对2级自密实混凝土工作性能的要求[11].为了进一步验证轻骨料分布的均匀性，采用试件硬化后切开的截面图观察轻骨料分布情况，见图3.可见，轻骨料没有出现上浮现象，分布均匀.

表3　自密实轻骨料混凝土的工作性能和力学性能

注：T500为混凝土直径流到500 mm的时间；V-funnel为混凝土通过V形槽的时间；L-box为混凝土通过L形槽之后两侧高度的比值(h2/h1)；U-box为混凝土通过U形槽之后两侧高度的差值(Δh)；筛分为通过标准筛的水泥浆质量(m1)和倒入标准筛混凝土质量(m0)的比值(m1/m0).

图3　试件截面轻骨料分布

2.2粘结滑移曲线

本试验采用的侧向拉应力为, 其中为混凝土轴心抗拉强度，共计39个试件，试验结果见表4.

在不同的侧向拉力下，所有的试件均发生拔出破坏，混凝土没发生任何破裂.为了分析粘结滑移曲线在侧向拉力下的本构关系，粘结应力和相对滑移分别由式(1)、式(2)确定.

表4　侧向拉力下SCLC试件的粘结参数

式中：F为拉拔力；D为钢筋直径；ld为粘结长度；s为相对滑移；sl为加载端滑移；sf为自由端滑移；l0为粘结区域顶端与LVDT固定处间的距离；Es为钢筋弹性模量.对所测数据进行如上处理后，即得到粘结滑移曲线.

图4为侧向拉力下SCLC试件的粘结滑移曲线.由图4可知，无论侧向拉力是否施加，光圆钢筋与自密实轻骨料混凝土的粘结滑移曲线可分为上升段，下降段和残余段.粘结应力首先随着滑移的增加而增长直到极限粘结应力，随后粘结应力缓慢减小至残余粘结强度.在不同侧向拉力作用下，粘结滑移曲线的上升段和下降段表现出不同的特征.光圆钢筋和混凝土之间的粘结应力主要由化学胶着力和混凝土收缩对钢筋的约束作用承担.由于侧向拉力会抵消部分混凝土收缩对钢筋的约束作用，粘结界面的紧密性随着侧向拉力的增加而降低，因此粘结滑移曲线上升段和下降段的幅度随着侧向拉力的增加而变缓.

图4　侧向拉力下SCLC试件的粘结滑移曲线

2.3粘结强度τu

图5　侧向拉力下SCLC试件的

2.4极限粘结应力对应的滑移量s0

图6为在侧向拉力作用下，各组试件滑移量s0与平均侧向拉力pm的关系.由图6可知，随着平均侧向拉力从0.05ft增大至0.4ft时，s0线性增大.而当平均侧向拉力继续增大，s0没有明显的变化.这是因为随着侧拉力的增加，钢筋受到外部混凝土的约束力被减弱，接触紧密程度不断地降低至消失.因此，当钢筋所受的约束力未消失时，s0随着侧向拉力的增加而增加.当侧向拉力持续增加而使该约束力消失时，钢筋的粘结强度主要来自于混凝土界面处的化学附着力，继续增大侧向拉力对s0没有很大的影响，所有可以认为s0保持不变.

图6　侧向拉力下SCLC试件的s0

2.4残余强度

当荷载达到最大拉拔力之后，粘结应力随着滑移量的增加逐渐下降至一个稳定值，即为残余强度.从表4可见，与侧向拉力对粘结强度τu的影响类似，残余强度τr也随着侧向拉力增加而减小.为了便于分析，文中采用残余强度和粘结强度的比值kr来分析残余强度的变化.各组试件的kr与平均侧向拉力的关系见图7.由图7可知，kr基本上随着平均侧向拉力的增加而增加.这是由于侧向拉力对粘结强度的减弱程度大于残余强度.

图7　侧向拉力下SCLC试件的kr

3　结　　论

1) 当无侧向拉力时，光圆钢筋与自密实轻骨料混凝土的粘结强度取决于化学附着力和摩擦力；在侧向拉力作用下，自密实轻骨料混凝土对光圆钢筋的约束作用被消弱，从而对粘结参数产生了很大的影响.

2) 当施加侧向拉力时，随着平均侧向拉力的增加，粘结强度和残余强度降低，并且粘结强度的降低程度大于残余强度.

3) 当施加的平均侧向拉力较小时，极限粘结应力对应的滑移量随着平均侧向拉力的增大而上升，而当平均侧向拉力增大到一定值之后，极限粘结应力对应的滑移量保持不变.

[1]王振军.自密实轻骨料高性能混凝土的研究[D].西安：西安建筑科技大学,2004.

[2]ABRAMS D A. Tests of bond between concrete and steel[R]. University of Illinois Bulletin No. 71, University of Illinois Urbana, 2013.

[3]NAVARATNARAJAH V. Influence of tensile release in concrete on transfer bond of reinforcement bars[C]. Proceedings of the International Conference on Bond in Concrete, Paisley, Scotland, 1982.

[4]EIBL J, AKKERMANN J, IDDA K, et al. Ductility of reinforced concrete structures: rotational behaviour of reinforced concrete corners and bond under lateral tension[C]. Comité Euro-International du Béton, Bulletin d’information, 1998.

[5]LINDORF A, LEMNITZER L, CURBACH M. Experimental investigations on bond behaviour of reinforced concrete under transverse tension and repeated loading[J]. Engineering Structures, 2009, 31(7): 1469-1476.

[6]ZHANG X, DONG W, ZHENG J, et al. Bond behavior of plain round bars embedded in concrete subjected to lateral tension[J]. Construction and Building Materials, 2014, 54(3): 17-26.

[7]European Project Group. Specification and guidelines for self-compacting concrete[S]. UK: EFNARC, 2005.

Bond Behavior of Plain Round Bars in Self-compacting Lightweight Concrete Subjected to Lateral Tension

HAN ModeJIANG TaoWU Zhimin

(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineeringDalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

A total of 39 pull-out specimens are tested. Through the measurements of bond strength, the residual bond strength, slip at the peak bond stress, the bond behavior between plain round bars and self-compacting lightweight concrete under lateral tension with different ratios are analyzed. The experimental results show that the ultimate and residual bond strengths decrease, but the slip at the peak bond stress first increases and then keeps constant with the increase of the lateral tension.

self-compacting lightweight concrete; plain round bar; bond slip; lateral tension

2016-06-02

TU528

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.029

汉莫德 (1987- ):男, 硕士生, 主要研究领域为钢筋混凝土粘结性能

*国家自然科学基金项目资助(51278082)