粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土粘结性能的影响.pdf

第 3 8卷第 5期 2 0 1 2年 1 O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 l 7 9 粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土粘结性能的影响 王倩 ， 吴瑾 ， 徐海群 ( 1 南京航空航天大学土木工程系， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ； 2 连云港市水利局 ， 江苏 连云港2 2 2 0 0 0 ) 摘要： 试验研究了粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的影响。结果表明： 掺加粉煤灰可以提高混凝土 与钢筋的粘结应力； 掺粉煤灰的混凝土拉拔试件钢筋应变沿锚 固长度上的分布更均匀； 粉煤灰掺量为2 0 的拉拔 试件的极限粘结应力和极限滑移值均较大且粘结应力在锚固长度上的分布比较均匀。 关键词： 粉煤灰 昆 凝土； 粘结性能； 粉煤灰掺量； 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 ( 2 0 1 2 ) O 51 7 9 0 4 Th e i mp a c t o f fly a s h c o n t e n t o n b o n d p e r f o r ma nc e b e t we e n fly a s h c o n c r e t e a n d s t e e l ba r s WA N G Q i a n ， wu J in ， x u H a i q u n ( 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i 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 r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 L i a n y u n g a n g Wa t e r B u r e a u ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e i mp a c t o f fl y a s h c o n t e n t 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 a n d 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 b o n 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 rs c o u l d b e i mp r o v e d a n d t h e d i s t rib u t i o n o f s t e e l s t r a i n a l o n g t h e a n c h o r a g e s l e n g t h b e c a me mo r e u n i f o r m b y a d d i n g fl y a s h i n c o n c r e t e s p e c i me n s A f t e r a d d i n g a p p r o p ria t e a mo u n t o f f l y a s h ， i t w a s f o u n d t h a t b o t h u l t i ma t e bo n d s t r e s s a n d u l t i ma t e s l i p d e f o rm a t i o n w e r e b i g g e r t h a n t h a t o f o t h e r s p e c i me n s Me a n w h i l e， t h e d i s t rib u t i o n o f b o n d s t r e s s alo n g t h e a n c h o r a g e l e n gth b e c a me mo r e u n i f o r m Ke y wo r d s ： fl y a s h c o n c r e t e ； bo n d p e r f o rm a n c e ； fl y a s h c o n t e n t ； b o n d s t r e s s d i s t rib u t i n g 0 引 言 若钢筋和混凝土有相对变形( 滑移) ， 就会在钢 筋和混凝土的交界面上 ， 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 的退化和失效必然 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。钢筋与 混凝土间的粘结滑移关 系， 一直是许 多从事混凝土 基础理论研究的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 收稿 日期 ： 2 0 1 1 4 3 4 - 2 9 作者简介： 王倩( 1 9 7 2一 ) ， 女， 副教授， 在读博士， 主要从事混凝土 材料及其结构性能研究。 