基于缓凝砂浆包裹的缓粘结预应力筋粘结性能试验研究
1 绪 论
预应力混凝土的出现，是混凝土技术的一次巨大进步，其用永久的预应力来抵消恒载产生的应力并防止在活荷载作用下出现裂缝，这样使混凝土结构就由非弹性材料转变成了各向同性材料。与钢筋混凝土结构相比，预应力混凝土结构在增强结构构件的抗裂性与耐久性、提高结构构件刚度、改善结构疲劳性能及节约工程材料等方面均有明显的优越性，经过一个世纪的不断研究完善和发展，预应力混凝土技术已经取得了瞩目的成就，在国内外各种工程结构领域均得到广泛应用。
目前预应力混凝土结构多以后张法预应力混凝土为主，后张法预应力混凝土按预应力筋与混凝土的粘结状况又分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。在无粘结预应力混凝土体系中，预应力筋束布置具有灵活方便，无成孔和灌浆等繁琐和复杂的施工工序，因此得到了广泛的应用[1-3]。但由于预应力筋自由滑移，使应变沿预应力筋全长几乎处处相等，易造成预应力筋和锚具的疲劳，还存在受拉区混凝土裂缝数量少，裂缝宽度大，钢筋易锈蚀，结构强度利用率低等缺点[4-9]。而有粘结预应力体系克服了无粘结预应力体系在工作中表现出来的缺点，但存在预留孔道对结构截面消弱较大，需要预留孔道，压浆等繁琐而复杂的施工工序，且当灌浆材料施工质量无法保证时，会降低预应力筋与混凝土的粘结，导致预应力筋锈蚀等问题，常给结构的安全带来一些隐患[10-15]。
现有的后张法预应力体系都存在一些不可克服的缺点，如何研究得到将后张法无粘结和有粘结预应力体系相结合，扬长避短，得到施工方便，结构安全可靠的预应力体系是各国工程人员面临的迫切需要解决的问题。Kazuo Suzuki 等(1990)[16]、王起才(1994)[17]提出了一种新的预应力体系——缓粘结预应力体系。缓粘结预应力体系的核心是在预应力筋周围包裹特殊的缓凝材料，前期预应力筋与缓凝材料之间几乎没有粘结力，施工时与无粘结体系相同，在施工完成后，由于缓凝材料的凝结硬化（或固化），达到与有粘结预应力体系相同的效果。由于缓粘结预应力体系省去了有粘结体系的成孔，灌浆等施工工序，因而简化了施工工艺。同时，因后期缓凝材料的凝结硬化（或固化），对预应力筋产生握裹作用，而有效地解决无粘结预应力体系中的预应力筋和锚具的疲劳问题。缓粘结预应力筋既具有无粘结筋的占用空间小、布筋自由、无需设置孔道、无需压浆过程的施工工艺特点，又具有有粘结筋在后期使用上的力学特点和安全性的一种新型预应力技术已越来越被工程界所重视，并成为研究的一个热点。国内外科研工作者在缓凝材料、缓粘结预应力筋和缓粘结预应力混凝土等方面进行了大量的研究，并取得了一定的成果。但缓粘结预应力技术是一项新技术，目前还处于探索、发展阶段，尚有许多方面有待进一步完善、创新和研究。对于缓粘结预应力技术中的缓凝材料凝结硬化（或固化）后，缓凝材料与钢绞线及混凝土之间粘结性能的研究还鲜有报道。鉴于此，本文以自主研发的缓凝砂浆为基础，从材料对粘结性能的影响角度出发，研究了缓凝砂浆硬化后基本力学性能，进行了缓凝材料与钢绞线及混凝土间的粘结试验研究，分析不同参数对缓粘结预应力筋的粘结性能的影响，并探讨了疲劳荷载作用下缓粘结预应力筋的粘结强度和刚度的退化规律，基于试验研究和理论分析建立了缓粘结预应力混凝土试件的粘结本构关系公式，为缓粘结预应力混凝土体系的推广、结构设计、理论计算和既有缓粘结预应力混凝土结构的状态评估提供一些参考。
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缓凝砂浆是由水泥、砂、水、矿物掺合料和高效缓凝剂按照比例拌合而成的一种特殊的砂浆。上世纪 90 年代，兰州交通大学（原兰州铁道学院）与铁道第一勘察设计院预应力技术开发中心合作，率先在国内进行了缓凝砂浆的研究，并成功研制了能在5~40℃范围内，30 天内不凝结，而在 30 天后才开始硬化，并最终达到 30MPa 以上抗压强度的超缓凝砂浆。