凍融后鋼筋與混凝土的粘結性能研究進展

熊 拓 新

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

1 概述

凍融作用會破壞鋼筋和混凝土之間的粘結性能，是寒冷地區的鋼筋混凝土結構破壞最主要的因素[1]。近年來，混凝土結構的抗凍性研究已成為土木工程研究中的熱點，人們越來越重視混凝土的抗凍性對社會效益和經濟效益的影響，尤其是對工程安全性的影響。研究凍融循環后鋼筋與混凝土之間的粘結性能，能為嚴寒地帶的鋼筋混凝土建筑物進行抗凍耐久性能設計及對遭到凍融破壞建筑物的維修加固提供試驗依據和理論指導。本文通過文獻查閱與分析，主要對凍融后鋼筋與混凝土粘結性能進行綜述，期望對相關內容的研究提供有價值的參考。

2 凍融循環下粘結強度的影響因素

凍融作用使得內部毛細孔結構體積發生膨脹，在孔周圍的微觀結構中產生拉應力，導致裂縫的產生[2]。隨著凍融破壞的加劇，裂縫不斷延伸。研究表明：凍融作用后，混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗剪強度以及彈性模量、泊松比和剪切模量均會受到不同程度的影響[3,4]，混凝土力學性能均呈下降趨勢[5]，凍融對混凝土強度特性的影響較為明顯，循環次數越多，下降程度越大[6,7]。

2.1 凍融循環次數

隨著凍融循環次數的增多，毛細孔孔隙和孔隙壓力引起的微裂縫逐漸增大，不斷擴展至互聯相通，使得鋼筋與混凝土之間的粘結性能下降。研究人員開展了凍融循環次數對粘結強度的試驗，結果顯示：鋼筋直徑為12 mm～20 mm的混凝土粘結試件，在相同抗凍性的前提下，經過0次～300次凍融循環作用，粘結強度下降，且受到的循環次數越多，粘結強度下降幅度越大[8]。

2.2 混凝土強度

由于組成粘結力的三個組成部分：膠結力、摩阻力和機械咬合力都與水泥體的強度有關，所以粘結強度會受到混凝土強度的影響，一般與混凝土的抗拉強度成正比[9]。在混凝土強度相同的條件下，混凝土水灰比越大粘結強度越低。

光圓鋼筋受到混凝土強度的影響較小，這主要是由于粘結力主要由膠結力組成，很快會被光圓鋼筋所受的拉拔力破壞，導致光圓鋼筋拔出，即使混凝土強度上升粘結強度依然較低，不易發生劈裂粘結破壞；對于帶肋鋼筋，隨著混凝土強度增加，鋼筋肋與混凝土之間的機械咬合力有較大幅度的上升，粘結強度增加且粘結強度相對應的滑移量減少，易發生劈裂粘結破壞。

2.3 鋼筋表面形態

不同的鋼筋種類其表面形態差異較大，其對粘結強度有不同的影響。由于變形鋼筋肋的存在，變形鋼筋肋與混凝土之間的粘結強度要比光圓鋼筋大得多，不同幾何參數的肋也會得到不同的粘結強度[10]。

鋼筋的表面粗糙度會隨著銹蝕而增加，對于光圓鋼筋而言，在混凝土銹蝕脹裂的前期，粘結強度會有一定幅度的提高；但是對變形鋼筋而言，肋與混凝土之間的咬合面積由于銹蝕減少了，降低了主要組成粘結力的機械咬合力的大小，所以粘結性能下降[11]。

2.4 箍筋配置

在混凝土中配置箍筋可以增大粘結應力并保證粘結試件不發生劈裂破壞。箍筋的約束作用，可以使鋼筋混凝土結構的軸心抗壓強度、結構的延性能有所提升[12]，在縱向劈裂裂縫產生后繼續保持對鋼筋的約束作用。箍筋對粘結強度的影響主要體現在箍筋截面面積Asv和箍筋間距Ssv，結果顯示：粘結強度與箍筋截面面積成正比，與箍筋間距成反比，即粘結強度與配箍率ρsv=Asv/cSsv呈正比關系。

以上為影響凍融后混凝土粘結性能的主要幾種因素，目前開展的研究一般考慮單因素或較少幾個因素作用，多因素共同作用由于工作量大、難度高，開展的較少。針對上述問題，建議開展微觀機理方面更加深入的研究，給出多個因素對粘結強度的影響規律。

3 改善凍融后粘結性能的措施

3.1 混凝土強度

提高混凝土的強度可以整體提高鋼筋與混凝土之間的膠結力、摩阻力、機械咬合力，增強鋼筋與混凝土之間的粘結應力和協同作用，從而提高粘結強度。

3.2 引氣劑

凍融后鋼筋與混凝土的粘結強度還與制備混凝土時是否添加引氣劑等外加劑有關[13]。最常用來提高混凝土耐久性能的方法是加入引氣劑。引氣劑的添加可以十分有效地改善混凝土的內部孔結構，加了引氣劑的混凝土相對未加引氣劑的混凝土而言多了許多微小而均勻的氣泡，在凍融環境下這些氣泡可以有效防止由于凍脹引起的裂縫，增強粘結性能。但是引氣劑的添加量不能過大，過高的含氣量會降低混凝土的強度，有抗凍要求混凝土的含氣量應符合JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程中的要求。

4 凍融后粘結強度的計算

研究者根據試驗以及理論推導提出了鋼筋與混凝土粘結強度的計算公式，研究凍融后鋼筋與混凝土粘結性能的學者多在普通混凝土粘結強度公式的基礎上，結合凍融循環作用的機理，提出改進后的粘結公式，但是由于粘結破壞的機理較為復雜，試驗中影響試驗結果的因素太多，始終很難形成統一的計算公式，下面統計歸納了不同試驗因素下粘結強度的計算公式[14-17]：

式中：ft——混凝土抗拉強度；

fcu——混凝土抗壓強度；

τu——粘結強度;

c——保護層厚度;

d——鋼筋直徑；

μ——摩擦系數,取0.4；

β——滑移面與鋼筋縱軸夾角,取20°～45°；

la——鋼筋與混凝土錨固長度；

Asv——箍筋截面面積；

Ssv——箍筋間距；

τ0——無箍筋無保護層時的粘結強度；

Kcon——混凝土保護層增強系數；

Kst——箍筋增強系數；

ρst——配箍率；

N——凍融次數；

ftN——N次凍融后的抗拉強度。

5 結語

1)凍融循環作用通過破壞混凝土內部孔結構使混凝土受損，遭受凍融破壞的混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、粘結強度等力學性能均會下降，且凍融次數越多，衰減幅度越大。總結分析了影響凍融后鋼筋與混凝土粘結強度的因素。

2)考慮到凍融對混凝土結構的破壞作用，本文總結了改善混凝土抗凍性、提高粘結性能的措施，并給出進一步研究方向。

3)計算凍融后鋼筋與混凝土的粘結強度的公式形式有多種，考慮因素也有所不同，因此還需要探究各影響因素之間的關聯性，提出簡單易行的計算公式，為凍融后鋼筋混凝土的設計提供計算依據。

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