混凝土论文-钢筋与混凝土黏结性能的影响因素.doc

钢筋与混凝土黏结性能的影响因素辽宁工程技术大学 建筑工程学院 建工12-1 成建强摘 要： 钢筋与混凝土之间的黏结性能是钢筋混凝土结构锚固设计的重要依据。黏结力是作用在钢筋与混凝土界面上的剪应力，因此受钢筋、混凝土及钢筋混凝土界面性能的影响。根据现有研究，对混凝土原材料、强度、保护层厚度、钢筋外形特征、钢筋类型、试验方法等因素对钢筋与混凝土之间黏结性能包括破坏形式、黏结强度、滑移值等的影响进行了归纳总结，在此基础上提出了提高钢筋与混凝土间黏结性能的方法。关键词： 钢筋；混凝土；黏结；黏结强度；滑移；锚固Abstract: Bond properties between reinforcement and concrete is an important basis of reinforced concrete bonding design.Bonding force is acting on the shear stress on the steel rebar and concrete, so the performance of steel, concrete and reinforced concrete interface have effect on it. Accordingto the existing research，bond properties including failure mode，bond strength and slippage influenced by concrete raw materials，strength，concrete cover，external physical characteristic and type of reinforcement，bonding length，testing method，and so on was summarized.On this basis，way bonding enhancement was proposed.Key words: reinforced; concrete; bond; bonding strength; Slip; anchorage0 引言 钢筋混凝土是现今使用最广泛的结构材料，利用钢筋和混凝土两者优点使结构能够很好地承受各种荷载工况的作用。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黏结作用，能够协调变形，共同受力。黏结力是作用在钢筋与混凝土界面上的剪应力，因此受钢筋、混凝土及钢筋混凝土界面性能的影响。本研究在国内外对钢筋与混凝土之间的黏结性能的研究基础上从混凝土性能、钢筋性能及试验方法等方面对黏结性能的影响因素进行了总结归纳，为实际工程中钢筋的锚固设计提供参考。1 混凝土参数1.1 混凝土的组成成分1.1.1 水泥与骨料 混凝土由胶凝材料、水、骨料、外加剂等配制形成，高性能混凝土还添加了纤维、矿物掺合料等其他组分。混凝土原材料、水灰比等配合比因素会影响其基本性能，相应地，混凝土与钢筋之间的黏结性能也会受到影响。混凝土中水泥用量过多时，会显著降低其与钢筋之间的黏结强度。骨料组分对黏结强度也有明显影响。当骨料中含砂率为30%，水泥砂浆含量为 40%50%时，对黏结强度最有利1。1.1.2 矿物掺合料 矿物掺合料是在混凝土配制过程中用于替代水泥的胶凝材料。矿物掺合料掺入后能够与水泥的水化产物发生二次水化，相应地提高混凝土的性能，因此目前矿物掺合料已经成为配制混凝土的重要原材料。矿物掺合料掺入后影响混凝土的性能，相应的对混凝土与钢筋之间的黏结性能也会产生一定的影响。研究结果显示，超细粉煤灰和矿渣微粉掺入后会降低高强混凝土与钢筋之间的黏结强度，而稻壳灰和硅灰的掺入可增强混凝土与钢筋的黏结2，其对黏结强度的增强作用已远超过对混凝土抗压强度的增强作用，因此稻壳灰和硅灰也是影响钢筋与混凝土间黏结性能的独立因素。文献3用粉煤灰完全替代水泥配制混凝土并通过拔出试验对其与直径 13 mm 钢筋的黏结性能进行了研究。结果显示，与水泥混凝土相比，粉煤灰混凝土的抗拉强度低，相应地其黏结强度也比水泥混凝土小。而采用粉煤灰部分替代水泥时，可提高黏结强度4。由于粉煤灰水化较慢，因此对后期黏结强度影响较大。1.2 混凝土的性能1.2.1 强度 混凝土强度是影响黏结性能的一个重要因素，对于变形钢筋，黏结破坏过程中钢筋凸出的肋会使得周围混凝土环向受拉，因此劈裂黏结强度由混凝土的受抗拉强度决定，而混凝土的抗拉强度与其抗压强度有一定的关系，因此混凝土的抗压强度及抗拉强度是影响黏结性能的重要因素。徐有邻等人对钢筋与混凝土之间的黏结性能进行了全面的试验研究发现，钢筋与混凝土之间的黏结强度随混凝土强度的提高而增大，但并不成正比，约与混凝土的抗拉强度成正比，各黏结锚固特征值都可用混凝土的抗拉强度表示5。王冰6在研究浮石混凝土与钢筋黏结性能时引入了相对弹性模量 Ec/ ft的概念（Ec为混凝土弹性模量，ft为其抗拉强度），指出：相对弹性模量 Ec/ ft越小，锚固试件混凝土纵向变形越大，锚固传递就越快，黏结应力分布就越均匀，总体锚固能力较高。2 钢筋参数2.1 钢筋外形因素 钢筋与混凝土之间黏结力的主要来源有：胶结力、摩阻力及机械咬合力7。