石墨烯/環氧涂層鋼筋與混凝土的黏結性能

商懷帥, 王瑋釗, 劉孝華, 郭思瑤

(1.青島理工大學 土木工程學院, 山東 青島 266033;2.青島市黃島區建設工程質量監督站, 山東 青島 266555)

鋼筋銹蝕是引起鋼筋混凝土結構破壞最主要的原因.鋼筋銹蝕后體積膨脹,導致混凝土出現縱向裂縫、保護層脫落等眾多不利現象,無法保證結構的安全性和承載能力,耐久性大大降低,使用年限明顯縮短,并造成大量經濟損失[1].

為提高鋼筋混凝土結構的使用壽命，減少使用期間的維護費用,在鋼筋表面涂抹防腐涂層成為一種被廣泛使用的有效措施[2].目前,常見防腐涂料有環氧樹脂涂料、醇酸樹脂涂料、聚氨酯涂料和富鋅涂料等[3],其中環氧樹脂涂料不僅具有良好的化學穩定性,而且力學和機械性能優異、與鋼筋黏結可靠、價格便宜,在防腐涂層中使用最多[4].研究表明,環氧涂層具有多孔性和親水性,施工過程中易受磨損,不能獲得長期的防腐性能[5-6];而石墨烯因其特殊的內部結構和優越的理化性能,通常被用來改性環氧樹脂.黃坤等[7]試驗發現,石墨烯質量分數為0.5%時能有效提高涂層的耐腐蝕性能,石墨烯質量分數達到1.0%時涂層有導靜電能力且附著力最強.謝衛剛等[8]研究發現,當石墨烯質量分數為0.01%時,石墨烯/環氧樹脂復合材料的拉伸強度比純環氧樹脂提高16.88%;當石墨烯質量分數為0.05%時,復合材料的斷裂伸長率較純環氧樹脂提高4.78%.Mathey等[9]研究發現,當環氧樹脂涂層厚度小于0.28mm時,鋼筋與混凝土間的黏結強度平均損失6%.研究[10-11]表明,與無涂層鋼筋相比,涂層鋼筋與混凝土間的黏結強度降幅為15%～40%.

目前,針對石墨烯/環氧涂層鋼筋與混凝土黏結性能的相關研究少有報道,故本文選用3種石墨烯摻量(質量分數,文中涉及的摻量和水膠比等均為質量分數或質量比)的環氧涂層鋼筋和1種無涂層鋼筋,來對比研究環氧涂層中石墨烯摻量對鋼筋與混凝土黏結性能的影響,為石墨烯/環氧涂層鋼筋在鋼筋混凝土結構中的推廣和應用提供參考和幫助.

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1環氧樹脂、石墨烯及固化劑

環氧樹脂采用鳳凰牌E-44型雙酚A環氧樹脂.石墨烯由青島理工大學材料試驗室制備,制備用原材料為天然鱗片石墨(<0.15mm)、98%濃硫酸、鹽酸、高錳酸鉀、5%雙氧水、二甲苯和氫氧化鈉,均為分析純.固化劑采用650低分子聚酰胺,呈淺棕色.涂層材料由固化劑與石墨烯/環氧樹脂以質量比1∶1混合而成.

1.1.2鋼筋

選用直徑為14、18、22、25mm的HRB 400熱軋帶肋鋼筋,其材料參數見表1.每根鋼筋長約600mm,兩端平整.鋼筋涂抹石墨烯/環氧樹脂前,先用除銹劑除銹,再用硬毛刷將其均勻涂抹到鋼筋黏結段上.制作完成后的涂層鋼筋符合JG/T 502—2016《環氧樹脂涂層鋼筋》的要求.

表1 鋼筋的材料參數

1.1.3混凝土

為貼合實際工程,混凝土采用青島中聯混凝土有限公司(開發區二站)產C30預拌混凝土,水膠比0.48.其中水泥采用青島中聯P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;細骨料采用細度模數3.3的Ⅰ區機制砂,含泥量小于2.0%;粗骨料采用5～25連續級配的花崗巖碎石,壓碎值11%,表觀密度2750kg/m3,含水率1.8%,含泥量小于1.5%;拌和水采用用青島市自來水;此外還摻有聚羧酸減水劑和Ⅱ級粉煤灰.混凝土具體配合比及力學性能見表2.

