凍融后混凝土粘結(jié)滑移規(guī)律的擬合分析

王安琪　楊曉林

摘 要：為研究混凝土凍融次數(shù)對混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)滑移關(guān)系的影響，根據(jù)現(xiàn)有的受力模型和凍融后極限粘結(jié)力的相關(guān)理念，對經(jīng)歷了0、25、50、75次凍融循環(huán)的混凝土立方體試塊進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，分析得出凍融混凝土與鋼筋之間的4個粘結(jié)應(yīng)力和滑移規(guī)律。同時采用數(shù)值擬合的方法對粘結(jié)滑移曲線進(jìn)行了Bigaussian函數(shù)擬合，結(jié)果表明Bigaussian具備較高的擬合決定系數(shù)。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán) 粘結(jié)滑移規(guī)律 擬合分析 混凝土

中圖分類號：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（c）-0051-03

現(xiàn)代建筑以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，通過對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的了解，我們知道，保證混凝土和鋼筋能夠良好工作的條件是：混凝土和鋼筋之間良好的粘結(jié)性能；兩者相似的溫度線膨脹系數(shù)；混凝土對其內(nèi)部鋼筋的保護(hù)作用。而鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力由三部分組成：混凝土中的水泥膠凝體在鋼筋表面產(chǎn)生的化學(xué)黏著力；周圍混凝土對鋼筋的摩阻力；變形鋼筋凸肋和混凝土之間的機(jī)械咬合力。我國北方大部分地區(qū)的鋼筋混凝土建筑物都會因寒冷天氣而受到凍融損壞，在凍融循環(huán)過程中，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度在凍融循環(huán)作用后也會發(fā)生退化，進(jìn)而損壞鋼筋混凝土共同工作的條件。

目前公認(rèn)的對于鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的機(jī)理研究，是在20世紀(jì)50年代，R.M.Mains[1]將鋼筋開槽并在內(nèi)部預(yù)埋應(yīng)變片的方法，得到的光圓鋼筋和變形鋼筋的應(yīng)力分布，提出了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)主要由化學(xué)膠結(jié)力、摩擦力和機(jī)械咬合力三部分組成[2]。對于鋼筋混凝土間粘結(jié)滑移性能的研究有很多，現(xiàn)有的粘結(jié)試驗(yàn)方法有[3]：中心拔出試驗(yàn)、梁端式拔出試驗(yàn)以及局部粘結(jié)滑移試驗(yàn)。Thompson[4]通過實(shí)驗(yàn)得出粘結(jié)力與混凝土強(qiáng)度的平方成正比；王倩等人[5]通過鋼筋開槽內(nèi)貼應(yīng)變片進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，得到隨著鋼筋直徑減小，鋼筋與粉煤灰之間的粘結(jié)性能加強(qiáng)。本文進(jìn)行了鋼筋混凝土試件的中心拔出試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)次數(shù)對鋼筋混凝土之間粘結(jié)性能的影響，得到凍融循環(huán)條件下的τ-s曲線，并用前人研究的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合，結(jié)果表明Bigaussian函數(shù)擬合程度較高。

1 實(shí)驗(yàn)工作

為研究鋼筋凍融后與混凝土間粘結(jié)-滑移性能，采用 （GB/T50152-2012）標(biāo)準(zhǔn)方法制作了48個100mm×100mm×100mm混凝土立方體試塊鋼筋混凝土立方體構(gòu)件（有效錨固長度L=6cm）。水泥為P.O.42.5，鋼筋直徑d=12mm，強(qiáng)度等級HRB300，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C35。試塊采用標(biāo)準(zhǔn)模具澆筑，在振動臺上進(jìn)行振搗，24h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d。而后將試塊分成4種情況進(jìn)行凍融。試驗(yàn)用C35普通硅酸鹽混凝土，水泥、水、砂、碎石的質(zhì)量比為1：0.5：1.65：3.34。將分好混凝土試件分別進(jìn)行0，25，50，75次的凍融循環(huán)。鋼筋混凝土的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)采用《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法》（GB/T50082-2009）中的快凍法標(biāo)準(zhǔn)。

