混凝土的冻融破坏是影响混凝土结构耐久性及寿命的重要因素^[1]。我国北方寒冷地区的许多建筑物在实际使用过程中, 由于环境气候的影响, 对混凝土的耐久性要求越来越高。随着既有混凝土结构的拆除日益增多, 再生混凝土^[2]作为一种新型的绿色环保建筑材料越来越受到学者们的关注。然而, 由于再生粗骨料与天然粗骨料存在很多不同, 如二次破碎引起的损伤、表面附着老砂浆、吸水率较高等特点, 使得加工成的再生混凝土在耐久性、与钢筋的黏结性能有所降低。目前, 许多学者对钢筋与再生混凝土的黏结性能有所研究^{[3,4,5,6,7,8]}, 诸如肖建庄^[3]通过中心拔出试验, 研究了不同再生粗骨料取代率和钢筋类型对再生混凝土与钢筋之间的黏结强度的影响, 并建议了黏结应力-滑移本构关系;曹芙波等^[4,5]以冻融循环次数、保护层厚度、锚固长度为变量进行了黏结性能研究, 提出了不同影响因素下的黏结锚固拟合公式, 并从微观分析了冻融破坏机理。王博等^[6]分析了再生粗骨料取代率、钢筋类型、再生混凝土强度等级对极限黏结强度的影响, 结果表明钢筋类型对极限黏结强度的影响最大, 其次是钢筋直径, 混凝土强度等级的影响最小。然而, 在冻融环境下再生混凝土与钢筋黏结性能的研究还相对比较少^[9,10], 有待于进一步深入研究。

　　 为此, 本文通过对不同次数冻融循环后的再生混凝土试件进行中心拉拔试验, 研究了影响冻融环境下钢筋与再生混凝土间的黏结性能的主要因素, 并通过钢筋开槽内贴片的方法对钢筋微段局部黏结应力分布进行分析, 研究了冻融循环后钢筋与再生混凝土锚固段内各测点黏结应力-滑移的关系, 以期为我国寒冷地区再生混凝土的耐久性设计提供参考。

　　 (1) 再生粗骨料

　　 本文是以原设计强度为C30的工地送检混凝土试块为基体, 对其进行人工破碎, 再用颚式破碎机进一步破碎, 并经过筛分、清洗等程序, 最终得到颗粒级配良好的再生粗骨料。再生粗骨料性能指标见表1。

　　 (2) 再生混凝土

　　 水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥;细骨料为天然河砂, 表观密度为2 590kg/m³, 细度模数为2.9;拌和水为普通生活用水;外加剂采用减水率为20%的GL-B4高效引气型减水剂, 符合《混凝土外加剂》 (GB 8076—2008) 的要求;试验配合比设计考虑再生粗骨料的吸水率, 并增加附加水。本试验的配合比设计及所测得的抗压强度详见表2。

　　 试件设计尺寸为150mm×150mm×150mm和150mm×150mm×250mm, 无横向配筋, 锚固长度分别为5d和10d (d为钢筋直径) , 本试验所用的拉拔试件详图以锚固长度为5d的试件为例, 见图1。在试件加载端和自由端套上PVC套管形成无黏结区, 从而消除混凝土在试验中的局部受压, PVC套管两端用石蜡密封;混凝土试件采用钢套筒与外伸钢筋螺纹连接, 避免温度的变化对钢筋与再生混凝土黏结面的影响。试验配合比均按表2进行, 标准养护至规定龄期后对试件进行7d和28d抗压强度试验。

　　 试验所用钢筋为包头市某钢铁集团有限公司生产的HRB400级螺纹钢筋, 钢筋直径为16mm和20mm, 采用钢筋开槽内贴应变片的方法来测量锚固段内钢筋不同位置的应变, 开槽尺寸为4mm×4mm, 在凹槽底面每间隔20mm粘贴规格为1mm×2mm的箔式电阻应变片, 详见图2。应变片导线用直径为0.25mm的漆包线焊接, 导线编号顺着凹槽引出, 并用环氧树脂涂满凹槽, 最后将两半钢筋用AB胶涂抹合拢并放在夹具上夹稳固定24h, 试验所用钢筋实测力学性能指标及开槽后截面损失率见表3。

　　 冻融循环前, 将标准养护至24d的试件放在水中浸泡4d后进行冻融循环试验。冻融循环试验采用“快冻法”, 并参考文献[11]进行试验。整个冻融循环试验中, 中心试件最低和最高温度分别控制在 (-17±2) ℃和 (8±2) ℃。

　　 本试验的拉拔试验装置为600k N液压万能试验机, 见图3。在试件的加载端和自由端各布置一个位移计, 钢筋内贴应变片的导线与TDS-530高速静态数据采集仪连接, 进行数据采集。试验过程通过人工控制单调均匀加载, 拉拔荷载值P从表盘直接读取, 其中拉拔极限荷载记为P_u。拉拔极限荷载状态下钢筋与再生混凝土间的平均黏结应力由下式计算, 即:

