钢筋埋长对粉煤灰混凝土粘结性能的影响.pdf

第 3 9卷第4期 2 0 1 3年 8月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 51 钢筋埋长对粉煤灰混凝土粘结性能的影响 王 倩 ， 吴 瑾 ( 南京航空航天大学土木工程系， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 ) 摘要： 采用钢筋开槽内贴应变片的试验方法， 通过拉拔试验研究钢筋埋长对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的影 响。在钢筋埋长分别为 4 2 m m、 7 2 m m和 9 8 m i ll 的条件下得出粘结应力一 自由端滑移的关系曲线 、 钢筋应变一 锚固 位置的关系曲线、 粘结应力 锚固位置的关系曲线。结果表明： 钢筋埋长越长 ， 构件破坏时所需的外力越大， 但粘结 应力相对减小 ， 同样大小的粘结应力产生的钢筋滑移值较大； 钢筋埋长为9 8 m m的拉拔试件钢筋应变主要集中在 加载端， 而钢筋埋长为4 2 m m的拉拔试件在 自由端的钢筋应变也较大； 钢筋埋长为 9 8 m m的试件粘结应力主要集 中在加载端并且受力后的粘结应力分布更加不均匀， 钢筋埋长为 4 2 m m的试件粘结应力峰值有明显向自由端漂移 的趋势并且受力后的粘结应力分布较均匀。 关键词： 粉煤灰混凝土； 粘结性能； 钢筋埋长； 粘结应力分布 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 【 2 0 1 3 ) o 4 0 5 1 一 o 4 Th e i mp a c t o f e mb e d d e d l e n g t h o n b o nd p e r f o r m a n c e be t we e n fly a s h c o nc r e t e a n d s t e e l b a r s WA N G Q i a n wU J i n ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C n a ) Ab s t r a c t ： T h e i mp a c t o f e mb e d d e d l e n g t h o n b o n d p e rf o r ma n c e b e t w e e n s t e e l b a r s a n d t h e i r s u r r o u n d i n g c o n c r e t e w a s e x p e ri me n t e d b y me ans o f s t r a i n g a u g e s s t u c k o n t h e s t e e l b a r s T h e a v e r a g e b o n d s t r e s s s l i p c u r v e s ， t h e s t e e l s t r a i n - a n c h o r l o c a t i o n c u r v e s ， a n d t h e b o n d s t r e s s a n c h o r p o s i t i o n c u r v e s o f t h e p u l l o u t s p e c i me n s w i t h v a ri o u s e mb e d d e d l e n gth w e r e o b t a i n e d R e s ult s i n d i c a t e d t h a t t h e a v e r a g e b o n d s t r e n gth wa s s ma l l a s t h e e mb e d d e d l e n gth i n c r e a s e d T h e s t e e l s t mi n a n d b o n d s t r e s s c o n c e n t r a t e d a t t h e l o a d e d e n d w h e n e mb e d d e d l e n gth Was 9 8 mm Th e dis t r i b u t i o n o f s t e e l s t r ain a n d b o