盐冻环境下钢筋混凝土黏结性能的梁式试验.pdf
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1、第 1 6卷第 1期 2 0 1 3年 2月 建筑材料学报 J 0URNAL OF BUI I DI NG MATE RI AL S Vo 1 1 6。 No 1 F e b , 2 0 1 3 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 3 7 0 6 盐冻环境 下钢 筋混凝土黏 结性能 的梁式试验 徐 港 , 艾天成 , 谢 晓娟 , 王 青 ( 三峡大学 土木与建筑学院 , 湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘 要 :采用 2 4 0 mm1 5 0 mm1 2 0 0 mm 梁式黏 结 试件 , 通 过 0 , 5 0 , 7 5 , 1
2、 0 0次快速 冻 融循 环试 验 研 究 了盐冻循 环作 用对 钢 筋混凝 土黏 结强 度 , 黏 结 刚度 , 初 始 滑 移值 , 极 限 滑 移值 , 破 坏形 态等 指 标的影响规律 , 并采用最小二乘法拟合得到 盐冻作用后 的黏结滑移本构方程 结果表明: 随着冻融 次数 的增加 , 钢 筋 混凝 土初 始滑移 和极 限黏 结 强度 均 逐 渐 降低 , 且 前者 降幅 更 为显 著 ; 冻 融循 环 次 数越 多, 相同黏结应力水平下滑移 量越 大, 黏 结刚度越低 , 滑移量增长也越快; 箍筋能有效地抑制 和 延缓 盐 冻融作 用环 境 下纵 筋与 混凝 土黏 结性 能 的劣化
3、程度 关键 词 :混凝 土 ;盐 冻 ;黏 结性 能 ;耐久 性 , 中图分 类号 : TU5 2 8 5 7 1 文 献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 1 0 0 7 Be a rn Te s t o f Bo n d Be h a v i o r be t we e n S t e e l Ba r a n d Co nc r e t e i n S a l t - Fr o s t En v i r o n me nt XU Ga n g, A,Ti a n c h e n g, XI E
4、Xi a o - j u a n, WANG Qi n g ( C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g Ar c h i t e c t u r e ,Ch i n a Th r e e Go r g e s Un iv e r s i t y,Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Us i n g b e a m s p e c i me n s ( 2 4 0 mm 1 5 0 mm 1 2 0 0 mm)t h e i n f l u e n c e o f t h
5、 e s a l t f r o s t c y c l e s o n t h e s t e e l c o n c r e t e b o n d i n g s t r e n g t h,b o n d i n g s t i f f n e s s ,i n i t i a l s l i p p a g e ,u l t i ma t e s l i p p a g e ,t h e f a i l u r e p a t t e r n a n d o t h e r i n d e x e s wa s i n v e s t i g a t e d t h r o u g
6、h 0,5 0 ,7 5,1 0 0 f a s t f r e e z e t h a w c y c l e s t e s t s ,t h e n t h e b o n d - s l i p c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n a f t e r t h e s a l t f r o s t i n g a c t i o n wa s f i t t e d b y l e a s t s q u a r e me t h o d Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t wi t h t
7、h e i n c r e a s e o f f r e e z i n g a n d t h a wi n g c y c l e s ,t h e i n i t i a l s l i p s t r e n g t h a n d t h e u l t i ma t e b o n d i n g s t r e n g t h t e n d t o d e g e n e r a t e ,a n d t h e f o r me r a mp l i t u d e r e d u c t i o n i s mo r e s i g n i f i c a n t Th
8、e mo r e t h e t i me s o f t h e f r e e z i n g a n d t h a wi n g c y c l e s ,t h e g r e a t e r s l i p p a g e a t t h e s a me b o n d s t r e s s e s ,t h e l o we r b o n d i n g s t i f f n e s s ,t h e f a s t e r s l i p g r o wt h S t i r r u p s c a n e f f e c t i v e l y i n h i b i