　　 式中:τ_u为极限荷载状态下钢筋与再生混凝土间的黏结应力平均值, MPa;P_u为拉拔极限荷载值, k N;l_a为锚固长度, mm;d为钢筋直径, mm。

　　 不同次数冻融循环后再生混凝土的表面状态如图4所示。由图4可以看出, 未冻融时, 试块表面光滑平整, 水泥浆包裹密实;50次冻融循环后, 试块表面混凝土小部分脱落, 并出现个别微小孔洞;达到100次冻融循环时, 试块表面变粗糙, 出现了许多密密麻麻的小孔, 冻融循环导致试块表面混凝土剥落量增加;200次冻融循环后, 试块表面出现粗骨料裸露, 混凝土剥落较严重, 破坏处砂浆呈渣状, 轻微一碰便会以粉末状脱落。

　　 对于中心拉拔试验, 试件发生了三种破坏形态:

　　 (1) 劈裂破坏。由于试件未设置箍筋, 横向约束极小、脆性较大, 破坏前没有任何征兆, 加载过程中突然破坏, 试件发出“嘭”的劈裂破坏声, 最后混凝土块被劈裂成2~3块, 如图5 (a) 所示, 大部分沿再生粗骨料界面破坏^[12], 其主要原因是再生粗骨料表面新旧砂浆界面间黏结强度相对较弱。

　　 (2) 拔出破坏。试件在加载过程中, 加载端附近钢筋与再生混凝土先发生相对滑移, 随着拉拔荷载的增大, 相对滑移逐渐向自由端移动, 当拉拔荷载大于钢筋与再生混凝土间的极限黏结应力时, 拉拔钢筋被缓慢拔出且试件自由端出现微小裂缝, 如图5 (b) 所示。

　　 (3) 钢筋屈服破坏。由于外部拉力小于钢筋与再生混凝土间的黏结应力, 使得试件在加载过程中仅加载端附近钢筋与再生混凝土发生相对滑移, 而自由端未发生相对滑移, 随着拉拔荷载的继续增大, 当拉拔荷载达到钢筋屈服强度时, 钢筋在加载端被拔断, 拔断部位发生“颈缩”现象, 试件表面没有裂缝, 如图5 (c) 所示。

　　 根据试件三种破坏形态绘制出不同破坏形态下试件的荷载-滑移 (P-S) 关系曲线, 如图6所示。

　　 由图6 (a) 看出, 发生劈裂破坏试件的P-S曲线只有上升阶段没有下降阶段, 且发生劈裂破坏前试件加载端滑移值较大, 而自由端滑移值相对较小;由图6 (b) 可以看出, 拔出破坏试件的P-S曲线刚开始加载时, 试件加载端就发生微小的滑移, 随着荷载的增大自由端也出现了相对滑移, 当拉拔荷载达到极限荷载时, 加载端和自由端均出现了峰值, 随后两曲线荷载值迅速下降而滑移值继续增加最后趋于一致;由图6 (c) 可以看出, 钢筋屈服破坏试件的P-S曲线自由端始终没有发生相对滑移, 而加载端出现荷载峰值, 荷载值停留一段时间然后下降, 说明钢筋发生屈服, 最后P-S曲线趋于一条直线。

　　 冻融循环后, 各组试件的试验结果见表4。由表4可以看出, 再生混凝土的抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低。冻融循环初期, 再生混凝土的抗压强度下降不明显;200次冻融循环后, 抗压强度比未冻融循环时下降了29.7%, 说明随着冻融循环次数的增加, 再生混凝土内部冻融损伤不断积累降低了其力学性能。

　　 B组试件的极限荷载和极限黏结应力平均值下降不明显, 是由于B组试件的破坏形态都是发生了钢筋的屈服破坏, 拉拔极限荷载与钢筋的力学性能有关, 因而钢筋的极限荷载相差不大。虽然B组试件加载端的滑移值大于A组试件, 但对于锚固长度较大的B组试件而言, 相同的冻融循环次数对其极限黏结应力平均值影响较小。虽然RC-A1试件的极限荷载与RC-B1试件相差不大, 但前者锚固长度相对较小, 因此, 前者的极限黏结应力平均值增加了49%, 出现不同的破坏形态。

　　 根据表4绘制出再生混凝土极限荷载及极限黏结应力平均值随冻融循环次数的关系曲线, 分别如图7, 8所示。

　　 由图7可以看出, 锚固长度均为5d时, 随着钢筋直径的增加, 极限荷载逐渐增大, 而极限黏结应力平均值却随之减小;随着冻融循环次数的增加, 钢筋直径越大, 极限荷载下降越快, 钢筋直径为16mm和20mm的试件经过200次冻融循环后极限荷载分别下降了33.5%, 38.1%。

　　 从图8可以看出, 随冻融循环次数的增加, 不同锚固长度试件的极限荷载及黏结应力平均值均呈下降趋势。比较C, D两组试件, 锚固长度10d与5d相比, 其极限荷载增大32.8k N, 极限黏结应力平均值减小4.8MPa, 可以发现极限荷载随着锚固长度的增加而增加, 而极限黏结应力平均值随锚固长度的增加而减小, 极限黏结应力与极限荷载呈反比关系。出现这种现象是由于随着锚固长度的增加, 极限黏结应力平均值分布越发不均匀, 高应力区相对较短, 因而极限黏结应力平均值较低;锚固长度较小时, 高应力区相对较大, 应力较饱满, 极限黏结应力平均值就相对较高。

