钢筋与混凝土黏结性能的影响因素探究

钢筋与混凝土黏结性能的影响因素探究

杜庆展

海南君诚工程监理有限公司海南海口570100

摘要：随着社会经济的发展，我国的工程建设越来越多，对钢筋混凝土的需求也越来越大。本文对12根梁式试件进行了弯曲黏结试验，来分析钢筋与混凝土黏结性能的影响因素。试验的变量为箍筋和初始裂缝，观察了试验过程中梁试件的破坏模式、裂缝特征。研究结果表明：箍筋能够限制裂缝的发展，改善试件的延性；初始裂缝的存在显著降低了试件的黏结强度。

关键词：钢筋；混凝土；黏结性能；探究

引言

钢筋混凝土是现今为止使用最广泛的结构材料，利用钢筋和混凝土两者的优点使结构能够很好地承受各自荷载工况的作用。钢筋和混凝土能够共同工作的一个重要原因是二者之间具有很好的粘结作用，能够协调变形，共同受力。粘结力是作用在钢筋与混凝土界面上的剪应力，因此用钢筋、混凝土及钢筋混凝土界面的影响。

在预制装配整体式混凝土结构施工中，为方便现场安装梁上部纵向钢筋，提高施工效率，常采用组合封闭箍筋。然而，组合封闭箍的研究尚不够完善是一个突出的问题，当结构分析需要考虑梁的受扭性能时，比如框架边梁和雨篷梁，是否可以采用组合封闭箍筋，以及采用组合封闭箍筋混凝土梁的受扭性能如何，目前的认识不甚清楚，认识的不完善阻碍了工程应用。显然，组合封闭箍筋叠合混凝土梁在箍筋构造和浇筑方式上，与采用传统箍筋整浇梁不同。

1试验概况

试验中采用的是梁式试件，共制作了4组（每组3根）共计12根梁式试件。梁式试件长550mm，截面尺寸b×h为100mm×150mm，保护层厚度为40mm；梁式试件由左右两半梁组成，通过底部的受拉钢筋和顶部承受压力的钢铰相连接，受压区采用钢铰使力臂明确，便于根据试验荷载计算钢筋拉应力和黏结应力。梁底部的受拉钢筋在每半梁中的黏结长度均为5d（d为受拉钢筋直径），埋长较短，使黏结应力的分布更为均匀。同时，钢筋加载端及支座处各有一段无黏结区，无黏结区段的钢筋套在直径稍大于钢筋直径的PVC管中，这是为了避免加载端的局部破坏，防止支座反力的影响，并且两端密封，防止砂浆进入套管中影响实际的黏结长度。为了诱导黏结区段的初始裂缝，浇筑混凝土前先将0.2mm厚，40mm深的不锈钢薄片横向固定在模具的指定位置上。在配箍筋的梁式试件中，箍筋采用直径为6mm的带肋钢筋，箍筋的间距为60mm。

2斜裂缝的出现及其模式

斜裂缝在外荷载达到极限荷载的20%～30%突然出现，并且出现时就具有了一定的延伸长度(5～15mm)，但是斜裂缝的宽度不大，仅在0.01～0.04mm之间。从斜裂缝的开裂模式来看，在剪压段存在弯剪裂缝与腹剪裂缝两类。从试验中发现，这两类裂缝在试验中都有出现，其中弯剪裂缝出现较多。弯剪裂缝是在梁底部首先出现的受弯垂直裂缝的基础上发展而来;随着荷载的逐步增加，剪跨段内垂直裂缝处的拉应力由纵向钢筋承担，裂缝沿一定角度发生倾斜，最终发展成弯剪裂缝。腹剪裂缝一般初始位置在梁腹部受拉区偏下方，靠近中和轴:这时混凝土要承受拉应力与剪应力的共同作用，随着外荷载的增加，这段区域可能会先于同区域内弯剪裂缝而出现腹剪裂缝。腹剪裂缝随着荷载的增加而双向发展，向下发展至支座处或与开裂的受弯裂缝相接，向上发展至荷载处，其倾斜角度在30°～60°之间。弯剪裂缝与腹剪裂缝都是在拉应力与剪应力的共同作用下产生的，不同之处在于弯剪裂缝的发展经过了较为明显的受拉应力破坏为主转变为受剪应力为主的过程，而腹剪裂缝是初始时则是受剪应力的影响较大。

