中国港湾建设
Experimental study on bond behavior and flexural behavior of
modified epoxy-coated reinforced concrete
汽车油箱结构
ZHANG Jun-bo 1,2,SHANG Huai-shuai 2,WANG Yong-feng 1,LI Li 3,WANG Yu-guang 4,JIA Jun-ming 4
（1.Qingdao Civil Air Defense Office,Qingdao,Shandong 266071,China;2.School of Civil Engineering,Qingdao University of
Technology,Qingdao,Shandong 266033,China;3.Qingdao Civil Air Defense Engineering Quality Supervision Station,Qingdao,Shandong 266071,China;4.Qingdao Building Materials Research Institute Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266011,China ）
Abstract ：The rebar in reinforced concrete structure which is used in the environment of high humidity and harmful gas
corrosion is easy to corroded.In view of this phenomenon,the central pull-out specimens and beam me
mbers made of modified epoxy coated rebars were studied.Through the central pull -out test of reinforced concrete,the bond performance between concrete and modified epoxy coated rebar and ordinary steel bar was studied.The similarities and differences of bearing capacity and failure mode between modified epoxy coated reinforced concrete beams and ordinary reinforced concrete beams were studied through the bending tests of normal section of modified epoxy coated reinforced concrete beams and ordinary reinforced concrete beams.The results show that the bond performance of the specimens coated with modified epoxy coating is slightly worse than that between ordinary steel bar and concrete;the ratio of ultimate bond strength between coated reinforced
concrete and ordinary reinforced concrete decreases with the increase of reinforcement diameter.The flexural bearing capacity and failure mode of the modified epoxy coated reinforced concrete beams are basically the same as those of the ordinary reinforced concrete beams.
Key words ：modified epoxy coated rebar;bond strength;concrete beam;flexural behavior
摘
要：服役于高湿、有害气体侵蚀等恶劣环境下的钢筋混凝土结构中的钢筋极易发生锈蚀，针对这一现 象，对改
性环氧涂层钢筋制作的中心拔出试件和梁构件进行试验研究。通过钢筋混凝土的中心拔出试验研究了混凝土与改性环氧涂层钢筋和普通钢筋的粘结性能，通过改性环氧涂层梁试件和普通梁试件的正截面抗弯试验，研究了改性环氧涂层钢筋混凝土梁在承载能力与破坏形态上与普通钢筋混凝土梁的异同。研究发现：钢筋涂有改性环氧涂层梁的试件的粘结性能比普通钢筋与混凝土之间的粘结性能略差；涂层钢筋混凝土与普通钢筋混凝土间极限粘结强度之比随着钢筋直径的增加而减小；改性环氧涂层钢筋梁与普通钢筋混凝土梁的抗弯承载能力和破坏形态基本相同。关键词：改性环氧涂层钢筋；粘结强度；混凝土梁；抗弯性能中图分类号：TU375.1；TU511.32 文献标志码：A