中心拔出試驗(yàn)通常被用作鋼筋混凝土粘結(jié)滑移研究的方法，本實(shí)驗(yàn)也采用中心拔出試驗(yàn)[6]。該試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)完成。電腦采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制荷載和滑移曲線圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融后粘結(jié)滑移規(guī)律

本文采用拉式試驗(yàn)進(jìn)行研究，且以實(shí)際工程中應(yīng)用最多的螺紋鋼作為研究對象?，F(xiàn)有的研究成果表明，螺紋鋼的粘結(jié)力主要由化學(xué)膠著力、摩擦力以及機(jī)械咬合力組成，且機(jī)械咬合力在螺紋鋼筋尤其重要。凍融循環(huán)后的混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力發(fā)生變化的主要原因是其化學(xué)膠著力改變。

其中，τ是平均應(yīng)力，MPa；P是鋼筋的峰值拉力，N；l是鋼筋和混凝土的粘結(jié)長度，mm；d是鋼筋直徑，mm。本實(shí)驗(yàn)所有鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)長度都為60mm，鋼筋直徑都是12mm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沒有經(jīng)歷過凍融作用的混凝土的峰值應(yīng)力最大，對應(yīng)的滑移量也最大，經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)越多的試件對應(yīng)的峰值應(yīng)力越小且對應(yīng)的滑移量越小，到達(dá)峰值應(yīng)力后，應(yīng)力曲線陡然下降，粘結(jié)破壞。粘結(jié)應(yīng)力及滑移粘結(jié)滑移垂線散點(diǎn)圖（圖1）。與文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，本文的極限粘結(jié)應(yīng)力和滑移值與其接近，其中的微小差別可能由不同標(biāo)號、配合比引起。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

對于單調(diào)加載下鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移關(guān)系，各國學(xué)者已經(jīng)做過很多研究，然而對凍融因素的影響仍缺乏一套完整的理論體系。Nilson[2]整理了Bresler的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一個以3次多項(xiàng)式表示的粘結(jié)滑移關(guān)系式

其中按4次多項(xiàng)式因?yàn)榭紤]了凍融后混凝土軸向抗壓強(qiáng)度的衰減規(guī)律，本文采用4次多項(xiàng)式對凍融后鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移曲線進(jìn)行了擬合，結(jié)果如表1所示。

經(jīng)歷0，25，50，75次凍融循環(huán)的試件用4次函數(shù)擬合出來的公式的決定系數(shù)分別是：0.95，0.92，0.93，0.91。該式體現(xiàn)了混凝土的抗壓強(qiáng)度對粘結(jié)效應(yīng)的影響，認(rèn)為混凝土的粘結(jié)力與其抗壓強(qiáng)度的0.5次冪成正比。

3 結(jié)論

凍融循環(huán)次數(shù)越多的試件對應(yīng)的峰值應(yīng)力越小且對應(yīng)的滑移量越小；3次多項(xiàng)式、4次多項(xiàng)式、Bigaussian函數(shù)擬合的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，決定系數(shù)都在0.90以上，擬合度較高，而Bigaussian函數(shù)在粘結(jié)滑移峰值附近的準(zhǔn)確度更高。

參考文獻(xiàn)

[1] Mains R M. Measurement of the Distribution of Tensile and Bond Stress along Reinforcing Bars. ACI， Nov 1951

[2] 徐有鄰.變形鋼筋-混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究 [工學(xué)博士學(xué)位論文].北京：清華大學(xué)，1990

[3] 杜峰，肖建莊，高向玲.鋼筋與混凝土之間粘結(jié)試驗(yàn)方法研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006，22 （2）：93——97

[4] R.M. and J.N.Thompson.Development length for large high strength reinforcing bars[J].ACI，JournalV.1965，62（1）：71-94.

[5] 王倩，張炳梅，江紅.鋼筋直徑對粉煤灰混凝土粘結(jié)性能的影響[J].連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，24（1）：5-8

[6] 王棟. 鋼筋混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2010.

[7] 牛建剛，郝吉，李伯瀟.凍融環(huán)境下鋼筋與粉煤灰混凝土的粘結(jié)性能[J].土木建筑與環(huán)境工程，2015，37（06）：7-14.