钢筋与混凝土粘结——滑移关系

钢筋与混凝⼟粘结——滑移关系

混凝⼟与钢筋间粘结滑移性能向来作为钢筋混凝⼟结构的重要使⽤参考依据 ,它是钢筋与混凝⼟共同协调⼯作的基础和前提,正因为他们之间的界⾯存在相互的粘结⼒ ,促使两种材料能够实现应⼒的传递 ,从⽽实现承受外部荷载的作⽤,这⾜以显⽰它对钢筋混凝⼟结构的重要性。⽬前关于普通混凝⼟与钢筋间的粘结滑移性能进⾏了⼤量的研究,并已出台了相应的国家规范标准,⽽再⽣混凝⼟作为⼀种新型的绿⾊环保材料 ,其应⽤于实际⼯程前,还有许多性能有待研究解决,再⽣混凝⼟与钢筋间的粘结滑移性能就是其中亟待解决的问题之⼀。且再⽣混凝⼟区别于普通⾻料混凝⼟之处在于其⾻料采⽤废弃混凝⼟破碎产⽣,再⽣⾻料与⽔泥砂浆的界⾯情况远远复杂于普通⾻料 ,然⽽粘结滑移性能恰恰是钢筋与再⽣混凝⼟两种材料界⾯之间的相作⽤,由于⾻料界⾯的差异导致它们之间粘结界⾯的差异是必然的,这就更增加了对两种材料间粘结滑移性能研究的必要。钢筋与混凝⼟间粘结锚固性能是混凝⼟结构⼯作的前提和基础 ,⽬前关于再⽣⾻料混凝⼟与钢筋间的粘结性能,国内外仅仅进⾏了⼀些简单的拉拔试验研究。在对再⽣⾻料混凝⼟与钢筋之间的粘结强度进⾏了试验研究,得出的结论认为与普通混凝⼟的差异不⼤；通过试验发现再⽣⾻料混凝⼟与纵向钢筋的粘结强度远⼤于与横向钢筋的粘结强度与其他试验结论较为接近,认为再⽣⾻料混凝⼟与钢筋间的粘结强度较普通混凝⼟稍低。

考虑不同再⽣粗⾻料取代率、再⽣细⾻料取代率、强度、保护层厚度等因素对再⽣混凝⼟⼀钢筋间的粘结滑移进⾏试验,发现随着再⽣粗⾻料取代率的增加,粘结性能有所提⾼,且在60%达到最⼤；相反,随着再⽣细⾻料取代率的增加,粘结性能有所降低。但以上试验研究均统⼀采⽤基于平均粘结应⼒假设的简单拉拔试验进⾏试探性研究,即假设认为钢筋在再⽣混凝⼟中锚固段内的粘结应⼒处处相等 ,显然这并不完全符合实际钢筋受⼒状况。通过钢筋内贴⽚试验⽅法,完成了18个锈前钢筋—再⽣混凝⼟试块的拉拔试验,分别研究了再⽣⾻料取代率、钢筋种类、混凝⼟抗压强度对其粘结滑移性能的影响,同时对钢筋在再⽣混凝⼟中长锚和短锚两种情况下其粘结应⼒分布的差异进⾏了研究分析,最后通过量测的钢筋应⼒理论推导钢筋在再⽣混凝⼟中的粘结位置函数,从⽽确定其粘结⼀滑移本构关系。并得出以下结论:

1、相同⽔灰⽐条件下,螺纹钢筋⼀再⽣混凝⼟间粘结⼀滑移曲线与普通⾻

料混凝⼟粘结⼀滑移曲线形状相似,分成微滑、滑移、劈裂、下降、残余五个阶段 ,不同取代率情况下上升段较统⼀,但其峰值滑移量随取代率的增加逐渐减⼩。

2、随着取代率增加,钢筋再⽣混凝⼟粘结强度有所下降,下降幅度与再⽣混凝⼟强度及再⽣⾻料取代率有关,圆钢与再⽣混凝⼟间粘结强度远⼩于螺纹钢

粘结强度,约为螺纹钢粘结强度的1/4～1/7。

3、再⽣混凝⼟与钢筋间粘结位置函数与普通混凝⼟相似,粘结锚固位置函

数基本在(0.15-0.85)La 保持稳定,两端急剧变化,但相⽐普通⾻料混凝⼟⽽⾔,再⽣⾻料混凝⼟与钢筋粘结应⼒传递较快,粘结应⼒分布较均匀。针对再⽣混凝⼟与钢筋间粘结滑移位置函数特点,提出三折线粘结锚固位置函数模型。由于钢筋混凝⼟粘结性能的重要性,⼯程中对钢筋混凝⼟的相互作⽤⾮常重视,然⽽实

