楊雅新 張志飛 谷春濤 蘇永章 張慧怡 劉明亮

1河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院（450011）2河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

再生混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

楊雅新1張志飛2谷春濤2蘇永章2張慧怡2劉明亮2

1河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院（450011）2河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)不斷加快，城市建筑更新速率提升明顯，相應(yīng)產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土。該部分建筑垃圾較難處理，且缺乏應(yīng)用價(jià)值，通常會(huì)進(jìn)行掩埋或堆放處理。再生集料混凝土為廢棄混凝土垃圾的回收利用提供了方向，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代建筑行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但就再生混凝土技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用而言，仍需經(jīng)歷相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的考驗(yàn)，以確保再生混凝土具有其相應(yīng)的使用性能。通過模擬混凝土試件，就再生混凝土與鋼筋材料的粘結(jié)性，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明粗集料取代率不宜過高，需嚴(yán)格控制廢棄混凝土的摻入量方能確保再生混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能。

再生混凝土；鋼筋；粘結(jié)性能；試驗(yàn)研究

廢棄混凝土是城市建筑更新產(chǎn)生的建筑垃圾的重要組成部分，數(shù)量眾多且不便于處理，通常會(huì)使用掩埋或就地堆放的方式進(jìn)行處理，不僅會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。再生混凝土是指將廢棄混凝土回收粉碎，代替粗集料重新制作的混凝土材料，具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。目前該項(xiàng)技術(shù)仍處于試驗(yàn)研究階段，本文通過模擬混凝土試件，圍繞再生混凝土與鋼筋材料的粘結(jié)性能，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)過程概述

1.1 再生混凝土配料分析

本試驗(yàn)中再生混凝土配料，主要包含以下幾部分配料:一，本試驗(yàn)所用水泥，為42.5級(jí)水泥；二，試驗(yàn)試件粗集料為混合粗集料，即天然粗集料混合再生粗集料組成，以再生粗集料摻入量為控制變量。再生粗集料主要由強(qiáng)度為C25的廢棄混凝土粉碎、清洗獲得，其粒徑范圍為5.0~10.0 mm，屬于連續(xù)顆粒級(jí)配；天然粗集料粒徑范圍與再生粗集料相同，其表觀密度為2.54 g/cm3；三，試件細(xì)集料以表觀密度2.64 g/cm3河砂為主；四，試件選用Ⅰ級(jí)粉煤灰作為摻合料；五，試件混合所用水均為自來水。

1.2 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

再生混凝土孔隙率以及其它性能特征均受配合比影響決定，而孔隙率則直接關(guān)乎試件內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的形狀和分布，上述因素變化均會(huì)導(dǎo)致試件對(duì)鋼筋材料的握裹強(qiáng)度發(fā)生變化。

本組試驗(yàn)再生混凝土配合比相關(guān)設(shè)計(jì)中，通過控制減水劑、再生混凝土坍落度維持在一固定數(shù)值，分別設(shè)置10.0%、30.0%以及50.0%三組取代率，設(shè)計(jì)A、B、C三類混凝土試件，并借助可蒸發(fā)水含量法，以此測(cè)得A、B、C三類混凝土的孔隙率，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 三組再生混凝土孔隙率明細(xì)表

1.3 試件的設(shè)計(jì)和制作

1.3.1 試件設(shè)計(jì)

本組試驗(yàn)中,選用梁式粘結(jié)試件作為試驗(yàn)試件，這是由于此類試件，可較為真實(shí)的反映出混凝土梁中鋼筋材料在彎矩-剪力耦合作用下的受力性能，尤其是梁中錨固區(qū)域。

為進(jìn)一步增強(qiáng)試驗(yàn)效果，綜合考慮再生粗集料劃分相關(guān)內(nèi)容，針對(duì)三組混凝土類型，在試件制作時(shí)，每組均制作了3個(gè)試件，分別使用序號(hào)1~3標(biāo)記，以A組為例，包含A1、A2、A3三個(gè)試件。

出于試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性以及可操作性考慮，每個(gè)梁式粘結(jié)試件均分為a、b兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域。其中，a區(qū)域是梁式粘結(jié)測(cè)試區(qū)域，具體規(guī)格尺寸為150.0 mm× 170.0 mm×260.0 mm，試件鋼筋保護(hù)層厚度約為24.0 mm。b區(qū)域是三組別公共粘結(jié)測(cè)試區(qū)域，具體尺寸規(guī)格與a區(qū)域一致。

就a區(qū)域粘結(jié)試驗(yàn)試件而言，分別設(shè)置有無(wú)粘結(jié)區(qū)段、受拉鋼筋支座端和加載端，區(qū)段長(zhǎng)度70.0 mm，中間轉(zhuǎn)接區(qū)段長(zhǎng)度120.0 mm。本組試驗(yàn)中所用受拉鋼筋，均選用B12螺紋鋼筋，其極限抗拉強(qiáng)度約為612.0 MPa，屈服抗拉強(qiáng)度約為450.0 MPa，材料伸長(zhǎng)率約為26.4%，彈性模量2.01×105 MPa。

正式試驗(yàn)前，a區(qū)域受拉剛勁通過螺紋連接與b區(qū)域固定，同時(shí)，利用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接完成a、b區(qū)域上部的固定，最終連接形式如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試件連接方式示意圖

