鄭建嵐， 丁進煒， 游 帆1, , 3

(1. 福建江夏學(xué)院工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 3. 福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 福州 350108)

0 引言

與天然骨料相比， 再生骨料表面附著老砂漿， 致使再生混凝土與鋼筋粘結(jié)性能不同于普通混凝土， 鋼筋銹蝕對再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性影響極大[1-6]. 肖建莊等[7]研究表明銹蝕鋼筋與再生混凝土的粘結(jié)滑移曲線與普通混凝土相似. 楊海峰等[8-9]研究表明提高鋼筋的銹蝕率， 會降低鋼筋與再生混凝土粘結(jié)強度， 減弱鋼筋再生混凝土構(gòu)件的抗滑移性能； 并基于試驗結(jié)果， 提出鋼筋再生混凝土粘結(jié)錨固計算模型. 王晨霞等[10]采用半梁式粘結(jié)試驗研究銹蝕鋼筋與再生混凝土粘結(jié)滑移性能， 結(jié)果表明, 隨著鋼筋銹蝕率的增大， 粘結(jié)強度先增加后降低， 滑移值逐漸增大； 所得結(jié)論與已有的中心拔出試驗結(jié)果基本一致. 上述對鋼筋銹蝕后與再生混凝土間粘結(jié)滑移性能研究主要集中在再生粗骨料混凝土方面， 而對于摻入再生細(xì)骨料的再生混凝土則缺乏相關(guān)研究.

利用水泥生產(chǎn)過程中排放的CO2對再生骨料進行強化處理是近幾年提出來的新方法. 相關(guān)研究表明[11-13]， 采用碳化后再生骨料制備的再生混凝土， 可以提高其基本力學(xué)性能. 這主要是由于CO2能與再生骨料表面老砂漿中的氫氧化鈣和水化硅酸鈣發(fā)生反應(yīng)， 生成以碳酸鈣和硅膠為主的反應(yīng)產(chǎn)物， 填充老砂漿內(nèi)部的孔隙， 提高密實度， 減小吸水率， 增加再生骨料的強度. CO2碳化再生骨料能改善其基本性能， 固存水泥廠生產(chǎn)的CO2， 為建筑廢物的資源化利用和可持續(xù)發(fā)展提供了一條新的途徑.

本文在再生粗骨料取代率為70%的條件下， 以經(jīng)碳化后的再生細(xì)骨料取代率和鋼筋銹蝕率為主要參數(shù)， 對鋼筋與再生混凝土的粘結(jié)性能影響規(guī)律展開試驗研究， 并與摻入未碳化的再生細(xì)骨料情況作對比.

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

再生骨料來源于某公路路面改造工程產(chǎn)生的廢混凝土， 其強度約為C20， 齡期為23 a. 廢混凝土經(jīng)破碎、 篩分得到粒徑5～25 mm連續(xù)級配的再生粗骨料(RCA)和粒徑0.15～5 mm的再生細(xì)骨料(RFA). 再生粗骨料表觀密度為2 506 kg·m-3, 吸水率為4.7%， 壓碎指標(biāo)為13.2%. 未經(jīng)碳化再生細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為3.4， 表觀密度為2 518 kg·m-3， 空隙率為42%， 再生膠砂需水量比為1.25， 再生膠砂強度比為0.91.

采用42.5 普通硅酸鹽水泥(C)， 比表面積381 m2·kg-1， 天然粗骨料(NA)的粒徑為5～25 mm， 表觀密度2 652 kg·m-3， 吸水率1.32%， 壓碎指標(biāo)4%； 天然細(xì)骨料(S)為細(xì)度模數(shù)2.14的河砂， 表觀密度2 655 kg·m-3； 普通自來水(W)； 聚羧酸高效減水劑(SP).

在碳化箱中對再生細(xì)骨料進行碳化處理， 控制CO2濃度在17%～23%， 濕度在65%～75%， 溫度在15～25 ℃. 碳化7 d后再生細(xì)骨料的再生膠砂需水量比和強度比分別為1.19、 0.94.

再生粗骨料取代率為70%的條件下， 分別以未碳化及碳化后的再生細(xì)骨料配置再生混凝土(RAC)， 其取代率分別為0%、 20%、 30%、 40%， 試件配合比見表1. 采用變形鋼筋， 鋼筋材料性能詳見表2.

表1 試件的配合比

注： 編號RAC-X-Y、 RAC-X-YC， RAC為再生混凝土，X為再生粗骨料取代率(%)，Y為再生細(xì)骨料取代率(%),YC為碳化再生細(xì)骨料取代率(%).

表2 鋼筋材料性能

1.2 試件制作

根據(jù)文獻[14]的要求， 采用邊長為10d的混凝土立方體試件， 鋼筋布置在立方體中軸線上， 埋入部分的長度和無粘結(jié)部分長度各為5d， 鋼筋自由端伸出混凝土試件表面的長度為20 mm. 同時在加載端用5d長的塑料套管把非粘結(jié)區(qū)的鋼筋和混凝土隔離. 澆筑混凝土前， 采用環(huán)氧樹脂涂抹非粘結(jié)段的鋼筋， 防止試驗過程中發(fā)生銹蝕. 按不同目標(biāo)鋼筋銹蝕率(0%、 1%、 2%、 4%)， 每個配合比制作4組拉拔試件， 總共28組， 養(yǎng)護至28 d， 試件如圖1所示.