王起才等（1994、1995、1996）[17-19]对这种超缓凝砂浆进行了不同环境温度条件下凝结硬化以及恒温和变温环境条件下凝结硬化情况进行了研究，并探讨了超缓凝砂浆的缓凝机理。研究结果表明超缓凝砂浆所受温度越高，其缓凝时间越长，而硬化速度越快，抗压强度越高。缓凝砂浆的缓凝机理一是由于复合缓凝剂吸附水泥颗粒表面或水化产物表面，使得水分子和 Ca2+、SO42-等离子与铝酸三钙（C3A）类物质作用程度变弱，难以较快地生成钙矾石结晶，从而起到缓凝作用；二是由于复合缓凝剂与Ca2+作用，在水泥熟料相表面形成不溶性物质膜，阻碍了水泥矿物成分正常的水化作用，而起到缓凝作用。当不溶性物质膜内渗透压增大使之破裂，暴露出新的熟料表面时，又会消耗缓凝剂，再生成不溶性物质，直到消耗尽复合缓凝剂后，才能使水泥正常水化，使缓凝砂浆凝结硬化并具有强度。
张建玲（2006，2007）[20,26]通过正交分析的方法，研究了葡萄糖酸钠、焦磷酸钠、蔗糖、柠檬酸等几种缓凝材料的缓凝效果，试验结果表明单纯的增加某种缓凝材料的剂量都无法满足缓粘结预应力技术的要求，最终通过上述缓凝材料的复合，经过试配，获得了以焦磷酸钠、柠檬酸以及上海高分子材料研究所研制的高效缓凝剂为缓凝材料，配制出缓凝时间为 15 天，28d 抗压强度在 35MPa 以上的复合缓凝剂。该复合缓凝剂对水泥的凝结时间随平均养护温度的升高而缩短。
王起才(2001)[21]、赵建昌等(2002，2003，2005)[22-24]进行了用缓凝砂浆包裹形成的预应力筋浇注成 16 片缓粘结预应力混凝土梁的正截面抗弯静载试验，从开裂弯矩、极限弯矩、裂缝形式和荷载-挠度曲线等各个方面，把缓粘结预应力受弯构件与传统的有粘结、无粘结后张法预应力混凝土构件进行了对比分析，得出了缓粘结构件在张拉两个月后，其工作性能与有粘结结预应力构件几乎相同的结论。王起才 (2001)[19]还通过对缓粘结预应力筋的张拉摩阻、梁体静载的承载能力和破坏模式的测试，建立了相应的便于缓粘结预应力混凝土结构的设计方法。赵建昌（2009）[25]对用缓凝砂浆包裹的光圆钢筋和螺纹钢筋的两种缓粘结预应力筋进行了拉拔摩阻力的试验研究，认为光圆钢筋单位面积的拉拔摩阻力与螺纹钢筋的单位面积的拉拔摩阻力基本相等、拉拔摩阻力与钢筋表面形状关系不大的结论。
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2 缓凝砂浆工作性和力学性能试验研究
缓粘结预应力混凝土技术是近二十年出现的一种新型预应力混凝土体系，它的出现解决了传统后张法预应力技术自身无法克服的缺点，是一种具有无粘结预应力工艺特点的有粘结预应力技术。
国内研究较为成熟且得到一定工程实际应用的超效缓凝砂浆和树脂型缓凝胶粘剂这两种缓凝材料，在一段时间内都不会发生硬化（或固化），张拉摩阻力较小，能够满足第一点要求。但还未曾有缓粘结预应力筋与混凝土间粘结性能研究的报道。原因是不管是采用超效缓凝砂浆还是缓凝涂料包裹的预应力筋外侧还通常包裹一层薄塑料或塑料波纹管，并未直接与混凝土接触，缓粘结预应力筋与混凝土之间存在缓凝材料与预应力筋，缓凝材料与混凝土基体两个接触界面。使得缓粘结预应力筋的粘结问题较为复杂。另外，缓粘结预应力钢绞线与混凝土之间的粘结性能影响因素较多，如缓凝材料的灌满度、硬化后的力学性能和组成成分、钢绞线根数、波纹管材料与形式、钢绞线表面状况及构成、混凝土强度、钢绞线在波纹管中的位置、粘结长度、横向配筋、保护层厚度、浇筑位置及浇筑时垂直压应力大小等均会影响到钢绞线-缓凝材料-波纹管-混凝土之间的粘结性能。这其中缓凝材料本身的工作性决定了波纹管内缓凝材料填充的饱满度，而缓凝材料硬化后的力学性能，如缓凝材料的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量对采用缓凝材料包裹的缓粘结预应力混凝土筋与混凝土之间的粘结强度有着重要的影响，而缓凝材料凝结硬化后的力学性能与缓凝材料的组分密切相关。本章以缓凝砂浆为研究对象，进行了不同水胶比、砂胶比和硅灰掺量的缓凝砂浆的工作性和凝结硬化后的力学性能的试验研究，分析缓凝砂浆的组分变化对其工作性和凝结硬化后的力学性能的影响程度和规律，并采用灰色分析理论进行了缓凝砂浆组分对其工作性和力学性能影响程度的优势分析。
