肖建莊，趙衛(wèi)平，2

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083）

國內(nèi)外學(xué)者對高溫（火災(zāi)）作用下混凝土及鋼筋的力學(xué)性能、熱工性能，構(gòu)件及結(jié)構(gòu)在高溫下的反應(yīng)等進(jìn)行了大量研究［1－3］.高溫下鋼筋與混凝土之間黏結(jié)退化問題同樣受到了重視［4－8］.許多學(xué)者采用預(yù)裂試塊研究橫壓力對黏結(jié)強(qiáng)度的影響［9－12］.該方面有關(guān)成果也收錄在FIB 2000報告［13］中.研究表明，黏結(jié)強(qiáng)度隨橫壓力的增加而增大，并且隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，橫壓力對黏結(jié)性能的有利影響越明顯.本文設(shè)計了特殊的加載裝置，從更加細(xì)致的方面研究了高溫后鋼筋與高強(qiáng)混凝土間的黏結(jié)作用，并進(jìn)一步考察了橫壓力對黏結(jié)作用的影響.

1 試塊制作

結(jié)合筆者以前的試驗［7］，配制C100混凝土所需的材料如下：42.5R普通硅酸鹽水泥，S90級磨細(xì)高性能礦渣復(fù)合摻合料，微硅粉，細(xì)度模數(shù)為2.5左右的中砂，5～20mm粒徑鈣質(zhì)連續(xù)級配碎石，萘系高效減水劑，自來水.高強(qiáng)混凝土配合比見表1.

表1 C100混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of C100concrete

攪拌工藝為：先投入水泥、礦渣、硅粉、砂及碎石，攪拌均勻后加入一半的水?dāng)嚢杓s2min，然后加入另一半水并緊跟著加入減水劑，攪拌6～8min后出料，實(shí)測混凝土坍落度在200～220mm之間.

采用特制模具澆注黏結(jié)試塊，尺寸為100mm× 100mm×150mm.在試塊的上表面三分點(diǎn)預(yù)留兩個半徑為7mm的半圓狀槽，如圖1所示.人工插搗密實(shí)后用刮刀插實(shí)周邊、抹平表面，在試驗室放置1d后拆模.拆模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d，然而將試塊取出，放在室內(nèi)自然干燥1個月后試驗.試塊分為4組，每組6個試塊分別對應(yīng)6個溫度工況，共24對試塊.

圖1 黏結(jié)試塊Fig.1 Bond specimen

進(jìn)行推出試驗時，2個試塊一組，有預(yù)留槽的面相對，在中間卡入人工焊接的H型加載裝置.為保證試驗過程中鋼筋和混凝土始終保持100mm的黏結(jié)長度，型鋼長度為160mm.沿型鋼長度方向焊接4根φ12熱軋月牙變形鋼筋，如圖2所示.

圖2 試塊與加載裝置的連接（單位：mm）Fig.2 Connection of specimen and loading sketch（Unit：mm）

2 升溫制度

高溫試驗采用DRX－36型升溫設(shè)備，如圖3所示.爐膛有效尺寸為700mm×600mm×530mm（深×寬×高）.該設(shè)備經(jīng)設(shè)定后自動控溫，參照國際ISO834標(biāo)準(zhǔn)，升溫速率約為10℃·min－1，當(dāng)爐膛溫度接近設(shè)定溫度值之前，該設(shè)備自動減緩升溫速度，避免過熱沖擊.當(dāng)爐膛溫度達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度后，恒溫45min，使得與帶肋鋼筋接觸影響范圍內(nèi)的混凝土高溫?fù)p傷充分，之后打開爐門，讓試塊隨爐自然冷卻至室溫，升溫曲線見圖4.

3 高溫后抗壓試驗

采用C100高強(qiáng)混凝土，制作100mm×100mm× 100mm的立方體試塊，其與黏結(jié)試塊在同條件下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期均為28d.高溫試驗時，當(dāng)溫度超過300℃后，有些混凝土試塊發(fā)生爆裂，爆裂時有悶響，高溫爆裂后試塊如圖5所示.研究［14－16］表明，高強(qiáng)混凝土高溫爆裂具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，一般可以通過摻加聚丙烯纖維加以改善.高溫后抗壓強(qiáng)度試驗在同濟(jì)大學(xué)混凝土材料試驗室進(jìn)行，不同溫度經(jīng)歷的高強(qiáng)混凝土殘余強(qiáng)度見表2.

