高温后冷却环境对钢筋混凝土黏结性能的损伤.pdf

第3 4 卷第5 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．5 2 0 0 5 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 5 0 6 0 5 0 4 高温后冷却环境对钢筋混凝土黏结性能的损伤 袁广林1 ’2 ，郭操3 ，李庆涛2 ，吕志涛4 1 ．东南大学博士后科研流动站，江苏南京 2 1 0 0 9 6 ； 2 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 3 ．上海华东房产设计院有限公司，上海 2 0 0 1 2 0 ；4 ．东南大学土木工程学院，江苏南京 2 1 0 0 9 6 摘要对在不同受热温度、不同冷却方式下的钢筋混凝土黏结性能进行了研究．钢筋混凝土黏 结试件的受热温度分别为2 5 0 ’C ，4 5 0 。C 和6 5 0 。C ，加热方式为黏结面直接受热，冷却方式分为 自然冷却和喷水冷却2 种．分析了高温后冷却环境对钢筋混凝土极限黏结应力、极限滑移的影 响．结果表明，受热温度和冷却方式对高温后钢筋混凝土黏结性能有很大影响，随温度的升高， 自冷和水冷黏结试件的极限黏结应力都将逐渐减小，且极限滑移逐渐增大，同时，与自冷试件相 比，喷水冷却试件的黏结强度不但有较大幅度的降低，且其滑移量也有明显的减少．最后，给出了 高温后钢筋混凝土黏结应力的计算公式．该公式能够用于预估受到不同温度后，在不同冷却方 式下钢筋混凝土的黏结强度． 关键词高温环境；受热温度；冷却方式；黏结性能 中图分类号T U3 7 5文献标识码A B o n dD a m a g ei nR e i n f o r c e dC o n c r e t eC a u s e db y C o o l i n gA f t e rH i g hT e m p e r a t u r e Y U A NG u a n g l i n l ”，G U OC a 0 3 ，L IQ i n g t a 0 2 ，L UZ h i t a 0 4 1 ．M o b i l eP o s t d o c t o r a lC e n t e ro fS o u t h e a s tU n i v e r s i t y ，N a n j i n g ，J i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 3 ．S h a n g h a iE a s t C h i n aR e a lE s t a t eD e s i g nL i m i t e dC o m p a n y ，S h a n g h a i2 0 0 12 0 ，C h i n a ； 4 ．S o u t h e a s tU n i v e r s i t y ，N a n j i n g ，J i a n g s u2 1 0 0 9 6 ，C h i n a A b s t r a c t B o n dp e r f o r m a n c ei nr e i n f o r c e dc o n c r e t eu n d e rv a r i o u sh i g ht e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n t c o o l i n gm e t h o d sw a ss t u d i e d ．T h es u r f a c eo ft h es p e c i m e nb o n dp a r tw a sh e a t e du n d e r2 5 0 ‘C ， 450 ‘Ca n d6 50 ‘Cr e s p e c t i v e l y ，a n dt h es p e c i m e nw a st h e nc o o l e di n a i ro rb ys p r a y i n gw a t e r ． B o n ds t r e n g t ha n dt h eu l t i m a t es l i pb e t w e e nc o n c r e t ea n ds t e e lb a rw i t hd i f f e r e n th e a t i n ga n d c o o l i n gh i s t o r i e sw e r es t u d i e d ．