輕骨料混凝土與HPB300鋼筋粘結(jié)錨固性能試驗研究

孫嘉琪,于秋波，趙文蘭，姚 瑞

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，鄭州 451150; 2.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院有限公司，鄭州450000; 3. 鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州450000; 4. 河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院, 鄭州 450000）

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015版）（GB50010-2010）中增加了500 MPa級帶肋鋼筋，取消235 MPa級鋼筋，以300 MPa級光圓鋼筋代替235 MPa級鋼筋[1]。《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱軋光圓鋼筋》GB/T1499.1-2017中刪除HPB235鋼筋[2]，僅保留HPB300鋼筋。HPB300鋼筋的屈服強度標準規(guī)定不小于300 MPa，抗拉強度標準規(guī)定不小于420 MPa，已被列入國家現(xiàn)行標準《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）。

本試驗采用的輕骨料混凝土是將新型材料陶粒代替普通混凝土中部分石子，加入河砂、水泥和水按一定比例配制成表觀密度小于1 950 kg/m3的混凝土，陶粒混凝土具有輕質(zhì)高強、耐火性能好和抗震性能好等優(yōu)點[3]，陶粒如圖1所示。

圖1 頁巖陶粒

混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)錨固是二者工作的前提，粘結(jié)力主要由化學(xué)膠著力、摩阻力及機械咬合力組成。郝彤等人[4]研究了HPB300鋼筋與全輕混凝土的粘結(jié)錨固性能，試驗研究表明錨固長度與混凝土的抗拉強度兩個主要因素影響光圓鋼筋與混凝土之間的錨固性能。衛(wèi)紀德等人[5]的試驗研究表明在普通混凝土和砂輕混凝土的強度等級相同時，砂輕混凝土的粘結(jié)強度大，是由于砂輕混凝土強度比普通混凝土的大。為了減輕結(jié)構(gòu)自重，在實際工程中應(yīng)用輕骨料混凝土，故需要對HPB300鋼筋與輕骨料混凝土之間的粘結(jié)錨固性能進行研究。本試驗采用中心拉拔試驗研究了4組共54個試件，分析了混凝土立方體抗壓強度、保護層厚度、錨固長度、鋼筋直徑等因素對HPB300鋼筋與陶粒混凝土的粘結(jié)錨固性能的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗所用由湖北宜昌匯騰陶粒制品貿(mào)易有限公司提供的碎石型頁巖陶粒，根據(jù)《輕骨料及其試驗方法第1部分：輕集料》（GB/T 17431.1-2010）和《輕集料及其試驗方法第2部分：輕集料試驗方法》（GB/T 17431.2-2010）標準對材料進行材性試驗，砂子為普通河砂，水泥為P?O42.5級水泥，外加劑為固態(tài)聚羧酸高效減水劑，水為生活用水，其陶粒的力學(xué)性能如表1所示。HPB300級鋼筋的直徑分別為12 mm、14 mm、16 mm，根據(jù)《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱軋光圓鋼筋》（GB 1499.1-2017）進行材性性能試驗，鋼筋的具體參數(shù)見表2所示。

表1 頁巖陶粒的力學(xué)性能

表2 鋼筋的力學(xué)性能指標

1.2 試件設(shè)計

本試驗采用輕骨料混凝土的設(shè)計強度等級 分 別 為 LC 30、LC 35、LC 40、LC 45， 立方體混凝土軸心抗拉強度由公式=0.26計算得到，軸心抗拉強度如表3所示。試件橫截面尺寸為100 mm×100 mm，加載端鋼筋的長度為350 mm，為了減少加載端混凝土的局部受壓影響，設(shè)置20 mm的PVC套管，中心置筋的試件保護層厚度為42 mm，且鋼筋位于軸線上。試件尺寸如圖2所示。錨固長度分別為5 d、15 d、20 d，試件分類見表4。

