粉煤灰作为混凝土材料中最为常用的一种矿物掺合料,既可以减少水泥用量,降低混凝土的成本,又可以改善混凝土部分工作性能、力学性能和耐久性[1-2],能够更好地满足实际工程的需求。
在寒冷环境下的混凝土结构会受到冻融侵蚀,冻融作用会使混凝土劣化[3],劣化后的混凝土与钢筋间的粘结性能将受到影响[4-6]。在影响混凝土结构破坏的因素中,冻融侵蚀对于混凝土结构的破坏程度较大,冻融损伤严重时会导致结构失效[7-9]。钢筋与混凝土间的粘结性能是影响混凝土构件正常使用性能的重要因素之一[10-14],在混凝土工程中合理利用粉煤灰是否能够发挥其在冻融环境中改善钢筋与混凝土之间的粘结性能尚不明确。Arezoumandi等[15]研究了粉煤灰掺量大于50%的混凝土试件与钢筋的粘结性能,Costel等[16]对高温养护的粉煤灰混凝土试件的粘结性能开展了试验分析。胡晓鹏等[17]分析了粉煤灰掺量对直接拔出试件与梁式试件中钢筋与粉煤灰混凝土粘结性能的影响,冀晓东等[10]研究了冻融循环作用后钢筋与混凝土的粘结性能,而关于冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土间粘结性能方面可供参考的试验与分析并不多,冻融作用与粉煤灰掺量对钢筋混凝土间粘结性能的影响有待深入研究。
通过对钢筋粉煤灰混凝土试件的快速冻融试验和钢筋直接拔出试验,得出冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土间的粘结规律,分析冻融循环作用对钢筋与粉煤灰混凝土的粘结性能的影响,以便为钢筋混凝土结构工程的可靠度分析和耐久性设计提供参考,并为以后钢筋与粉煤灰混凝土之间粘结性能分析提供参考。
取混凝土结构中使用较多的C30到C40的混凝土进行试验,对实际工程有一定参考价值。直接拔出试验考虑冻融循环次数以及粉煤灰掺量对粘结性能的影响,粉煤灰掺量分别为0%、10%、20%、30%和40%,其中,对粉煤灰掺量为0%、20%及40%的3组试件进行冻融循环作用,冻融次数为0、25、50、75、100次。
水泥采用包钢综合企业(集团)公司水泥厂生产的“草原牌”PO42.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰选用鄂尔多斯市达旗电厂生产的Ⅱ级粉煤灰,细度、需水量比、烧失量分别为0.26、93.3%、0.13;细骨料选用普通河砂,其粒径小于5 mm,含泥量小于2%,细度模数、级配等各项性能指标均合格;普通粗骨料:碎石粒径不大于20 mm,含泥量、细度模数、级配等各项性能指标合格;拌和用水采用城市普通自来水,外加剂采用萘系B3减水剂,以及AH-1型引气剂。试验中粉煤灰混凝土的基本参数如表 1。
试件截面尺寸均为150 mm的立方体,配置1根HRB400级钢筋,长400 mm,钢筋有效粘结长度为70 mm,无粘结段钢筋通过PVC套筒隔离,在自由端及加载端分别预留10、240 mm长的钢筋以固定千分表和施加荷载,试件简图如图 1(a)所示。钢筋预先开槽处理,锚固长度范围钢筋槽内粘结5个应变片,应变片将锚固长度划分为4个区段,每个区段长为17.5 mm,测点编号如图 1(b)。因试验主要研究钢筋与粉煤灰混凝土间粘结性能在冻融循环作用下的变化规律,故不考虑钢筋直径等对粘结性能的影响,试验统一使用直径为14 mm的钢筋。根据实验室的实际情况,自行设计加载装置,符合《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152-2012)的规定,千分表安装在试件的自由端用以测定钢筋滑移量,如图 2。冻融试验使用KDR-V冻融试验机,符合《混凝土抗冻试验设备》(JG/T 243)的规定。冻融温度控制在(-17±2)℃~(8±2)℃,每次冻融循环在3~4 h内完成。
