轻骨料混凝土与HPB300钢筋粘结锚固性能试验研究

孙嘉琪,于秋波，赵文兰，姚 瑞

(1.郑州工业应用技术学院 建筑工程学院，郑州 451150; 2.郑州大学综合设计研究院有限公司，郑州450000; 3. 郑州大学 土木工程学院，郑州450000; 4. 河南水利与环境职业学院, 郑州 450000）

《混凝土结构设计规范》（2015版）（GB50010-2010）中增加了500 MPa级带肋钢筋，取消235 MPa级钢筋，以300 MPa级光圆钢筋代替235 MPa级钢筋[1]。《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》GB/T1499.1-2017中删除HPB235钢筋[2]，仅保留HPB300钢筋。HPB300钢筋的屈服强度标准规定不小于300 MPa，抗拉强度标准规定不小于420 MPa，已被列入国家现行标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）。

本试验采用的轻骨料混凝土是将新型材料陶粒代替普通混凝土中部分石子，加入河砂、水泥和水按一定比例配制成表观密度小于1 950 kg/m3的混凝土，陶粒混凝土具有轻质高强、耐火性能好和抗震性能好等优点[3]，陶粒如图1所示。

图1 页岩陶粒

混凝土与钢筋之间的粘结锚固是二者工作的前提，粘结力主要由化学胶着力、摩阻力及机械咬合力组成。郝彤等人[4]研究了HPB300钢筋与全轻混凝土的粘结锚固性能，试验研究表明锚固长度与混凝土的抗拉强度两个主要因素影响光圆钢筋与混凝土之间的锚固性能。卫纪德等人[5]的试验研究表明在普通混凝土和砂轻混凝土的强度等级相同时，砂轻混凝土的粘结强度大，是由于砂轻混凝土强度比普通混凝土的大。为了减轻结构自重，在实际工程中应用轻骨料混凝土，故需要对HPB300钢筋与轻骨料混凝土之间的粘结锚固性能进行研究。本试验采用中心拉拔试验研究了4组共54个试件，分析了混凝土立方体抗压强度、保护层厚度、锚固长度、钢筋直径等因素对HPB300钢筋与陶粒混凝土的粘结锚固性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用由湖北宜昌汇腾陶粒制品贸易有限公司提供的碎石型页岩陶粒，根据《轻骨料及其试验方法第1部分：轻集料》（GB/T 17431.1-2010）和《轻集料及其试验方法第2部分：轻集料试验方法》（GB/T 17431.2-2010）标准对材料进行材性试验，砂子为普通河砂，水泥为P•O42.5级水泥，外加剂为固态聚羧酸高效减水剂，水为生活用水，其陶粒的力学性能如表1所示。HPB300级钢筋的直径分别为12 mm、14 mm、16 mm，根据《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》（GB 1499.1-2017）进行材性性能试验，钢筋的具体参数见表2所示。

表1 页岩陶粒的力学性能

表2 钢筋的力学性能指标

1.2 试件设计

本试验采用轻骨料混凝土的设计强度等级 分 别 为 LC 30、LC 35、LC 40、LC 45， 立方体混凝土轴心抗拉强度由公式=0.26计算得到，轴心抗拉强度如表3所示。试件横截面尺寸为100 mm×100 mm，加载端钢筋的长度为350 mm，为了减少加载端混凝土的局部受压影响，设置20 mm的PVC套管，中心置筋的试件保护层厚度为42 mm，且钢筋位于轴线上。试件尺寸如图2所示。锚固长度分别为5 d、15 d、20 d，试件分类见表4。

表3 混凝土的抗压强度

表4 试验结果

表4 （续）

图2 试件尺寸

1.3 加载装置

试验采用中心拉拔试验，加载装置示意图如图3所示，采用24点CM-1L静态电阻应变仪进行采集数据，采集系统装置如图4所示，30 T一体式锚杆拉拔仪测量钢筋与混凝土之间的相对滑移，加载装置如图5所示，试验采用分级加载的方法。

图3 加载装置示意图

图4 数据采集系统

图5 加载装

1.4 试验结果

根据试件的破坏过程中各级荷载对应的滑移值，由计算平均粘结应力。通过试验现象得到试件均发生钢筋的拔出破坏，混凝土没有发生劈裂，也未有劈裂声响，试件表面无明显裂缝产生，试验结果见表4，试件的破坏形态如图6所示。

图6 试件破坏形态

由试验结果可以得到陶粒混凝土与HPB300级钢筋的p -s曲线和τ-s曲线如图7、图8所示。

图7 拔出破坏的p -s曲线

图8 拔出破坏的τ-s 曲线

（1）随着荷载的加载，加载端相对自由端发生微小滑移。此时，两者之间的粘结力为化学胶着力，由加载端逐渐向自由端渗透，但未到达自由端。

（2）随着荷载继续增加，自由端发生滑移，此时化学胶着力转变为摩阻力。钢筋表面粗糙程度决定摩阻力的大小。当拉拔力达到极限拉拔力的70%左右时，滑移表现为明显的增长趋势，荷载-滑移（p -s曲线）呈现曲线形式。