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 c o rn 纤维材料( 钢纤维 、 聚丙烯纤维 ) 、 掺人矿物细掺料 ( 粉煤灰、 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。本文主要通过钢筋内贴应变片 的拉拔试验 ， 研究粉煤灰掺量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研究粉煤 灰掺量对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的影响。根 据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 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 mm， 采用 山东莱 l 8 O 四川建筑科学研 究 第 3 8卷 钢永锋钢铁有限公司生产 的普通热轧钢筋 H R B 3 3 5 ( I I ) 级 ， 弹性模量 E= 2 0 X 1 0 N m m 。钢筋内贴 应变片 ， 间距 1 4 mm。拉拔试件见图 1 ， 钢筋应变片 粘贴位置见图 2 。 图 1 拉拔试件 Fi g 1 Pu l l - o ut s pe c i me ns 图 2 钢 筋应变片粘贴位置 Fi g 2 Lo c a t i on o f s t r ai n g aug e 试验 主要设备为 WD W3 3 0 0型微控电子万能试 验机 、 位移传感器 、 T S 3 8 6 6静态电阻应 变仪。每加 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 ， 其技术指标见表 1 ； 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 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 1 0型高效减水剂 。试验 用粉煤灰混凝土配合比见表 2 。 表 1 粉煤灰 的物理性能指标 Ta bl e 1 M a t e r i a l pa ra me t e r s of fly a s h 表 2 粉 煤灰 混凝土配合 比 Ta bl e 2 The mi x p r op or t i o n o f fly as h c o nc r e t e 豢 一纛 O 1 8 5 2 9 8 1 O 1 8 5 2 8 5 1 5 l 8 5 2 7 8 2 O 1 8 5 2 7 0 0 7 9 4 3 2 78 4 4 9 7 7 9 6 8 7 7 3 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 v i1 1 0 0 mm， 养护 2 8 d后 ， 测试其强度 ， 试验结果见表 3 。 表 3 粉煤灰 混凝土立方体抗压强度 Ta bl e 3 Cubi c c o m p re s s i on s t r e n gt h o f fly as h c o nc re t e 编号 A B C D 强度等级 C 3 5 C 3 5 C 3 5 C 3 5 粉煤灰掺量 0 l 0 1 5 2 0 2 8 d抗压强度值 MP a 4 1 3 4 2 0 5 0 8 5 5 3 从表中看出 ， 粉煤灰掺量为 2 0 的混凝土与其 它掺量的混凝土相 比， 在 2 8 d的强度较高。 2钢筋 内贴 片拉拔试验结果分析 2 1 粘结应力一 自由端滑移关系 粘结应力 r在钢筋的锚 固段不是均匀分布的。 许多研究均发现 引， 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 而变 ， 因此 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 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 J 。 各级荷载作用下的平均粘结应力按下式计算 ： F 式 中 丁粘结应力( M P a ) ； 外加荷载( k N) ； d 钢筋直径( m m) ； f 钢筋埋人长度。 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列于表 4 。由于粉煤灰掺 量为 2 0 的拉拔试件 的 2 8 d抗压强度较大 ， 因此 ， 该试件拉拔时最大破坏荷载及最大平均粘结应均较 大。 表 4 不 同粉煤灰掺量混凝土的粘结应 力对比 Ta bl e 4 Co nt r a s t o f bo nd s t r e s s f o r s pe c i m e n s wi t h d i f e re ntf l y ash c on t e nt 里 旦 粉煤灰掺量 0 1 0 1 5 2 0 拉拔 时最大破坏荷载 k N 4 8 3 5 2 0 5 8 9 6 2 7 景大平均粘结应j 3 MP a 1 6 5 8 1 7 8 5 2 0 2 2 2 1 5 3 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i 贝 0 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。 