混凝土强度对粉煤灰混凝土粘结性能的影响.pdf

第 3 8卷第4期 2 0 1 2年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 8 5 混凝土强度对粉煤灰混凝土粘结性能的影响 王 倩 ， 吴 瑾 ( 1 ． 连云港职业技术学院， 江苏 连云港2 2 2 0 0 6 ； 2 ． 南京航空航天大学土木工程系， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ) 摘要： 试验研究了混凝土强度对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的影响。结果表明 ： 钢筋与粉煤灰混凝土的粘结 性能随着混凝土强度的提高而增强； 随着混凝土强度的增大， 加载端的钢筋应变亦变大； 混凝土强度等级为 C 4 5的 试件应力峰值的漂移更明显。 关键词： 粉煤灰混凝土； 粘结性能； 混凝土强度； 粘结应力分布 中图分类号： T U 5 2 8 ． 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 8—1 9 3 3 I 2 0 1 2 ) 0 4—1 8 5— 0 4 Th e i mp a c t o f c o n c r e t e s t r e n g t h o n b o n d p e r l e Ir ma n c e b e t we e n fl y a s h c o n c r e t e a n d s t e e l b a r s WA N G Q i a n L ， ． WU J i n ( 1 ． L i a n y u n g a n g T e c h n i c a l C o l l e g e ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 6， C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t ron a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e i mp a c t o f c o n c r e t e s t r e n g t h o n b o n d p e rf o r ma n c e b e t w e e n fl y a s h c o n c r e t e and s t e e l b a r s h a s b e e n e x p e r i me n t e d i n t h e s t u d y ． Th e ben d s t r e s s b e t w e e n c o n c r e t e a n d s t e e l b a r s c o u l d be i mp r o v e d a n d t h e s t e e l s t r a i n w e re b i g g e r tha n t h a t o f o t h e r s p e c i me n s 8 ．8 c o n c ret e s t r e n g t h i n c rea s e d ． T h e b o n d s t r e s s a t e v e r y me asu r i n g p o i n t i n c rea s e d w i t h t h e i n c r e ase o f t h e l o a d ． T h e p e a k b o n d s t r e s s t e n d e d t o d r i f t t o wa r d t h e f r e e e n d as t h e l o a d i n c r e ase d ． Me a n w h i l e， t h e p e a k b 0 n d s t r e s s f o r t h e s p e c i me n s wit h C A5 t e n d e d t o d r i f t t o w a r d t h e f r e e e n d mo re o b v i o u s l y ． Ke y wo r d s ： f l y ash c o n c ret ； b o n d per f o r ma n c e ； c o n c r e t e s t r e n g t h； ben d s t res s d i s t rib u t i n g ^ ■ -- 。 