3试件制作

向搅拌机内依次加入石子、砂和水泥，干拌均匀，然后再将水缓缓加入，继续拌合3min。水平方向浇筑混凝土，浇筑混凝土时将钢铰夹紧，不留缝隙。然后用振动台振动，振动持续到混凝土表面出浆为止，刮除多余的混凝土，并用抹刀将表面抹平，随后用塑料薄膜覆盖试件，防止水分蒸发。24h后拆模，试件拆模后立即放入温度为（20±2）℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28d。浇筑梁式试件的同时制作100mm×100mm×100mm的立方体试块，以确定其立方体抗压强度和劈裂抗拉强度。

4试验结果和讨论

4.1破坏形态

试件均呈现典型的受扭破坏特征。试件的受扭裂缝首先在长边中点附近出现。随荷载增加，四个侧面上的裂缝陆续出现并扩展，且逐步联通，在试件四个表面形成一定间隔的螺旋形裂缝。配筋较多的试件(如试件A3～E3)裂缝相对密而细，数量较多，破坏时的主裂缝不明显。而其他试件破坏时主裂缝较明显。部分试件破坏时伴随有拐角脱落现象。另一方面，浇筑方式也影响梁受扭破坏形态。4个叠合梁均出现沿叠合界面的水平裂缝，随受扭极限承载力提高，水平裂缝长度有增加的趋势。

4.2箍筋、初始裂缝对黏结强度的影响

对锈蚀钢筋与混凝土的黏结性能试验结果表明：无论是普通混凝土还是再生混凝土，有箍筋试件的黏结应力要大于无箍筋试件的黏结应力。这说明箍筋能够有效提高黏结强度，原因是箍筋提供了额外的约束作用，从而增加了钢筋和混凝土之间的摩擦力和机械咬合力。对于有初始裂缝的梁试件而言，配箍筋试件的黏结强度是未配箍筋试件黏结强度的1.09倍，初始裂缝的存在降低了箍筋的约束作用，所以箍筋对具有初始裂缝梁试件的黏结强度影响相对较弱。初始裂缝的存在极大地降低了试件的黏结强度。同样是配箍筋的试件，有初始裂缝的梁试件的黏结强度仅为无初始裂缝梁试件黏结强度的38.3%。对于未配箍筋的试件，有初始裂缝的梁试件的黏结强度为无初始裂缝梁试件黏结强度的39.9%。这是因为裂缝降低了试件的承载能力，减小了混凝土对钢筋的握裹力。

4.3扭矩-单位扭转角关系

单位扭转角为四个电子倾角仪中的最外侧的两个所测得的转角之差与其间距的比值。总体上，开裂后所有试件的抗扭刚度大幅下降。箍筋形式和浇筑方式对构件的扭转变形性能没有明显的影响。

4.4混凝土强度对斜裂缝宽度的影响

相同配箍率及钢筋强度的条件下，C30与C20混凝土梁的斜裂缝宽度增长曲线趋势相同，两条曲线的回归直线斜率数值相近，但斜向开裂荷载有差别。这说明混凝土抗拉强度在梁未斜向开裂时对混凝土抗剪能力影响较大，在斜向开裂后影响较小。

结语

综上所述，试件发生破坏时，配箍筋试件的裂缝宽度较未配箍筋试件的裂缝宽度小，且脆性破坏不明显，说明箍筋能够有效地限制裂缝的发展，提高梁试件的延性。箍筋能够提高试件的黏结强度，箍筋对有初始裂缝试件黏结强度的提高程度较无初始裂缝试件的要小。初始裂缝的存在大大降低了试件的黏结强度。

参考文献：

[1]陈梦成，王凯，吴泉水，等.钢筋混凝土杂散电流和氯离子耦合腐蚀试验研究[J].铁道学报，2013，35（9）：112-117.

[2]韩凯，徐锋，王曙光，等.杂散电流与硫酸盐耦合作用对地下结构混凝土中氯离子传输过程的影响[J].混凝土，2016（5）：45-48.

[3]陈迅捷，欧阳幼玲，钱文勋，等.不同环境中杂散电流对钢筋混凝土腐蚀影响[J].水利水运工程学报，2014（2）：33-37.

[4]闻洋，梁东旭.再生混凝土与钢筋黏结性能的敏感影响因素分析[J].混凝土，2016（10）：33-37