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2.2.1 试验材料
（1）水泥
试验水泥采用甘肃祁连山42.5级普通硅酸盐水泥，水泥各项指标满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）[101]的各项要求，主要物理化学指标如表2.1所示。
试验用砂为兰州安宁水洗砂，考虑到该砂制成缓凝砂浆将填充波纹管内部，砂颗粒偏粗将对截面的均匀性产生较大的影响，因此剔除了该砂中大于2.36mm以上的颗粒。剔除前后砂的颗粒级配筛分结果见表2.2。
由表 2.2 可计算出在剔除粗颗粒前，砂细度模数为 2.4，属于中砂，且为 2 区砂，颗粒级配合格；剔除粗颗粒后，砂的细度模数为 1.8，属于细砂，且为 3 区砂，颗粒级配合格。剔除粗颗粒后，砂的实测表观密度为 2650kg/m3，松散堆积密度为 1570kg/m3，空隙率为 40.9%。粒径在 0.15~2.36mm 之间，砂的含泥量为 2%。其他技术指标均满足《建设用砂》（GB/T 14684-2011）[102]的各项要求。
（3）硅灰
试验用硅灰采用西北铁合金有限公司“西铁牌”硅微粉，主要物理化学参数如表 2.3、2.4 所示。其他技术指标均满足《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T 18736-2002）[103]的各项要求。
（4）超效缓凝剂
缓凝砂浆是由水、水泥、砂和超效缓凝剂按一定比例搅拌而成，其中缓凝剂的缓凝效果是保证缓凝砂浆效果的关键。试验中采用王起才教授研制的复合缓凝剂作为缓凝成分，是一种无毒无味且易获得的合成化工原料。采用这种复合缓凝剂配制的缓凝砂浆的流变性、塑性指数、强度增长规律和与不同水泥品种适应性、体积随龄期的变化规律等指标都进行了一定的研究[17-19]。
（5）水
试验用水采用自来水。
2.2.2 试验方案
缓凝砂浆的配制在室温条件下进行。复合缓凝剂采用滞水法，即在砂浆掺水拌合1~2min 后，再掺入缓凝剂，缓凝剂的掺量以使配制的缓凝砂浆能达到缓凝 1 个月来控制。缓凝砂浆拌制时先将水泥、砂、硅灰在砂浆搅拌机内搅拌均匀，然后倒入拌合水搅拌 1~2min 后，加入缓凝剂，继续搅拌 1~2min，直至搅拌均匀。根据试验目的，选取水胶比、砂胶比和硅灰掺量为试验的主要参数。通过改变上述参数配制不同的缓凝砂浆，并进行新拌缓凝砂浆工作性能和硬化后缓凝砂浆的力学性能测试。表 2.5 给出试验中 22组不同的缓凝砂浆配合比和其流动性及力学性能试验结果。
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3.1 引言............................................................. 35
3.2 试验概况......................................................... 35
4 缓粘结预应力筋重复荷载作用下的粘结性能试验研究......................... 59
4.1 引言............................................................. 59
4.2 试验概况......................................................... 61
4.2.1 试验原材料................................................. 61
4.2.2 试件设计与制作............................................. 61
5 缓粘结预应力钢绞线与缓凝砂浆粘结本构关系............................... 73