表3 混凝土的抗壓強度

表4 試驗結(jié)果

表4 （續(xù)）

圖2 試件尺寸

1.3 加載裝置

試驗采用中心拉拔試驗，加載裝置示意圖如圖3所示，采用24點CM-1L靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進行采集數(shù)據(jù)，采集系統(tǒng)裝置如圖4所示，30 T一體式錨桿拉拔儀測量鋼筋與混凝土之間的相對滑移，加載裝置如圖5所示，試驗采用分級加載的方法。

圖3 加載裝置示意圖

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖5 加載裝

1.4 試驗結(jié)果

根據(jù)試件的破壞過程中各級荷載對應(yīng)的滑移值，由計算平均粘結(jié)應(yīng)力。通過試驗現(xiàn)象得到試件均發(fā)生鋼筋的拔出破壞，混凝土沒有發(fā)生劈裂，也未有劈裂聲響，試件表面無明顯裂縫產(chǎn)生，試驗結(jié)果見表4，試件的破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 試件破壞形態(tài)

由試驗結(jié)果可以得到陶粒混凝土與HPB300級鋼筋的p -s曲線和τ-s曲線如圖7、圖8所示。

圖7 拔出破壞的p -s曲線

圖8 拔出破壞的τ-s 曲線

（1）隨著荷載的加載，加載端相對自由端發(fā)生微小滑移。此時，兩者之間的粘結(jié)力為化學(xué)膠著力，由加載端逐漸向自由端滲透，但未到達自由端。

（2）隨著荷載繼續(xù)增加，自由端發(fā)生滑移，此時化學(xué)膠著力轉(zhuǎn)變?yōu)槟ψ枇Αｄ摻畋砻娲植诔潭葲Q定摩阻力的大小。當拉拔力達到極限拉拔力的70%左右時，滑移表現(xiàn)為明顯的增長趨勢，荷載-滑移（p -s曲線）呈現(xiàn)曲線形式。

（3）繼續(xù)持續(xù)加載，滑移量增加。當達到最大荷載時，摩阻力最大，超過最大荷載，摩阻力逐漸減小，p -s曲線呈下降趨勢。當陶粒混凝土中骨料充分磨碎后，強度趨于穩(wěn)定，此時殘余強度反映了摩阻力的最小值，鋼筋被拔出則試件破壞。

HPB 300鋼筋與頁巖陶粒混凝土的粘結(jié)錨固均發(fā)生鋼筋的拔出破壞。破壞時，試件表面沒有明顯的裂縫發(fā)生，但是從試件的加載端看到試件內(nèi)部有明顯的微裂縫，而微裂縫并沒有發(fā)展到試件表面，從而得到τ-s曲線有上升段和下降段。

2 HPB 300鋼筋與輕骨料混凝土的粘結(jié)錨固性能分析

2.1 混凝土強度

試驗A類設(shè)計了4組，每組3個，共12個試件，研究HPB300鋼筋與高強陶粒混凝土的粘結(jié)錨固性能。通過A組試驗現(xiàn)象可發(fā)現(xiàn)試件均為鋼筋的拔出破壞，此種原因是由于HPB300鋼筋的粘結(jié)力主要取決于化學(xué)膠著力和摩阻力，且均與混凝土的強度有關(guān)，故混凝土強度等級影響粘結(jié)強度。將試驗結(jié)果進行擬合得到公式（1），相關(guān)系數(shù)為0.97，圖9為粘結(jié)強度和混凝土抗拉強度的相關(guān)曲線圖。由圖9可知，粘結(jié)強度與混凝土抗拉強度ft呈正相關(guān)，隨著混凝土強度提高，粘結(jié)強度越大。

圖9 混凝土強度的影響

式中n為試件樣本數(shù)（下同）。

2.2 保護層厚度

為了研究相對保護層厚度與HPB300鋼筋與頁巖陶粒混凝土的粘結(jié)強度的影響，設(shè)計了B類4組，每組3個共12個，且與A-1-2、A-1-4組試件共18個試件。通過試驗現(xiàn)象得到B組試件均為鋼筋的拔出破壞。將試驗結(jié)果進行數(shù)值擬合得到公式（2），圖10為相對保護層厚度c/d與相對粘結(jié)強度的關(guān)系曲線，相關(guān)系數(shù)為0.90。由圖10可知，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，隨著相對保護層厚度c/d的增加，鋼筋的約束力逐漸增強，相對粘結(jié)強度τu/ ft增大。

