高温对混凝土抗拉强度与黏结强度影响的试验研究.pdf

2 0 1 0 年 第 8 期 (总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 5 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 咖oRETJ CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 1 8 高温对混凝土抗拉强度与黏结强度影响的试验研究 王峥，宋玉普 ( 大连理工大学 海岸和近海工程 国家重点实验室 ，辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要： 通过试验， 对常温 2 O 及 1 0 0 6 0 0 高温后混凝土的力学性能进行了比较， 研究和分析了不同温度后混凝土的抗拉强度及钢 筋与混凝土黏结强度的变化规律， 并在此基础上建立了高温作用后混凝土抗拉强度与黏结强度的推算公式， 可为高温后混凝土结构的设 计分析提供理论依据 。 关键 词： 混凝土 ；高温 ；黏结强度 ；抗拉强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 5 1 0 3 Te s t i ng r es e ar ch o f t ens i l e and bon di n g s t r eng t h of c onc r e t e a ffec t e d by hi gh t e mper a t ur e W ANG Z he n g， S ONG Yu - pu ( S t a t e Ke y L a b o r a t o r yo f C o a s t a l Of f s h o r eE n g i n e e r i n g ， Da l i a nUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Da l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e me c h a n i c t e s t s o f c o n c r e t e a t 2 0 n o r ma l t e mp e r a t u r e a n d f r o m 1 0 0 t o 6 0 0 h i 曲 t e mp e r a t u r e we r e c o mp l e t e d ， T h e t e n s i l e s t r e n g t h o fc o n c r e t e and b o n d i ng s t r e n g t h b e twe e n s t e e l b a r a n d c o n c r e t e we r e a n a l y z e d On t he b a s i s o ft h e t e s t s an d a n a l y s i s ， t h e r e l a t i o n s h i p b e twe e n t e n s i l e s t r e n g t h and b o n d i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o h i g h t e mp e r a t u r e w a s e s t a b l i s h e d ， Th e c o n c l u s i o n s C a l l p r o v i d e the o r e ti c b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d an a l y s i s o fc o n c r e t e s t ru c tur e s K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； h i g h t e mp e r a t u r e ； b o n d i n g s t r e n gth ； t e n s i l e s t r e n g t h 0 引言 混凝土材料的抗拉强度远小于其抗压强度， 因此拉应力是 混凝土开裂的关键。已有的试验研究发现 ， 高温作用后混凝土 抗拉强度在构件受力中的重要性增大 1 。 高温作用后， 混凝土受 力构件裂缝增多增大， 特别在主拉应力作用区域， 这是导致混 凝土结构高温后强度下降的主要原因之一翻 。 钢筋与混凝土之间的黏结是钢筋与外围混凝土之间的一 种复杂相互作用 ， 通过这种作用来传递两者之间的应力并协调 变形。通过文献资料总结发现 ， 对于钢筋与混凝土黏结滑移关 系的研究试验方法主要有3 ： 中心拔出试验， 其特点是试验过 程及装置简单， 结果便于分析； 梁式试验， 便于研究在弯矩和 剪力共同作用下受弯构件的锚固问题； 钢筋内贴应变片试验， 可以研究黏结应力、 滑移随锚固长度的变化。