E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h e c o o l i n gm e t h o di n f l u e n c eb o n db e h a v i o rg r e a t l y ．W i t ht h et e m p e r a t u r er i s i n g ，t h eb o n ds t r e n g t h r e d u c e sa n dt h eu l t i m a t es l i pi n c r e a s e s ．C o m p a r e dw i t ht h es p e c i m e n sc o o l e di na i r ，t h eb o n d s t r e n g t ha n dt h eu l t i m a t es l i p o ft h o s ec o o l e di nw a t e rr e d u c em o r ed r a m a t i c a l l y ．B a s e do nt h i s s t u d y 。t h es t a t i s t i c a lf o r m u l aa b o u tb o n ds t r e n g t hw a sp u tf o r w a r d ．I tc a nb eu s e dt op r e d i c tb o n d s t r e n g t ho ft h es p e c i m e n sh e a t e da td i f f e r e n th i g ht e m p e r a t u r e sa n dc o o l e di n a i ro rb yw a t e r i n g ． K e yw o r d s h i g ht e m p e r a t u r e se n v i r o n m e n t ；h e a t e dt e m p e r a t u r e ；c o o l i n gm e t h o d ；b o n db e h a v i o r 收稿日期2 0 0 5 0 1 0 9 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 8 1 0 0 ；江苏省博士后科研资助计划项目 B 类 作者简介袁广林 1 9 6 5 一 ，男，河南省洛阳市人，副教授，工学博士 g g 士N 。从事结构抗火、建筑物加固与保护理论与技术方面的研 究． E m a i l Y G I ，6 5 c u r e t ．e d u ．c n 万方数据 6 0 6中国矿业大学学报第3 4 卷 钢筋与混凝土之间的黏结是这2 种性能不同 的材料共同受力、协同工作的基础，黏结强度对构 件的裂缝开展、变形发展和承载力都有很大影响． 高温 火灾 后混凝土和钢筋的力学性能发生变化， 从而导致钢筋和混凝土之间的黏结性能发生改 变n ] ．国内外学者就此开展了试验研究，并取得了 一定的研究成果[ 1 。7 ] ．但这些研究尚未考虑高温后 冷却方式对钢筋混凝土黏结性能的影响．本文通过 中心拔出试件黏结强度的试验研究，探讨了经历不 同受热温度、不同冷却方式后钢筋和混凝土之间的 黏结性能的退化规律． 1试验概况 1 ．1试件制作 混凝土材料采用强度等级为3 2 ．5 的普通硅酸 盐水泥，石灰岩质骨料，骨料粒径为5 ～2 5m m ．混 凝土水灰比为0 ．4 2 ，水泥砂石的配合比为1 2 ．0 3 3 ．7 8 ．混凝土2 8d 实测抗压强度为 。一 3 5M P a ．试件主筋 黏结段长度1 0r a m 为1 中1 6 ，屈 服强度3 7 2N ／r a m 2 ，极限强度5 7 4N ／r a m 2 ；试件箍 筋为1 夺6 ，屈服强度3 1 4N ／r a m 2 ，极限强度4 6 4 N ／r a m 2 ． 试件采用尺寸为1 6 0m m 1 5 0m m 1 5 0m m 的长方体试件．在埋入钢筋的两端各3 0m m 用 P V C 管套住，使该段钢筋与混凝土之间无黏结．试 件在黏结段中部设夺6 箍筋一道． 1 ．2 试验装置 试验利用中国矿业大学建工学院结构实验室 的电液伺服试验机，并在此基础上配套设计制作了 专用的加载试验装置[ 8 ] 图1 ．在试验过程中，试 验力和滑移值均可以由试验机的配套控制系统进 行控制；试验力的大小可通过试验机的拉压传感器 获得，钢筋自由端的滑移值则可通过位移计获得． 图1黏结试件加载装置示意图 F i g ．