9、 t a n d d e l a y t h e d e t e r i o r a t i o n d e g r e e o f t h e b o n d p r o p e r t y b e t we e n t h e l o n g i t u d i n a l s t e e l a n d t h e c o n c r e t e u n d e r t h e f r e e z e t h a w e n v i r o n me n t Ke y wo r d s :c o n c r e t e ;s a l t f r o s t ;b o n d p r o
10、p e r t y;d u r a b i l i t y 寒冷地区撤除冰盐的道路 、 桥梁 以及海边建筑 物经常会遭受到非常严重的盐冻破坏 , 盐冻融循环 作用不仅造成混凝土剥蚀、 强度降低 , 而且还会影 响 钢筋与混凝土间的黏结效果 目前 , 关于盐冻对混凝 土材料性能的影响 已有众多研究成果 , 但 由于构件 的抗力并不完全取决于材料性能 的力学表征 , 近年 来国内外学者正逐步在构件层次 上展开相关研究 , 如文献 1 1 2 采用不同的冻融试验方法对冻融循环 作用后钢筋与混凝土之间黏结性能的退化规律进行 了研究 , 结果表 明冻融循环对钢筋混凝土结 构的黏 结强度有显著的影响 ,
11、随冻融循环作用次数增加 , 钢 筋与混凝土间的最大黏结强度下降 然而, 现有成果 大多 数是 基于 标 准 冻 融 试 件 ( 1 0 0 mm1 0 0 mm 4 0 0 mm)或立 方 体 试 件 ( 1 0 0 mm 1 0 0 mm 收稿 日期 : 2 0 1 1 - 0 8 0 6 ;修订 日期 : 2 0 1 1 - 1 0 - 0 5 基 金项 目: 湖北省 自然科学基金计划创新群体资助项 目( 2 0 1 0 C DA0 7 6 ) ; 高速铁路建造技 术 国家工程实 验室开放基金 资助项 目; 湖北省教 育厅科 学研 究计划重点资助项 目( D2 0 0 9 1 3 1 0
12、) 第 一作者 : 徐港 ( 1 9 7 4 一) , 男 , 内蒙古 达茂旗人 , 三峡大学副教授 , 博 士 主要从事混凝土结构耐久性研究 E - ma i l : p o s t x g 1 6 3 t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 建筑材料学报 第 1 6卷 3 1 冻 融循环 次数 对初 始滑 移强 度的影 响 当梁端千分表读数 由 0开始变化时, 表 明钢筋 自由端与混凝土间产生了滑移 , 取此时由式 (
13、1 ) 计算 得黏结强度值为初始滑移强度 图 7为初 始滑移强 度与冻融循环次数的关系, 由图 7可见 , 试件冻融循 环 5 0次 时 初 始 滑 移 强 度 较 未 冻 融 时 降 低 了 4 1 2 O , 7 5次时 降低 了4 3 7 5 , 1 0 0次时 降低 了 7 3 5 O , 说明冻融循环次数越多, 钢筋 与混凝土 的 相对滑移变得越容易 , 黏结刚度越小 这除了与冻融 环境下混凝土强度 降低有关外 , 还可能与冻融作用 导致钢筋与混凝土界面性能退化有关 5 0 2 O 4 0 6 O 8 O 1 O 0 Nu mb e r o ff r e e z e - t h a
14、w c y c l e t i me s 图 7 初始滑移强度与冻融循环次数的关系 F i g 7 Re l a t i o n s h i p b e t we e n i n i t i a l s l i p s t r e n g t h a n d numb e r of f r e e z e - t ha w c y c l e 文献I- 4 - 5 3 通过研究 1 0 0 m m1 0 0 mm4 0 0 mm 梁式 试件 的盐 冻循 环对 黏 结性 能 的影 响 , 得 到 了不 同冻融循环次数下 的黏结滑移关 系曲线, 结果也表 明随冻融循环次数增加初始滑移强度下降, 但
15、相同 冻融循环次数下降幅度远较本 文显著 分析原因可 能主要是 因为试件尺寸相差较大的缘故 , 文献 4 5 中试件尺寸较小, 小尺寸试件对混凝土表面冻融损 伤的反应较为敏感 , 随冻融循环次数增加不仅混凝 土内部的损伤积累更快 , 混凝土与钢筋 的界面结 构 特性也劣化更快 , 如产生界面微裂缝等 , 从而使滑移 更容易发生, 以致初始滑移强度的衰减速度 比大尺 寸试 件更快 3 2 冻 融循 环次数 对极 限黏 结强 度的影 响 冻融循环次数对钢筋与混凝土极限黏结强度的 影响如图 8所示, 试件冻融循环 5 0次时极限黏结强 度较未冻融时降低 了 1 5 , 7 5次时降低 了 6 3 ,
16、 1 0 0次时降低了 1 0 8 , 可见随冻融循环次数增加 极限黏结强度也逐渐降低, 但总体降幅较文献 4 5 研究结果偏小 , 本试验与文献 4 5 极限黏结强度 比 较如表 2所示 这一方面可能是受试件尺寸效应 的 影响, 另一方面从试件的破坏形态 比较可知 , 本文配 筋试件发生的均属刮犁式黏结破坏, 而文献 4 5 无 箍筋试件发生的是劈裂破坏 , 说 明箍筋对纵筋周 围 的混凝 土起 到 了约 束 作用 , 从 而有 效 地 抑 制 和延 缓 了试件 黏结性 能 的退化 1 1 5 l 1 0 誊 1 0 _5 表 2 极限黏 结强度的 比较 Ta b l e 2 Co mp a
