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。