由于钢筋混凝土 之间的黏结对于构建的工作性能有很大的影响， 国内外对这一 问题通过大量试验进行了研究和分析 并取得了一定的成果。 高温会对混凝土及钢筋的力学性能造成损伤嘲 ， 也会使钢筋与 混凝土的黏结性能严重退化， 从而导致钢筋混凝土构件的刚度 、 裂缝和承载力受到影响。 国内外已有部分学者对钢筋与混凝土 黏结性能随温度的变化规律进行了研究2 , 9 - 1 1 】 ， 发现高温后极限 黏结强度降低 ， 滑移量增大 ， 构件的失效有可能是钢筋与混凝 土黏结破坏。然而由于影响钢筋与混凝土黏结性能的因素非常 复杂， 因此对高温后的黏结性能变化仍有必要做进一步研究。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 4 - 2 6 基金项 目：高等学校博士学科点专项科研 基金资助课题 ( 2 0 0 8 0 1 4 1 0 0 0 5 ) 通过试验探讨了高温后混凝土抗拉性能的衰减规律； 对于 高温后钢筋混凝土黏结性能采用中心拔出试验， 研究了试件在 不同温度的高温后黏结一 滑移曲线的变化和最大黏结应力的退 化规律。分析和讨论了高温后影响钢筋和混凝土黏结性能的因 素和机理， 为高温后构件黏结分析提供依据。 1 试验设 计 1 1 原材料与混凝土配合 比 试验中的水泥采用大连小野田水泥厂生产的 P 0 4 2 5级 水泥， 细骨料为中砂 ， 细度模数为 2 1 5 ， 粗骨料为石灰岩碎石， 最大粒径为 2 0 m i 1 ， 表 1 为混凝土每立方米的配合比及性能指 标。黏结滑移试验选用 +1 4钢筋。 表 1 混凝土 每立方米的配合 比及性能指标 水灰 比水泥 k g 水 k g 砂子 k g 石子 k g 轴心抗压强度f d MP a O5 38 3 】 9 3 6 6 3 1 1 5 4 3 75 1 2试 验 方 法 本试验为剪力墙抗火I生能试验研究的一部分， 为了便于高温 后混凝土材料性能的对比分析， 研究中采用了 1 0 0 r n m l O 0 mi 1 x 1 O 0 i n to用于抗拉强度试验的立方体试件 3 O个， 另有 1 5 0 n l n l x 1 5 0 mmx l 5 0 ton i 混凝土与钢筋黏结滑移试件 3 0个。 将标准养护 2 8 d的试件在室温通风环境中干燥一个月， 再 将其置于炉内进行 5种不同温度的高温处理： 1 0 0 、 2 0 0 、 3 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0， 另有室温( 2 0) 试件作为对比。试件恒温受火时 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 间为 6 h ， 以使试件内外温度保持一致。 试件升温加热过程中炉 温与试件中心温度变化曲线如图 1 所示。 7 0 0 6 0 0 50 0 芝4 0 0 赠 3 0 0 20 O 1 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 时间 ， h 图 1 混凝土试 件内外的温度一 时间变化 曲线 本次试验的高温试件是在大连理1 = 大学海岸和近海工程国 家重点实验室的GX W1 0 0 0 A型高温环境箱中进行试验， 高温箱 工作温度范围： 室温 + l 0 0 0， 温度偏差： 2， 控温器采用A1 人工智能高精度工业调节器。本文混凝土力学性能试验是在大 连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的 WAW- 1 0 0 0 C 微机控制电液伺服万能试验机上完成。 抗拉试验前， 将试件置于加载板中心位置， 并在上下压板和 试件间垫以圆弧形垫块及垫条。 加载时， 当压板与圆弧形垫块接近 时， 调整球座， 使接触均衡， 控制加载速度连续均匀为 0 0 5 MP a s 。 黏结强度试验中的钢筋放置于立方体的中轴线上， 保证中 部黏结长度为 5 d ， 试件两端用稍大于钢筋外径的P VC套管套 于钢筋外面， 并埋入混凝土中， 形成 5 d无黏结区， 以减少承压 面的影响 ( 参 见图 2 ) 。 试验时 ， 试件垂直于承压垫板 ， 垫板下放 置穿心球铰， 防止钢筋偏斜而引起混凝土撕裂破坏， 使试验失 败 3 】 。在试件钢筋长端施加拉力， 直至钢筋与混凝土黏结破坏 ( 见图2 ) 。 在钢筋自由端设置百分表测量滑移值。 试验时控制加 载速度不大于 2 k N mi n 。 图 2黏结试验装置图 2 试验 结果 与分析 2 1 抗拉 强度 按照前述劈拉试验方法， 测得的混凝土在不同温度后抗拉强 度平均值见表 2 。 可见随着温度的提高， 混凝土抗拉强度持续性 降低。当温度到达 6 0 0时， 抗拉强度仅为常温下的 3 0 左右。 主要原因在于 I习 ： 3 0 0内温度作用后， 混凝土内自由水和C S H 层间水析出， 造成混凝土内部物理性结构破坏导致强度损失； 在 3 0 0 5 0 0之间时， 物理性结构破坏损失基本稳定 ， 抗拉强度下 降趋势减缓 ， 温度超过 6 0 0后 ， 混凝土的化学组分在高温作 52 表 2不同温度后混凝土抗拉 强度平均值 用下分解变化， C S 。 