17、 r i s o n o f u l t i ma t e b 0 I I d s t r e n g t h s 3 3 冻 融循环 次数 对黏 结滑移 量 的影响 图 9为不同黏结应力下冻融循环次数与黏结滑 移量 的关系 由图 9可见, 相 同黏结应力下, 冻融循 环次数越多, 自由端滑移量越大 ; 随着黏结强度的增 大 , 滑移量增长得越多 在黏结强度较小 ( 约4 MP a 以下) 时 , 黏结滑移量 随冻融循环次数的增加不 明 显; 当黏结强度大于 4 MP a时, 黏结滑移量受冻融 循环次数的影 响愈发显著 , 表明随冻融循环次数 的 增加, 黏结刚度不断减小 这可能是 由于经多次
18、冻融 后混凝土内部的微裂缝不 断产生和发展 , 使混凝土 整体变得“ 疏松” 所致 进一步分析试验数据发现, 钢筋 自由端峰值滑 4 3 2 1 、 口 盆 l I一时 u l 对 白 甚 口 g 它 蛊 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 徐港 , 等 : 盐冻环境 下钢筋混凝土黏结性能 的梁式试验 4 1 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 0 Nu mb e r o f f r e e z e - t h a w c y c l e t i me s 图 9 黏结滑移量与冻融循环次数的关系 Fi g 9 Re l a t i o n s
19、 hi p b e t we e n b o n d s l i p a n d n u mb e r o f I r e e z e t h a w c y c l e 移量随冻融次数的增加而增大 , 与文献E 4 - 1 所得 规 律一致 , 但文献 3 , 6 , 1 2 认 为试件 冻融后 峰值 滑 移量低 于未冻试 件 这可 能是 因为黏 结性 能测 试 方法不 同而引起 的, 文献 3 , 6 , 1 2 所采用 的试验 方法均为中心拉 拔法 , 而本文 和文献 4 采用 的为 梁式试验 不过 本试验 所得 自由端峰值 滑移 量较 文献 4 偏小 , 试件 经历 7 5次冻 融循
20、环后 自由端 峰值滑移量仅有 0 5 0 mm, 而文献 4 3 试件经冻融 循 环 5 O次 后 滑 移 量 就 已达 2 7 5 mm 分 析 原 因 , 同 3 2小 节 , 除试 件 尺 寸 效 应 外 , 配 箍 的 存 在 可 能 是 更 主要 的原 因 4 盐冻融作用后黏结滑移本构方程 由 于 试 件 在 黏 结 失 效 前 钢 筋 已 屈 服 , 而 GB 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝土结构设计规范 _ 1 。 关 于受拉钢 筋锚固长度 的计算是按照钢筋屈服强度设计 的, 为 此 , 本 文仅 对钢 筋屈 服之 前黏 结 滑移 曲线进 行 分析 , 不 考 虑屈
21、服之后 的变 化 图 1 O为不 同冻 融 循 环 次 数 时 钢 筋 自 由端 黏 结 滑 移关 系 曲线 由图 1 O可见 , 达极 限黏 结强 度前 , 黏 结 滑移 关 系可 以分 为 2阶 段 : ( 1 ) 微 滑 移 阶段 , 黏 结 滑移关系基本呈线性 , 该阶段荷载很小 , 自由端滑移 量也较小 ; ( 2 ) 快滑移 阶段 , 黏结滑移关 系曲线开始 呈非线性 , 随着荷载增大 , 滑移量增长很快 , 并且荷 载很快就达到极 限荷载 根据上述黏结滑移关系曲线 的特 点, 可采用分 段函数的方式拟合得到冻融循环后钢筋 自由端 的黏 结一 滑移本构关 系, 其 中第 1段采用线
22、性 函数拟合 , 见式( 2 ) ; 第 2段非线性部分参考 C E B 1 9 9 0规范l_ 】 中黏结滑移本构方程 的形式 , 并经试验数据修正后 得 到 , 见式 ( 3 ) O 0 1 O 2 0 - 3 0 4 0 5 0 6 Bo n d - s l i p ram 1 0试 件 冻 融循 环后 黏 结 滑 移 曲 线 Fi g 1 0 Sp e c i men bo nd s l i p c u r v e a f t e r f r e e z e - t ha w c yc l e s r r 。 + ( C m ax - T O ) ( ) , S 。 s S ( 3)
23、式 中: K 为冻融次数为 时的初始滑移刚度 ; r , s为 冻融次数为, z 时的黏结应力( MP a ) 和滑移量( ram) ,S 。为 冻 融 次 数 为 时 起 始 的 滑 移 黏 结 应 力 ( MP a ) 和对应 的滑移量 ( mm) ; r , S 为冻融次数 为 , 达到极 限荷 载时的黏结应力 ( MP a ) 和对应 的 滑 移量 ( ram) ; a为 系数 , 口 一0 4 试 验 中监 测 到 自由端 钢 筋 的 起 始 滑 移 量 均 在 0 0 0 2 mm左右 , 与文献 1 8 结论相近 为此本文定 义 s 。 一0 0 0 2 mm 而 r 取钢筋屈服
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- 环境 钢筋混凝土 黏结 性能 试验
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