U 刖 罱 若钢筋和混凝土有相对变形 ( 滑移) ， 就会在钢 筋和混凝土的界面上产生沿钢筋轴线方向的相互作 用力 ， 这种力称为钢筋和混凝 土的粘结力。粘结力 的存在是钢筋与混凝土二者能够协调工作的基础 。 钢筋与混凝土之间的可靠粘结是保证钢筋和混凝土 共同工作的前提条件， 粘结的失效必然会导致钢筋 混凝土结构力学性能的降低和破坏。故钢筋与混凝 土的粘结是一个 重要 的课题 - l J 。钢筋 与混凝 土间 的粘结滑移关系， 一直是许多从事混凝土基础理论 研究学者极感兴趣的课题之一， 但也是一个研究的 难点， 其机理非常复杂。随着新材料的应用， 特别是 为了混凝 土材性 的改善 ， 采用 了如添加 纤维材 料 ( 钢纤维 、 聚丙烯纤维 ) 、 掺入矿物 细掺料 ( 粉煤灰 、 收稿 日期 ： 2 0 1 1 -0 3 - 0 9 作者简介 ： 王倩( 1 9 7 2一 ) ， 女 ， 江苏灌 云人 ， 副教授 ， 南京航空航 天 大学土木工程系在读博士 ， 主要从 事建筑材 料教学工 作及混凝 土耐 久性研究。 基金项 目： 江苏省“ 六 大人才 高峰” 资助项 目( 2 0 0 8 1 8 3 ) E —m a i l ： b o y n 2 0 0 9 @ 1 6 3 ． ( 5o m 硅粉、 沸石粉) 、 添入添加剂( 减水剂、 早强剂) 等方 法。但当混凝土材性改善后 ， 它与钢筋共同工作 的 机理又将会产生哪些有利和不利的影响， 是 目前迫 切需要研究解决的课题 J 。国内外对普通混凝土 与钢筋的粘结性能的研究 已形成了一系列较为成熟 的理论 ， 而关于粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的研 究还很少。因此 ， 随着粉煤灰混凝 土在实际工程中 的进一步推广应用， 对粉煤灰混凝土与钢筋的粘结 性能进行深入的研究， 无论从扩充理论的角度还是 从指导具体工程实践的角度来说都是非常有意义 的。本文主要通过钢筋内贴应变片的拉拔试验， 研 究混凝土强度对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的影 响。 1 试验 1 ． 1 试验 目的与试验方案 主要目的是通过钢筋内贴片拉拔试验来研究混 凝土强度对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的影响。 鉴于实际工程中螺纹钢筋用量较大， 本文仅对螺纹 钢筋制作拉拔试件进行试验 ， 参照 G B 5 0 1 5 2 - - -9 2 ( 混 l 8 6 四川建筑科学研究 第 3 8卷 凝土结构试验方法标准》 中钢筋和混凝土粘结强 度对 比试验的要求进行试验。试件尺寸 为边长 1 5 0 m m的立方体试块， 钢筋直径为 1 4 m lT l ， 采用山东莱 钢永锋钢铁有限公司生产的普通热轧钢筋 HR B 3 3 5 (Ⅱ) 级， 弹性模量 E= 2 ． 01 0 N ／m m 。钢筋内贴 应变片 ， 间距 1 4 m m。拉拔试件如图 1 所示 ， 钢筋应 变片粘贴位置如图2所示。 L 塑料套管 l ● ～ 混凝土试块 图 1 拉拔试 件 Fi g． 1 Pu l l - o ut s pe c i m e ns 验 机 、 位移传感器 、 T S 3 8 6 6 静态 电阻应变仪 。 每加 1 4 ~ 5 I I 【 【 l I 1 1 1 1 1 1 图2 钢筋应变片粘贴位置 Fi g． 2 Lo c a t i o n o f s t r a i n g aug e 载 5 k N采集一次数据。 1 ． 2混凝土原材料及其性能 水泥采 用连 云 港 中联 水 泥有 限公 司生 产 的 4 2 ． 5级普通硅酸盐水泥； 粉煤灰采用连云港新海 电 厂的 I 级灰 ； 石子采用连云港马涧 山石子， 粒径为 5 — 3 1 ． 5 m m， 连续级配； 砂为山东 郯城 Ⅱ区中砂 ， 细 度模数 2 ． 