H凝胶网状结构破碎， 大量氢氧化钙分解， 强 度急剧下降， 最终丧失承载能力。 用常温下混凝土抗拉强度 遍除表 2中抗拉强度值， 采用 最 b z- 乘法 ， 回归得到抗拉强度 比与温度 的关 系见式 ( 1 ) 。图 3 给出了混凝土抗拉强度( ) 随温度 T的变化关系， 可见， 随温 度的升高， 混凝土抗拉强度基本程线性降低趋势， 且 由式( 1 ) 计 算的结果与试验值符合较好。 温 度 图 3 抗拉强度与温度的关系 ， r 7 1 y , - _ l - 0 4 5 4 - 0 【 斋 J 1 ) 式中 一高温后抗拉强度， MP a ； 常温抗拉强度 ， MP a ； 卜作用最高温度， 。 2 2 黏 结 滑移 本次试验黏结试件在受火温度较低时破坏形态多为劈裂 破坏， 在受火温度较高的 4 0 0及 6 0 0后 ， 破坏形态多为钢 筋自混凝土中拔出的剪切破坏。高温后钢筋和混凝土平均黏结 应力 和钢筋自由端相对滑移 S的关系如图 4所示。 可见， 随温 度升高， 曲线峰值下降， 即极限黏结应力下降， 达极限黏结应力 时的滑移量增大， 滑移曲线逐渐变得扁平。 当受热温度不超 过 2 0 0时， 极限黏结应力下降较少( 不到 2 0 ) 。随温度升高， 极限应力降低程度明显 ： 4 0 0后降为常温的 4 7 8 ， 6 0 0后 仅为常温的 2 9 O ， 其相对的黏结强度已没有现实意义。 0 5 0 l 0 0 1 5 0 2 00 25 0 3 00 3 5 0 4 00 s ， 1 0 mm 图4 黏结应力和钢筋自由 立 iii 相对滑移的关系 钢筋与混凝土的黏结主要与混凝土抗压强度、振捣情况 、 钢筋的外形和尺寸等方面有关。高温作用对混凝土黏结强度的 影响是多方面的， 主要源于 3个方面 ： 高温作用后混凝土强度 的降低 ； 钢筋与混凝土热工性能的差异 ； 混凝土高温冷却时内 外温度不同形成裂缝造成的环箍力的损失。经历不同高温， 使 钢筋与混凝土黏结强度下降的主要影响因素不同I 2 ： 1 0 0 2 0 0 0 8 6 4 2 譬 _p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 温度下， 混凝土中的吸附水和 自由水蒸发 ， 其对黏结强度的影 响有限； 4 0 0以下的高温后， 混凝土 自由水完全丧失， 水泥砂 浆的收缩和骨料的膨胀都在加剧 ， 两者的结合遭到破坏 ， 水泥 骨架破裂成块状， 结晶水开始失去， 水泥的水化产物 C S H， 造 成水泥胶体的收缩和破坏r 13 1 ， 化学胶着力已丧失殆尽； 当温度达 到 6 0 0以上时， 结晶水完全丧失， 水泥中未水化的颗粒和骨 料中的石英成分晶体化 ， 伴随着巨大的膨胀 ， 甚至在骨料内部 形成裂缝 ， 混凝土强度随温度升高急剧下降。而钢筋与混凝土 的机械咬合力受混凝土强度影响比较大， 此时混凝土强度的大 幅降低使得高温后界面强度远低于混凝土本身强度， 导致了高 温后黏结强度的剧烈下 降。 图 5给出了不同温度下 ， 试件黏结应力的变化情况 ， 采用 最小二乘法拟合 ， 得关系式( 2 ) ， 由图 5可见 ， 拟合式较好的描 述 了( Jr ) 随温度 的变化规律 。 一 T T T 7 u 。 。 。 l 斋 卜 0 。 。 【 斋 J ( 2 ) 式 中： 卜高温后极限黏结应力 ， MP a ； r u _一常温极限黏结应力 ， MP a ； 卜受火温度 ， 2 0 6 0 0。 温度 图 5极限黏结应 力与温度 的关 系 试验表明， 给定滑移量 s时， 劈裂黏结应力与混凝土抗拉 强度成正 2 , 1 4 1 。 本文对不同高温试验后的抗拉强度和极限黏结 强度做了比较研究。 试验结果显示， 黏结强度和抗拉强度基本 都呈线性下降， 这种相关性可以用式( 3 ) 描述。因为测定黏结强 度较为困难， 而测定抗拉强度则较方便 ， 故可用式( 3 ) 计算平均 黏结强度 ： 拿 = 等 -e0 0 3 9 - 0 0 3 ( ) o 0 2 ( _l )2 3结论 通过试验及理论分析表 明： ( 1 ) 高温作用后 ， 混凝土的抗拉强度随温度升高有呈线性 降低的趋势。随温度的升高， 混凝土抗拉强度的降低幅度远高 于其抗压强度的降低幅度， 常温的拉压强度关系不再适合； 文中 给出了抗拉强度随温度衰减的线性关系式。 ( 2 ) 随着温度的升高， 钢筋与混凝土的黏结强度降低而极 限滑移量急剧增加。 6 0 0温度作用后 ， 黏结强度下降至常温时 的3 5 ， 而极限滑移值约为常温时的4倍。 在抗高温钢筋混凝 土结构设计或评估火灾后结构的性能时， 应引起注意。 ( 3 ) 化学胶着力的下降是导致高温后钢筋与混凝土黏结性 能降低的主要原因； 此外钢筋与混凝土热工性能的差异及混凝 土的强度等因素影响也导致了黏结性能随温度升高而急剧下 降； 文中给出的钢筋与混凝土黏结应力与温度关系的数学表达 式可供工程参考。 ( 4 ) 高温后钢筋与混凝土极限滑移应力的变化与混凝土抗 拉强度的衰减存在着内在联系， 可采用高温后的抗拉强度来分 析黏结强度的受损程度。 