5.1 引言............................................................. 73
5.2 基于试验结果建立缓粘结预应力钢绞线粘结-滑移本构模型.............. 74
5 缓粘结预应力钢绞线与缓凝砂浆粘结本构关系
钢筋与混凝土之间的粘结-滑移本构模型的建立是基于对钢筋与混凝土粘结性能深刻认识的基础上的，同时，粘结-滑移本构关系的建立为粘结性能的进一步研究提供了必要条件。有限元分析可以解决很多试验无法解决或难以解决的问题，是分析和研究钢筋混凝土粘结性能的有效手段，但有限元分析的准确与否，很大程度上取决于材料本构关系的准确性。因此，钢筋与混凝土之间的粘结-滑移本构关系的建立是钢筋混凝土基本理论之一。而钢筋与混凝土之间的本构关系的建立方法主要有两种：①根据试验实测的自由端部荷载-滑移关系得到的粘结-滑移本构关系，对于静载作用下钢筋与混凝土粘结-滑移本构关系，在本文绪论里提及的 Nilson[86]、Mirza 和 Houde[87]提出的多项式连续曲线模式的粘结-滑移本构关系；徐有邻[83]、Eligehausen[126]提出的分段曲（直）线模式的粘结-滑移本构关系；宋玉普[142]提出的分式连续曲线模式的粘结-滑移本构关系；对于重复荷载作用下钢筋与混凝土粘结-滑移本构关系的研究，像 Morita[123]、Edwards[116]、Yankelevsky[143]、Jimenez[144]、Kemp[145]、蒋德稳[136]等从粘结强度、滑移及疲劳方程等方面进行了研究。②基于理论分析或理论分析与试验相结合建立的半理论半经验粘结-滑移本构关系。Tepfers[146]通过理论推导建立了采用弹塑性力学的厚壁圆筒受力模型，以此来分析钢筋与混凝土之间的劈裂粘结强度；Esfahani 等[147-148]将 Tepfers 所推导的厚壁圆筒受力模型计算粘结强度的公式根据试验数据进行了修正；Somayaji 和 Shah[149]根据微分方程，提出了局部滑移量关于埋置深度的函数关系式；Yankelevsky[150]建立了以钢筋拉力为变量的二阶微分方程，得到粘结应力沿钢筋纵向分布的函数关系式；高向玲[94]在 Tepfers 的研究基础上，考虑了摩擦力的作用，重新定义了劈裂粘结强度的计算方法；赵卫平[151]推导了楔形体在尖部受集中力作用的位移解，基于锥楔作用的受力机制建立了带肋钢筋与混凝土滑移量与位移边界条件的关系，由混凝土开裂与否作为分界状态，从而建立了两种不同的粘结-滑移本构模型。
基于试验结果的，同时又在试验基础上，且能够被其它试验研究所验证的粘结-滑移本构模型才能被接受。但是由于钢筋与混凝土界面受力复杂，影响因素较多，仅根据试验结果很难得到真正通用又易于应用的粘结-滑移本构关系的准确数学表达式，对于较为特殊的情况，如新型混凝土或新型钢筋的出现、钢筋或混凝土材料出现劣化等，，仍然需要进行单独的试验研究，并基于试验结果建立相应的粘结滑移本构关系。近些年，国内外一些研究者已经开始注意这一点，并进行了相应的研究。新型混凝土方面：肖建庄[152]、杨海峰[153]、王晨霞[154]进行了再生骨料制备的混凝土与带肋钢筋之间的粘结滑移试验，并根据试验数据建立了相应的粘结-滑移本构关系；徐世烺[155]进行了超高韧性水泥基复合材料与钢筋粘结本构关系的试验研究；胡晓鹏[156]进行了粉煤灰混凝土早期黏结性能试验研究，并建立了粉煤灰混凝土早期的黏结-滑移本构关系；郑建岚[157]进行了自密实混凝土与钢筋的粘结性能试验研究，采用最小二乘法得到钢筋与自密实混凝土粘结-滑移本构关系式。新型钢筋方面：研究主要集中在 FRP 筋与混凝土之间的粘结本构关系的研究，Eligehausen[126]、Alunno[158]、Cosenza[159]、薛伟辰[160-161]、高丹盈[162]、郝庆多[88]等人均对 FRP 筋与混凝土粘结的本构关系进行了研究，大多数本构关系都为分段曲（直）线模式。混凝土与钢筋劣化方面：国外的 Diederiehs[163]、Modey[164]、Royles[165]，国内的周新刚[166]、袁广林[167]等研究了混凝土结构处于高温下，钢筋与混凝土之间粘结退化机理以及高温作用下钢筋与混凝土之间的粘结-滑移本构关系；施士升[168]、何世钦[169]、冀晓东[170]等研究了钢筋混凝土结构处于冻融循环作用下，钢筋与混凝土之间粘结退化机理以及冻融作用下钢筋与混凝土之间的粘结-滑移本构关系；袁迎曙[171]、张伟平[172]、金伟良[173]、陈静[174]等研究了锈蚀钢筋与混凝土间的粘结-滑移本构关系。
