泡沫混凝土與鋼絲粘結性能試驗與模擬

于　蕾，傅玉勇，張　君，王家赫

(清華大學 土木工程系，100084 北京)

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泡沫混凝土與鋼絲粘結性能試驗與模擬

于蕾，傅玉勇，張君，王家赫

(清華大學 土木工程系，100084 北京)

摘要:為研究埋入深度與基材密度對鋼絲拔出力的影響，試驗制備3種不同容重泡沫混凝土，將3種埋入深度的鍍鋅鋼絲垂直埋置在3種基材中.養護7 d，進行鋼絲從泡沫混凝土中拔出試驗，得到拔出力與拔出位移的關系曲線.結果分析表明:同容重等級泡沫混凝土，鋼絲埋入深度越長，拔出力越大，拔出位移也越大；相同埋入深度下，泡沫混凝土容重等級越大，鋼絲拔出力也越大，拔出位移也越大.為模擬鋼絲拔出行為，基于試驗數據建立了鋼絲從泡沫混凝土中拔出的3階段模型，模型計算結果與實測試驗結果吻合良好.用該模型可模擬不同埋入深度的鋼絲從不同容重的泡沫混凝土中拔出行為.基于模型計算，得到不同容重泡沫混凝土鋼絲拔出力峰值與埋深的對應關系，以及鋼絲數量與所能提供粘結強度的對應關系.

關鍵詞:泡沫混凝土；鋼絲；粘結強度；拔出位移；拉拔模型

中國北方地區新建居住建筑需滿足在1980年住宅通用設計采暖能耗基準水平的基礎上節能幅度75%以上[1].在普通建筑中，通過維護結構向外耗散的熱量約為能耗總量的70%，因而對結構使用新型高效保溫技術，是達到要求建筑節能率的關鍵[2].

一般建筑填充墻主要采用加氣混凝土砌塊[3].外敷高效保溫板，以使墻體總厚度與外保溫現澆混凝土墻體相當.外部粘貼聚苯板易脫落，保溫系統長期安全性、耐久性問題比較突出[4-5].

目前比較可靠的做法是通過鋼絲網腹絲拉結技術實現聚苯板與泡沫混凝土砌體一體化.因此，泡沫混凝土作為基材，與鋼絲網架聚苯板上的金屬腹絲的粘結力首先需要試驗確定.

本文通過固定鋼絲長度，從不同容重等級泡沫混凝土中拔出試驗，量化基材對鋼絲拔出力的影響；同時固定泡沫混凝土容重，變化鋼絲埋入深度，量化埋入深度對鋼絲拔出力的影響，進而為外墻保溫體系中腹絲的設置提供參考.

1鋼絲拔出試驗

1.1原材料

為保證泡沫混凝土不易塌陷，以快凝為宜，試驗采用快硬硫鋁酸鹽水泥，粉煤灰采用一級低鈣灰，骨料100-200目石英砂，減水劑采用粉狀聚羧酸減水劑，發泡劑采用FP-180動物蛋白發泡劑，與水配置比例為1∶10；水泥砂漿拌合水為普通自來水；鋼絲物理性能等指標見表1.鋼絲采用熱鍍鋅鋼絲，長130 mm，直徑2 mm，抗拉強度1 370 MPa，伸長率5%.

1.2配合比

研究配置了3個容重等級的泡沫混凝土，分別為500、700、1 000 kg/m3,配合比見表1,3個容重等級泡沫混凝土的7、28 d抗壓強度見表2.

表1　泡沫混凝土配合比　kg·m-3

表2泡沫混凝土基材抗壓強度

ρ/(kg·m-3)抗壓強度/MPa7d28d10004.4995.9147002.6733.9205000.5190.698

用硫鋁酸鹽水泥制成的泡沫混凝土，其7 d齡期抗壓強度已經達到28 d齡期的75 %左右，試驗采用7 d齡期的泡沫混凝土用于鋼絲抗拔分析.

1.3試驗方法

鋼絲預先在30 mm處標記刻度；將鋼絲用支架預先固定在100 mm ×100 mm ×100 mm的立方體模具中心，使其垂直伸入模具30 mm，將拌合均勻的泡沫混凝土澆入模具，振搗抹平；24 h拆模，放入標準養護室養護 7 d，取出擦干表面水分.50、70 mm埋入深度帶鋼絲試塊的制備方法同埋深30 mm試塊，見圖1.

圖1　帶鋼絲拔出試塊的制備

鋼絲拔出試驗采用美國MTS810材料試驗機進行，試驗裝置見圖2.試驗采用位移控制，壓頭下降速率保持0.002 5 mm/s，采集時間、位移、荷載數據.