际结构在服役过程中长期暴露,在空⽓与⽔和氯离⼦等有害物质的相互作⽤下,钢筋逐渐出现锈蚀,当锈蚀初始,锈蚀物的产⽣能在⼀定程度上提⾼钢筋混凝⼟

间的相互粘结作⽤,随着锈蚀量的增加,则钢筋的锈蚀对结构性能具有较⼤危害,主要由于以下原因:1>、锈蚀量增加直接导致钢筋直径减⼩,结构承载⼒降低；

2>、钢筋横肋锈蚀,导致钢筋与混凝⼟机械咬合⼒减弱,粘结强度退化；3>、锈蚀产物填充钢筋混凝⼟之间的界⾯,且由于锈蚀产物体积膨胀,约为锈蚀前体积的2-4 倍,产⽣锈胀⼒,混凝⼟保护层胀裂,粘结应⼒⼤幅下降,钢筋混凝⼟⽆法协同⼯作传递应⼒。

再⽣混凝⼟作为⼀种绿⾊再⽣材料,其应⽤于实际结构中,必然⾯临钢筋锈蚀后与再⽣混凝⼟间粘结性能等耐久性问题,因此研究锈蚀后钢筋⼀再⽣混凝

⼟间粘结滑移性能具有重要意义,⽬前国内外关于普通混凝⼟与锈蚀钢筋间粘结性能研究较多,再⽣混凝⼟与锈蚀钢筋间的粘结滑移仅有⼗分少量的研究,尤其

考虑不同锈蚀率下钢筋开槽内贴⽚的研究基本未见相关报到,分别研究了再⽣⾻料取代率、钢筋锈蚀率对其粘结滑移性能的影响,最后通过量测的钢筋应⼒理论推导钢筋锈蚀前后在再⽣混凝⼟中的粘结位置函数,从⽽确定其r-s本构关系,

同时,揭⽰了钢筋锈蚀前、后粘结锚固位置函数差异的机理原因。⽬的是熟悉钢筋与混凝⼟粘结锚固性能的试验⽅法和分析⽅

法。

粘结滑移基本问题⼀般来说,⼤家普遍将实际⼯程中锚固问题分为两类,分

别为筋端锚固和缝间锚固,筋端锚固性能主要决定了结构的承载⼒,例如预埋件、受⼒钢筋锚固等等；⽽缝间锚固性能主要决定结构的使⽤状态,例如裂缝和刚度等等。这两类问题由于边界条件不同⽽有所差异,但其基本机理基本相通,由于

考虑量测⽅便等各⽅⾯因素,⽬前⼤多数学者采⽤拉拔试验进⾏研究(筋端锚固),且以实际⼯程中应⽤最多的螺纹钢作为研究对象为主。现有的研究成果表明,螺纹钢的粘结⼒主要由化学胶着⼒、摩擦⼒以及机械咬合⼒组成,且机械咬合⼒在螺纹钢筋粘结⼒中所占的⽐例达到70%以上,典型的粘结滑移曲线如图,并将粘结⼀滑移曲线分为5个阶段：

1、微滑阶段(o-s段)由于加载⼒较⼩,钢筋与混凝⼟之间化学胶着⼒起主

要作⽤,此时加载端只有少量滑移,⾃由端未发⽣滑移,胶着⼒逐渐从加载端到⾃由端开始渗透并破坏,钢筋具有滑动趋势,横向助与混凝⼟形成椎楔挤压作⽤,横肋顶点处出现拉应⼒集中,使得混凝⼟出现径向挤压,内部斜裂缝和径向裂缝开始形成。

2、滑移阶段(s-cr 段)随着加载拉⼒的增加,⾃由端滑移开始出现,并呈⾮线性增长,化学胶着⼒完全丧失,内裂缝由握裹层逐渐向表⾯发展,肋前混凝⼟被挤压破碎。

3、劈裂阶段(cr-u 段)当内裂缝沿着保护层最薄弱处发展⾄混凝⼟表⾯,试件出现沿着钢筋纵向的劈裂裂缝,并从加载端慢慢延伸⾄⾃由端,此时粘结⼒达最⼤。

4、下降阶段(u-r)混凝⼟劈裂后,荷载开始下降,对于⽆横向约束构件,由于混凝⼟握裹层及机械咬合⼒的消失导致粘结应⼒急剧下降,只剩下钢筋与混凝⼟间的少量摩擦⼒,同时滑移量⼤幅增加。

5、残余阶段(r 后⽔平段) 随着滑移量增⾄⼀个横肋间距时,粘结应⼒开始缓慢下降,⾃由端滑移量⼤幅增加。

钢筋锈蚀后与再⽣混凝⼟间粘结滑移性能试验试验设计及加载为研究钢筋锈蚀后与再⽣混凝⼟间粘结-滑移性能,说明再⽣混凝⼟胀裂后,钢筋与再⽣混凝⼟间的粘结刚度显著退化,⼀旦再⽣混凝⼟裂后,粘结刚度下降幅度不明显。钢筋锈蚀后与再⽣混凝⼟间粘结⼀滑移本构关系。