圖10 相對保護層厚度的影響

2.3 錨固長度

為了研究鋼筋錨固長度對粘結(jié)強度的影響，試驗設(shè)計C類6組與A-1-2、A-1-4共24個試件共同研究。通過試驗現(xiàn)象可知C組試件均為鋼筋的拔出破壞，將試驗結(jié)果進行擬合得到公式（3），相關(guān)系數(shù)為0.92，圖10為相對錨固長度la/d與相對粘結(jié)強度τu/ ft的關(guān)系曲線圖。由圖11可知，兩者呈負相關(guān)關(guān)系，隨著la/d的增加，相對粘結(jié)強度τu/ ft逐漸減小。

圖11 相對錨固長度的影響

2.4 鋼筋直徑

為了研究鋼筋直徑對粘結(jié)強度的影響，試驗設(shè)計D類4組且與A-1-3、A-1-4共18個試件，通過試驗現(xiàn)象可知D類試件均為鋼筋的拔出破壞。將試驗結(jié)果進行數(shù)值擬合得到公式（4），圖12為鋼筋直徑d與相對粘結(jié)強度τu/ ft的相關(guān)曲線圖。由圖12可知，相對粘結(jié)強度隨鋼筋直徑的增加而減小，呈負相關(guān)關(guān)系，隨著鋼筋直徑的增大，相對粘結(jié)面積增大，拉拔力也增大，但粘結(jié)應(yīng)力減小。

圖12 鋼筋直徑的影響

根據(jù)以上的分析可知，HPB300級鋼筋與頁巖陶粒混凝土的粘結(jié)錨固性能較差，其自身無法持力，因此在實際工程中，需要采用機械錨固措施來增加其錨固作用，我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）規(guī)定的機械錨固形式有90°彎鉤、135°彎鉤、一側(cè)貼焊錨筋、兩側(cè)貼焊錨筋、穿孔塞焊錨板和螺栓錨頭等。HPB300級鋼筋可以在其受力段的末端做彎鉤，或與橫筋、錨板焊接的方式增強其粘結(jié)錨固性能[1]。

3 HPB300鋼筋與輕骨料混凝土的極限粘結(jié)性能分析

HPB300鋼筋與輕骨料混凝土的極限粘結(jié)強度較低，這是由于二者的錨固作用主要由化學(xué)膠著力和摩阻力組成，其中化學(xué)膠著力影響較小，摩阻力與鋼筋的表面粗糙程度相關(guān)，即鋼筋表面越粗糙，摩阻力越大。

影響未配置橫向約束箍筋構(gòu)件的粘結(jié)應(yīng)力的主要因素為輕骨料混凝土軸心抗拉強度，ft，相對保護層厚度c/d，相對錨固長度la/d經(jīng)過所有試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計回歸，得到極限粘結(jié)應(yīng)力τu的關(guān)系為公式（5）所示。

本文得到的公式與徐有鄰等人[6]通過試驗得到光圓鋼筋與普通混凝土極限粘結(jié)強度表達式對比可得，混凝土強度等級相同時，HPB300鋼筋與輕骨料混凝土之間的粘結(jié)性能并不比普通混凝土差。與郝彤等人[4]的全輕混凝土與HPB300鋼筋的極限粘結(jié)錨固強度表達式相比，影響光圓鋼筋與混凝土之間的錨固性能的主要因素為混凝土的抗拉強度和錨固長度，砂輕混凝土的粘結(jié)錨固性能與全輕混凝土的粘結(jié)錨固性能具有相似的規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）HPB300鋼筋與輕骨料混凝土的粘結(jié)錨固破壞形式均為鋼筋的拔出破壞。