7 。减水剂采用南京博特建材有限公 司生 产的J M 一 1 0型高效减水剂。试验用粉煤灰混凝土配 试验主要设备为 WD W3 3 0 0型微控电子万能试 合比见表 1 。 表 1 粉 煤灰 混凝土配合 比 Ta bl e 1 The m i x p r op or t i o n o f fly a s h c o nc r e t e 浇筑拉拔试件 的同时， 每组 配合 比的粉煤灰混 凝土均预留1 组3 个立方体试块以确定混凝土的抗 压强度 ， 预 留试块 尺寸 为 1 0 0 mm X 1 0 0 m m x 1 0 0 I T I 1 T I ， 养护 2 8 d 后 ， 测试其强度 ， 试验结果见表 2 。 表 2 粉煤灰混凝土立方体抗压强度 Ta b l e 2 Cu b i c c o mp r e s s i o n s t r e n g t h o f f l y ash c o n c r e t e 2 钢筋内贴片拉拔试验结果分析 2 ． 1 混凝土强度对粘结应力一 自由端滑移关 系曲 线的影响 粘结应力 在钢筋的锚 固段不是均匀分布的。 许多研究均发现 ， 丁一 s曲线在不同的位置是变 化的， 即钢筋与混凝土 的粘结应力 不仅与相对滑 移有关， 而且随位置坐标 而改变， 因此丁对 存在 一 个 函数关系。粘结滑移基本关系一般采用平均粘 结应力一 相对滑移关系来表述- 6 J 。因此 为了简便起 见 ， 常采用平均粘结应力来描述粘结性能， 以最大平 均粘结应力代表钢筋与混凝土的粘结强度 ．r 。 各级荷载作用下 的平均粘结应力按下式计算 ： ’ 丁 式中 丁 ——粘结应力( MP a ) ； 卜外加荷载( k N) ； 钢筋直径( m m) ， 在此试验中 ， 因为钢 筋内部开槽， 根据等截面原理， 计算出 d =1 3 ． 2 5 mm ； 2 ——钢筋埋入长度 ， 在此试验 中为 7 0 ra i n ( 5倍 的钢筋直径) 。 典型 的粘结滑移关系曲线可以划分为五段 ， 但 由于本次试验所用设备 的局 限性 ， 本次试验 只能绘 出微滑移段、 滑移段和劈裂段， 不能绘出下降段和残 余段 。鉴于本试验中加载端的滑移值测试的可靠性 较低 ， 本文采用平均粘结应力一 自由端滑移曲线来建 立粘结滑移本构关系。 各组试件均为剪切型破坏 ， 各组试件最大破坏 荷载及最大平均粘结应力见表 3 。 表 3 不同混凝土强度的试件粘结应力对比 Ta b l e 3 Co n t r a s t o f b o n d s t r e s s f o r s p e c i me n s wi t h di f e r e n t s t r e ng t h o f fly as h c o nc r e t e 王倩 ， 等 ： 混凝土强度对粉煤灰混凝土粘结性 能的影 响 1 8 7 在锚 固长度( 7 0 m m) 、 粉煤灰掺量( 1 0 ％) 和钢 筋直径 ( 1 4 mm) 相 同的情况下 ， 根据编号 为 A， B， C 组试件 的试验数据 ， 以各级荷载下 的平均粘结应力 为纵坐标 ， 锚 固位置 ( 以离加载端距离确定 应变片 具体位置) 为横 坐标 ， 图 3绘 出了混凝 土强度等级 为 C 4 5 ， C A 0和 C 3 5的拉拔试件对应的粘结应力一自 由端滑移关系曲线 。 ．0 ． 2 0 0 O 0 0 ． 2 0 0． 40 0 6 0 0 ． 8 O 1 ． 0 0 1 ． 2 0 自由端滑移 ／ mm 图 3 粘结应力一 自由端滑移关 系曲线 Fi g． 3 Bond s t r e s s a nd s fip r e l at i on s hi ps 从图 3中可以看 出， 在其他条件相同的情况下 ， 混凝土强度越高 ， 构件破坏时所需的外力越大 ， 粘结 应力相对较大 ， 同样大小的粘结应力产生的钢筋滑 移值较小。这与钢筋 和普通 混凝土 的粘 结规律相 同。主要原因是： 当提高混凝土的强度， 混凝土和钢 筋的化学胶结力和机械咬合力随之增加， 但对摩阻 抗滑力 的影响不大。同时 ， 混凝 土抗拉 ( 裂 ) 强度的 增大 ， 延迟了拔出试件 的内裂和劈裂应力 ， 提高 了极 限粘结强度和粘结刚度。 2 ． 