表2 混凝土配合比及力學性能

1.2 試件設計與制作

中心拉拔試件尺寸為150mm×150mm×150mm,其中鋼筋黏結段長度為 5d(d為鋼筋公稱直徑).鋼筋加載端長度約為350mm,自由端長度約為100mm.在鋼筋放入模具前,鋼筋兩端的未黏結段用PVC管套住,PVC管與鋼筋之間的縫隙用樹脂封堵,以免澆筑時砂漿流入縫隙.需要說明的是,留有未黏結段的目的是通過減小黏結長度,使黏結應力沿鋼筋縱軸方向均勻分布,避免加載端產生局部應力.拆模后的試件放入青島市中聯混凝土有限公司標準養護室中養護28d.中心拉拔試件示意圖如圖1所示.

圖1 中心拉拔試件示意圖Fig.1 Sketch of center pull-out test piece

本試驗共制作16組試件,每組3塊共48塊.對16組試件進行編號,編號的第1部分表示鋼筋直徑,第2部分表示涂層種類(a為石墨烯摻量為0%的環氧樹脂涂層,b為石墨烯摻量為0.05%的環氧樹脂涂層,c為石墨烯摻量為0.10%的環氧樹脂涂層,d為無涂層).

1.3 中心拉拔試驗

試件養護完成后,將其自由端的鋼筋朝下穿過中心帶洞鋼板,鋼板由支架支撐.加載裝置使用帶有高精度數顯壓力表的錨桿拉拔儀.前期采取分級加載,每級加載2kN,持荷時間為30s,持荷后采集加載端和自由端鋼筋的滑移值;當達到極限荷載后改用位移控制加載.采集裝置使用DH3816N靜態應變測試采集儀,通過試件加載端和自由端上的位移傳感器采集鋼筋兩端的滑移數據,最后傳輸在電腦端上,加載裝置示意圖見圖2.

圖2 加載裝置示意圖Fig.2 Sketch map of loading device

2 結果與分析

2.1 試驗現象及分析

圖3～6分別為試件拔出破壞、劈裂破壞、涂層狀態及涂層鋼筋混凝土凹槽狀態.

圖3 拔出破壞Fig.3 Pull-out failure

圖4 劈裂破壞Fig.4 Splitting failure

圖5 涂層狀態Fig.5 Coating state

圖6 涂層鋼筋混凝土凹槽狀態Fig.6 Coated reinforced concrete groove state

由圖3～6可見：除直徑14mm的2組試件(14-c和14-d)發生了拔出破壞(圖3)外,其余各組試件均發生了劈裂破壞(圖4).石墨烯/環氧涂層中石墨烯的摻量對裂縫發展和破壞模式影響不大.在加載初期,鋼筋的加載端和自由端均未出現滑移現象,這是由于夾持鋼筋的夾具和錨具在加載初期未夾緊所致[12];隨著載荷的增加,鋼筋的加載端首先出現滑移,此時自由端滑移值未變,繼續施加荷載,自由端滑移值開始變化;當載荷接近峰值荷載時,發生劈裂破壞的試件表面出現微小裂縫,裂縫隨著荷載的增加逐漸變長變寬,最終試件突然破壞;發生拔出破壞的試件表面無裂縫產生,達到峰值荷載后,荷載迅速下降并趨于穩定,滑移量猛增;發生劈裂破壞的涂層鋼筋試件,其表面至少出現1條貫通裂縫,剖開試件后發現涂層表面基本完整(見圖5),混凝土握裹層中鋼筋留下的凹槽無明顯受損(見圖6),鋼筋橫肋在混凝土中留下的凹槽前有摩擦痕跡且部分混凝土被擠壓破碎.

從裂縫的最終發展來看,涂層鋼筋試件的裂縫發展情況比無涂層鋼筋試件嚴重,且裂縫寬度稍大于無涂層鋼筋試件;涂層鋼筋的摩擦痕跡和混凝土破碎情況比無涂層鋼筋輕微;鋼筋直徑越大,試件劈裂現象越嚴重,凹槽越明顯,摩擦痕跡越輕.這與許清風等[13]和徐有鄰等[14]的結論相一致.