未经冻融循环作用的普通混凝土试块进行直接拔出试验后,在自由端处的混凝土表面出现2条裂缝,且2条裂缝处于一条直线上,裂缝宽度较大,但并没有使混凝土完全破坏。粉煤灰掺量为20%时,出现2条夹角大于90°的细小裂缝;当粉煤灰的掺量为40%,试件破坏时,试件的混凝土表面完好,没有出现裂缝,钢筋被直接拔出,如图 3。
对试件进行冻融循环作用后,试件混凝土的表面发生一定的剥落,受冻融损伤程度随着冻融循环次数的增多而愈加明显。从冻融50次开始,试件表面剥落情况变得更加明显,而且不同掺量的粉煤灰亦对冻融后试件的破坏有不同程度的影响。当粉煤灰的掺量达到40%时,试件在冻融后表面的损伤现象明显减小,而少量加入粉煤灰并没有使试件表面的损坏缓解。
经冻融循环作用后,未掺粉煤灰的普通混凝土试件经过拔出试验,试件破坏形态以拔出破坏为主,试件混凝土表面的裂缝宽度随着冻融次数的增加而逐渐变小。粉煤灰混凝土试件的破坏形态与普通混凝土基本一致,随着冻融循环次数的增加,混凝土表面裂缝宽度逐渐减少,直至不再出现裂缝,混凝土表面保持完整。
未进行冻融循环的试件,钢筋与粉煤灰混凝土间的粘结性能主要受粉煤灰掺量的影响,因此,在进行冻融试验之前需要分析钢筋与混凝土间粘结性能受粉煤灰掺量的影响。
在研究钢筋与粉煤灰混凝土的粘结性能时,采用平均粘结强度来描述钢筋与粉煤灰混凝土间的粘结强度,粘结强度按式(1)计算
式中:τ为粘结强度,MPa;P为拔出荷载,kN;d为钢筋直径,mm;la为锚固长度,mm,取5d。
根据式(1)计算结果绘制不同粉煤灰掺量下试件的粘结强度滑移曲线,如图 4所示,各组粉煤灰混凝土试件的粘结强度滑移曲线变化趋势基本相同,均由微滑阶段、滑移阶段、劈裂阶段、下降阶段和残余阶段组成。与未掺粉煤灰试件相比,当粉煤灰的掺量增加时,钢筋与粉煤灰混凝土间的极限粘结强度降幅增大。粉煤灰掺量为10%和20%的试件其极限粘结强度分别降低2.62%和3.82%;而粉煤灰掺量为30%时,试件极限粘结强度下降14.12%;掺量为40%时,极限粘结强度下降20.51%。
加载初期,钢筋与混凝土间的粘结力主要是由化学胶着力提供,自由端位移较小,几乎为0,处于微滑阶段。化学胶着力破坏后,随着荷载向自由端发展,钢筋与混凝土发生相对位移,由于混凝土强度会随掺入粉煤灰的掺入有一定程度的降低,使混凝土对钢筋的握裹力减小,试件破坏时其极限粘结强度降低。
钢筋粉煤灰混凝土的极限粘结强度对应的自由端滑移量基本相同,均比未掺粉煤灰试件的自由端滑移量小。粉煤灰掺量为0%、10%、20%和30%的试件在曲线滑移阶段较为接近,而粉煤灰掺量为40%的试件的粘结刚度稍有减小,与文献[17]未冻融条件粉煤灰混凝土与钢筋的粘结规律相近。粉煤灰掺入量为10%和20%时,粘结强度在下降段的下降速度较快,在试件承载力达到极限后就会发生破坏,进入残余阶段,原因在于少量掺入粉煤灰起到改善混凝土内部结构的作用有限,且会降低混凝土基体强度,试件的粘结力在荷载向自由端发展时会产生应力集中,钢筋应变增加,钢筋与混凝土间的相对位移增加,应力集中区段的粘结作用减弱,钢筋与混凝土在锚固段内粘结能力下降速度加快,提前残余阶段;当粉煤灰掺量为30%和40%时,粘结强度在下降段和残余段的下降趋势与未掺粉煤灰试件相似,在试件承载能力达到极限后仍能有较高的承载力,破坏后粘结锚固能力较好,不至于出现脆性破坏。
由试件中钢筋各点应变差绘制钢筋粉煤灰混凝土的粘结锚固位置关系曲线,如图 5所示。在各级荷载作用下,试件的加载端和自由端的粘结应力均为0。