2 混凝土强度对钢筋应变一 锚 固位置关 系 曲线 的影响 在锚固长度( 7 0 ra m) 、 粉煤灰掺量 ( 1 0 ％) 和钢 筋直径( 1 4 m m) 相同的情况下 ， 根据编号为 A， B， C 组试件的试验数据 ， 以各测点位置处 的钢筋应变为 纵坐标 ， 锚 固位 置 ( 以离加载端距离 确定应变片具 体位置) 为横坐标， 图4 ～ 6绘出了混凝土强度等级 为 C 3 5， C 4 0和 C 4 5的拉拔试件在各级荷载作用下 的钢筋应变沿锚固长度 的分布规律。 0 1 O 2O 3 0 40 5 0 6 0 7 0 8 0 距加载端距离 ， mm 图 4 钢筋应变沿锚固长度的分布规律( C 3 5) F i g ． 4 D i s t r i b u t i o n s o f s t e e l s t r a i n f o r s p e c i me n s【 C 3 5 ) 从图 4— 6可 以看出， 在荷载较小时 ， 钢筋应变 在加载端附近变化速度较快 ， 主要 原因是在荷载较 小时， 粘结应力主要集中在加载端 ， 钢筋应力变化靠 ＼ 趟 淫 器 k N 4 k N 5k N 1 0 k N 1 5 k N r+Ok N+2 + + + + 0 1 0 2 0 3 O 4 o 5 O 6 O 7O 8 0 距 加 载端距 离 ／ mm 图 5 钢筋 应变 沿锚 固长度的分布 规律 ( C A0 ) F i g ． 5 Di s t ri b u t i o n s o f s t eel s t rai n f o r s pec i me n s( C 4 0 ) 0 1 O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 距加载端距离／ mm 图6 钢筋应变沿锚固长度的分布规律( C A 5 ) F i g ． 6 D i s t ri b u t i o ns o f s t eel s t rai n for s pec i me n s( C 4 5 ) 近加载端较大。当出现微裂缝时， 应力重新分布使 钢筋应力更多的转化 为沿锚 固长度方 向的传递 J 。 随着荷载增大， 钢筋应变分布比较均匀， 因为应力峰 值随加载过程内移。 结合图 3可以看出 ， 随着混凝土强度的增加 ， 加 载端的钢筋应变变大 ， 粘结破坏 的外加荷载 变大。 这是因为钢筋与混凝土的粘结性能随着混凝土强度 的提高而增强。 2 ． 3 混凝土强度对粘 结应力一 锚 固位置关 系曲线 的影响 用钢筋内贴片获得了各级荷载下沿锚 固长度各 测点的钢筋应变后， 本文根据文献[ 9 ]推荐的粘结 应力拟合方法 ， 直接计 算各测点位置处 的粘结应力 值。 在锚 固长度( 7 0 m m) 、 粉煤灰掺量 ( 1 0 ％) 和钢 筋直径 ( 1 4 m m) 相同的情况下 ， 根据编号为 A， B， C 组试件 的试验数据 ， 以各测点位置处的粘结应力为 纵坐标 ， 锚固位置 ( 以离加载端距离确定应 变片具 体位置) 为横坐标 ， 图 7～ 9绘出了混凝土强度等级 为 C 3 5 ， C 4 0和 C 4 5的拉拔试件在各级荷载作用下 的粘结应力沿锚 固长度的分布规律。 0 1 0 2 0 3 0 加 S 0 6 O 70 80 距 加载 端距 离 ／ mm 图7 粘结应力沿锚固长度的分布规律( C 3 5) F i g ． 7 D i s t r i b u t i o ns o f b o n d s t r e s s for s p e c i me n s ( C 3 5) 1 8 8 四川建筑科学研究 第 3 8卷 日 3 0 塞 2 0 鬈10 舞0 U l 0 2 0 j U 4 0 5 1 ) 6 0 1 0 8 1) 距加载端距离 ／ in r fl 图9 粘结应力沿锚固长度的分布规律 ( C 4 5 ) F i g ． 9 Di s t r i b u t i o n s o f b o n d s t r e s sf o r s p e c i me n s ( C 4 5 ) 从图中可以看出， 在荷载较小时， 粘结应力主要 集中在加载端， 靠近自由端的应力很小。随着荷载 的增大， 各点粘结应力均相应的增大， 应力峰值有向 自由端漂移的趋势。