n d s t r e s s a l o n g t h e a n c h o r a g e l e n g t h b e c a me mo re u n i f o r m wh e n e mbe d d e d l e n gth w a s 4 2 mm Me a n w h i l e ， t h e p e a k b o n d s t res s t e n d e d t o d r if t t o w a r d t h e f r e e e n d o b v i o u s l y w h e n e mbed d e d l e n gth Was 4 2 mm Ke y wo r d s ： fl y as h c o n c ret e ； b o n d p e r f o rm an c e ； e mbe d d e d l e n g t h； b o n d s t r e s s d i s t ri b u t i o n O 引 言 若钢筋和混凝土有相对的变形 ( 滑移) ， 就会在 钢筋和混凝土的交界面上产生沿钢筋轴线方 向的相 互作用力 ， 这种力称为钢筋 和混凝土 的粘结力。粘 结力的存在是钢筋与混凝土二者能够协调工作的基 础 。钢筋与混凝土之间的可靠粘结是保证钢筋和混 凝土共同工作的前提条件， 粘结的退化和失效， 必然 导致钢筋混凝土结构力学性能的降低和破坏。故钢 筋与混凝 土的粘结是一个重要 的课题 J 。钢筋 与 混凝土间的粘结滑移关系 ， 一直是许多从事混凝土 基础理论研究学者极感兴趣的课题之一 ， 但 也是一 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 - 0 2 作者 简介 ： 王倩( 1 9 7 2一)， 女 ， 江苏灌云 人 ， 副 教授 ， 在读博 士 ， 主 要从事建筑材料教学工作及混凝土耐久性研究。 基金项目： 江苏省“ 六大人才高峰” 资助项目( 2 0 0 8 1 8 3 ) E ma i l ： b o y , a0 0 9 1 6 3 c o m 个研究的难点 ， 其机 理非 常复杂。随着新材料 的应 用 ， 特别是为了混凝土材性 的改善 ， 采用了如添加纤 维材料( 钢纤维、 聚丙烯纤维) 、 掺人矿物细掺料( 粉 煤灰、 硅粉 、 沸石粉) 、 添人添加剂 ( 减水剂 、 早强剂 ) 等方法。但当混凝土材性改善后， 它与钢筋共同工 作的机理又将会产生哪些有利 和不利的影 响， 是 目 前迫切需要研究解 决的课题 J 。国 内外对普通混 凝土与钢筋的粘结性能的研究已形成了一系列较为 成熟的理论 ， 而关于粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能 的研究还很少。因此 ， 随着粉煤灰混凝土在实际工 程中的进一步推广应用， 对粉煤灰混凝土与钢筋的 粘结性能进行深入的研究， 无论从扩充理论的角度 还是从指导具体工程实践的角度来说， 都是非常有 意义的。本文作者主要通过钢筋内贴应变片的拉拔 试验， 研究钢筋埋长对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性 能 的影响。 5 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 1 试验 ，1 1 试验 目的与试验方案 主要 目的是通过钢筋内贴片拉拔试验研究钢筋 埋长对粉煤灰混凝土与钢筋粘结性能的影响。根据 实际工程中螺纹钢筋用量较大 ， 本文仅对螺纹钢筋 制作拉拔试件进行试验， 参照G B 5 0 1 5 2 - - 9 2 ( 混凝土 结构试验方法标准 中钢筋 和混凝土粘结强度对 比试验的要求进行试验。试件尺寸为边长 1 5 0 m m 的立方体试块， 钢筋直径 d= 1 4 m m， 采用山东莱钢 永锋钢铁 有限公 司生 产 的普 通热轧 钢筋 H R B 3 3 5 ( I 1 ) 级 ， 弹性模量 E= 2 01 0 N m m 。钢筋 内贴 应变片 ， 间距 1 4 m m， 钢筋埋长为 5 d ( 7 0 m m) 。拉 拔试件见图 1 ， 钢筋应变片粘贴位置见图 2 。对 比组 钢筋埋长分别为 3 d ( 4 2 m m) 和 7 d ( 9 8 m m) 。 