在锚固长度 7 0 m m、 混凝土强度等级 C 3 5和钢 筋直径 1 4 mm相同的情况下 ， 根据编号为 A， B ， C， D 4组试件的试验数据 ， 以平均粘结应力为纵坐标 ， 钢 9 2 4 3 4 4 4 6 3 6 8 5 5 5 5 A B C D 2 0 1 2 N o 5 王倩， 等： 粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土粘结性能的影响 1 8 1 筋 自由端滑移量为横坐标 作 出粉煤灰掺量 分别为 O ， 1 0 ， 1 5 和 2 0 的拉拔试件 的平均粘结应力 一 自由端滑移关系曲线 ， 如图 3所示。 一粉煤灰掺量O 一粉煤 灰掺量 1 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 I 2 1 4 自由端滑移 ml n 图 3 不同粉煤灰掺 量的粘结应力一 自由 端滑移关 系 Fi g 3 Bo n d s t r e s s a n d s l i p r e l a t i o n s h i p s 从图 3中可以看 出， 4种粉煤灰掺量 的粘结应 力一自由端滑移关系 曲线极 为相近。在其它条件相 同的情况下 ， 粉煤灰掺量为 2 0 的拉拔试件 自由端 开始滑移时对应的粘结应力相对较大 ， 在相 同的粘 结应力时 自由端滑移较小 ， 且破坏时相对 的粘结力 大 ， 极 限滑移值 也较大。对 比粉煤灰掺量为 O 的 普通混凝土可以发现： 掺加适量 的粉煤灰可 以提高 混凝土与钢筋的粘结应力。其原因可 能如下 ： 粉煤 灰由于其本身的化学成分、 结构和颗粒形状等特征 ， 在混凝土中产生了“ 粉煤灰效应” 8 j ， 从而提高了混 凝土的匀质性与密实性 ， 这样有利于增加水泥凝胶 体与钢筋表面接触面积 ， 提高其化学胶着力 ； 同时， 密实性的提高有利于粉煤灰混凝土抗 压强度、 抗劈 裂能力的提高 ， 使混凝土与钢筋之 间的机械咬合力 有所增加。 2 2钢筋应变一 锚固位置关系 图4给出了钢筋直径 1 4 m m、 混凝土强度等级 C 3 5 、 粉煤灰掺量 2 0 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。 2 00 0 髻1o 0 0 娄 0 0l c N+ 4k N一5 一l 0 k N i 5 kN 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 O 距加载端距离 r a r n 图 4 钢筋应变沿锚 固长度的分布 规律 ( 粉煤灰掺量 2 0 ) F i g 4 Di s t r i b u t i o ns o f s t e e l s t r a i n f o r s p e c i me ns wi t I l 2 0 fly a s h c o nt e n t 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 近加载端较 大。随着荷载的增大 ， 沿锚 固长度方 向的钢筋应变 都相应增大 ， 且分布比较均匀 ， 主要原因是应力峰值 有 内移的趋势 。 在锚 固长度 7 0 mm、 混凝土强度等级 C 3 5 、 钢筋 直径 1 4 mm和外加荷载 4 O k N相 同的情况下， 根据 编号为 A， B， c， D 4组试件的试验数据 ， 以钢筋应变 为纵坐标 ， 锚 固位置 ( 以离 加载端距离确定应 变片 具体位置 ) 为横坐标作 出粉煤灰掺量分 别为 O ， 1 0 ， 1 5 和 2 0 的拉拔试件 的钢筋应 变一 锚 固位 置关系曲线 ， 如图 5所示。可以看出， 粉煤灰掺量对 钢筋应变的影响不大 ， 但是掺粉煤灰的混凝土拉拔 试件钢筋应变沿锚固长度方向的分布更均匀。 2 0 00 髫1o 0 o 摇 幂 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 距加载端距离， n l m 图 5 不 同粉煤灰掺量试件钢筋应变 沿锚 固长度 的分布规律 F i g 5 Di s t r i b u t i o ns o f s t e e l s t r a i n for s peci m e n s wi t h di ffe r e nt fly as h c o nt e nt 2 3 粘结应 力一 锚固位置关系 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。 图6绘出了钢筋直径 1 4 mm、 混凝土强度等级 C 3 5 、 粉煤灰掺量 2 0 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。 一 ， O I U 2 U 3 0 4U 5 0 6 U 7 U 8 U 距加载端距离 ， mm 图 6 不 同荷载等级时粉煤灰 掺量 为 2 0 试件粘结应力沿锚固位置的分布规律 F i g 6 Di s t rib u t i o n s o f b o n d s t r e ss for s p e c i m e n s wi t l I 2 0 fly ash c on t e nt 从 图6中可以看出， 随着荷载的增大 ， 各点的粘 结应力均相应增大 ， 靠近加载端的粘结应力 比靠近 自由端的粘结应力增长速度快。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， 应力峰值有向自由端漂移的趋势。 