对 比图7～ 9可看出， 混凝 土强 度等级为 C 4 5的试件应力峰值的漂移更明显。 3 结论 针对不同强度等级的粉煤灰混凝土， 通过钢筋 内贴应变片的拉拔试验分析 ， 可以得到如下结论 。 1 ) 钢筋与粉煤灰混凝土的粘结性能随着混凝 土强度的提高而增强。在其他条件相 同的情况下 ， 混凝土强度越高 ， 试件破坏时所需的外力越大 ， 粘结 应力相对较大， 同样大小的粘结应力产生的钢筋滑 移值较小。 2 ) 随着混凝土强度的增加 ， 加载端的钢筋应变 增大。在荷载较小时 ， 钢筋应变在加载端 附近变化 速度较快。随着荷载增大 ， 钢筋应变分布趋于均匀。 3 ) 在荷载较小时， 粘结应力主要集中在加载 端 ， 靠近 自由端的应力很小。随着荷载的增大 ， 各点 粘结应力均相应 的增 大， 应力峰值 向 自由端漂移。 混凝土强度等级为 C 4 5的试件应力峰值的漂移更 明显 。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 徐有邻， 沈文都， 汪洪． 钢筋混凝土粘结锚固性能的试验研 究[ J ] ． 建筑结构学报， 1 9 9 4 ， 1 5 ( 3 ) ： 2 6 - 2 7 ． [ 2 ] 高向玲， 李杰． 钢筋混凝土粘结锚固的研究进展[ J ] ． 结构工 程师 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 2 9 - 3 3 ． [ 3 ] G B 5 0 1 5 2 - - 9 2混凝土结构试验方法标准[ S ] ． [ 4 ] S o m a y a j i S ， S h a n S P ． B o n d S t r e s s V e r s o s S l i p R e l a t i o n s h i p a n d C r a c k i n g R e s p o n s e o f T e n s i o n M e m b e r s [ J ] ． A C I J o u r n a l ， P r o c e e d — i n g s ， 1 9 8 1 ， 7 8 ( 3 ) ： 2 1 7 - 2 2 4 ． [ 5 ] T a s s i o s T P ， Y a n n o pou l o s P J． A n a l y t i c a l S t u d i e s o n R e i n f o r c e d C o n c r e t e Me mb e rs Un d e r Cy c l i c Lo a d i n g B a s e d o n Bo n d S t r e s s — S l i p R e l a t i o n s h i p s [ J ] ． A C I J o u r n a l ， P r o c e e d i n g s ， 1 9 8 1 ， 7 8 ( 3 ) ： 2 O 6_ 2 1 6． [ 6 ] 赵羽习， 金伟良． 钢筋与混凝土粘结本构关系的试验研究[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 3 2 - 3 7 ． [ 7 ] H A O Q i n g d U o ， W A N G Y a n l e i ， Z h a n g Z h i c h u n ， e t a1 ． B o n d S t r e n g t h I m p r o v e m e n t of G F R P R e b a r w i t h D i ff e r e n t R i b G e o m e tr i e s [ J ] ． J o u r n a l of Z h e j i a n g U n i v e r s i t y S C I E N C E A， 2 0 0 7， 8( 9) ： 1 3 5 6 — 1 3 6 5． [ 8 ] 薛雪云． 粉煤灰混凝土粘结性能的试验研究[ D ] ． 西安： 西安 建筑科技大学 ， 2 0 0 8 ． [ 9 ] 洪小健， 张誉． 粘结滑移试验中的粘结应力的拟合方法[ J ] ． 结构工程师 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 4 4 48 ．