超低溫環境下鋼筋與混凝土的粘結性能

楊雅新

河南水利與環境職業學院（450011）

超低溫環境下鋼筋與混凝土的粘結性能

楊雅新

河南水利與環境職業學院（450011）

工程建設中，鋼筋、混凝土的使用是必不可少的，但是鋼筋、混凝土之間的黏結性能在一般條件下、在超低溫環境下是有所不同的。這里將一般條件下鋼筋、混凝土之間的黏結性能作為標桿，講述超低溫環境下混凝土、鋼筋在黏結性能上發生的變化。

鋼筋；混凝土；超低溫環境；一般環境；黏結性能

隨著科技的不斷進步，工程技術人員開始向極地等超低溫區域拓展。當前全世界都面對著資源開發殆盡的境況，各國均開始爭奪極地資源，并為之建立了石油鉆探、浮動碼頭等生產及挖掘設施，而這些均需要使用鋼筋混凝土。為了確保鋼筋、混凝土等材料在超低溫環境下正常應用,必須要確保其具有良好的黏結性能，只有如此才能使其發揮出理想的力學性能，獲得最好的應用效果。

1 超低溫環境下的力學性能

1.1 混凝土

以常溫狀態下混凝土的力學性能作為標桿，將超低溫環境下的混凝土力學性能與其進行對比，可以發現超低溫狀態下混凝土將會出現如下的力學性能變化：混凝土強度隨著含水率的提高而提高，抗壓強度增量、含水率之間為線性關系；混凝土強度增加，同時其彈性模量也隨之增加，但是強度與彈性模量并沒有隨著溫度的變化而出現線性改變；低溫環境中水分凝結成冰，實際上可以提高混凝土的強度,但在溫度為-120℃時冰將會發生結構的改變，因此如果溫度繼續下降，強度值的試驗將更容易出現離散性結果；混凝土中含有三種形式的水分，即物理吸附水、自由水與化學結合水，前兩者非常容易受到溫度變化的影響；當溫度反復變化、混凝土在“常溫”和“低溫”的狀態中反復出現凍融狀態時，混凝土的強度將會下降，尤其是在超低溫的冷熱循環狀態下，即使循環次數減少，混凝土的強度也會大幅度下降；水灰比的提高將會增加混凝土的含氣量，而水灰比、含氣量的增加將會使混凝土在低溫環境下出現強度的明顯提高[1]。

1.2 鋼筋

以常溫狀態下鋼筋的力學性能作為標桿，將超低溫環境下的鋼筋力學性能與其進行對比，可以發現超低溫狀態下鋼筋將會出現如下的力學性能變化。

1.2.1 普通鋼筋

通過國外的試驗結果可知,在超低溫條件下，普通鋼筋會在極限強度與屈服強度上出現明顯提高，而屈服強度的提高速度要明顯快于極限強度，其原因是結構鋼材的性能更容易受到低溫的影響，鋼筋的塑性在超低溫環境中將會更低。此外，在低溫環境下，鋼筋的彈性模量會比在常溫環境下出現至少10%的增長比。在-165～70℃的溫度區間，普通鋼筋的線膨脹系數會一直保持在10-5/℃左右。在超低溫環境中，普通鋼筋的脆性將會明顯增加，韌性將會顯著降低。若在普通鋼筋中加入少量的鋁或鈦,則可以改善其降低的韌性和增加的脆性。

1.2.2 預應力鋼筋

預應力鋼筋在超低溫環境中也會出現力學性能的顯著變化，如同樣會因溫度下降而出現屈服強度與極限強度的明顯提高。一般而言，溫度低于-195℃時，預應力鋼筋的彈性模量將會提升10%。若將預應力鋼筋放置在-165℃的環境中進行拉伸試驗，那么預應力鋼筋的極限強度則會出現至少15%的提高幅度，其伸長率基本等同于常溫環境；若將預應力鋼筋放置在低于-100℃的環境中、使其處于張拉狀態至少10 h，那么鋼筋將會處于非常明顯的松弛狀態[2]。

