保护层厚度及配筋参数对混凝土裂缝宽度的影响研究

(三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

通过工程调研发现,坝后背管的外包混凝土裂缝控制问题一直存在,裂缝宽度工程实测数据与理论计算的结果并不一致,甚至有的最大裂缝已经达到设计限制值的2～7倍[1-2].目前,在混凝土裂缝宽度的计算理论上也存在不同的观点,黏结滑移理论[3]认为:决定裂缝宽度的主要因素除了钢筋应力以外,还与钢筋直径和配筋率的比值有关;推导得出受拉裂缝间距主要取决于钢筋直径与配筋率的比值和平均粘接强度.无滑动理论[4]揭示钢筋到构件表面的距离即保护层厚度,是影响裂缝宽度的一个重要变量.有学者[5-8]根据坝后背管的结构特点和受力特点,利用试验和数值模拟等方法建立了裂缝计算公式,用以计算裂缝宽度及裂缝平均间距.但直接考虑保护层厚度和钢筋直径与配筋率的比值对裂缝的影响在公式中的体现并不明确,也缺乏充分的试验研究.有学者[9]总结了不同规范中对于混凝土构件的裂缝计算公式,在影响裂缝的主要因素以及这些因素对裂缝的影响程度上都没有达成一致.目前,我国水电站坝后背管一般采用《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057—2009)和《水工混凝土结构设计规范》(SL/T 191—2008)两种规范中的公式进行计算.在SL/T 191—2008的最大裂缝宽度公式中对于保护层厚度大于65mm 的混凝土构件,并没有作出明确的规定,而在DL/T 5057—2009中,则规定了65～150mm 的大保护层厚度的裂缝宽度计算公式.在两种规范中,对于配筋率小于0.03的构件认定配筋率取值为0.03,并没有进行明确的规定,在规范中也说明是由于缺少相关的试验研究.虽然两种规范的计算公式都利用一般裂缝理论对钢筋应力、黏结性能及保护层厚度等因素进行考虑,但有研究表明[10],利用他们计算出来的结果存在较大差别.因此,有必要通过试验对其中存在的一般性规律进行探究.

钢衬钢筋混凝土压力管道的环向钢筋配筋率在0.02左右.因此,本文基于钢衬钢筋混凝土压力管道的结构特征及受力特点,对有效配筋率在0.02以下的特定配筋率的配筋混凝土试件进行轴拉试验.主要探讨配筋率在0.02以下时,保护层厚度和钢筋直径与配筋率的比值两种因素对裂缝的影响规律.

1 试验方案

1.1 试件设计

本试验主要研究大保护层厚度、有效配筋率在3%以下时的混凝土轴拉试件在荷载作用下,预设裂缝、保护层厚度、钢筋直径和配筋率等因素对裂缝宽度的影响规律.根据试验目的,试验分11 批共浇筑25个试件,试件混凝土保护层厚度为27.5～79mm,Z1～Z6试件分别设置切缝深度为7mm、12mm 的预设裂缝,轴拉试件尺寸设计见表1,轴拉试件型式如图1所示.

图1 轴心拉伸模型(单位:mm)

表1 试件编号及参数设计

本次试验采用C25混凝土,试验材料如下:

1)水泥:宜昌三峡牌P·O42.5普通硅酸盐水泥;

2)粗骨料:连续级配、粒径为5～40mm 的碎石;

3)细骨料:优质河沙,细度模数为2.5;

4)水:实验室自来水;

5)减水剂:固含量为40%的聚羧酸母液.

试验配合比见表2.本试验采用HRB400(Ⅲ级)钢筋,钢筋直径分别为16、18、20、22、25、28和32mm.

表2 试验配合比

1.2 试件处理

为了准确测量试件表面裂缝间距和裂缝宽度值,在进行轴拉试验前,需对试件做如下处理:

1)将养护28d的试件表面打磨平整,除去杂物,用白色水性涂料均匀刷在试件表面,待晾干后在试件表面画上50mm×50mm 的方格,以便于准确读取试件表面裂缝宽度和裂缝间距,处理后的效果如图2所示.

2)为了测量试件表面裂缝宽度和裂缝间距,在试件的上表面和下底面各设5个测点,取截面边缘和四等分点处,裂缝宽度在对应测点处测量取得,试件测点位置如图3所示.

图2 试件表面处理

图3 试件测点位置

2 试验结果及分析

2.1 裂缝开展过程

钢筋混凝土轴心拉伸试件裂缝的生发过程主要如下:当钢筋应力在160～200MPa时,试件开始出现横向主裂缝,裂缝出现前并未在表面观察到微裂缝,且横向裂缝一经出现便在试件表面三面贯通.随着钢筋应力进一步增大,横向主裂缝贯通试件4个表面.预设裂缝试件、受拉试件只出现一条横向主裂缝,均出现在试件中部预设裂缝处;正方形截面试件仅出现一条横向主裂缝,没有产生横向次裂缝;矩形截面试件出现1～2条横向主裂缝以及多条横向次裂缝,次裂缝并未贯通试件表面,裂缝两端宽度较小,中部较大.进一步加载至钢筋应力为360MPa时,不再产生新裂缝,主裂缝宽度明显增大,裂缝总条数逐渐稳定在固定值.

2.2 钢筋应力和平均裂缝宽度的关系

详细记录Z1～Z15试件从试件开裂到加载结束时不同钢筋应力下所对应的裂缝宽度,将试验数据绘制成钢筋应力与平均裂缝宽度之间的关系曲线,如图4～5所示.