1 T e s te q u i p m e n t 1 ．3 加载制度 试验采用“荷载一位移混合控制”的加载制度． 试验开始时先以2 ．uk N 为增量给试件施加荷载， 当数据采集系统中的读数 荷载值 不能按预定数 值增长而是反方向变化时，说明试件已经进入破坏 阶段，可转为位移控制．在转变为控制位移加载起， 以0 ．5r a m ／r a i n 的速度控制试验机上夹头的位移， 直至试件破坏． 1 ．4 试件加热方式 试件采用“黏结面直接受热”的加热方式．试件 在“G W D 一0 0 3 型试验电炉”中加热，该电热炉的加 热温度可达12 0 0 ‘C ．由于钢筋直接暴露在炉膛 中，故认为黏结面温度与炉膛温度相同，可由炉膛 温度进行控制．炉膛内部的升温速度为1 0 ℃／r a i n ，在达到预定温度后再恒温4 5r a i n 后，打开 炉盖，迅速从炉内取出试件分别用“自然冷却”和 “喷水冷却”2 种冷却方式进行冷却．7d 后进行试 验． 1 ．5 试件分组 试验时，钢筋混凝土试件的受热温度分别为 2 5 0 ℃，4 5 0 ‘C 和6 5 0 ℃，加热方式为黏结面直接 受热，冷却方式分为自然冷却和喷水冷却2 种。本 试验的黏结试验分组情况参见表1 ． 表1 黏结试验分组情况 T a b l e1 G r o u po fb o n dt e s t 2 试验结果与分析 2 ．1r S 曲线 钢筋和混凝土间的平均黏结应力和钢筋自由 端相对滑移S 的关系见图2 a ，b ．表2 给出了高温 后自然冷却和喷水冷却试件拔出试验结果．其中口 为温度T ‘C 时极限黏结应力与常温时极限黏结应 力之比，p 为温度T ℃时达到极限黏结应力时滑移 与常温时的滑移之比． 2 ．1 ．1 极限黏结应力 由图2 和表2 可见，与常温下试件极限黏结应 力相比，随着温度的升高，高温后试件极限黏结应 力逐渐减小．2 5 0 ℃，4 5 0 ‘C ，6 5 0 ℃自冷试件的极 限黏结应力分别为常温下的8 6 ．3 ％，8 0 ．60 A ， 4 9 ．4 ％；2 5 0 ℃，4 5 0 ℃，6 5 0 ℃水冷试件的极限黏 结应力分别为常温下的6 0 ．6 ％，5 6 ．8 ％，3 4 ．3 ％． 万方数据 第5 期袁广林等高温后冷却环境对钢筋混凝土黏结性能的损伤6 0 7 S ／m m S ／m m a 高温后自然冷却拨出 b 高温后喷水冷却拔出 图2 试验的r s 曲线 F i g ．2 r Sc u r v e so fp u l l o u tt e s tc o o l e di na i r 表2高温后自然冷却和喷水冷却试件拔出试验结果 T a b ] e2T h ep u l l o u tt e s tr e s u l t so fs p e c i m e n s c o o l e di na i ra n di nw a t e ra f t e rh i g ht e m p e r a t u r e 墓丝紫温罂堡黏结蔫舅嚣嚣冀蓉 。 p 编号度应力T ⋯m ～o v ／c““⋯””9 ” ’ U r m a x ’C O 常温 1 3 ．6 9 C 12 5 01 1 ．8 2 C 34 5 01 1 ．2 5 C 5 6 5 0 6 ．7 6 C 22 5 08 ．3 0 C 44 5 07 ．7 7 C 66 5 04 ．6 9 0 ．8 6 31 ．4 5 0 ．8 0 62 ．5 7 0 ．4 9 43 ．1 5 0 ．6 0 61 ．2 8 0 ．5 6 81 ．4 5 0 ．3 4 31 ．6 9 由图2 和表2 还可以看出 1 在同一冷却方式下，随着温度的升高，试件 的极限黏结应力逐渐减小． 2 对于自冷的黏结试件，当温度不超过 4 5 0 ‘C 时，试件的极限黏结应力和常温下的黏结应 力相比，降低程度较小 不大于2 0 ％ ；当温度达到 6 5 01 C 时，极限黏结应力已不到常温下的5 0 ％．对 于水冷的黏结试件，在2 5 0 ‘C 时，极限黏结应力与 常温下相比已经下降近4 0 ％；当温度达到6 5 0 ℃ 时，极限黏结应力与常温下相比已经下降了6 5 ％ 以上． 3 当温度从2 5 0 ‘C 变化到4 5 0 ‘C 时，自冷试件 的极限黏结应力从1 1 ．8 2M P a 变化到1 1 ．2 5 M P a ，水冷试件的极限黏结应力从8 ．3M P a 变化 到7 ．7 7M P a ．因此在2 5 0 ～4 5 0 ‘C 范围内，在相同 的冷却方式下，试件极限黏结应力产生的变化较 小．但是，当温度达到6 5 0 ‘C 时，自冷与水冷2 种冷 却方式的极限黏结应力均有明显的减小，其值分别 降为6 ．