在未掺粉煤灰的试件中,如图 5(a),其局部粘结应力主要分布在锚固段中部,其粘结应力集中位置并没有随着粘结应力的增大而改变位置,说明对于此试件来说,5d的锚固长度满足锚固要求;在粉煤灰掺入量为10%的试件中,如图 5(b),由于掺入少量粉煤灰起到能够使混凝土内部结构变得致密均匀的作用有限,且使基体强度下降,粘结刚度降低,粘结应力峰值位置向自由端移动到区段4内,并且拉拔荷载越大,粘结应力分布越不均匀;粘结应力集中区域随着粉煤灰掺量的增加逐渐由自由端向加载端移动,当粉煤灰掺量为20%~30%时,如图 5(c)、(d),粘结应力在锚固长度内均匀分布,主要分布于区段2、3内,即粉煤灰的适量掺入有利于拉拔荷载在锚固段内均匀传递以及混凝土与钢筋间粘结应力的均匀分布,对试件的内部均匀受力起到一定的增强作用;当粉煤灰掺入量为40%时,如图 5(e),应力分布曲线波峰前移到区段1,粘结应力在区段2、3、4内缓慢下降,且保持较高的粘结强度,为钢筋与混凝土间的粘结强度达到极限后提供一定粘结强度储备,在极限粘结强度破坏后能够继续承担一定的荷载。
适量掺入粉煤灰对钢筋混凝土间粘结锚固的影响作用较为明显,由于掺入粉煤灰的混凝土试件内部变得均匀密实,且随着粉煤灰掺量的增大,试件强度逐渐降低,钢筋混凝土间粘结刚度减小,即荷载相同时,自由端滑移量增大,使得荷载在锚固段内能够比较均匀地传递到自由端,且能够使钢筋的粘结应力均匀分布,有利于钢筋混凝土间的粘结性能。
不同粉煤灰掺量试件在冻融循环作用下的粘结强度滑移的曲线如图 6所示。
由图 6(a)可知,经历冻融循环作用后,普通混凝土试件的粘结强度滑移曲线变化趋势基本相同。随着冻融循环次数的增加,峰值点对应的极限粘结强度值逐渐降低,且曲线下降段的下降速度加快,冻融循环次数越多试件越容易进入残余阶段。残余阶段的粘结强度值亦随着冻融循环次数的增加而逐渐减小,冻融循环为100次时,残余段的粘结强度几乎接近于0,不能够继续承担荷载。将经历冻融试验的试件与未冻融的试件相比较可以得出结论,普通混凝土试件的抗冻性较差。
图 6(b)中掺入20%粉煤灰的混凝土试件的粘结强度滑移曲线峰值变化趋势与未掺粉煤灰的普通混凝土试件相似,均随着冻融循环次数的增加而减小。经历冻融损伤的粉煤灰混凝土试件的曲线在下降阶段与残余阶段较为接近,都较早地进入残余阶段,残余段粘结强度较小。
由图 6(c)可以看到,粉煤灰掺量为40%的混凝土试件,在经历不同冻融循环之后,粘结滑移曲线在下降段的变化趋势更为平缓,且粘结强度滑移曲线变化趋势接近于未冻融试件的曲线,在试件破坏后仍然能保持较高的承载能力,粘结强度下降缓慢,不会在试件达到极限粘结强度之后出现脆性破坏。残余阶段的残余粘结强度较普通混凝土试件和20%掺量的粉煤灰混凝土试件更高。冻融50次时,粉煤灰混凝土整体的冻融损伤较小,而局部区域(粘结界面附近)的混凝土受冻融影响较大,试件受拔出荷载时,混凝土保护层的变形协调能力差,在试件达到极限粘结强度后,粘结界面附近的混凝土与粘结界面较远处的混凝土易产生相对滑动,试件的粘结强度在曲线下降段迅速下降。冻融75、100次时,粉煤灰混凝土基体受到的冻融损伤与粘结界面附近混凝土受到的冻融损伤都比较大,混凝土保护层表现出较好的变形协调能力,在试件达到极限粘结强度后,混凝土保护层不会出现相对滑动现象,试件保持较高的粘结强度,在曲线下降段平缓降低。
综合上述结果可以得出,掺入40%粉煤灰对于混凝土试件在冻融环境下的粘结性能有一定的增强作用,在试件破坏后能保持较好的粘结性能。
对冻融后的钢筋粉煤灰混凝土试件直接拔出试验所得试验数据进行整理,绘制不同粉煤灰掺量混凝土试件的混凝土立方体抗压强度、试件的极限粘结强度和极限粘结强度对应滑移量在冻融环境中的变化曲线。
由图 7可知,混凝土抗压强度随着冻融次数增多逐渐下降。当冻融循环超过50次时,下降幅度明显增大,粉煤灰掺量为0%的混凝土试块从冻融50~100次,其抗压强度下降了37.66%,而粉煤灰掺量为40%的混凝土试块的抗压强度则下降幅度较为平缓,降低了26.16%,大量掺入粉煤灰使得混凝土抗压强度的下降幅度得到一定缓解,且在经历冻融循环之后,粉煤灰掺量为40%的混凝土立方体抗压强度要比粉煤灰掺量为20%的混凝土试块的强度高。冻融次数为100次时,粉煤灰掺量为40%的粉煤灰混凝土试块的抗压强度与未掺粉煤灰的混凝土试块相差不大,均接近于25 MPa。