文章编号：2095-7874（2021）01-0023-05
doi ：10.7640/zggwjs202101006
改性环氧涂层钢筋混凝土粘结性能及
梁抗弯性能试验研究
张君博1，2
，商怀帅2，王永峰1，李莉3，王玉广4，贾军明4
（1.青岛市人民防空办公室，山东青岛266071；2.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛266033；3.青岛
市人民防空工程质量监督站，山东青岛
266071；4.青岛市建筑材料研究所有限公司，山东青岛
266011）
第41卷第1期
2021年1月
Vol.41
No.1
Jan.2021
收稿日期：2020-10-08
修回日期：2020-11-19
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51778310）；西部绿建筑国家重点实验室2019年度开放基金资助项目
（LSKF201909）作者简介：张君博（1979—），男，山东青岛人，博士研究生，研究方向为人民防空工程材料及结构性能。E-mail ：*****************
0引言
环氧涂层钢筋具备很多优点，但是，其粘结
力较差，开裂后裂缝会稍宽等[1-2]。这制约了环氧涂层钢筋的推广和防腐效果[3]。石墨烯具有许多优
中国港湾建设2021年第1期
1.1.2试件设计与制作
首先制作尺寸为150mm伊150mm伊150mm 的钢筋混凝土中心拔出试件（见图1），养护完成后进行中心拔出实验。钢筋粘结段长度为5d （d 为钢筋公称直径）；钢筋加载端和自由端长度分别约为350mm 、100mm 。PVC 管与钢筋之间的缝隙用树脂密封。本试验共制作8组试件，每组3块共24块。试件编号其中a 表示无涂层，b 表示含0.1%环氧树脂的石墨烯。1.1.3加载方式
本试验依据GB 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》进行。在试验前期，采取分级加载的方式，每一级荷载增加2kN ，加载后持荷30s ，
异性能，包括良好的热学以及抗腐蚀性[4-5]，可用石墨烯做改性环氧树脂材料[6]。Ziat 等[7]研究发现：改性环氧涂层具有高疏水性、良好的机械性能和阻隔性能，并且涂层防腐性能优异。刘栓等[8]研究了改性环氧涂层的摩擦磨损性能，发现石墨烯的加入会使涂层的抗磨减摩性能得到巨大的提升。由此可见改性环氧涂层有着广阔的应用前景。
目前关于改性环氧涂层的研究还仅限于涂层自身，尚无将改性环氧涂层钢筋应用于混凝土结构中的研究。使用其他材料制作的涂层钢筋与混凝土间粘结性能的研究已有不少，但是关于涂层钢筋在混凝土构件中的研究却很少[9-10]。基于此，本文通过中心拔出试验和梁正截面抗弯试验，研究了改性环氧涂层钢筋与混凝土的粘结性能，然后通过梁的正截面抗弯试验，比较改性环氧涂层钢筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁在破坏性形态与承载能力方面的相同点与不同点。
1
试验概况
1.1中心拔出试验
1.1.1试验材料及性能指标
本试验所用改性环氧树脂由青岛理工大学材料试验室制备，先利用改性Hummers 法得到氧化石墨，通过水浴还原法制备出石墨烯溶液，烘干研磨后得到石墨烯；最后，通过原位聚合法将质量分数为0.1%的石墨烯掺入环氧树脂中获得改性环氧树脂。
本试验选择了直径为14mm 、18mm 、22mm 、25mm 的4种HRB400热轧带肋钢筋，改性环氧涂层和无涂层2种类别。为确保各组钢筋的涂层厚度一致，每根钢筋选取6个点测量涂层厚度，钢筋材料参数见表1。每根钢筋长度为600mm ，钢筋端部用角磨机打磨平整。本次试验采用青岛生产C30预拌混凝土，具体配合比及材料性能见表2。
表1
钢筋材料参数
Table 1Rebar material parameters
直径/mm
内径/mm
纵肋高度/mm
横肋高度/mm
肋间距/mm
涂层厚度/mm
屈服强度/MPa
抗拉强度/MPa
1413.50.9 1.29.40.184355501817.3 1.0 1.610.30.244686032221.20.9 1.810.60.2749663225
24.0
1.1
1.8
13.2
0.25
504
627
建筑证书管理
表2混凝土配合比及材料性能
Table 2Concrete mix ratio and material properties
水泥
/（kg ·m -3）粉煤灰/（kg ·m -3）砂/（kg ·m -3）石子/（kg ·m -3）减水剂/（kg ·
m -3）水胶比
立方体抗压强度/MPa 立方体抗拉强度/MPa
320
66
932
732
64.4
0.4831.1
2.32
图1中心拔出试件尺寸图
Fig.1Dimensional drawing of the center pull-out
specimen
24窑窑
2021年第1期
当达到极限荷载后改用位移控制加载，直到试件被拉坏。
1.2钢筋混凝土梁抗弯试验1.