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6 结论与展望
（1）通过改变水胶比、胶砂比和硅灰掺量，研究缓凝砂浆自身参数对缓凝砂浆流动性和粘结硬化后的力学性能的影响，研究结果表明：缓凝砂浆凝结硬化前，其流动性随着水胶比增大而增大，随着砂胶比增大而减小，硅灰掺量增大会降低其流动性，新拌缓凝砂浆的沉入度值为25~55mm时，施工性能最佳；由灰色关联计算可知，水胶比对缓凝砂浆凝结硬化后的力学性能影响最大，胶砂比次之，硅灰掺量相对影响最小。
（2）通过对 1 组缓凝砂浆包裹的带肋钢筋和 14 组缓凝砂浆包裹的钢绞线试件的静载拉拔试验研究，得到缓粘结带肋钢筋拔出试件与缓粘结预应力钢绞线拔出试件的典型荷载-滑移曲线形状明显不同的结论。缓粘结带肋钢筋的荷载-滑移全曲线为偏态的单峰曲线，该曲线反映出的缓凝粘结带肋钢筋的粘结锚固受力过程可以分为：弹性阶段、开裂阶段、内部拥塞阶段与破坏阶段；而缓粘结预应力钢绞线的荷载-滑移曲线形状前期有较长的线性阶段，后期在滑移值很大的情况下，拔出荷载或者粘结强度没有明显下降，在试件破坏前，荷载-滑移曲线几乎不存在下降段，后期的锚固粘结强度始终维持在较高数值上，但滑移量不断增大，最终钢绞线由缓凝砂浆中被拔出。其粘结锚固受力过程可以总结为：弹性阶段、开裂阶段和延性阶段和完全脱粘破坏阶段四个阶段。另外，缓粘结带肋钢筋与缓粘结钢绞线两者的锚固失效粘结强度存在较大区别，由于带肋钢筋的倾角大于钢绞线螺旋状倾角，所以带肋钢筋与缓凝砂浆之间的锚固失效粘结强度较钢绞线与缓凝砂浆间的锚固失效粘结强度高很多。通过试验研究结果，分析了钢筋表面形状、缓凝砂浆力学性能、粘结介质、粘结长度、缓凝砂浆包裹厚度、波纹管类型以及混凝土强度等相关参数对粘结锚固性能的影响，针对可量化的影响因素，给出了这些参数与锚固失效粘结强度之间的数学表达式，分析出缓凝砂浆力学性能、粘结长度、混凝土强度这些因素对缓粘结预应力钢绞线的影响规律与程度。
（3）通过在等幅重复荷载作用下疲劳破坏试验和重复荷载一定次数后进行极限拉拔试验研究结果表明：缓粘结预应力钢绞线在不同的应力水平作用下，加载和卸载会形成闭合的粘结-滑移滞回曲线，滞回曲线随着循环次数的增加，自由端峰值滑移量和残余滑移量不断增大，但一定循环次数后，滑移量增大的趋势放缓，并最终消失。分析得到滞回环移动放缓或停止移动所对应循环次数与应力水平上限有关，应力水平上限越大，循环次数较小就能达到稳定。对于会发生疲劳的拔出试件，在发生疲劳破坏前若干个循环内，滞回环又会发生明显的右移，所以缓粘结预应力钢绞线在重复荷载作用下发生疲劳破坏复合典型的三阶段原则；研究发现在应力水平上限较小时，在进行一定循环次数后进行单调静载拉拔试验，试件的粘结强度不会发生退化，并有一定的强化作用，但应力水平上限较大时，粘结强度和刚度出现了明显的劣化，且随着应力水平上限的增大，粘结强度与刚度退化的也越发严重；在应力水平相同时，循环次数的增多会导致波纹管内部的缓凝砂浆产生斜裂缝，裂缝会随着循环次数的增多扩展、连通，降低钢绞线与缓凝砂浆之间的粘结强度，使拉拔试件的粘结强度发生退化。
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参考文献（略）
本文编号：38682
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/38682.html