卜 Pl t i t ub e l I Co l l c r c t c c u be 图 1 拉拔试件 Fi g 1 Pu l l - o u t s p e c i me n s 1 l I I l 4 X 5 图 2 钢筋应变片粘贴位置 Fi g 2 Lo c at i on o f s t r a i n g aug e 试验主要设备为 WD W3 3 0 0型微控电子万能试 验机 、 位移传感 器、 T S 3 8 6 6静态 电阻应 变仪。每加 载 5 k N， 采集一次数据 。 1 2混凝土原材料及其性能 水泥采 用连 云 港 中联 水 泥 有 限公 司生 产 的 4 2 5级普通硅酸盐水泥； 粉煤灰采用连云港新海 电 厂的 I 级灰 ； 石子采用连云港马涧山石子 ， 粒径为 5 3 1 5 m m， 连续级配； 砂为山东郯城 区中砂， 细 度模数 2 7 。减水剂采用南京博特建材有限公司生 产的 J M一1 0型高效减水剂。试验用粉煤灰混凝土 配合 比见表 l 。 表 1 粉煤灰 混凝 土配合比 Ta b l e 1 Th e mi x p r o p o r t i o n o f fl y a s h c o n c r e t e 浇筑拉拔试件 的同时， 预留 1组 3块立方体试 块以确定混凝土 2 8 d的抗压强度。 2钢筋内贴片拉拔试验结果分析 2 1 钢筋埋长对粘结应 力一 自由端滑移关系 曲线 的影 响 粘结应力 在钢筋的锚 固段不是均匀分布的。 许多研究 均发现 J ， 丁一 s曲线在不 同的位置是变 化的， 即钢筋与混凝土的粘结应力 不仅与相对滑 移有关 ， 而且随位置坐标 而变 ， 因此 r对 存在一 个函数关系。粘结滑移基本关系一般采用平均粘结 应力一 相对 滑移关 系来 表述 】 。因此 为了简便 起 见 ， 常采用平均粘结应力来描述粘结性能 ， 以最大平 均粘结应力代表钢筋与混凝土的粘结强度 】 。 各级荷载作用下的平均粘结应力按下式计算 ： = ( 1 ) 式中 粘结应力( MP a ) ； 外加荷载( k N) ； d 钢筋直径 ( mm) ， 在此试验 中因为钢 筋内部开槽 ， 根据等截面原理 ， 计算 出 d =1 3 2 5 mm ； f 钢筋埋入长度 ， 在此试验中为 4 2 m m、 7 0 m m 和 9 8 m m。 典型的粘结滑移关 系曲线可以划分为五段 ， 但 由于本次试验所用设备的局限性 ， 本次试验只能绘 出微滑移段、 滑移段和劈裂段， 不能绘出下降段和残 余段。鉴于本试验中加载端 的滑移值测试的可靠性 较低。本文采用平均粘结应力一自由端滑移 曲线来 建立粘结滑移本构关系。 各组试件均为剪切型破坏 ， 各组试件最大破坏 荷载及最大平均粘结应力见表 2 。 表 2不同钢筋埋长的试件粘结应力对 比 Ta b l e 2 Co n t r a s t o f b o n d s t r e s s f o r s p e c i m e n s wi t h va r i o us e mbe d de d l e ng t h 在混凝土强度等级 ( C 4 0 ) 、 钢筋直径 ( 1 4 m m) 和粉煤灰掺量( 1 5 ) 相同的情况下 ， 根据编号为 c 一 4 2 、 C - 7 0 、 C - 9 8 试件组的试验数据 ， 图 3绘 出了钢筋 埋长分别为 4 2 mm、 7 0 m m和 9 8 mm的拉拔试件对 应的粘结应力一自由端滑移关 系曲线。 从图 3中可以看出， 在其他条件相 同的情况下， 王倩， 等 ： 钢筋埋长对粉煤灰混凝土粘结性能的影响 5 3 0 0 0 0 1 0 0 2 0 O 3 0 0 4 0 0 50 0 6 0 0 70 0 8 O 0 90 1 0 0 自由端滑移 r a m 图 3 钢筋埋长对粘结应力一 自由端 滑移 关系曲线的影响 Fi g 3 Bond s t r e s s a nd s fip r e l a t i on s hi ps 钢筋埋长越长 ， 构件破坏时所需的外力越大 ， 但粘结 应力相对减小 ， 同样大小的粘结应力 时产生的钢筋 滑移值较大。 2 2钢筋埋长对钢筋应变一 锚 固位 置关系 曲线的 影响 在混凝土强度等级 ( C 4 0 ) 、 钢筋直径 ( 1 4 mm) 和粉煤灰掺量( 1 5 ) 相同的情况下 ， 根据编号 为 C 一 4 2 、 C - 7 0 、 C - 9 8试件组的试验数据 ， 图 4 、 图 5及 图 6 绘 出了不同钢筋埋长的拉拔试件钢筋应变沿锚固长 度的分布规律 。 