钢筋与混凝土黏结性能冻融破坏的力学分析

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1、水利学报年月第卷第期文章编号钢筋与混凝土黏结性能冻融破坏的力学分析冀晓东宋玉普北京林业大学水土保持学院北京大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室辽宁大连摘要静水压假说认为混凝土遭受冻融作用发生破坏是由于混凝土内部孔结构遭受静水压力的反复作用造成的建立了在钢筋混凝土构件遭受冻融破坏循环作用时钢筋与混凝土的界面上产生的静水压力计算模型并计算得到了静水压力的最大值力学模型计算表明冻融循环作用产生的静水压力破坏了钢筋与混凝土的胶结性能冻融作用后光圆钢筋与混凝土的拔出试验结果证实冻融循环作用严重削弱了钢筋与混凝土的胶结强度验证了静水压力对钢筋与混凝土界面胶

2、结性能的破坏作用关键词光圆钢筋混凝土黏结性能冻融循环静水压力中图分类号文献标识码研究背景从细观结构的角度讲混凝土本身是不密实不连续的在混凝土胶体内水泥凝胶与骨料之间的界面上分布着大量的小孔隙这些孔隙包括水泥水化收缩形成的凝胶孔凝胶孔的体积占到凝胶总体积的孔径?尺寸很小其中的水分子在以上都不结冰未被水化水泥固体组分所填充的空间形成的毛细孔其占到混凝土体积的左右孔径一般在体积含量是各类孔最高的在负温下孔内水可冻结是导致混凝土冻害的主要内在因素非毛细孔包括气孔内泌水孔隙微裂和内部缺陷等体积很小不超过混凝土体积的孔径在气孔一般为封闭的球状不易充满水遭受冻融

3、时起到缓冲卸压的作用对抗冻有利在潮湿的环境中这些毛细孔孔隙会充满溶液冻融作用中混凝土内部孔溶液冻结引起的内应力直接作用于混凝土孔结构导致混凝土内部产生不可逆的微裂纹损伤冻融循环作用下内应力反复作用于混凝土混凝土内的微裂纹损伤不断扩展累积是混凝土冻融破坏的主要原因在钢筋与混凝土的界面上孔结构的内应力的作用也是钢筋与混凝土黏结发生破坏的直接原因之一混凝土内部孔结构的复杂性决定了混凝土冻融破坏机理的复杂性解释混凝土冻融破坏的学说主要有静水压力和渗透压力两种综合这两种学说即可较为成功地解释了混凝土的破坏机理对于静水压力和渗透压力何为混凝土冻融破坏的主要因素

4、很多学者有不同见解静水压力提出者本人后来偏向渗透压力学说而等人的研究结果却从不同侧面支持了静水压力学说我国学者唐明述对渗透压力学说提出了质疑李天媛则从理论计算和试验现象说明静水压力是混凝土冻融破坏的主要因素笔者认为混凝土孔溶液冻结产生的内应力以静水压力为主静水压力是导致混凝土冻融破坏的主要原因故以静水压力学说作为理论依据在此基础上研究由孔溶液结冰产生的内应力对钢筋与混凝土界面胶着力的破坏作用收稿日期基金项目国家自然科学基金资助项目作者简介冀晓东男河南人讲师博士主要从事钢筋混凝土耐久性能研究模型建立如前所述混凝土内部钢筋与混凝土的界面层分布着大量的对

5、混凝土有害的毛细孔钢筋与混凝土界面层的毛细孔对钢筋与混凝土的胶着力是有害的重点研究这部分毛细孔内产生的内应力本文对光圆钢筋与混凝土的界面进行简化如图所示假定与钢筋接触的界面层混凝土的基本单元由毛细孔和孔周围厚度为平均气孔间隔系数的水泥浆体组成冰冻发生时浆体中的未冻孔溶液就近向气孔迁移缓解由冰冻产生的静水压力本文的力学模型取为一个直径为的半圆混凝土孔洞与钢筋组成毛细孔而在沿钢筋左右方向范围中的混凝土与钢筋是完全胶结的没有毛细孔和非毛细孔混凝土在融化过程中产生的静水压力不会致使混凝土内部破坏假定混凝土处于自然饱水状态及冻结过程中并假定混凝土骨料是抗冻的

6、如图所示在混凝土受冻时混凝土内部温度降低毛细孔隙内水温度也随之降低凝结水凝结成冰体积膨胀产生水压力根据图钢筋与混凝土界面上的的静水压力理论应用达西定律计算因未冻孔溶液迁移而产生的静水静水压力力学模型压可表示为式中为静水压力?为孔溶液流速?为孔溶液在水泥浆体中的渗透系数为孔溶液沿渗透方向的坐标为孔溶液的动力黏滞系数孔溶液通过半径为的半个单位球面的流量?为半个单位球面内溶液由于结冰造成的体积增量式中为单位时间内的结冰量?为结冰速度即温度每降低冻结水的增量?为降温速度?为毛细孔半径为温度将式代入式积分可得距毛细孔中心的静水压力计算式当时即在距离毛细孔最远

7、处静水压力达到最大值当时即在气孔边缘静水压力为以文献试验所用混凝土分别计算或者查出式对应的各种混凝土的系数其配合比见表表文献试验用混凝土配合比水胶比水泥?粉煤灰?砂子?石子?水泥浆体内的平均气孔半径和平均气孔间隔系数孔溶液的动力黏滞系数用水的动力黏滞系数近似代替水的动力黏滞系数随着温度的降低而增大在下的值如表所示其中部分数据为内插或外推得出表负温下水的动力黏滞系数??混凝土水泥浆体的渗透系数与混凝土的水灰比或毛细孔隙率密切相关曾给出水泥渗透系数与水泥石毛细孔隙率的经验公式式中为水泥石的渗透系数为水泥石的毛细孔隙率本文采用式计算混凝土内水泥浆体的渗透

8、系数水泥浆体的孔隙率为水泥浆中的毛细孔体积与水泥浆体体积之比文献试验用混凝土浆体占混凝土体积的用烘干法测得毛细孔溶液占混凝