涂層鋼筋試件的破壞現象比無涂層鋼筋試件嚴重,這是因為石墨烯/環氧涂層破壞了鋼筋與混凝土間的黏結性.在鋼筋發生相對滑移后,黏結力主要依靠摩擦力和機械咬合力,石墨烯/環氧涂層與水泥膠體間的摩擦系數較小,導致鋼筋與混凝土間的摩擦力減小,錨固作用主要依靠機械咬合力的水平分力,咬合力的水平分力和徑向分力增大,進而導致滑移增大、裂縫發展更早、更深、更寬[15-16].鋼筋直徑越大,其肋高越高,對肋前混凝土的斜向擠壓力也就越大,同時使得斜向擠壓力的徑向分力越大,劈裂出現得更早,破壞更嚴重.石墨烯/環氧涂層表面光滑,對混凝土的磨損較輕,而且不易黏附混凝土碎屑,所以混凝土握裹層的凹槽光滑,鋼筋表面幾乎無混凝土殘留物.

2.2 極限黏結強度和峰值滑移量

當混凝土試件中鋼筋黏結段長度小于某量值(一般為5d)時,其黏結應力沿鋼筋縱軸均勻分布,黏結強度(τ,MPa)可由式(1)計算.

(1)

式中：F為鋼筋拉拔力,N;μs為鋼筋周長,mm;la為錨固長度,mm.

由于鋼筋受拉時會產生軸向變形,加載端滑移量等于實際測量值減去鋼筋軸向變形值.鋼筋整體滑移量為加載端滑移量和自由端滑移量的均值.各階段鋼筋滑移量計算表達式見式(2)～(4).

(2)

Sl=Sl1-ΔSl

(3)

(4)

式中：ΔSl為鋼筋彈性變形值,mm;Lw為非黏結段長度,mm;Es為鋼筋的彈性模量,MPa;As為鋼筋的截面面積,：mm2;Sl為鋼筋加載端滑移量,mm;Sl1為鋼筋加載端實際測量值,mm;Sf為鋼筋自由端滑移量,mm;S為鋼筋加載端和自由端的平均滑移量;mm.

各組試件的極限拉拔荷載、極限黏結強度和峰值滑移量見表3.由表3可見：石墨烯/環氧涂層中石墨烯摻量對試件極限黏結強度和鋼筋峰值滑移量影響很小;鋼筋直徑大于14mm的各組試件中裸露鋼筋的峰值滑移量和極限黏結強度最大;隨著鋼筋直徑的增大,試件的極限黏結強度和峰值滑移量減小.與試件14-d相比,試件14-a、14-b、14-c的極限黏結強度分別下降5.20%、1.75%和10.35%;與試件18-d相比,試件18-a、18-b、18-c的極限黏結強度分別下降18.02%、19.44%和8.27%;與試件22-d相比,試件22-a、22-b、22-c的極限黏結強度分別下降22.21%、31.08%和26.61%;與試件25-d相比,試件25-a、25-b、25-c的極限黏結強度分別下降52.72%、52.72%和49.06%.

表3 各組中心拉拔試件數據結果匯總

由此可見,鋼筋上涂抹石墨烯/環氧樹脂明顯降低了鋼筋與混凝土間的極限黏結強度,該結論與文獻[9-11,14,16]一致.需要說明的是,本試驗中涂層鋼筋試件的極限黏結強度相較于無涂層鋼筋試件下降得更多,這是因為本試驗中的涂層鋼筋非工廠制作,涂層相對較厚.鋼筋直徑越大,涂層鋼筋與無涂層鋼筋的極限黏結強度之比越小,這與Choi等[17]結論一致.究其原因是涂層增加了鋼筋的黏結面積,鋼筋直徑越小,黏結面積相對增加得越多,對極限黏結強度有所提升,導致小直徑涂層鋼筋的極限黏結強度降低較小.

2.3 拉拔試驗結果分析

不同鋼筋直徑下涂層類別對試件黏結-滑移(τ-s)曲線的影響如圖7所示.由圖7可見,試件的τ-s曲線大致分為4個階段.

圖7 各組試件的黏結-滑移曲線Fig.7 τ -s curves of each group of specimens

(1)初滑移階段：此階段鋼筋還未發生相對滑移,鋼筋與混凝土間的黏結主要依靠化學膠著力.各組試件的初滑移段呈線性增長,其中涂層鋼筋的初滑移段較短,而文獻[16]認為環氧涂層鋼筋的黏結力下降,導致滑移增大,所以初滑移段較長,這與本試驗所得不同;原因是文獻[16]未考慮到環氧涂層表面光滑,涂層與混凝土間總的化學膠著力會減小.

