超低溫環(huán)境下鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能

楊雅新

河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院（450011）

超低溫環(huán)境下鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能

楊雅新

河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院（450011）

工程建設(shè)中，鋼筋、混凝土的使用是必不可少的，但是鋼筋、混凝土之間的黏結(jié)性能在一般條件下、在超低溫環(huán)境下是有所不同的。這里將一般條件下鋼筋、混凝土之間的黏結(jié)性能作為標(biāo)桿，講述超低溫環(huán)境下混凝土、鋼筋在黏結(jié)性能上發(fā)生的變化。

鋼筋；混凝土；超低溫環(huán)境；一般環(huán)境；黏結(jié)性能

隨著科技的不斷進(jìn)步，工程技術(shù)人員開始向極地等超低溫區(qū)域拓展。當(dāng)前全世界都面對(duì)著資源開發(fā)殆盡的境況，各國(guó)均開始爭(zhēng)奪極地資源，并為之建立了石油鉆探、浮動(dòng)碼頭等生產(chǎn)及挖掘設(shè)施，而這些均需要使用鋼筋混凝土。為了確保鋼筋、混凝土等材料在超低溫環(huán)境下正常應(yīng)用,必須要確保其具有良好的黏結(jié)性能，只有如此才能使其發(fā)揮出理想的力學(xué)性能，獲得最好的應(yīng)用效果。

1 超低溫環(huán)境下的力學(xué)性能

1.1 混凝土

以常溫狀態(tài)下混凝土的力學(xué)性能作為標(biāo)桿，將超低溫環(huán)境下的混凝土力學(xué)性能與其進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)超低溫狀態(tài)下混凝土將會(huì)出現(xiàn)如下的力學(xué)性能變化：混凝土強(qiáng)度隨著含水率的提高而提高，抗壓強(qiáng)度增量、含水率之間為線性關(guān)系；混凝土強(qiáng)度增加，同時(shí)其彈性模量也隨之增加，但是強(qiáng)度與彈性模量并沒有隨著溫度的變化而出現(xiàn)線性改變；低溫環(huán)境中水分凝結(jié)成冰，實(shí)際上可以提高混凝土的強(qiáng)度,但在溫度為-120℃時(shí)冰將會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)的改變，因此如果溫度繼續(xù)下降，強(qiáng)度值的試驗(yàn)將更容易出現(xiàn)離散性結(jié)果；混凝土中含有三種形式的水分，即物理吸附水、自由水與化學(xué)結(jié)合水，前兩者非常容易受到溫度變化的影響；當(dāng)溫度反復(fù)變化、混凝土在“常溫”和“低溫”的狀態(tài)中反復(fù)出現(xiàn)凍融狀態(tài)時(shí)，混凝土的強(qiáng)度將會(huì)下降，尤其是在超低溫的冷熱循環(huán)狀態(tài)下，即使循環(huán)次數(shù)減少，混凝土的強(qiáng)度也會(huì)大幅度下降；水灰比的提高將會(huì)增加混凝土的含氣量，而水灰比、含氣量的增加將會(huì)使混凝土在低溫環(huán)境下出現(xiàn)強(qiáng)度的明顯提高[1]。

1.2 鋼筋

以常溫狀態(tài)下鋼筋的力學(xué)性能作為標(biāo)桿，將超低溫環(huán)境下的鋼筋力學(xué)性能與其進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)超低溫狀態(tài)下鋼筋將會(huì)出現(xiàn)如下的力學(xué)性能變化。

1.2.1 普通鋼筋

通過國(guó)外的試驗(yàn)結(jié)果可知,在超低溫條件下，普通鋼筋會(huì)在極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度上出現(xiàn)明顯提高，而屈服強(qiáng)度的提高速度要明顯快于極限強(qiáng)度，其原因是結(jié)構(gòu)鋼材的性能更容易受到低溫的影響，鋼筋的塑性在超低溫環(huán)境中將會(huì)更低。此外，在低溫環(huán)境下，鋼筋的彈性模量會(huì)比在常溫環(huán)境下出現(xiàn)至少10%的增長(zhǎng)比。在-165～70℃的溫度區(qū)間，普通鋼筋的線膨脹系數(shù)會(huì)一直保持在10-5/℃左右。在超低溫環(huán)境中，普通鋼筋的脆性將會(huì)明顯增加，韌性將會(huì)顯著降低。若在普通鋼筋中加入少量的鋁或鈦,則可以改善其降低的韌性和增加的脆性。

1.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋

預(yù)應(yīng)力鋼筋在超低溫環(huán)境中也會(huì)出現(xiàn)力學(xué)性能的顯著變化，如同樣會(huì)因溫度下降而出現(xiàn)屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度的明顯提高。一般而言，溫度低于-195℃時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量將會(huì)提升10%。若將預(yù)應(yīng)力鋼筋放置在-165℃的環(huán)境中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，那么預(yù)應(yīng)力鋼筋的極限強(qiáng)度則會(huì)出現(xiàn)至少15%的提高幅度，其伸長(zhǎng)率基本等同于常溫環(huán)境；若將預(yù)應(yīng)力鋼筋放置在低于-100℃的環(huán)境中、使其處于張拉狀態(tài)至少10 h，那么鋼筋將會(huì)處于非常明顯的松弛狀態(tài)[2]。