1.3.2 試件制作

試驗(yàn)試件在正式澆筑前，需在受拉鋼筋粘結(jié)位置表面試驗(yàn)設(shè)計(jì)處進(jìn)行開槽處理并完成箔基點(diǎn)式應(yīng)變片的預(yù)埋工作，使用測(cè)試線導(dǎo)出應(yīng)變片導(dǎo)線，同時(shí)還需進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)變片防水覆蓋處理，以及相應(yīng)的荷載-應(yīng)變關(guān)系率測(cè)定工作。此外，需利用石蠟完全涂抹鋼筋脫粘結(jié)位置表面，完成涂抹后，利用PVC（管徑略大于鋼筋）套住，最后使用石蠟完成PVC管兩端的密封工作，避免澆筑操作過程中，PVC管中進(jìn)入混凝土漿。

實(shí)施澆筑操作前，施工人員需確認(rèn)鋼餃以及受拉鋼筋位置正確且固定完好、牢靠，隨后進(jìn)行再生混凝土相關(guān)澆筑操作。所有試驗(yàn)試件在注模操作后，需及時(shí)利用塑料薄膜覆蓋，并開始相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)工作。試件拆模需在養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行，試件拆模后需轉(zhuǎn)移至相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)室備用。

1.3.3 試驗(yàn)方法概述

本組試驗(yàn)主要由液壓伺服控制試驗(yàn)機(jī)完成，加載方式分為3 kN、6 kN、9 kN三種。應(yīng)變片相關(guān)數(shù)據(jù)，由相應(yīng)的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀自動(dòng)采集完成。正式試驗(yàn)過程中，鋼筋材料自由端以及加載端分別安設(shè)有電測(cè)位移計(jì)（高精度），以測(cè)量鋼筋實(shí)際位移情況，并且該數(shù)據(jù)會(huì)連接到應(yīng)變測(cè)試儀，從而完成對(duì)自由端相對(duì)位移的測(cè)量。如試件內(nèi)部鋼筋材料發(fā)生粘結(jié)滑移破壞，則判定改構(gòu)件被損壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粘結(jié)應(yīng)力分析

受拉鋼筋實(shí)際錨固長(zhǎng)度被5片應(yīng)變片分為四個(gè)區(qū)域，在不同的載荷作用下，四個(gè)區(qū)段中單一區(qū)段的平均粘結(jié)應(yīng)力值，可由該區(qū)段兩側(cè)應(yīng)變片的實(shí)際測(cè)量值計(jì)算獲得，計(jì)算公式如下

上述公式中，τi,i+1表示第i至i+1區(qū)段內(nèi)具有的平均粘結(jié)應(yīng)力，單位為MPa；△i,i+1表示第i至i+1區(qū)段實(shí)際長(zhǎng)度，單位mm；ds表示錨固鋼筋的實(shí)際直徑，單位mm。

試驗(yàn)過程中，根據(jù)在不同荷載條件下，沿鋼筋錨固長(zhǎng)度實(shí)際測(cè)量得到的應(yīng)變值數(shù)據(jù)，代入計(jì)算公式，即可得出第i至i+1區(qū)段內(nèi)具有的平均粘結(jié)應(yīng)力的具體數(shù)值。建立自由端位移距離和粘結(jié)應(yīng)力坐標(biāo)系，分別連接計(jì)算各點(diǎn)，得出平滑的曲線，即為粘結(jié)應(yīng)力在錨固長(zhǎng)度上的分布特性曲線。

通過對(duì)比三組試件的特征曲線，可得以下結(jié)論:如鋼筋外部載荷一致，則隨著再生混凝土取代率的上升，其粘結(jié)應(yīng)力峰值，從鋼筋加載端至自由端逐漸移動(dòng)。造成這一現(xiàn)象的原因主要是，當(dāng)再生混凝土取代率上升時(shí)，其內(nèi)部各組分的強(qiáng)度分布越來越均勻，從而促使鋼筋握裹強(qiáng)度均勻變化。

試驗(yàn)還表明，當(dāng)粗集料取代率由10.0%上升至50.0%時(shí)，其總孔隙率相應(yīng)提高了1.6%。并且當(dāng)粗集料取代率上升，再生混凝土與鋼筋材料的粘結(jié)性能出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

2.2 荷載與鋼筋滑移的關(guān)系分析

結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),即可相同得到A、B、C三組試件的荷載-滑移特征曲線，如圖2所示。

圖2 三組試驗(yàn)試件荷載-滑移曲線圖

由上圖分析可得，三組試件在試驗(yàn)中均發(fā)生了滑移。在荷載相同的條件下，從A至C試件，鋼筋自由端的滑移量逐漸增大。這種現(xiàn)象說明，就再生混凝土而言，如再生集料取代率提高，則其總孔隙率上升，從而導(dǎo)致混凝土劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度不斷下降，最終導(dǎo)致再生混凝土材料與鋼筋材料間的機(jī)械咬合能力不斷下降。

3 試驗(yàn)總結(jié)

綜合以上試驗(yàn)，做出如下總結(jié):一，再生粗集料取代率上升，將導(dǎo)致混凝土材料與鋼筋材料粘結(jié)性能下降；二，外部荷載相同條件下，粘結(jié)應(yīng)力會(huì)依據(jù)取代率的升高,而由鋼筋加載端逐漸向自由端轉(zhuǎn)移；三，如取代率由10.0%升高至50.0%，則總孔隙率上漲1.6%。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代城市不斷加快，導(dǎo)致廢棄混凝土材料數(shù)量不斷增加，如放任其不管，則會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)且污染環(huán)境。再生混凝土通過對(duì)廢棄混凝土的粉碎、清理，將其作為粗集料再次利用，完成的廢棄混凝土的循環(huán)利用。本組試驗(yàn)驗(yàn)證了不同粗集料取代率條件下，混凝土材料與鋼筋材料的粘結(jié)性關(guān)系，并通過計(jì)算，得出相應(yīng)的結(jié)論。再生混凝土在實(shí)際使用中，需嚴(yán)格控制粗集料取代率，以確保施工質(zhì)量。

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