1.3 試件銹蝕方法和鋼筋實際銹蝕率

為加速鋼筋銹蝕， 采用室內(nèi)通電銹蝕法. 試驗前將試件完全浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% NaCl溶液中4 d. 通電銹蝕過程中， 試件半浸泡于溶液， 采用串聯(lián)方式將配合比及鋼筋銹蝕率相同的3個試件的鋼筋接于DH1718E-4型穩(wěn)壓穩(wěn)流電源正極， 將銅管置于溶液中并接于電源負(fù)極， 銹蝕過程保持電流強度為0.05 A. 在銹蝕過程中， 除自由端和加載端外， 定期翻轉(zhuǎn)試件表面， 確保鋼筋均勻銹蝕， 銹蝕試驗裝置如圖2所示. 根據(jù)文獻[15]方法測定鋼筋銹蝕量， 鋼筋理論銹蝕率為0%、 1%、 2%、 4%的試件， 其實際平均銹蝕率如表3所示.

圖1 中心拉拔試件(單位： mm)Fig.1 Center pull-out specimen size(unit： mm)

圖2 銹蝕實驗裝置Fig.2 Corrosion test

表3 鋼筋實際銹蝕情況

注： RAC-X-Y-Z、 RAC-X-YC-Z，Z為鋼筋理論銹蝕率.

1.4 拉拔試驗

圖3 拉拔試驗Fig.3 Test device

采用如圖3所示的吊籃蘭裝置進行拉拔試驗， 在電液伺服試驗機上加載. 為保證鋼筋與受荷方向不偏斜， 在加荷端設(shè)有穿心球鉸. 加載時， 下夾具固定， 上夾具與臺座共同帶動吊籠與混凝土試件一起上升. 在鋼筋自由端、 混凝土表面、 加載端鋼板左右兩側(cè)各安裝高精度位移傳感器， 見圖3所示. 鋼筋和混凝土的平均粘結(jié)應(yīng)力τ及鋼筋平均滑移S的計算見文獻[16].

2 試驗結(jié)果

2.1 試件破壞過程及峰值拉拔力

試件的破壞形式主要為： 鋼筋拔出破壞和再生混凝土劈裂破壞. 當(dāng)鋼筋拔出破壞時， 原先伸出自由端混凝土表面20 mm的鋼筋由于加載端拉拔， 已經(jīng)進入試件內(nèi)部， 從鋼筋孔位可明顯看到肋前的再生混凝土基本被剪碎， 并可清晰看到鋼筋被拔出時由于機械咬合力作用在混凝土表面留下的痕跡. 當(dāng)再生混凝土劈裂破壞時， 再生混凝土試件的劈裂方向沿著垂直于鋼筋縱肋方向， 肋前的再生混凝土有部分被擠碎， 但還未被完全剪斷. 各試件平均峰值拉拔力Pu見表4.

表4 峰值拉拔力

2.2 粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線及其特征點

圖4給出了在各組鋼筋銹蝕率不變的情況下， 碳化再生細(xì)骨料及其取代率對試件粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的影響對比情況. 由圖4可看出， 不同碳化再生細(xì)骨料取代率的試件其粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線與普通混凝土具有相似的變化規(guī)律. 根據(jù)特征點可分為5個階段， 其特征點隨碳化再生細(xì)骨料取代率不同而變化. 與再生細(xì)骨料未經(jīng)碳化處理的試件相比， 經(jīng)碳化處理的試件峰值粘結(jié)應(yīng)力有所提高， 且殘余段較為平緩.

圖4 碳化再生細(xì)骨料及其取代率對試件粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線的影響Fig.4 Influence of replacement rate of recycled fine aggregate on bond stress-slip curves of test piece

圖5給出了在各組再生細(xì)骨料取代率相同的情況下， 鋼筋銹蝕率對試件粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的影響. 由圖5可看出， 與普通混凝土相比， 不同鋼筋銹蝕率的試件其粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線具有相似的變化規(guī)律. 特征點隨鋼筋銹蝕率而變化， 鋼筋銹蝕率為2%時， 試件峰值粘結(jié)應(yīng)力最大， 相應(yīng)殘余應(yīng)力較大， 曲線越趨于平緩.

選取微滑移點(Ss,τs)、 劈裂點(Scr,τcr)， 并計算滑移段的粘結(jié)剛度K2[16-17] ， 其結(jié)果見表5.