图4 预设裂缝试件钢筋应力与裂缝宽度之间的关系

图5 钢筋应力与裂缝宽度之间的关系

由图4～5可知,在钢筋屈服前,试件钢筋应力与裂缝宽度基本呈现线性关系.相同尺寸的试件,当配有较大直径的钢筋时,由于其保护层厚度较薄,出现裂缝时钢筋应力较小.同时,通过对比图4、图5可以发现预设裂缝对于试件裂缝宽度随钢筋应力变化的规律并无明显影响.

2.3 保护层厚度对平均裂缝间距的影响

相关研究表明[11]:保护层厚度的大小及其应变梯度是影响平均裂缝间距的一个重要因素.当试件配筋参数基本一致时,选取Z16与Z17、Z18与Z19、Z20与Z21、Z22与Z23这4组试件,探究保护层厚度对平均裂缝间距的影响,呈现的关系如图6所示.

图6 平均裂缝间距与保护层厚度之间的关系

图中c为保护层厚度,总体看来平均裂缝间距随着保护层厚度的增大而增大,保护层厚度为影响平均裂缝间距的一个主要因素.

2.4 保护层厚度对平均裂缝宽度的影响

无滑移理论[4]认为构件保护层厚度是影响裂缝宽度的主要因素,当试件配筋参数基本一致时,选取Z16与Z17、Z18 与Z19、Z20 与Z21、Z22 与Z23 这4组试件,根据试验结果绘制不同钢筋应力水平下,平均裂缝宽度与保护层厚度之间的关系如图7所示.

图7 平均裂缝宽度与保护层厚度关系图

从图7可以看出,在相同的钢筋应力情况下,随着试件保护层厚度的增大,平均裂缝宽度也随之增大,平均裂缝宽度和保护层厚度之间呈线性相关;在不同钢筋应力水平下,随着保护层厚度的增大,平均裂缝宽度的变化速率也表现出了不同;较高的钢筋应力情况下,平均裂缝宽度随着保护层厚度增大而增大的趋势更为明显.

2.5 配筋参数d/ρ 对平均裂缝间距的影响

黏结滑移理论认为[3]:平均裂缝间距的决定因素是钢筋与混凝土之间的黏结性能,我国相关规范则把钢筋直径与配筋率的比值d/ρ作为平均裂缝间距计算的主要变量.在保护层厚度基本一致时,选取Z17与Z18、Z19与Z20、Z23与Z24、Z25与Z16这4组试件,测点3实测的平均裂缝间距lcr,m与配筋参数d/ρ之间的关系如图8所示.

图8 平均裂缝间距与d/ρ 之间的关系

从图8可以得出,保护层厚度基本一致时,试件平均裂缝间距均随着配筋参数的增大而增大.分析其原因,钢筋与混凝土之间的黏结性能与钢筋的相对黏结面积有关,钢筋相对黏结面积的大小可以用钢筋的黏结面积与钢筋截面积这二者的比值来反映,钢筋的黏结面积与钢筋圆周长成正比,可以看出二者比值随着钢筋直径的增大而减小.配筋参数较大的试件其配置钢筋直径较大,从而钢筋与混凝土之间的相对黏结面积较小,黏结强度变低,使得钢筋与混凝土间的黏结应力变小,钢筋与混凝土间的黏结应力作用长度变长,导致试件平均裂缝间距变大,最终呈现出试件平均裂缝间距随着配筋参数的增大而增大的规律.

2.6 配筋参数d/ρ 对平均裂缝宽度的影响

在试件保护层厚度基本一致时,根据试验结果绘制Z17与Z18、Z19与Z20、Z23与Z24、Z25与Z16这4组试件在测点“3”处的平均裂缝宽度和配筋参数d/ρ之间的变化关系,如图9所示.

图9 平均裂缝宽度和d/ρ 的变化规律

从图9可以看出,在试件保护层厚度基本一致时,平均裂缝宽度与配筋参数呈现一定的线性变化特征,平均裂缝宽度随着配筋参数d/ρ的增大而增大.分析其原因,按照黏结滑移理论[3],一个裂缝间距内钢筋与混凝土的变形之差就是裂缝开展的宽度,所以裂缝间距越大,裂缝宽度也越大.通过2.5节的分析可知平均裂缝间距随着配筋参数的增大而增大,进而平均裂缝宽度也表现出随着配筋参数的增大而增大的规律,这也进一步证实了黏结滑移理论在一定范围内的合理性.

3 结论

本文通过对25组大保护层厚度、有效配筋率在3%以下钢筋混凝土试件进行轴心拉伸试验,研究了钢筋应力、保护层厚度以及配筋参数与裂缝宽度之间的关系,可得出以下结论:

1)在钢筋屈服前,裂缝宽度与钢筋应力基本呈现线性关系,裂缝宽度随钢筋应力的增大而增大;配置有较大直径钢筋的试件开裂时钢筋应力较小;在试件上预设切缝对于裂缝宽度与钢筋应力之间的规律无明显影响.

2)在相同钢筋应力情况下,平均裂缝宽度与保护层的关系成正比;在较高的钢筋应力水平下,平均裂缝宽度随着保护层厚度增大而增大的趋势更为明显.

3)在试件保护层厚度基本一致时,平均裂缝宽度与配筋参数d/ρ之间存在着线性关系,平均裂缝宽度随着配筋参数d/ρ的增大而增大.