2 黏結(jié)性能試驗(yàn)

2.1 方案設(shè)計(jì)

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)超低溫條件下鋼筋、混凝土的黏結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)實(shí)際上是將試件進(jìn)行黏結(jié)、錨固、拉拔試驗(yàn),所參照的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（分別為SL 352—2006、GB 50152—1992），選擇2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)文件中關(guān)于鋼筋混凝土握裹力的試驗(yàn)部分，基于現(xiàn)實(shí)條件進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。黏結(jié)力的計(jì)算公式為：

其中，N為鋼筋拉力，d為鋼筋直徑，1a為黏結(jié)錨固的長(zhǎng)度，t為黏結(jié)力。

2.1.2 試件制作

本研究所選鋼筋試件為立方體形態(tài)，邊長(zhǎng)為15 cm，鋼筋由非黏結(jié)段和黏結(jié)段構(gòu)成，其中，非黏結(jié)段套有硬質(zhì)的PVC塑料管，試驗(yàn)使用百分表來測(cè)定鋼筋受力端出現(xiàn)的滑移?？紤]到實(shí)際施工中使用的鋼筋在直徑上有很大的差異，本研究為鋼筋試件選擇了1.2 cm、1.6 cm、2.0 cm、2.5 cm等多種直徑。鑒于低溫環(huán)境下多選用高強(qiáng)混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)建，因此試件多使用C50混凝土制作,其水灰比為0.36,28 d立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果為45～53 MPa，平均為50 MPa。上述參數(shù)代表混凝土具有合理的配比，振搗結(jié)果非常均勻，碎石為粗骨料，中砂為細(xì)骨料，所用粗、細(xì)骨料均符合本次試驗(yàn)的相關(guān)要求。

2.1.3 試件分組

將試件劃分為4個(gè)組次，即：甲組、乙組、丙組、丁組?；阱^固長(zhǎng)度、鋼筋直徑、環(huán)境溫度、相對(duì)保護(hù)層的厚度、鋼筋級(jí)別等參數(shù)帶來的不同影響,本次試驗(yàn)共使用近70個(gè)試件。各組試件均使用一個(gè)變化參數(shù),其中，甲組為溫度，乙組為保護(hù)層厚度與鋼筋直徑，丙組為錨固長(zhǎng)度，丁組為鋼筋級(jí)別。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 試驗(yàn)加載裝置的結(jié)構(gòu)圖（上）與實(shí)景圖（下）

本試驗(yàn)所使用的裝置可見圖1。具體試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)參數(shù)均可見表1：

表1 鋼筋、混凝土黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境中試件可能出現(xiàn)兩種破壞形態(tài)：一種是拔出時(shí)發(fā)生的剪切破壞。鋼筋在混凝土中發(fā)生了大量滑移，但混凝土保護(hù)層仍完好無缺損，即拔出破壞。另一種是混凝土出現(xiàn)劈裂形態(tài)的破壞。鋼筋在混凝土中發(fā)生了較小量的滑移，保護(hù)層被劈裂，即劈裂破壞。一般而言，當(dāng)鋼筋直徑小于1.6 cm時(shí)，混凝土有更大的概率發(fā)生拔出破壞。當(dāng)鋼筋直徑大于1.6 cm時(shí)，混凝土有更大的概率發(fā)生劈裂破壞。當(dāng)鋼筋直徑等于1.6 cm時(shí)，混凝土發(fā)生拔出破碎與劈裂破壞的概率是相同的。這兩種破壞實(shí)際表現(xiàn)出鋼筋、混凝土黏結(jié)性能從常溫狀態(tài)到超低溫狀態(tài)的力學(xué)性能變化，即微滑移→滑移→劈裂。劈裂破壞源自低溫狀態(tài)下混凝土握裹力增強(qiáng)，其脆性增加，鋼筋受壓產(chǎn)生反作用力，混凝土保護(hù)層發(fā)生劈裂現(xiàn)象。在發(fā)生破壞的過程中，溫度的降低會(huì)增加極限破壞荷載，試件在黏結(jié)滑移系數(shù)不斷增大，鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)性能不斷升高，鋼筋直徑、保護(hù)層厚度等因素也會(huì)與溫度同時(shí)發(fā)生作用，使混凝土增加了針對(duì)鋼筋的握裹力。而力的作用是相互的，被“握裹”的鋼筋會(huì)反過來向混凝土施加一種相向的力。此時(shí)受低溫等因素的影響，混凝土本身在硬度和脆性上明顯增加，其受力能力降低，自然會(huì)發(fā)生“破壞”。

3 結(jié)語(yǔ)

社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步使得越來越多的工程項(xiàng)目在氣候嚴(yán)寒的極地區(qū)域開始建設(shè)，這種環(huán)境對(duì)鋼筋、混凝土的黏結(jié)性能提出了嚴(yán)格要求。本文對(duì)二者的黏結(jié)性能進(jìn)行了研究分析，以供從事相關(guān)研究的人員參考。

[1]李會(huì)杰,謝劍.超低溫環(huán)境下鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能[J].工程力學(xué),2011,28(1)：80-84.

[2]謝劍,李海瑞,李會(huì)杰.超低溫下鋼筋與混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].冰川凍土,2014,36(3)：626-631.