在锚固长度 7 0 m m、 混凝土强度等级 C 3 5 、 钢筋 l 8 2 四川建 筑科 学研 究 第 3 8卷 l U 2 0 30 4 U 5 0 b U ， U U 距加 载端距 离 mm 图 7 粉煤灰掺量对粘结应力一 锚 固 位置关系的影 响 Fi g 7 Di s t r i bu t i o ns o f bo nd s t r e s s f o r s pe c i me ns wi t h d i f f e r e nt fly a s h c ont e n t 3 结 论 通过对不同粉煤灰掺量的混凝土的钢筋内贴应 变片的拉拔试验分析 ， 可 以得到如下结论 ： 1 ) 掺加适量 的粉煤灰可 以提高混凝土与钢筋 的粘结应力。 2 ) 掺粉煤灰 的混凝土拉拔试件钢筋应变沿锚 固长度上的分布更均匀。 3 ) 对于掺量为 2 0 的粉煤灰混凝土试件 ， 在荷 载较小时 ， 粉煤灰混凝 土的粘结应力 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。 4 ) 掺量为 2 0 的粉煤灰混凝土拉拔试件的极 限粘结应力和极限滑移值均较大， 且粘结应力在锚 固长度上的分布比较均匀。 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 GB 5 0 1 5 2 - - - 9 2混凝土结构试验方法标准 S 4 S o ma y a j i S， S h a n S P B o n d S t r e s s V e rs u 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 rs 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 io s T P， Ya n n o pou i o s P J A n al i e al S t u d i e s o n R e i n f o r c e d Co n c r e t e Me mb e r s Un d e r C y c l i c L o a d i n g Ba s e d o n B o 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 rnal， P r o c e e d i n g s ， 1 9 8 1 ， 7 8( 3) ： 2 O 6- 2 l 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 HA O Qin g d n o ， WAN G Y a n l e i ， Z h a n g Z h i c h u n， e t a 1 B o n d S t r e n g t h I m p r o v e m e n t o f 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 t r i e s J J o u rna l of Z h e j i a n g U n i v e rsi 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 沈 旦 申， 张 荫济 粉煤 灰效 应 的探讨 J 硅 酸盐 学 报 ， 1 9 8 1 ( 1 ) ： 2 4 - 2 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 ( 上接 第 1 7 8页) 表值为 3 8 4 0 2 MP a 。由于该机场飞行区指标为 C类 等级 ， 按照 民用机场水泥混凝 土道 面设计 规范， 对水泥混凝土板的 设计值为不低于 5 0 MP a ， 对 应 的 E 为 3 8 0 0 0 MP a 。而且通过钻孔观察 ， 跑道中 部钻取的试件有 3个厚度低于设计厚度 ， 其余均满 足厚度要求， 混凝土密实。 4结论与建议 结合该机场道面的 P C I调查分析、 I R I的测试 分析 、 弯沉测试分析及混凝土劈裂试验结果 ， 可以得 出该机场跑道道面承载力较高 、 基本上不存在结构 性损坏 ， 但是道面存在纵向接缝错台、 横向接缝隆起 等病害 ， 且分布较广 ， 机场跑道平整度较差 ， 加剧该 机场训练机型起落架及对机场道 面的损害。因此， 建议对该飞行区道面进行功能性罩面维护。考虑到 该机场训练任务繁重 ， 停航施工会影 响正常 的飞行 教学训练任务 ， 故建议采用不停航施工 的方式对 飞 行区道面进行功能性罩面维护。 参 考 文 献 ： 1 F A A A C 1 5 0 5 3 2 0 - - -6 D， Air p o P a v e m e n t D e s i g n a n d E v a l u a t i o n s U S ：F A A， 1 9 9 5 2 MH T 5 0 2 4 -2 0 0 9民用机场道面评价管理技术规范 s 3 王显补， 刘玉海， 袁捷 厦门高崎机场跑道道面损坏评价及 其成因分析 J 中国民航学院学报， 2 0 0 5( 1 2 ) 4 j G E 3 0 -2 0 0 5公路水泥混凝土实验规程 s 5 凌建明， 郑悦锋， 金维明 机场道面评价体系研究 J 交通运 输工程学报 ， 2 0 0 1( 1 ) 6 冷培义 ， 翁兴 中， 蔡 良才 机场道 面设计 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 5 7 C C AR一1 4 0民用机场运行安全管理规定 S