2 0 0O 1 5 00 翅 1 0 0 0 壕 罪5 0 0 O 0 5 l 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 45 距加载端距离 n u n 图 4 钢筋埋长 4 2 m m试件钢筋应变 沿锚固长度的分布规律 Fi g 4 Di s t r i b u t i o n s o f s t e e l s t r a i n f o r s p e c i me ns wi t h 42 mm e m be dde d l e ngt h 20 0 0 1 5 0 0 髫l 0 0 0 娄s 0 0 0 0 1 0 2 0 3 0 40 5 0 6 0 7 0 8 0 距加载端距离 mm 图 5 钢 筋埋长 7 0 mm试 件钢筋应变 沿锚固长度的分布规律 Fi g 5 Di s t rib u ti o ns o f s t e e l s t r ain f o r s p e c i m e ns wi t h 7 0 i nnl e mbe d de d l e ng t h 由图4、 图 5及 图 6可 以看 出， 在 荷载较小时 ， 钢筋应变在加载端附近变化速度较快 ， 主要原 因是 在荷载较小时， 粘结应力主要集中在加载端， 钢筋应 力变化靠近加载端较大。随着荷载增大 ， 各测点 的 钢筋应变值均增大， 钢筋应变分布比较均匀， 因为应 力峰值随加载过 程逐渐 内移 。对 比图 4 、 图 5 、 图 6 2 5 0 0 2 0 00 l 5 00 1 00 0 50 0 0 5 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 距加载端距离 n u n 图 6钢 筋埋长 9 8 mm试件钢筋应变 沿锚固长度的分布规律 F i g 6 Di s t rib u t i o ns o f s t e e l s t r ain for s p e c i m e ns wi t h 9 8 mn i e mb ed d ed l e n g t h 可以看出， 钢筋埋长为 9 8 m m的拉拔试件应 变主要 集中在加载端 ， 而钢筋埋长为 4 2 m m的拉拔试 件在 自由端的应变也较大， 表明该试件应力峰值向自由 端漂移较 明显。 2 3钢筋埋长 对粘结应力一 锚 固位置关 系曲线的 影响 用钢筋内贴片获得了各级荷载下沿锚固长度各 测点的钢筋应变后， 本文根据文献 8 推荐的粘结 应力拟合方法 ， 直接计算各测点位置处 的粘结应力 值 。 在 昆 凝土强度等级 ( C 4 0 ) 、 钢筋直径 ( 1 4 m m) 和粉煤灰掺量( 1 5 ) 相同的情况下， 根据编号为 C 一 4 2 、 C - 7 0、 C - 9 8试件组的试验数据 ， 以各测点位置处 的粘结应力 为纵坐标 ， 锚 固位置 ( 以离加载端 距离 确定应变 片具体位置 ) 为横坐标 ， 图 7 、 图 8及 图 9 绘出了不同钢筋埋长的拉拔试件粘结应力沿锚固长 +1 0 l 【 N+1 5 +2 0 1 c N+2 5k N 0 5 l 0 l 5 2 O 25 3 0 3 5 4 0 45 距加载端距离 mm 图 7 钢筋埋长 4 2 m m试 件粘结应力 沿锚 固长度的分布规律 Fi g 7 Di s t r i b u t i o n s o f b o n d s t r e s s f o r s p e c i m e n s wi t h 4 2 i n l n e mb e d d e d l e n g t h O 1 0 20 3 0 40 5 0 6 0 7 0 8 0 距加载端距离 mm 图8 钢筋埋长 7 0 m m试件粘结应力 沿锚固长度的分 布规律 F i g 8 Di s t rib u t i o n s o f b o n d s t r e ss f o r s pe c i me n s wi t h 7 0 mi l l e mb e d d ed l e n g t h 加 m O eR 犟 荨 据霸 四川建筑科学研究 第 3 9卷 U 2 U 4 U 6 U 8 0 1 O 0 l 2 O 距 加载 端距 离 mm 图 9 钢筋埋长 9 8 m m试件粘结应力 沿锚固长度的分布规律 Fi g 9 Di s t r i b u t i o n s o f b o n d s t r e s s f o r s p e c i me n s wi t h 9 8 mm e mb e d d e d l e n g t h 度的分布规律 。 