钢筋与活性粉末混凝土粘结滑移本构关系研究

摘 要:活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete简称RPC)是一种以高致密水泥基均匀体系为模型的新型结构材料,广泛应用于国内外工程实践。本项研究是通过钢筋内贴应变片式拔出试验研究了各级荷载下钢筋与活性粉末混凝土之间的粘结应力在粘结区域内的分布形式和变化趋势。通过对所测自由端、加载端滑移量与相应荷载进行回归分析,得到各个试件粘结滑移本构关系,并确定了光圆钢筋与变形钢筋的锚固长度。

关键词:活性粉末混凝土 粘结性能 试验研究

中图分类号:TU7文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)08(a)-0085-04

Abstract:As a kind of new structural material,Reactive Powder Concrete (RPC) based on the theory of compact-cementitious style. In engineering practice at home and abroad,RPC structure will be used widely in the near future.In which the bond stress distributing and trend on embedded length were analyzed based on pull-out specimens with strain gauge.According to the test data,the bond-slip properties between steel and RPC is established and the bond length calculating formula is proposed.

Key Words:Reactive Powder Concrete;bond behavior;experimental study

活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete简称RPC)是20世纪90年代初法国学者Pierre等研究成功的一种超高性能混凝土,它具有超高强、高韧性、低脆性、低渗透性以及耐久性优异等特点,得到了许多国家的高度重视,已经将它用于实际工程中。目前对RPC的研究大多数是材料性能的研究,将RPC用于整体承重结构的例子还不多见。在普通混凝土结构分析中,常将混凝土的抗拉能力忽略,近似认为混凝土不能承担拉应力,尤其是一旦拉应力区出现裂缝后,就认为混凝土退出工作。而RPC不但具有比普通混凝土高的极限抗拉强度,而且具有更好的峰值后软化特性,由于这些特性对材料粘结性能具有很大影响,因此过去用于普通混凝土结构设计分析的粘结公式已不适用于RPC这种新型材料,需对其粘结性能进行研究。本文通过对大量实验数据进行回归分析,确定了直径12的光圆钢筋和螺纹钢筋的极限粘结长度,为工程应用打下基础,并为今后同类实验探索出一套简便易行的测试方法。

1 粘结机理

在钢筋混凝土构件中,材料间的粘结作用使力在钢筋与混凝土这两种材料间相互传递,这是两种性质完全不同的材料能够共同工作的前提。工程中的许多工序,如受力钢筋的锚固和搭接、预埋构件的锚固、构件的刚度和裂缝的计算,都与混凝土构件的粘结作用有关。

粘结破坏的主要形式有拔出破坏、劈裂破坏和剪切破坏。普通光圆钢筋的主要问题是粘结强度低,在不大的粘结应力下即可能产生较大的相对滑动。高强变形钢筋的应用使混凝土的劈裂成为粘结破坏的主要形式。同时,用高强钢筋时钢筋与混凝土间的粘结性能是构件发挥其强度的关键。钢筋混凝土构件中的粘结力由以下三部分组成:混凝土在凝结硬化收缩时产生的较大摩擦力;钢筋与混凝土界面上产生的胶结力;钢筋表面的凹凸形态(各种变性钢筋)嵌入混凝土而产生的机械咬合力。开裂界面的钢筋拉力通过裂缝两侧的粘结应力向混凝土传递,是为开裂截面混凝土受拉,它反映了受拉区混凝土参与工作的程度。

2 局部粘结滑移试验

1951年,Mains用钢筋内开槽贴应变片测量钢筋的应变,第一次用充分的试验数据绘制了粘结应力分布图,其测量结果与T.D.Mylrea在1948年提出的粘结应力分布基本相符。1966年,E.S.Perry和J.N.Thompson用类似的方法测量了拔出试件、三点梁试件及梁内截断钢筋的粘结应力并进行比较,这也是目前测量粘结应力分布最常采用的试验方法。

这种试验方法是将钢筋机加工成两半,在纵断面上铣出一个浅槽,贴上电阻片,连接线从钢筋一端引出。槽内作防水处理后,两半钢筋合拢,并在贴片区外点焊成一个整体,然后浇筑拔出试件。由两点间钢筋的应力差除以接触面积近似地计算出沿钢筋长度上粘结应力的分布,如图1。这种方法不会破坏钢筋与混凝土之间的粘结,但应变计不在钢筋与混凝土的接触面上,所求出的相对滑移不能完全代表钢筋与混凝土接触面的。试验证明,由于内部斜裂缝的存在,接近钢筋处的混凝土有较大的纵向变性,并随着与钢筋表面距离的增大纵向变形急剧减小,从而形成截面翘曲,平截面假定不再适合。

分为光圆钢筋和螺纹钢筋两种,每根长度为500mm,表面无锈蚀。钢筋直径12(螺纹钢筋直径为公称直径)。钢筋内贴箔式应变片BX120-0.5AA,电阻119.4,灵敏系数2.08。本试验中导线采用直径0.035mm高温导线。

3 12光圆钢筋的粘结应力分布及荷载滑移曲线

3.1 埋置长度=72mm

试件G12-72破坏形式为拔出破坏,根据所测数据绘制的各应变片的应变时程如图2。

由此可得锚固区粘结应力分布,根据所得数据绘制的粘结应力典型时程如图3。

3.2 埋置长度=84mm

试件G12-84破坏形式为拔出破坏,根据所测数据绘制的各应变片的应变时程如图4。

由此可得锚固区粘结应力分布,根据所得数据绘制的粘结应力典型时程如图5。

3.3 埋置长度=96mm

试件G12-96破坏形式为拔出破坏,根据所测数据绘制的各应变片的应变时程如图6。

由此可得锚固区粘结应力分布,根据所得数据绘制的粘结应力典型时程如图7。

4 12螺纹钢筋的粘结应力分布及荷载滑移曲线

4.1 埋置长度=24mm

试件L12-24破坏形式为拔出破坏,根据所测数据绘制的各应变片的应变时程如图8。

由此可得锚固区粘结应力分布,根据所得数据绘制的粘结应力典型时程如图9。

4.2 埋置长度=30mm

试件L12-30破坏形式为拔出破坏,根据所测数据绘制的各应变片的应变时程如图10。

由此可得锚固区粘结应力分布,根据所得数据绘制的粘结应力典型时程如图11。

4.3 埋置长度=36mm

试件L12-36破坏形式为拔出破坏,根据所测数据绘制的各应变片的应变时程如图12。

由此可得锚固区粘结应力分布,根据所得数据绘制的粘结应力典型时程如图13。

5 钢筋与活性粉末混凝土粘结滑移本构关系

采用模型描述～s本构关系,根据荷载P与相应的滑移量,可得到～s相对关系。

由其结果可以回归出其～s本构关系式为:

=7.72+9.85s-0.99198

其中:为粘结应力,MPa;s为滑移量,mm。

由此,可以求出其他各个试件的～s本构关系,修正系数及回归标准差见表2,图14,15,16,17,18。

6 极限锚固长度

极限锚固长度的确定对工程设计具有很高的实际价值,由接触面上的粘结力与截面上的轴向拉力平衡可知:

确定极限锚固长度:

其中:l为锚固长度,mm;

d为钢筋直径,mm;

A为钢筋公称面积,;

为截面粘结强度,MPa;

为钢筋极限强度,MPa。

由上式可得各类钢筋的极限锚固长度,表3。