2鋼絲拔出模型

為建立鋼絲從混凝土中拔出模型，首先做如下假設：(1)鋼絲和混凝土基材均為線彈性材料；(2)在鋼絲拔出過程中，鋼絲泊松比的影響忽略不計；(3)鋼絲受力后，鋼絲與混凝土基材間形成脫粘區，鋼絲表面的摩擦力、基材收縮以及骨料的機械咬合共同形成鋼絲與基材之間的界面剪切應力τ，均勻分布在脫粘區域；(4)在鋼絲與基材脫粘尖端到達鋼絲端部后，鋼絲開始從混凝土基材中拔出，鋼絲拔出過程中界面剪切應力τ為鋼絲拔出端位移的函數.

圖2　鋼絲拔出試驗裝置

依據如上假設，鋼絲與混凝土基材之間的界面剪切應力τ與拔出端位移δ的關系可表達為[6]

(1)

式中：τ0為脫粘階段最大粘結強度，f()為界面粘結強度衰減函數，與鋼絲拔出段位移相關，δ*為鋼絲完全脫粘時拔出端位移.

設直徑為d，埋入深度為L的鋼絲，端部受拉拔力P.隨著P的增大，在鋼絲與混凝土基材之間將形成由拔出端向內的脫粘區，且脫粘區尺寸隨荷載增加而逐漸增大.此階段，即脫粘階段，鋼絲拔出示意見圖3.

圖3　鋼絲脫粘階段示意

在脫粘區內，恒定的界面剪切阻力τ與外荷載P平衡.取脫粘尖端為坐標原點，在脫粘區域l內給定位置x處，鋼絲所受拉力P(x)可表達為

(2)

其中P0為脫粘階段鋼絲與混凝土基材之間的彈性粘結力[7]，其大小由鋼絲與周圍混凝土之間的物理化學作用決定，通常可表達為

(3)

Gd為化學粘結能，單位J/mm2.鋼絲拉拔應力分布為

(4)

設鋼絲彈性模量為E，則鋼絲應變分布為

(5)

可見當鋼絲與基體間粘結強度為常數時，鋼絲內軸拉應變沿脫粘長度是線性分布.x=l時，鋼絲端部的拔出力P為

(6)

同時鋼絲端部的拔出位移δ可表達為

(7)

把式(5)帶入式(7)并積分有

(8)

將式(8)帶入式(6)，可獲得鋼絲拔出力P與拔出端位移δ的關系為

(9)

由式(8)亦可獲得當脫粘長度達到鋼絲錨固長度時(l=L)，鋼絲端部位移δ*為

(10)

當脫粘尖端到達鋼絲錨固端點以后，鋼絲進入拔出階段，見圖4.在此階段，鋼絲拔出力與拔出位移關系為

(11)

式中δ*為鋼絲脫粘尖端恰好到達鋼絲錨固端時的鋼絲端部位移，可由式(2)計算.至此，鋼絲由混凝土基材拔出的兩階段模型，即脫粘階段與拔出階段建立完成.

圖4　鋼絲拔出階段示意

3結果及分析

3.1擬合模型的建立

實測鋼絲拔出荷載與拔出端位移δ的關系見圖5.拔出力隨鋼絲端部位移δ的增加先上升后下降而后趨于平緩，拔出力與拔出位移呈非線性關系，峰值荷載對應于鋼絲脫粘與拔出階段分界點，峰值荷載之前為鋼絲脫粘階段，峰值荷載之 后為鋼絲拔出階段.峰值荷載對應橫坐標為鋼絲完全脫粘時拔出端位移δ*.

圖5　鋼絲拔出荷載隨拔出位移變化曲線

首先可看出，鋼絲埋入深度越長，其拔出力峰值越大，其次，泡沫混凝土容重越大，同樣埋入深度鋼絲拔出力越大，脫粘階段拔出力隨拔出位移增速越快.因此，在鋼絲聚苯網架板設計中，可考慮增加鋼絲埋入深度或提高基材密實度來提高鋼絲的抗拔出能力.

鋼絲拔出力快速增加時鋼絲處于脫粘階段，鋼絲與泡沫混凝土基材之間粘結強度τ保持不變，記為τ0；鋼絲與泡沫混凝土脫粘后進入拔出階段，已知鋼絲拔出端位移δ和拔出力大小，由式(11)計算給定時刻粘結強度τ.

圖6為3個容重等級泡沫混凝土與鋼絲粘結強度與位移關系圖.可見，在脫粘階段，也即粘結強度τ為常數階段，粘結強度τ不變，在拔出階段，粘結強度τ隨鋼絲拔出端位移δ的增大先是快速減小，之后趨于緩和.根據圖6所示τ-δ曲線，將其劃分為3段，粘結強度τ為常數時為階段1，粘結強度τ隨拔出端位移δ快速下降的過程為階段2，粘結強度τ隨拔出端位移δ緩慢下降并趨于定值的過程為階段3，建立鋼絲從泡沫混凝土中拔出的τ-δ模型:

(12)

圖6　粘結強度隨鋼絲端部拔出位移變化曲線

結合圖6和式(12)，對曲線進行分段擬合[8]，可得不同容重等級泡沫混凝土與鋼絲粘結應力τ與拔出段位移δ之間的關系模型，見圖7，相關參數見表3.