由图 8(a)可见,随着冻融循环次数的增多,试件破坏时的极限粘结强度逐渐减小,未掺粉煤灰的试件冻融循环100次时,试件的极限粘结强度比未冻融试件降低8.29 MPa,降幅达47.24%,粉煤灰掺量为20%的试件的极限粘结强度下降趋势与普通混凝土较为接近,下降幅度达到49.13%;而粉煤灰掺量40%的试件,冻融循环100次时,试件破坏时其极限粘结强度与未冻融的试件相比,仅下降3.46 MPa,降幅为24.80%。经历冻融试验后,粉煤灰掺量为40%的试件其极限粘结强度要比普通混凝土和粉煤灰掺量为20%的试件的强度高,冻融100次时,粉煤灰掺量为40%的试件比普通混凝土试件的极限粘结强度高1.23 MPa,且在冻融环境下,其极限粘结强度下降趋势最为平缓。混凝土中掺入40%粉煤灰可以起到密实混凝土、改善内部孔结构,减小基体中自由水的渗透的作用,从而提高试件的抗冻性,有利于提高试件在冻融环境下的粘结性能。
图 8(b)为冻融循环作用下试件的极限粘结强度对应的钢筋自由端滑移量。对于粉煤灰掺量为0%和20%的试件,滑移量随冻融次数的增大而减小,分别减小了1.13、0.62 mm;当粉煤灰掺量为40%时,试件最大拉拔荷载对应的滑移量则是随冻融损伤的加剧而增大的,且增加幅度较大。冻融次数为100次时,不掺粉煤灰的滑移量较未冻融试件下降了65.32%,粉煤灰掺量为20%时,下降了55.36%,而粉煤灰掺量为40%的试件反而上升了73.11%。
由试验结果可知,尽管在混凝土试件中掺入粉煤灰会降低混凝土基体的抗压强度和粘结强度,但掺入大量的粉煤灰能够使基体内部变得致密均匀,钢筋与混凝土间的粘结刚度降低,使混凝土试块内部均匀受力,有利于粘结应力的传递。在冻融环境中,粉煤灰掺量为40%时,钢筋与混凝土间粘结性能较好,因此, 选用粉煤灰掺量为40%的钢筋混凝土试件进行冻融循环作用后钢筋粘结应力锚固位置分析。
未冻融的试件,如图 5(e),其粘结应力曲线的峰值位于区段1内;当冻融次数较少时,如图 9(a)、(b),钢筋锚固长度内的粘结应力分布较为均匀,说明试件受冻融循环作用后,混凝土内部受到冻融损伤,混凝土与钢筋粘结刚度稍有减小,有利于钢筋粘结应力向自由端传递,使粘结应力在锚固段内均匀分布;随着冻融次数的增加,如图 9(c)、(d),粘结应力的峰值逐渐且缓慢的向加载端区段1内移动,且拉拔荷载越大,粘结应力分布不均匀现象越明显,原因在于冻融循环使混凝土孔隙结构损伤加剧,试件所能承受的粘结强度降低,当荷载增加时,加载端钢筋与粉煤灰混凝土的粘结作用易破坏,而在区段2、3、4内仍能保持较高的粘结强度,所以, 在加载端钢筋的应变差较大,在加载端出现了粘结应力峰值。由此可以推断,当钢筋粉煤灰混凝土试件由于冻融循环而产生粘结强度破坏时,锚固段自由端可以继续提供一定的粘结强度。
通过对钢筋粉煤灰混凝土试件在冻融循环作用后的直接拔出试验,得出冻融作用和粉煤灰掺量对钢筋与粉煤灰混凝土间粘结性能的影响,主要结论如下:
1) 掺入适量粉煤灰能够降低钢筋与混凝土间的粘结刚度,有利于粘结应力在钢筋锚固段均匀传递;试件中粉煤灰掺量越大,粘结强度粘结应力峰值越小。
2) 冻融循环作用次数越多,混凝土立方体抗压强度、粘结应力峰值越小,但随粉煤灰掺量的增加,试件粘结性能的冻融损伤有所缓解,相较于普通混凝土试件表现出一定的抗冻性。
3) 冻融环境下,大量掺入粉煤灰,钢筋混凝土间极限粘结强度下降趋于平缓,且降幅减小,有利于钢筋与混凝土间的粘结性能,且随着冻融循环次数的增加,钢筋混凝土间极限粘结强度对应的钢筋自由端位滑移量逐渐增大,在试件破坏之后表现出比普通混凝土更好的粘结性能。