2.1试验设计
本试验制作普通钢筋混凝土梁和改性环氧涂层钢筋混凝土梁各1根，编号分别为RCB1和
RCB2；纵向受拉钢筋的保护层厚度为25mm ；混凝土强度等级为C30，试件尺寸及配筋如图2所示。在浇筑梁试件时，同时浇筑6个尺寸为150mm 的立方体试块，并在相同温度、湿度条件下进行养护，以检验混凝土的抗压和劈裂抗拉强度，试件的基本参数见表3。
图2梁配筋图
（mm ）Fig.2Beam reinforcement diagram (mm)
表3
试件基本参数
Table 3
Basic parameters of test piece
试件编号
钢筋种类
涂层厚度/mm
f y /MPa f cu /MPa f c /MPa f t /MPa RCB1普通钢筋
42228.621.7 1.95RCB2
石墨烯掺量为0.1%的环氧涂层钢筋
0.18
414
29.1
22.1
1.97
注：f y 为钢筋的抗拉强度设计值；f cu 为混凝土立方体抗压强度；f c 为混凝土轴心抗压强度；f t 为混凝土抗拉强度。
1.2.2试件加载及测点布置
集中载荷施加在梁的三分点处，并通过分配梁传递到试验梁，在试验梁的跨中处形成一个600mm 的纯弯段。位移传感器被布置在梁两端的支撑处、集中载荷处和梁的跨中，在每个纵向受拉钢筋的跨中布置应变片。正式加载之前先进行预加载，每级加载完成后，用ZBL-F800裂缝综合测试仪来观察裂缝的产生与发展，并测量裂缝的宽度。
2试验结果及分析2.1中心拔出试验
2.1.1极限粘结强度和峰值滑移量
当粘结段长度小于一定值时（一般为5d ），一
般可认为粘结应力沿钢筋纵向均匀分布，其粘结
强度可由式（1）进行计算。
子=F
滋s l a
（1）式中：F 为钢筋拉拔力，kN ；滋s 为钢筋周长，mm ；
l a 为锚固长度，mm 。
极限粘结荷载、极限粘结强度和峰值滑移量的取值均为同组3个试件的中间值，见表4。
依据试验结果可知：直径为14mm 的改性环氧钢筋混凝土间极限粘结强度为钢筋混凝土间极限粘结强度的89.66%，直径为22mm 的改性环氧钢筋混凝土间极限粘结强度为钢筋混凝土间极限粘结强度的73.40%；可见钢筋与混凝土间的极限粘结强度能够被环氧涂层所降低。这一结论与文献[11]一致。Choi 等[12]的试验结果也表明：钢筋直径越大，环氧涂层钢筋混凝土间粘结强度的降低程度也越大，这与本文试验结果一致。
表4中心拔出试验数据
Table 4
Center pull-out test data
试件编号
锚固长度/mm
极限拔出荷载/
kN 极限粘结强度/
MPa
14-a
705818.8514-b 5216.9018-a
907214.1518-b 6612.98
22-a 1109011.8422-b 668.6925-a 125
11011.21
25-b 56
5.71
P
P
200
100
600600
600
1008@100
3
16
212
钢筋应变片
1
1
（b
）1-1截面（a ）试件尺寸及配筋
张君博，等：改性环氧涂层钢筋混凝土粘结性能及梁抗弯性能试验研究
25··
中国港湾建设2021年第1期
2.1.2粘结-滑移曲线
粘结滑移曲线大致可以分成4个阶段，其中劈裂破坏没有下降段，其发生过于突然，所以未能测出其下降段。
以直径为14mm 的钢筋混凝土试件为例，其粘结-滑移曲线见图3，可分为以下4个阶段：
1
）加载初期：钢筋还未产生相对滑移，各组试件呈线性增长，其中涂层钢筋线性段相对较短。2
）滑移阶段：滑移段非线性增长，但曲率却很小；其中环氧涂层钢筋的滑移段较平缓。3）劈裂阶段：此阶段的曲线更为平缓，拔出破坏试件中，涂层钢筋的劈裂段长度较长。其余各试件中，涂层钢筋制作的试件没有采集到明显劈裂段。4）下降段：当荷载达到最大值后，开始大幅下降并最终趋于稳定，但滑移值却大幅增加，最后钢筋被缓缓拔出，此阶段，钢筋混凝土间粘结力主要由咬合力提供。
2.2钢筋混凝土梁抗弯试验
2.2.1破坏形态
2根试验梁均发生弯曲破坏，破坏过程基本相同。在加载初期，梁处于弹性阶段，在同一高
度处二者应变相近；当荷载加至（0.15~0.2）P u （P u