7 6M P a 和4 ．6 9M P a ． 2 ．1 ．2 极限滑移 最大黏结应力对应的滑移 由表2 可知，与常温试件相比，2 5 0 ℃，4 5 0 ‘C ， 6 5 0 ‘C 自冷试件的极限滑移分别为常温试件的 1 ．5 6 ，2 ．5 7 和3 ．1 5 倍；水冷试件的极限滑移分别 为常温试件的1 ．2 8 ，1 ．4 5 和1 ．6 9 倍．可以看出，随 着温度的升高，水冷试件的极限滑移的增长速度要 远远小于自冷试件极限滑移的增长． 2 ．2 冷却方式的影响 图3 和4 分别示出了不同冷却方式下的极限 黏结应力和极限滑移．由图3 知，当温度为2 5 0 ‘C ， 4 5 0 ℃和6 5 0 ‘C 时，水冷试件极限黏结应力分别是 自冷试件极限黏结应力的7 0 ．2 ％，6 9 ．1 ％， 6 9 ．4 ％．这说明，在2 5 0 ～6 5 0 ‘C 的温度范围内，当 试件的受热温度相同时，水冷对试件极限黏结应力 的破坏作用比较接近，试件的极限黏结应力的降低 幅度都在3 0 ％左右． 由图4 知，当温度为2 5 0 C ，4 5 0 ‘C 和6 5 0 ℃ 时，水冷试件极限滑移分别是自冷试件极限滑移的 8 8 ．1 ％，5 6 ．3 ％，5 3 ．6 ％．这说明，与自冷试件相比， 由于喷水冷却加剧了混凝土的脆性破坏，其黏结强 度不但有较大幅度的降低，其能提供的滑移量也有 明显的减少． 1 5 ‘ 1 1 ．8 21 1 ，s 。1 1 i 0 划瞌 笺曲让 C 1C 2 C 3 C 4C 5 C 6 试件编号 图4 不同冷却方式下的极限滑移 ． F i g ．4 U l t i m a t es l i p sa td i f f e r e n tc o o l i n gt y p e s 3 高温后钢筋混凝土黏结应力的计算 根据文献E 9 3 ，混凝土保护层劈裂时的黏结应 力t ，应该视为黏结达到临界状态的标志之一．如 果高温后混凝土的抗拉强度为工 丁 ，则高温后保 护层混凝土劈裂黏结应力t ⋯的计算公式为 万方数据 6 0 8 中国矿业大学学报 第3 4 卷 r c 一-“9-cmax ，t 丁 ， 1 J＼1，7 ＼1 ， 式中C 为钢筋的保护层厚度；d 为钢筋的直径； 工 7 1 为经受高温丁后，混凝土的抗拉强度． 根据实测的经受高温后混凝土抗拉强度的回 归分析，厂f T 与高温后的冷却方式有关[ 1 ⋯ 自然冷却时 挈o ．9 8 5 0 ．5 1 0T 一2 1 0 ～州T 。 2 J ‘ 喷水冷却时 垡旦1 _ o ．4 1 0 一3 T - l x l 0 一㈣T ， 3 √f 式中工为混凝土的抗拉强度． 式 1 为r f 的上限，按部分开裂弹性应力计算 可得到。的下限[ 引 r c 。。。一 O ．3 0 ．6 c ／d ， 丁 ． 4 表3 给出了式 1 ， 4 的计算结果与实测数据 的对比．结果表明，公式计算结果与试验结果基本 吻合． 表3 高温后钢筋混凝土黏结应力计算结果 T a b l e3T h ec a l c u l a t eb o n ds t r e s s e sr e s u l t so f R Ca f t e rh i g ht e m p e r a t u r e 4结论 根据以上试验结果，可以得出以下结论 1 随温度的升高，在单向拉拔的加载制度下， 自冷和水冷黏结试件的极限黏结应力都要逐渐减 小，极限滑移逐渐增大，但随着温度的升高，水冷试 件的极限滑移的增长速度要远远小于自冷试件极 限滑移的增长． 2 与自冷试件相比，由于喷水冷却加剧了混 凝土的脆性破坏，其黏结强度不但有较大幅度的降 低，其能提供的滑移量也有明显的减少． 3 对于自冷的黏结试件，存在临界温度，即当 试件低于该温度时，试件的极限黏结应力和常温下 的黏结应力相比，降低程度较小；当高于该临界温 度时，极限黏结应力急剧下降．对于水冷的黏结试 件的临界温度，要远远低于自冷试件． 4 本文给出的高温后钢筋混凝土黏结应力的 计算公式，可为预估受到不同温度后，在不同冷却 方式下钢筋混凝土的黏结强度提供参考． 参考文献 [ 1 ] 周新刚，吴江龙．高温后混凝土与钢筋黏结性能的试 验研究[ J ] ．工业建筑，1 9 9 5 ，2 5 5 3 7 4 0 ． Z h o uXG ，W uJL ．T e s t sa n da n a l y s i so fb a n d p e r f o r m a n c eb e t w e e nb a r sa n dc o n c r e t ea f t e re x p o s e d t oh i g ht e m p e r a t u r e [ J ] ．