圖7　粘結強度模型值與試驗結果對比

ρ/(kg·m-3)τ0/MPak1/(N·mm-3)k2/(N·mm-3)k3δ*/mmδ1/mmGd/10-3(N·mm-1)10001.317-61.4-1.1430.5260.06720.07145.7497000.410-29.5-0.2360.4850.05910.06243.4085000.206-15.6-0.1680.3510.02020.02590.346

3.2模型驗證與應用

將表2擬合得到粘結模型參數，代入模型(12)得到粘結強度τ，將τ、δ*代入式(11)，計算鋼絲拔出力，可獲得不同埋入深度鋼絲拔出力隨拔出端部位移的計算結果，如圖8中實線條所示；圖8中的離散點為試驗結果.為比較，不同容重等級拔出力隨拔出位移變化規律計算圖與實測圖的縱坐標統一.模型結果與實驗結果吻合良好，表明所建模型及其相關粘結參數可較好模擬鋼絲從泡沫混凝土中拔出.

圖8　模型計算結果與試驗結果對比

鋼絲從不同容重等級泡沫混凝土中拔出，容重等級越高，脫粘階段拔出力隨拔出位移增長越快，峰值拔出力隨容重等級的增大而增大；500容重等級埋深70 mm峰值拔出力121 N，小于700容重等級埋深30 mm峰值拔出力202 N；700容重等級埋深70 mm峰值拔出力為363 N，小于1 000容重等級埋深30 mm峰值拔出力515 N，可見，基材不同，鋼絲拔出力隨基材分級情況顯著.

3.3模型應用

依模型參數計算，不同容重等級泡沫混凝土，鋼絲拔出力隨埋入深度的變化規律見圖9.

圖9　泡沫混凝土鋼絲拔出力與埋深關系

由圖9可知，隨鋼絲初始埋入深度的增加，鋼絲拔出力增大；同樣埋深下，鋼絲從泡沫混凝土中的拔出力1 000容重大于700容重大于500容重；從圖9容易讀出不同埋深鋼絲拔出力峰值，為鋼絲網架板設計中的鋼絲埋深提供參考.

由圖9和模型參數，還可計算得到單位面積鋼絲埋置根數同粘結強度之間的關系，見圖10.

圖10　泡沫混凝土粘結強度與鋼絲根數關系

由圖10可發現，每平方米泡沫混凝土中，隨著埋入鋼絲根數的增加，粘結強度增大；從圖10容易獲得單位面積鋼絲根數所對應的粘結強度值，因此可為鋼絲網架板設計中的鋼絲的埋入根數提供參考.

4結論

1)鋼絲從泡沫混凝土中拔出行為分3個階段，即粘結強度為常數的脫粘階段，粘結強度隨拔出位移快速下降階段和之后的平緩下降階段.基于三階段模式的鋼絲拔出模型可較好預測鋼絲從泡沫混凝土中的拔出行為.

2)同容重泡沫混凝土，鋼絲埋入深度越長，峰值拔出力越大，拔出位移也越大.相同埋入深度下，泡沫混凝土容重越大，峰值拔出力越大，拔出位移也越大.

3)基于鋼絲拔出試驗獲得的鋼絲與不同容重泡沫混凝土界面粘結參數，為泡沫混凝土應用提供了基本參數取值.

4)基于試驗與模型計算，可確定鋼絲在泡沫混凝土中最佳埋入數量與埋入深度.

參考文獻

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(編輯趙麗瑩)

Test and simulation on pull-out behavior of steel wire in foam concrete

YU Lei, FU Yuyong, ZHANG Jun, WANG Jiahe

(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, 100084 Beijing,China)

Abstract:Three kinds of foam concretes with different density were used and three different embedment lengths of wires were selected to study the pull-out behavior of steel wire from foam concrete. After 7 days of curing, steel wire was pull-out from the foam concrete. Test data including pull-out force and wire-end displacement were obtained. Experimental results show that pull-out peak load and corresponding wire end slippage increase with the embedment length and density of foam concrete. Based on the test results, a pull-out model of wire from foam concrete is developed with assumption of three stage bond strength assumptions. The model results are well agreed with the test results. The developed model can simulate pull-out behavior of steel wire with different embedment length. Base on this model, relationships of steel wire pull-out strength versus embedment length and pull-strength versus number of steel wires in foam concretes can be obtained.

Keywords:foam concrete; steel wire; bonding strength; pullout displacement; pullout model

中圖分類號:TU528.2

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)06-0119-05

通信作者:張君，junz@tsinghua.edu.cn.

作者簡介:于蕾(1985—)，女，博士，助理研究員；

基金項目:國家自然科學基金(51278278).

收稿日期:2015-04-08.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.019

張君(1962—)，男，教授，博士生導師.