为实测极限荷载）时，在梁跨中处，会出现1~3条垂直裂缝，并且裂缝高度在1/3梁高左右；荷载达到0.4P u 时，纯弯段裂缝基本出齐，此后裂缝高度发展缓慢；继续施加荷载，受压区混凝土被压碎，此时在其下方会出现新的裂缝，同时梁底也会产生数条贯通裂缝；卸载后，试验梁出现回弹。2.2.2裂缝间距及裂缝宽度
图4为RCB2试验梁的裂缝分布图，经统计分析改性环氧涂层钢筋混凝土梁纯弯段竖向裂缝
的平均间距为122mm ，普通钢筋混凝土梁纯弯段竖向裂缝的平均间距为109mm 。对于平均裂缝间距，改性环氧涂层钢筋混凝土梁纯弯段大于普通钢筋混凝土梁纯弯段，增大约11.9%。薛伟辰[10]和聂永明等[13]对环氧涂层钢筋混凝土梁进行了抗弯性能试验，其中聂永明等[13]发现配环氧涂层钢筋后，梁构件的平均裂缝间距约增大10.8%；薛伟辰[10]得出环氧涂层钢筋混凝土梁的裂缝间距比普通梁试件大10%左右；上述结论与本文试验所得结果基本一致。从图5中可以发现，在正常使用阶段普通梁构件的裂缝宽度要小于涂层梁，这表明改性环氧涂层钢筋与混凝土间的粘结稍差。
2.2.3
阀门试压设备钢筋应变及跨中挠度
从图6可以发现，在梁开裂前，受拉钢筋的
应变呈线性增长；梁开裂后，钢筋应力激增，在图形上体现为斜率降低。2根试验梁的荷载-钢筋应变曲线极为接近，说明改性环氧涂层钢筋在受弯梁中的受力情况与普通钢筋相同。
由图7可以发现，改性环氧涂层钢筋混凝土梁的挠度曲线与普通梁构件大体相同，说明在混凝土梁中使用改性环氧涂层钢筋并不会引起梁的变形性能的增大。
图4试验梁裂缝分布图
Fig.4
Crack distribution map of test beam
图3直径为14mm 钢筋对粘结-滑移曲线的影响
Fig.3The influence of a 14mm diameter rebar on the bond-slip curve
2220181614121086420滑移量/mm
3.5
0.0
1.5
3.0
0.5
14-a 14-b
2.0
2.5
1.0
图5荷载-裂缝宽度曲线
Fig.5Load-crack width curve
220200
18016014012010080604020
裂缝宽度/mm
2.75
0.000.75 2.000.25RCB1RCB2
1.00 1.500.50
2.501.75 2.251.25纯弯段
26窑窑
2021年第1期
图6试验梁荷载-钢筋应变曲线
Fig.6
Test beam load-rebar strain curve
图7荷载-跨中挠度曲线
Fig.7Load-midspan deflection curve
3结语
本文通过中心拔出试验和钢筋混凝土梁抗弯试验，分别研究了改性环氧涂层钢筋与混凝土的粘结性能以及抗弯性能。初步得到以下结论：
1）改性环氧涂层钢筋与混凝土间的粘结强度明显比普通钢筋的普通试件要差，随着钢筋直径增大，涂层钢筋的极限粘结强度越小；配置改性环氧涂层钢筋的混凝土试件，其裂缝发展趋势以及裂缝宽度比普通钢筋混凝土试件要严重；直径14mm 的试件都会发生拔出破坏，其余试件则发生劈裂破坏。
2）改性环氧涂层钢筋的粘结-滑移曲线初滑移段较短，整体粘结-滑移曲线处于普通钢筋的下面。涂层钢筋试件发生拔出破坏的劈裂段较长，下降段较陡。
速效降温器
3）改性环氧涂层钢筋混凝土梁的破坏形态和抗弯机理与普通混凝土梁相似，改性环氧涂层钢筋对梁构件的承载能力和跨中挠度基本无影响，但会导致梁构件的平均裂缝间距和最大裂缝宽度增大。
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跨中挠度/mm
220
200180160140120100806040200
RCB1
RCB2
40
52010
253515300钢筋应变滋着
2202001801601401201008060402003200
400
160080020002800120024000
RCB1RCB2
张君博，等：改性环氧涂层钢筋混凝土粘结性能及梁抗弯性能试验研究abp-486
27··
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