(2)滑移階段：當自由端鋼筋產生滑移后進入此階段,黏結力主要由摩擦力和機械咬合力組成.各組試件的滑移段呈非線性增長,滑移段曲率很小;涂層鋼筋的滑移段較平緩,這是由于石墨烯/環氧樹脂涂層削弱了鋼筋與混凝土間的摩擦力,改變了肋高和肋角,導致黏結強度降低、滑移量增大,在τ-s曲線中表現為斜率降低,這與文獻[14]的滑移段曲線基本相似.

(3)劈裂階段：此階段的τ-s曲線更為平緩,黏結力依舊來自摩擦力和機械咬合力.直徑為14mm的拔出破壞試件中,涂層鋼筋的劈裂段長度略長,究其原因是涂層界面光滑,使得鋼筋肋和混凝土咬合齒之間在產生滑動后還留有一定緩沖,進而導致肋前混凝土破碎較晚,劈裂段長度增加;其余各組試件中,涂層鋼筋沒有明顯的劈裂段.

(4)下降階段：達到峰值荷載后,荷載迅速下降，接著趨于穩定,滑移大幅度增加,最后鋼筋被緩緩拔出,此階段的黏結力由摩阻力提供,僅有拔出破壞的試件繪制出了下降段.涂層鋼筋的下降段更陡,說明其摩阻力較小.

整體來看,涂層鋼筋混凝土試件的τ-s曲線均在無涂層鋼筋混凝土試件的下方,說明涂層鋼筋混凝土試件的黏結強度比無涂層鋼筋混凝土試件差;各組a、b、c類涂層試件的τ-s曲線變化不大,說明石墨烯的摻入不能改善石墨烯/環氧樹脂涂層鋼筋與混凝土的黏結強度;隨著鋼筋直徑的增加,試件τ-s曲線的長度減小,黏結強度下降,這是由于鋼筋直徑越大,與混凝土間的相對黏結面積越小,試件的黏結強度也就越低,此外在試件尺寸一定的情況下,鋼筋直徑的增大導致保護層厚度相對減小,劈裂現象更易產生.

3 黏結-滑移本構關系

研究表明[18-19],用多項式擬合鋼筋混凝土的τ-s曲線簡單準確,故本文采用式(5)擬合各組試件的τ-s曲線.

τ=a+bs+cs2+ds3

(5)

式(5)中的系數見表4.由表4可以看出：試件14-d和25-d的擬合值與試驗值誤差較大,其相關系數R2分別為0.9004和0.9346,明顯低于其他試件.原因如下：(1)試件14-d的擬合曲線在初滑移階段和滑移階段擬合得較好,但劈裂階段曲線斜率未降低,而是沿著滑移階段的曲線斜率上升,這是劈裂階段中試件滑移增長較快、數據分布較離散所致.(2)試件25-d的擬合曲線在初滑移階段向滑移階段轉變處誤差較大,究其原因是滑移階段曲線斜率相對于初滑移階段斜率發生了較大改變.(3)其他各組試件的相關系數R2均在0.9680以上,且擬合曲線與散點圖基本吻合.這說明采用式(5)擬合涂層鋼筋混凝土的τ-s曲線是完全可行的,其中劈裂破壞曲線用二階多項式就能很好擬合出來,拔出破壞需由三階多項式擬合.

表4 各組試件黏結-滑移表達式中的系數

4 結論

(1)石墨烯/環氧涂層鋼筋與混凝土間的黏結強度明顯比無涂層鋼筋混凝土差.石墨烯/環氧樹脂涂層中石墨烯摻量對試件黏結強度的影響很小.鋼筋直徑越大,涂層鋼筋混凝土試件與無涂層鋼筋混凝土試件的極限黏結強度比越小.

(2)石墨烯/環氧涂層鋼筋混凝土試件的裂縫發展和裂縫寬度比無涂層鋼筋混凝土試件嚴重,環氧涂層中摻入石墨烯并不能改善試件裂縫發展和裂縫寬度.除試件14-c和14-d發生拔出破壞外,其余各組試件均發生劈裂破壞.

(3)石墨烯/環氧涂層鋼筋混凝土試件的τ-s曲線初滑移階段較短,其整體τ-s曲線位于無涂層鋼筋混凝土試件的下方.發生拔出破壞的涂層鋼筋混凝土試件劈裂段較長,下降段較陡.鋼筋直徑大于14mm的各組涂層鋼筋混凝土試件幾乎沒有劈裂段.用多項式擬合的各組試件的τ-s曲線與實際曲線符合較好.

(4)在實際工程中,石墨烯/環氧涂層鋼筋的應用可依據環氧樹脂涂層鋼筋的相應規范實施.