　　 本文以D组试件劈裂破坏为例, 根据采集到的钢筋应变数据绘制出锚固段内各测点钢筋应变的分布曲线, 如图9所示。

　　 由图9可以看出, 钢筋应变由加载端向自由端逐渐减小, 最后均趋于零;随着荷载的增加, 锚固段内钢筋应变逐渐增大, 接近极限荷载时, 加载端附近钢筋屈服, 钢筋应变急剧上升, 到达极限荷载后, 钢筋内贴应变片部分破坏。冻融循环初期, 钢筋应变分布曲线呈阶梯状分布, 间距较小, 分布较致密;随着冻融循环次数的增加, 钢筋应变曲线间距变大, 分布相对稀疏, 因为随着冻融循环次数增加, 极限黏结强度逐渐下降, 黏结应力分布范围逐渐向自由端收缩, 自由端黏结应力无法承受外部拉力而发生劈裂破坏。

　　 局部黏结应力反映了钢筋与再生混凝土锚固段内局部黏结性能, 能真实地反映钢筋与再生混凝土之间的黏结应力分布情况。据文献[13]的局部黏结应力计算方法, 分析不同荷载作用下锚固段内局部黏结应力分布规律, 如图10所示。

　　 由图10可以看出, 在整个锚固区段内黏结应力并非均匀分布。加载初期, 加载端和自由端附近黏结应力均随着荷载的增加而增加, 加载端附近黏结应力增长趋势明显, 而自由端附近黏结应力增长缓慢, 主要原因在于加载过程中, 加载端附近黏结应力率先承受荷载作用, 并逐渐向自由端传递。冻融循环初期, 局部黏结应力的峰值集中在加载端附近, 沿锚固长度逐渐向自由端传递, 总体呈现减小的趋势;随冻融循环次数的增加, 锚固中间段局部黏结应力增大且分布较均匀, 因为混凝土受冻融破坏程度增加, 加载端附近黏结应力不足以抵抗外部拉力, 使得拉力向自由端传递, 中间部位黏结应力开始发挥作用。

　　 根据试验数据绘制各组试件的平均黏结应力-滑移曲线, 以反映不同锚固位置各测点黏结应力-滑移关系变化规律, 如图11所示。其中平均滑移值s^—由实测钢筋加载端和自由端滑移值按下式计算:

　　 式中:S_f为自由端滑移值;S_l为加载端滑移值。

　　 参考文献[14]可知, 典型的黏结应力-滑移曲线可划分为微滑移段、滑移段、劈裂段、下降段和残余段。由图11可以看出 (试验过程中由于个别试件数据采集较少, 图11优先给出极具代表性试件的试验结果) , RC-A5拔出破坏试件和B组钢筋屈服破坏试件的曲线既有上升段, 又有下降段;C组和D组试件均发生劈裂破坏, 曲线只有上升段。随着冻融循环次数增加, 各组试件极限黏结应力平均值均呈现下降趋势;极限黏结应力平均值相同时, 冻融循环次数越多, 平均滑移量越大。极限黏结应力平均值-滑移曲线描述了锚固段内各点的黏结应力-滑移关系, 反映各试件黏结应力-滑移关系的变化情况。

　　 本文通过中心拉拔试验对不同次数冻融循环后钢筋与再生混凝土黏结性能进行试验分析, 得出以下结论:

　　 (1) 试件发生三种破坏:钢筋屈服破坏、劈裂破坏、中心拔出破坏。再生粗骨料界面过渡区是再生混凝土发生冻融破坏的薄弱环节。

　　 (2) 拉拔极限荷载随锚固长度的增加而增加, 极限黏结应力平均值随锚固长度的增加而减小, 极限黏结应力平均值与极限荷载呈反比关系。荷载值及平均黏结强度均随着冻融循环次数的增加而逐渐降低。

　　 (3) 通过分析锚固段内各测点钢筋应变的分布规律得出, 冻融循环次数较小时, 钢筋应变沿锚固长度变化曲线呈阶梯状分布, 曲线间距分布较密;随着冻融循环次数的增加, 钢筋应变沿锚固长度变化曲线趋于平缓, 曲线分布也较均匀。

　　 (4) 通过量测的钢筋应变值推算出局部黏结应力, 分析可得:冻融循环初期, 局部黏结应力的峰值集中在加载端附近, 沿锚固长度逐渐向自由端传递, 总体呈现减小的趋势;随冻融循环次数的增加, 锚固中间段局部黏结应力增大且分布较均匀。

　　 (5) 通过分析不同锚固位置各测点极限黏结应力平均值-滑移关系变化规律得出, 随着冻融循环次数增加, 各组试件极限黏结应力平均值均呈现下降趋势, 且拔出试件和钢筋屈服试件极限黏结应力平均值-滑移曲线既有上升段又有下降段, 而劈裂破坏试件仅有上升段。