I n d u s t r i a lC o n s t r u c t i o n ， 1 9 9 5 ，2 5 5 3 7 4 0 ． [ 2 ] D i e d e r i c h sU ，S c h n e i d e rU ．B o n ds t r e n g t ha th i g ht e m p e r a t u r e s [ J ] ．M a g a z i n eo fC o n c r e t eR e s e a r c h ， 1 9 8 1 ，3 3 1 1 5 7 5 8 4 ． [ 3 ] M o r l e yPD ，R o y l e sR ．R e s p o n s eo ft h eb o n di nr e i n f o r c e dc o n c r e t et oh i g ht e m p e r a t u r e s [ J ] ．M a g a z i n eo f C o n c r e t eR e s e a r c h ，1 9 8 5 ，3 5 1 2 3 6 7 7 4 ． ， [ 4 ] R o y l e sR ，M o r l e yPD ．F u r t h e rr e s p o n s eo ft h eb o n d i nr e i n f o r c e dc o n c r e t et o h i g ht e m p e r a t u r e s [ J ] ． M a g a z i n eo fC o n c r e t eR e s e a r c h ，1 9 8 5 ，3 5 1 2 4 1 5 7 一 1 6 3 ． [ 5 ] K r i s t i a nH ．T h ea n c h o r a g ec a p a c i t yo fr e i n f o r c i n gb a r s a tn o r m a la n dh i g ht e m p e r a t u r e s [ J ] ．M a g a z i n eo f C o n c r e t eR e s e a r c h ，1 9 8 2 ，3 4 1 2 1 2 1 3 - 2 2 0 ． [ 6 ] C h iSP ，A z h a rS ，M i k eA ，e ta 1 ．S t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yr e c o v e r yo ff i r e - d a m a g e dc o n c r e t ea f t e rp o s t f i r e c u r i n g [ J ] ．C e m e n ta n dC o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 1 3 1 1 3 0 7 1 3 1 8 ． [ 7 ] E 1 一H a w a r yMM ，R a g a bAM ，E 1 一A z i n gAA ，e ta 1 ． E f f e c to ff i r eo ns h e a rb e h a v i o ro fR ．C ．b e a m s [ J ] ． C o m p u t e r ＆S t r u c t u r e s ，1 9 9 7 ，6 5 2 2 8 1 2 8 7 ． [ 8 ] 戴靠山，袁迎曙，杨广．人工气候加速腐蚀后钢筋混 凝土黏结性能试验研究[ J ] ．混凝土，2 0 0 4 1 1 4 5 4 8 ． D a iKS ，Y u a nY S ，Y a n gG ．B o n db e h a v i o rb e t w e e n c o n c r e t ea n ds t e e lb a r sc o r r o d e db yt h ea r t i f i c i a l c l i m a t ea c c e l e r a t e dc o r r o s i o nt e c h n i q u e [ J ] ．C o n c r e t e ， 2 0 0 4 1 1 4 5 4 8 ． [ 9 ]王传志，腾智明．钢筋混凝土结构理论[ M ] ．北京中 国建筑工业出版社，1 9 8 5 ． [ 1 0 ] 郭操．高温对钢筋混凝土黏结性能和梁受力性能 影响的研究[ D ] ．徐州中国矿业大学建筑工程学 院，2 0 0 4 ． 责任编辑陈其泰 万方数据