對于高強(qiáng)混凝土，當(dāng)經(jīng)歷的溫度低于400℃，混凝土強(qiáng)度已經(jīng)開始下降，折減系數(shù)為0.84～1.00.當(dāng)經(jīng)歷超過400℃的高溫后，混凝土強(qiáng)度大幅下降，如經(jīng)歷800℃高溫后，混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)為0.26.常溫下混凝土的顏色基本為黑、紅和白三種顏色的混合：黑色為硅的化合物，如燒制黏土磚的芯部物質(zhì)；紅色和褐色通常表示含有鐵的氧化物；呈現(xiàn)白色的礦物有石英等［7，14－16］.這些表觀現(xiàn)象對評價高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)經(jīng)歷溫度具有一定的參考價值.

表2 高溫后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度Tab.2 Compressive strength of cubes after elevated temperatures

4 高溫后推出試驗

4.1 加載制度與加載裝置

推出試驗在同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室完成.試驗開始時，首先在水平方向施加橫壓力P夾緊黏結(jié)試塊，然后由豎向千斤頂對H型加載裝置施加豎向壓力F.試驗過程中采集豎向千斤頂壓力F和加載裝置相對于左右兩個黏結(jié)試塊的位移值，取左右位移計的均值作為滑移量；同時，水平方向橫壓力P由傳感器實(shí)時監(jiān)控.按此加載方案逐步提高水平方向橫壓力，多次加載，直到混凝土試塊破壞為止.由試塊的設(shè)計和構(gòu)造可知每個翼緣分擔(dān)的壓力為P／2，黏結(jié)應(yīng)力τ和豎向千斤頂壓力F的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中：d為鋼筋直徑，l為黏結(jié)長度.本文中d取12 mm，l取100mm.

試驗在剛度較大的自平衡反力架上進(jìn)行，如圖6所示.豎向液壓千斤頂額定荷載為500kN，荷載控制加載速率為5kN·min－1.水平方向用手動千斤頂，額定荷載為300kN，在端部串聯(lián)力傳感器.

圖6 自平衡反力架與推出試驗裝置Fig.6 Self－balancing reaction frame and push－out setup

4.2 試驗現(xiàn)象與試驗結(jié)果

隨著豎向千斤頂?shù)南乱?，不斷有混凝土粉末被刮出，在加載裝置下方積累了大量的混凝土粉末，如圖7所示.鋼筋的肋間充滿了被剪斷的混凝土鍵，如圖8所示.因此，在橫壓力較低的情況下，黏結(jié)破壞形式與刮出式破壞相似.為了不影響下次試驗結(jié)果，每次加載完畢后清除肋間混凝土，當(dāng)所有試驗完成后，鋼筋肋仍然完好.

圖9為不同溫度經(jīng)歷混凝土在各級橫壓力作用下的黏結(jié)－滑移曲線和對應(yīng)的橫壓力值在試驗過程中的衰減曲線.由圖可見，混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度隨施加的橫壓力的提高而增大.然而，高溫對混凝土的損傷致使混凝土所能承受的橫壓力水平迅速降低，經(jīng)歷溫度越高所能承受的橫壓力越低（400℃除外），黏結(jié)性能退化越明顯.

通過對圖9的對比分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)曲線的下降趨勢幾乎相同，而20℃和400℃溫度經(jīng)歷的試塊在最高橫壓力水平下的曲線卻與其他曲線相交.其主要原因是當(dāng)橫壓力提高到一定水平后，加載時沿混凝土試塊的預(yù)留槽口發(fā)生劈裂破壞，而混凝土試塊存在兩種不同的劈裂形式.圖10為兩種不同的裂縫發(fā)展形式：①由預(yù)留槽口向側(cè)面發(fā)展，如圖10a所示；②由預(yù)留槽口向?qū)γ姘l(fā)展，如圖10b所示.前者裂縫發(fā)展迅速，槽口劈裂部分瞬間脫落，因此曲線下降趨勢較快，20℃和400℃溫度經(jīng)歷試塊的最終破壞形式與此相同；后者裂縫發(fā)展較緩慢，曲線的下降趨勢較緩和，200，300，500和600℃溫度經(jīng)歷的混凝土試塊均屬于此類破壞形式.在將來的試驗研究中，建議增大槽口至側(cè)邊的距離，使裂縫向?qū)γ姘l(fā)展，充分發(fā)揮試塊潛在的黏結(jié)性能，減少試驗結(jié)果的離散性.

此外，200℃溫度經(jīng)歷的混凝土試塊的橫壓力衰減曲線在40kN時出現(xiàn)了水平段，然而此壓力水平下對應(yīng)的黏結(jié)－滑移曲線并無異常，經(jīng)初步分析此異常是由傳感器故障所致，黏結(jié)－滑移關(guān)系曲線依然有效.