参考文献 ： 1 】宋玉普， 张众 ， 覃丽坤， 等 高温后混凝土双轴拉一压力学特性试验 研究f J 大连理工大学学报， 2 0 0 6 ， 4 6 ( 1 ) ： 5 4 5 8 2 】 谢狄敏， 钱在兹 高温作用后混凝土抗拉强度与黏结强度的试验研 究 J 】 浙江大学学报， 1 9 9 8 ， 3 2 ( 5 ) ： 5 9 7 6 0 2 3 】 杜锋， 肖建庄， 高向玲 冈 筋与混凝土间黏结试验方法研究【 J 结 构工 程师， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 2 ) ： 9 3 9 7 4 HA S K E T F M， OE H L E R S D J ， MO HA ME D A L I MS L o c a l a n d g l o b a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l r e i n f o r c i n g b a r s J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 2 ) ： 3 7 6 3 8 3 5 牟晓光， 王清湘， 司炳君 冈 筋与混凝土黏结试验及有限元模拟 J 1 _ 计 算力学学报， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 ) ： 3 7 9 3 9 4 6 】 郑晓燕， 吴胜兴 动荷载下锈蚀钢筋混凝土黏结滑移特性的试验研 究f J 1 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 6 ) ： 4 2 4 6 7 】宋玉普， 赵国藩镧筋与混凝土间黏结应力一 滑移关系的应力变分模 型 J 1 大连理工大学学报， 1 9 9 4 ， 3 4 ( 1 ) ： 5 9 6 7 8 】 过镇海， 时旭东 钢筋混凝土的高温性能及其计算 M E 京： 清华大 学出版社， 2 0 0 3 9 】 袁广林 ， 郭操 高温下钢筋混凝土黏结性能的试验与分析 工业建 筑 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 2 ) ： 5 7 6 0 I O MOR L E Y P D， R O Y L E S R R e s p o n s e o f t h e b o n d i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e t o h i g h t e mp e r a t u r e s J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 5 ， 3 5 ( 1 2 3 ) ： 6 7 7 4 f 1 1 】 D I E D E R I c H S U ， S C HN E I D E R U B o n d S t r e n g t h a t h i g h t e mp e r a t u r e s J Ma g a z i n e o fC o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 8 1 ， 3 3 ( 1 1 5 ) ： 7 5 8 4 【 l 2 】 吕天启， 赵国藩， 林志伸 ， 等 高温后静置混凝土的微观分析【 J 】 建筑 材料学报， 2 0 0 3 ， 6 ( 2 ) ： 1 3 5 1 4 1 1 3 董毓利混凝土结构的火安全设计【 M 】 北京 ： 科学出版社， 2 0 0 1 1 4 滕智明钢筋混凝土基本构件 M C 京： 清华大学出版社， 1 9 8 7 作者简介： 王峥( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士。 单位地址： 大连理工大学建设工程学部( 1 1 6 0 2 4 ) 联 系电话 ： 1 3 8 9 8 6 7 2 3 4 2 p 星 囫 格雷 斯 公司 在中 国 西部 设厂 2 0 1 0 年 8 月 1 2日， 格雷斯公司进步扩展其在亚太地区的足迹， 在中国重庆开设了一家新工厂。格雷斯公司举行隆重的剪彩 仪式 ， 参加庆祝活动的人员包括公司客户、 政府官员及格雷斯全球及区域领导团队的成员。 新工厂设有水泥添加剂和混凝土外加剂生产线、 一个质量控制实验室 、 以及管理和销售人员办公区。 水泥添加剂用以提高研磨效率， 降低生产成本， 改进水泥质量 ， 以及减少能耗和二氧化碳排放。混凝土外加剂用以改进混凝土 的质量、 强度、 耐久性和外观。 最近几个月， 格雷斯同步在全球其他国家建立了一些业务， 包括在沙特阿拉伯成立了合资公司， 以及在该国开始投产等。重庆 工厂是格雷斯在中国最新的一项投资， 以满足建筑客户的具体要求， 公司目前还在上海、 天津、 广州和香港有四家工厂。 5 3 0 O O 0 0 0 0 O 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m