2 黏結性能試驗

2.1 方案設計

2.1.1 標準

針對超低溫條件下鋼筋、混凝土的黏結性能進行試驗。試驗實際上是將試件進行黏結、錨固、拉拔試驗,所參照的相關標準有《水工混凝土試驗規程》、《混凝土結構試驗方法標準》（分別為SL 352—2006、GB 50152—1992），選擇2個標準文件中關于鋼筋混凝土握裹力的試驗部分，基于現實條件進行試驗方案設計。黏結力的計算公式為：

其中，N為鋼筋拉力，d為鋼筋直徑，1a為黏結錨固的長度，t為黏結力。

2.1.2 試件制作

本研究所選鋼筋試件為立方體形態，邊長為15 cm，鋼筋由非黏結段和黏結段構成，其中，非黏結段套有硬質的PVC塑料管，試驗使用百分表來測定鋼筋受力端出現的滑移。考慮到實際施工中使用的鋼筋在直徑上有很大的差異，本研究為鋼筋試件選擇了1.2 cm、1.6 cm、2.0 cm、2.5 cm等多種直徑。鑒于低溫環境下多選用高強混凝土進行結構構建，因此試件多使用C50混凝土制作,其水灰比為0.36,28 d立方體抗壓強度實測結果為45～53 MPa，平均為50 MPa。上述參數代表混凝土具有合理的配比，振搗結果非常均勻，碎石為粗骨料，中砂為細骨料，所用粗、細骨料均符合本次試驗的相關要求。

2.1.3 試件分組

將試件劃分為4個組次，即：甲組、乙組、丙組、丁組。基于錨固長度、鋼筋直徑、環境溫度、相對保護層的厚度、鋼筋級別等參數帶來的不同影響,本次試驗共使用近70個試件。各組試件均使用一個變化參數,其中，甲組為溫度，乙組為保護層厚度與鋼筋直徑，丙組為錨固長度，丁組為鋼筋級別。

2.2 試驗結果及分析

圖1 試驗加載裝置的結構圖（上）與實景圖（下）

本試驗所使用的裝置可見圖1。具體試驗結果及相關參數均可見表1：

表1 鋼筋、混凝土黏結試驗結果

從試驗結果可以發現，在低溫環境中試件可能出現兩種破壞形態：一種是拔出時發生的剪切破壞。鋼筋在混凝土中發生了大量滑移，但混凝土保護層仍完好無缺損，即拔出破壞。另一種是混凝土出現劈裂形態的破壞。鋼筋在混凝土中發生了較小量的滑移，保護層被劈裂，即劈裂破壞。一般而言，當鋼筋直徑小于1.6 cm時，混凝土有更大的概率發生拔出破壞。當鋼筋直徑大于1.6 cm時，混凝土有更大的概率發生劈裂破壞。當鋼筋直徑等于1.6 cm時，混凝土發生拔出破碎與劈裂破壞的概率是相同的。這兩種破壞實際表現出鋼筋、混凝土黏結性能從常溫狀態到超低溫狀態的力學性能變化，即微滑移→滑移→劈裂。劈裂破壞源自低溫狀態下混凝土握裹力增強，其脆性增加，鋼筋受壓產生反作用力，混凝土保護層發生劈裂現象。在發生破壞的過程中，溫度的降低會增加極限破壞荷載，試件在黏結滑移系數不斷增大，鋼筋和混凝土之間的黏結性能不斷升高，鋼筋直徑、保護層厚度等因素也會與溫度同時發生作用，使混凝土增加了針對鋼筋的握裹力。而力的作用是相互的，被“握裹”的鋼筋會反過來向混凝土施加一種相向的力。此時受低溫等因素的影響，混凝土本身在硬度和脆性上明顯增加，其受力能力降低，自然會發生“破壞”。

3 結語

社會的發展與科技的進步使得越來越多的工程項目在氣候嚴寒的極地區域開始建設，這種環境對鋼筋、混凝土的黏結性能提出了嚴格要求。本文對二者的黏結性能進行了研究分析，以供從事相關研究的人員參考。

[1]李會杰,謝劍.超低溫環境下鋼筋與混凝土的黏結性能[J].工程力學,2011,28(1)：80-84.

[2]謝劍,李海瑞,李會杰.超低溫下鋼筋與混凝土黏結性能試驗研究[J].冰川凍土,2014,36(3)：626-631.