黏结力与钢筋的外形和表面状态有很大的关系。光圆钢筋表面平滑无凸出肋，其黏结力主要由胶结力和摩阻力组成，无机械咬合力，而机械咬合力是黏结力的一个重要组成部分，因此光圆钢筋的黏结强度要远小于变形钢筋。光圆钢筋试件多发生钢筋拔出破坏，变形钢筋试件发生钢筋拉断破坏和混凝土劈裂破坏。由于光圆钢筋与混凝土间黏结性能较差，目前结构设计中对于主要受力部分的构件需避免使用光圆钢筋。变形钢筋根据肋形状不同有月牙纹钢筋、螺纹钢筋、人字纹钢筋等，由于钢筋肋形状、尺寸等不同，与混凝土之间的黏结性能也略有差异。钢筋横肋对称与非对称钢筋肋面积比、齿肋比、肋圆周角相同，因此其黏结强度、破坏形式及黏结应力-滑移曲线无明显差别8。而月牙纹钢筋和螺纹钢筋与混凝土之间黏结性能的研究结果显示，月牙纹钢筋的黏结强度小于螺纹钢筋，降低幅度与相对保护层厚度 c/d有关。月牙纹钢筋横截面为轴对称形，因此发生劈裂破坏时，裂缝多集中在纵肋方向，而螺纹钢筋的劈裂裂缝多呈辐射状9。2.2 钢筋类型 钢筋在使用过程中有易锈蚀的隐患，因此一些无锈蚀危害的高模量纤维塑料筋开始应用于工程中。为此，学者们对其与混凝土之间的黏结性能进行了研究。文献38采用拔出试验和梁式试验两种试验方法研究了 AFRP 筋与 C25C65 不同强度混凝土的黏结性能，考虑了包括直径、埋长、配箍率等多个因素。研究指出，AFRP 筋表面肋的剪切强度和刚度对黏结破坏模式有重要的影响。FRP筋的弹性模量低于钢筋的弹性模量，因此 FRP 筋在受力过程中的变形明显大于钢筋的受力变形，导致混凝土开裂较钢筋混凝土严重，降低了结构的使用性，破坏时以筋材表面肋被销弱或受剪破坏为主10，因此应对 FRP筋表面加工质量行改善来提高黏结强度。当混凝土强度大于30MPa 时，强度对破坏形式影响不大，当混凝土强度为15 MPa 左右时，混凝土强度会直接影响其黏结性能。3.其他因素钢筋混凝土结构在服役期间会受到外界环境的影响，如碱-骨料反应、冻融循环、温度变化等。外界环境会引起混凝土性能的变化，进而影响到其与钢筋之间的黏结性能。C40 混凝土经历过 500 次冻融循环后，其与钢筋之间的黏结强度可降低 50%以上11；温度升高到 500 时，黏结强度会减小 60%。碱-骨料反应可使黏结强度降低 24%，试件破坏时，自由端滑移较大。横向钢筋在黏结性能中起着重要的作用。在构件设计中，通常设置最小配箍率来满足剪力和扭转所需的最小配筋率。配置箍筋可以防止混凝土发生劈裂破坏从而提高劈裂黏结强度，进而提高极限黏结强度，并使试件的破坏形式由脆性破坏转变为明显的塑性破坏12。4.结论 钢筋与混凝土之间的黏结性能与钢筋及混凝土的性能息息相关，混凝土配制过程中胶凝材料、骨料、水灰比，混凝土的性能包括强度、保护层厚度，钢筋外形特征、钢筋类型、直径黏结长度等都会影响黏结性能。此外黏结试验方法、试件形式、加载方式、混凝土养护方法、耐久性及箍筋等也会对黏结性能造成影响。黏结性能复杂，影响因素众多，对于不同混凝土基体及钢筋不能简单套用。同时由于黏结的复杂性，有关黏结理论的分析也未够成熟，需要进一步的研究分析。参考文献：1 王传志，滕智明.钢筋混凝土结构理论M.北京：中国建筑工业出版社，1985.2欧阳东.稻壳灰对高强超高强混凝土钢筋黏结强度的影响J.工业建筑，2003，33（11）：46-48.3DOUG C，JERRY S，JASON V.Structural application of 100 percent fly ash concreteA.2005 world of Coal Ash，April 11-15，2005，Lexington，Kentucky USA：1-19.4MAHDI A，WOLFE M H，VOLZ J S.A comparative study of thebond strength of reinforcing steel in high-volume fly ash concreteand conventional concreteJ.Construction and Building Materials，2013，40：919-924.5徐有邻.变形钢筋-混凝土黏结锚固性能的试验研究D.北京：清华大学，1990.6王冰，李学章，计学闰.浮石混凝土与变形钢筋黏结锚固性能的研究J.哈尔滨建筑大学学报，1998，31（6）：30-377赵晓丽，陈颖，陈其安，等.横肋对称与横肋非对称钢筋黏结锚固性能的试验研究J.工业建筑，2008，38（6）：67-70.8徐有邻，沈文都.钢筋外形对黏结性能的影响J.工业建筑，1987（3）：26-30.9何荣炳，江世永，熊晔.AFRP 筋混凝土黏结强度和锚固长度的试验研究J.工业建筑，2008，38（7）：71-74.10郭恒宁，张继文.FRP 筋与混凝土黏结滑移性能的试验研究J.混凝土，2006（8）：1-4.11RAMI H H，KARIM S N.Effect of alkali-silica reaction and freezing and thawing action on concrete-steel bondJ.Construction and Building Materials，2007，21（2）