圖10 混凝土沿槽口的劈裂Fig.10 The splitting of concrete along the notch

4.3 高溫后黏結(jié)強(qiáng)度與溫度經(jīng)歷的關(guān)系

將黏結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)與文獻(xiàn)［6，17－18］的對比圖繪于圖11.從圖中看出，無論是普通混凝土還是高強(qiáng)混凝土，當(dāng)溫度經(jīng)歷超過300℃時，光圓鋼筋和帶肋鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度均降低，但光圓鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度退化較帶肋鋼筋更明顯.

圖11 黏結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)Fig.11 Reduction coefficients of bond strength

300℃溫度經(jīng)歷時，光圓鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度開始迅速下降.這主要是光圓鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力主要由混凝土中水泥凝膠體與鋼筋表面的化學(xué)膠著力和鋼筋與混凝土接觸面間的摩擦力等組成，當(dāng)混凝土處于300～400℃時，水泥凝膠體產(chǎn)生破壞，鋼筋與混凝土接觸面的膠著力和摩擦力將顯著下降，從而引起黏結(jié)應(yīng)力的陡降.

400℃溫度經(jīng)歷時，帶肋鋼筋的黏結(jié)能力下降顯著.特別是高強(qiáng)混凝土，下降速度很快.這是因為帶肋鋼筋的黏結(jié)能力主要取決于鋼筋表面凸出的肋與混凝土的機(jī)械咬合力，而這種咬合力的大小主要取決于鋼筋外圍混凝土的環(huán)向抗拉強(qiáng)度.從前面的分析來看，400℃時，混凝土強(qiáng)度開始大幅度下降，黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律與此相符.

600℃溫度經(jīng)歷時，不僅混凝土的凝膠體發(fā)生破壞，而且其中的粗骨料也發(fā)生明顯損傷，從而引起抗拉強(qiáng)度的急劇下降.因為混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能很大程度上取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度和保護(hù)層厚度，所以帶肋鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度在溫度600℃左右下降幅度更大.

4.4 黏結(jié)應(yīng)力與橫壓力之間的關(guān)系

圖12a為橫向壓力一定時不同溫度經(jīng)歷混凝土試塊黏結(jié)－滑移曲線，圖12b為不同溫度經(jīng)歷混凝土試塊最高橫壓力衰減曲線.顯然，高溫對混凝土黏結(jié)性能的影響十分明顯，隨溫度經(jīng)歷的提高，混凝土的黏結(jié)性能迅速退化；與此同時，試塊所能承受的橫壓力也迅速降低.應(yīng)當(dāng)指出，常規(guī)黏結(jié)性能對比試驗中，鋼筋和混凝土界面橫壓力是由于鋼筋的錐楔作用所引起混凝土的被動約束而產(chǎn)生，而本文中的橫壓力是作為主動約束直接施加到混凝土試塊上.通過對比發(fā)現(xiàn)，黏結(jié)－滑移曲線的下降段與對應(yīng)的橫壓力衰減曲線的趨勢和走向都極為相似，可由此推斷橫壓力的衰減是導(dǎo)致刮出式破壞中黏結(jié)－滑移曲線出現(xiàn)下降段的主要原因.

圖12 不同溫度經(jīng)歷黏結(jié)－滑移曲線和最高橫壓力衰減曲線Fig.12 Bond－slip curve and the maximum lateral pressure degrade curve after different elevated temperatures

5 結(jié)論

（1）對于高強(qiáng)混凝土，當(dāng)經(jīng)歷的溫度低于400℃，混凝土強(qiáng)度已經(jīng)開始下降，折減系數(shù)為0.84～1.00.當(dāng)經(jīng)歷超過400℃的高溫后，混凝土強(qiáng)度大幅下降，經(jīng)歷800℃高溫后，混凝土強(qiáng)度折減系數(shù)為0.26.

（2）鋼筋和混凝土的界面損傷后，不斷有混凝土粉末被刮出是致使橫壓力迅速降低的主要原因，而橫壓力的逐漸衰減是導(dǎo)致黏結(jié)－滑移曲線出現(xiàn)下降段的主要原因.

（3）黏結(jié)強(qiáng)度隨橫壓力的提高而增大，黏結(jié)－滑移曲線的下降段與橫壓力的衰減曲線發(fā)展趨勢相似.

（4）高溫后高強(qiáng)混凝土材性退化致使試塊不能承受更高的橫壓力是本文試驗方法中黏結(jié)性能降低的主要原因.

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