（3）继续持续加载，滑移量增加。当达到最大荷载时，摩阻力最大，超过最大荷载，摩阻力逐渐减小，p -s曲线呈下降趋势。当陶粒混凝土中骨料充分磨碎后，强度趋于稳定，此时残余强度反映了摩阻力的最小值，钢筋被拔出则试件破坏。

HPB 300钢筋与页岩陶粒混凝土的粘结锚固均发生钢筋的拔出破坏。破坏时，试件表面没有明显的裂缝发生，但是从试件的加载端看到试件内部有明显的微裂缝，而微裂缝并没有发展到试件表面，从而得到τ-s曲线有上升段和下降段。

2 HPB 300钢筋与轻骨料混凝土的粘结锚固性能分析

2.1 混凝土强度

试验A类设计了4组，每组3个，共12个试件，研究HPB300钢筋与高强陶粒混凝土的粘结锚固性能。通过A组试验现象可发现试件均为钢筋的拔出破坏，此种原因是由于HPB300钢筋的粘结力主要取决于化学胶着力和摩阻力，且均与混凝土的强度有关，故混凝土强度等级影响粘结强度。将试验结果进行拟合得到公式（1），相关系数为0.97，图9为粘结强度和混凝土抗拉强度的相关曲线图。由图9可知，粘结强度与混凝土抗拉强度ft呈正相关，随着混凝土强度提高，粘结强度越大。

图9 混凝土强度的影响

式中n为试件样本数（下同）。

2.2 保护层厚度

为了研究相对保护层厚度与HPB300钢筋与页岩陶粒混凝土的粘结强度的影响，设计了B类4组，每组3个共12个，且与A-1-2、A-1-4组试件共18个试件。通过试验现象得到B组试件均为钢筋的拔出破坏。将试验结果进行数值拟合得到公式（2），图10为相对保护层厚度c/d与相对粘结强度的关系曲线，相关系数为0.90。由图10可知，两者呈正相关关系，随着相对保护层厚度c/d的增加，钢筋的约束力逐渐增强，相对粘结强度τu/ ft增大。

图10 相对保护层厚度的影响

2.3 锚固长度

为了研究钢筋锚固长度对粘结强度的影响，试验设计C类6组与A-1-2、A-1-4共24个试件共同研究。通过试验现象可知C组试件均为钢筋的拔出破坏，将试验结果进行拟合得到公式（3），相关系数为0.92，图10为相对锚固长度la/d与相对粘结强度τu/ ft的关系曲线图。由图11可知，两者呈负相关关系，随着la/d的增加，相对粘结强度τu/ ft逐渐减小。

图11 相对锚固长度的影响

2.4 钢筋直径

为了研究钢筋直径对粘结强度的影响，试验设计D类4组且与A-1-3、A-1-4共18个试件，通过试验现象可知D类试件均为钢筋的拔出破坏。将试验结果进行数值拟合得到公式（4），图12为钢筋直径d与相对粘结强度τu/ ft的相关曲线图。由图12可知，相对粘结强度随钢筋直径的增加而减小，呈负相关关系，随着钢筋直径的增大，相对粘结面积增大，拉拔力也增大，但粘结应力减小。

图12 钢筋直径的影响

根据以上的分析可知，HPB300级钢筋与页岩陶粒混凝土的粘结锚固性能较差，其自身无法持力，因此在实际工程中，需要采用机械锚固措施来增加其锚固作用，我国《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）规定的机械锚固形式有90°弯钩、135°弯钩、一侧贴焊锚筋、两侧贴焊锚筋、穿孔塞焊锚板和螺栓锚头等。HPB300级钢筋可以在其受力段的末端做弯钩，或与横筋、锚板焊接的方式增强其粘结锚固性能[1]。

3 HPB300钢筋与轻骨料混凝土的极限粘结性能分析

HPB300钢筋与轻骨料混凝土的极限粘结强度较低，这是由于二者的锚固作用主要由化学胶着力和摩阻力组成，其中化学胶着力影响较小，摩阻力与钢筋的表面粗糙程度相关，即钢筋表面越粗糙，摩阻力越大。

影响未配置横向约束箍筋构件的粘结应力的主要因素为轻骨料混凝土轴心抗拉强度，ft，相对保护层厚度c/d，相对锚固长度la/d经过所有试验数据的统计回归，得到极限粘结应力τu的关系为公式（5）所示。

本文得到的公式与徐有邻等人[6]通过试验得到光圆钢筋与普通混凝土极限粘结强度表达式对比可得，混凝土强度等级相同时，HPB300钢筋与轻骨料混凝土之间的粘结性能并不比普通混凝土差。与郝彤等人[4]的全轻混凝土与HPB300钢筋的极限粘结锚固强度表达式相比，影响光圆钢筋与混凝土之间的锚固性能的主要因素为混凝土的抗拉强度和锚固长度，砂轻混凝土的粘结锚固性能与全轻混凝土的粘结锚固性能具有相似的规律。

4 结论

（1）HPB300钢筋与轻骨料混凝土的粘结锚固破坏形式均为钢筋的拔出破坏。