从图 79中看出 ， 在荷载较小时 ， 粘结应力主 要集中在加载端 ， 靠近 自由端 的应力很小 。随着荷 载的增大 ， 各点粘结应力均相应 的增大 。对 比图 7 、 图 8及 图9可知 ， 钢筋埋长为 9 8 m m的试件粘结应 力主要集中在加载端并且受力后的粘结应力分布更 加不均匀 ； 钢筋埋长为7 0 m m的试件粘结应力峰值 有向自由端漂移 的趋势； 钢筋埋长 4 2 mm的试件粘 结应力峰值有明显向自由端漂移的趋势并且受力后 的粘结应力分布较均匀。 3 结 论 针对不 同钢筋埋长的粉煤灰混凝土， 通过钢筋 内贴应变片的拉拔试验分析 ， 可以得到如下结论。 1 ) 钢筋埋长 越长 ， 构 件破坏 时所需 的外 力越 大， 但粘结应力相对减小 ， 同样大小的粘结应力产生 的钢筋滑移值较大。 2 ) 在荷载 较小时 ， 粘 结应力 主要 集 中在 加载 端 ， 靠近 自由端的应力很小。随着荷载的增大 ， 各点 粘结应力均相应的增大。 3 ) 钢筋埋长为 9 8 m m 的拉拔试件应变主要集 中在加载端 ， 而钢筋埋长为 4 2 m m 的拉拔试件在 自 由端的应变也较大 ， 表明该试件应力峰值向 自由端 漂移较明显 。 4 ) 钢筋埋长为 9 8 m m 的试件粘结应力 主要集 中在加载端并且受力后 的粘结应 力分布更加不均 匀 ； 钢筋埋长为 7 0 I n m的试件粘结应力峰值有 向自 由端漂移的趋势 ； 钢筋埋长为 4 2 m m的试件粘结应 力峰值有明显向自由端漂移的趋势并且受力后的粘 结应力分布较均匀。 参 考 文 献 ： 1 徐有邻 ， 沈文都 ， 汪洪 钢筋混 凝土粘结锚 固性能 的试验研 究 J 建筑结构学报， 1 9 9 4 ， 1 5 ( 3 ) ： 2 6 - 2 7 2 高向玲， 李杰 钢筋混凝土粘结锚固的研究进展 J 结构工 程师 ， 2 0 0 1 ( 2 )： 2 9 - 3 3 3 G B 5 0 1 5 2 -9 2 混凝土结构试验方法标准 S 4 S o m a y a j i S ， S h a h S P B o n d S tr e s s V e r s u s S l i p R e l a t i o n s h i p a n d C r a c k i n g R e s p o n s e o f T e n s i o n M e m b e r s J A C I J o u rn a l ， P r o c e e d i n g s ， 1 9 8 I ， 7 8 ( 3 ) ： 2 1 7 2 2 4 5 T a s s i o s T P ， Y a n n o p o u l o s P J A n a l y t i c a l S t u d i e s o n R e i n f o r c e d C o n c r e t e Me mb e r s Un d e r C y c l ic L o a di n g B a s e d o n B o n d S t r e s s S l i p R e l a t i o n s h i p s J AC I J o u r n al， P r o c e e d i n g s ， 1 9 8 1 ， 7 8( 3 )： 2 O 6- 2 1 6 6 赵羽习， 金伟良 钢筋与混凝土粘结本构关系的试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 3 23 7 7 H A O Q i n g d U O ， WA N G Y a n l e i ， Z h a n g Z h i e h u n e t a 1 B o n d S t r e n g t h I m p r o v e m e n t of G F R P R e b a r w i t h D iff e r e n t R i b G e o m e t r i e s J J o u rna l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y S C I E N C E A， 2 0 0 7 ， 8( 9) ： 1 3 5 6 一 l 3 6 5 8 洪小健 ， 张誉 粘结滑移试验中的粘结应力的拟合方法 J 结构工程师 ， 2 0 0 0 ( 3 ) ： 4 4 4 8