圖5 鋼筋銹蝕率對試件粘結(jié)應(yīng)力—滑移曲線的影響Fig.5 Influence of corrosion rate of steel bar on bond stress-slip curves of test piece

表5 滑移段的粘結(jié)剛度

3 主要因素對再生混凝土與鋼筋粘結(jié)性能的影響分析

3.1 碳化再生細(xì)骨料及鋼筋銹蝕率對峰值拉拔力的影響

由表4得到在相同鋼筋銹蝕率情況下， 碳化再生細(xì)骨料及其取代率對試件峰值拉拔力的影響， 見圖6. 從圖6可以看出， 隨著未碳化再生細(xì)骨料取代率的增加， 峰值拉拔力明顯下降， 如在鋼筋銹蝕率為0%的情況下， 再生細(xì)骨料取代率為20%、 30%、 40%的試件其峰值拉拔力比未摻入再生細(xì)骨料的試件分別降低了5.2%、 7.5%、 12.4%. 碳化再生細(xì)骨料明顯提高了試件的峰值拉拔力， 如在鋼筋銹蝕率為0%的情況下， 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%、 30%、 40%的試件比再生細(xì)骨料未碳化的的情況分別提高了4.4%、 4.9%、 4.8%； 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%與未摻再生細(xì)骨料組對比基本持平， 其峰值拉拔力僅降低了1.02%. 鋼筋銹蝕率在2%以內(nèi)時， 碳化再生細(xì)骨料的作用明顯， 如鋼筋銹蝕率為2%、 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%時， 試件峰值拉拔力比未摻再生細(xì)骨料提高了1.0%.

由表4得到在相同再生細(xì)骨料取代率情況下， 鋼筋銹蝕率對試件峰值拉拔力的影響， 見圖7所示. 由圖7可以看出， 當(dāng)鋼筋銹蝕率在4%以內(nèi)時， 鋼筋銹蝕能提高試件的峰值拉拔力， 提高的程度隨鋼筋銹蝕率的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢， 其中以鋼筋銹蝕率為2%時最為顯著， 如在碳化再生細(xì)骨料取代率為30%的情況下， 鋼筋銹蝕率為1%、 2%、 4%的試件比鋼筋未銹蝕的試件分別提高了2.6%、 7.7%、 2.2%.

圖6 碳化再生細(xì)骨料及其取代率對峰值拉拔力的影響Fig.6 The effect of carbonized RFA replacement ratio on peak bond strength

圖7 鋼筋銹蝕率對峰值拉拔力的影響Fig.7 The effect of theoretical corrosion rate on peak bond strength

3.2 碳化再生細(xì)骨料及鋼筋銹蝕率對滑移段粘結(jié)剛度的影響

由表5可看出， 碳化再生細(xì)骨料提高了試件在滑移段的粘結(jié)剛度， 其中以取代率為30%最為明顯， 如在鋼筋銹蝕率為0%的情況下， 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%、 30%、 40%的試件比未碳化的情況分別提高了20.2%、 75.6%、 24.6%. 當(dāng)鋼筋銹蝕率在2%以內(nèi)時， 30%碳化再生細(xì)骨料取代率能明顯提高試件在滑移段的粘結(jié)剛度， 如在鋼筋銹蝕率為1%的情況下， 碳化再生細(xì)骨料取代率為30%的試件比取代率為0%、 20%、 40%分別提高了88.0%、 66.0%、 32.2%.

當(dāng)鋼筋銹蝕率在4%以內(nèi)時， 鋼筋銹蝕能提高試件在滑移段的粘結(jié)剛度， 提高程度隨鋼筋銹蝕率的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢， 其中以鋼筋銹蝕率為2%時提高程度最大， 如在碳化再生細(xì)骨料取代率為40%的情況下， 鋼筋銹蝕率為1%、 2%、 4%的試件比鋼筋未銹蝕的試件分別提高了10.9%、 42.8%、 34.7%.

4 結(jié)語

1) 碳化再生細(xì)骨料明顯提高了鋼筋再生混凝土的峰值拉拔力， 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%與未摻再生細(xì)骨料組對比基本持平， 其峰值拉拔力僅降低了1.02%. 鋼筋銹蝕率在2%以內(nèi)時， 碳化再生細(xì)骨料的作用明顯， 如鋼筋銹蝕率為2%、 碳化再生細(xì)骨料取代率為20%時， 試件峰值拉拔力比未摻再生細(xì)骨料提高了1.0%.

2) 當(dāng)鋼筋銹蝕率在4%以內(nèi)時， 鋼筋銹蝕能提高鋼筋再生混凝土峰值拉拔力， 提高的程度隨鋼筋銹蝕率的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢， 其中以鋼筋銹蝕率為2%時最為顯著.

3) 當(dāng)再生細(xì)骨料取代率在40%以內(nèi)時， 碳化再生細(xì)骨料提高了鋼筋再生混凝土在滑移段的粘結(jié)剛度， 其中以取代率為30%最為明顯. 當(dāng)鋼筋銹蝕率在4%以內(nèi)時， 鋼筋銹蝕能提高鋼筋再生混凝土在滑移段的粘結(jié)剛度， 提高程度隨鋼筋銹蝕率的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢， 其中以鋼筋銹蝕率為2%時提高程度最大.