任务三　钢筋与混凝土的黏结

目　　标：（1）掌握黏结的定义与重要性。

（2）熟悉黏结力的组成。

（3）掌握保证可靠黏结的构造措施。

提交成果：钢筋与混凝土的黏结力课程报告。

钢筋和混凝土之间的黏结，是保证钢筋和混凝土这两种力学性能截然不同的材料在结构中共同工作的基本前提。黏结包含了水泥胶体对钢筋的黏着力、钢筋与混凝土之间的摩擦力、钢筋表面凹凸不平与混凝土的机械咬合作用、钢筋端部在混凝土内的锚固作用。

一、黏结力的定义

若钢筋和混凝土有相对变形（滑移），就会在钢筋和混凝土交界面上，产生沿钢筋轴线方向的相互作用力，这种力称为钢筋和混凝土的黏结力。

正因为黏结力的存在，使钢筋和混凝土能够共同工作。在设计中应尽量发挥材料各自的优点，也要使黏结力不超过粘接强度。如图1-26所示为钢筋混凝土轴心受拉构件，轴力N通过钢筋施加在构件端部截面，端部钢筋应力σs＝N/As，混凝土应力σc＝0。轴力N进入构件以后，由于黏结应力τ的存在限制了钢筋的自由拉伸，将钢筋承受的部分拉力传给混凝土，使混凝土受拉。粘接应力τ的大小取决于钢筋与混凝土的应变差（εs-εc）的大小。随着离开端部的距离增大，钢筋应力σs减小，混凝土的拉应力σc增大，二者的应变差逐渐减小，在距端部lt处εs-εc的值为零，钢筋和混凝土的相对变形（滑移）消失，黏结应力τ＝0。至构件端部x＜lt处取dx微段的平衡图，设钢筋直径为d，截面面积为As＝πd2/4，则

πd·τ·dx＝dσs·πd2/4

或

上式表明，黏结应力τ使钢筋应力σs发生变化，或者说没有τ就不会有dσs；反之，没有钢筋应力的变化就不存在τ。因此，在构件中间距离端部超过lt的各个截面上τ＝0，σs和σc均不再改变。

如图1-27所示的钢筋混凝土梁，荷载作用使混凝土的下部受拉，黏结应力τ将混凝土承受的部分拉力传给钢筋，使钢筋受拉。钢筋中的拉应力取决于沿钢筋长度方向黏结应力的积累，在梁中取微段dx来分析，同样可得式（1-11）。梁开裂后，混凝土开裂前承受的拉力通过黏结应力τ传递给钢筋，从而使裂缝处钢筋应力增大。这种黏结应力称为局部黏结应力，其作用是使裂缝之间的混凝土参与受拉。

钢筋在支座处的锚固黏结应力是构件承载力至关重要的因素。如图1-28所示的梁、柱和屋架支座，受拉钢筋在支座处必须要有足够的锚固长度，才能通过在锚固长度上黏结应力的积累，使钢筋中建立能发挥钢筋强度的应力。如锚固黏结长度不够，将会造成锚固黏结应力的丧失使构件提前破坏。

二、黏结力的组成及性能和影响因素

1.黏结力组成

光面钢筋的黏结性能试验表明，钢筋和混凝土的黏结力主要有下面四种影响因素。

（1）化学胶结力：钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力。这种力一般很小，当接触面发生相对滑移时就消失，仅在局部无滑移区内起作用。

（2）摩擦力：混凝土收缩后将钢筋紧紧地握裹住而产生的力。钢筋和混凝土之间的挤压力越大、接触面越粗糙，则摩擦力越大。光面钢筋压入试验得到的黏结强度比拉拔试验要大，这是因为钢筋受压变粗，增大对混凝土的挤压力，从而使摩擦力增大所致。

（3）机械咬合力：钢筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力。变形钢筋横肋会产生这种咬合力，它的咬合作用往往很大，是变形钢筋黏结力的主要来源。

（4）钢筋端部的锚固力：一般是用在钢筋端部弯钩、弯折，在锚固区焊短钢筋、短角钢等方法来提供锚固力。

各种黏结力在不同的情况下（钢筋的截面形式、不同受力阶段和构件部位）发挥各种的作用。机械咬合力可提供很大的黏结应力，如布置不当，会产生较大的滑移、裂缝和局部混凝土破碎等现象。

2.光面钢筋的黏结性能

直段光面钢筋的黏结力主要来自于化学胶结力和摩擦力。

黏结强度通常采用如图1-29所示标准拔出试件来测定，设拔出力为F，钢筋中的总拉力F＝σsAs，则钢筋与混凝土界面上的平均黏结应力F为

试验中可同时量测加荷端滑移和自由端滑移，由于埋入长度l较短。可认为达到最大荷载时，黏结应力沿埋长近乎相等，可用黏结破坏时的最大平均黏结应力代表钢筋与混凝土的黏结强度τu。

图1-30所示为典型的光面钢筋拔出试验曲线（τ-sl曲线）。光面钢筋的黏结强度较低，τu＝（0.4～1.4）ft，到达最大黏结应力后，加荷端滑移sl急剧增大，τ-sl曲线出现下降段。试件的破坏是钢筋徐徐被拔出的剪切破坏，滑移可达数毫米。τu很大程度上取决于钢筋的表面状况，表面越凹凸不平，则τu越高。光面钢筋的主要问题是强度低、滑移大。

3.变形钢筋的黏结性能

变形钢筋的黏结效果比光面钢筋好得多，化学胶合力和摩擦力仍然存在，机械咬合力是变形钢筋黏结强度的主要来源。

图1-31所示为变形钢筋拔出试验的τ-sl曲线。加荷初期（τ＜τA），钢筋肋对混凝土的斜向挤压力形成了滑动阻力，滑动的产生使肋根部混凝土出现局部挤压变形，黏结刚度较大，τ-sl曲线近似为直线关系。随荷载的增大，斜向挤压力沿钢筋纵向分力产生如图1-31所示的内部斜裂缝；径向分力使混凝土环向受拉，从而产生内部径向裂缝。当径向裂缝到达试件表面时，相应的应力称为劈裂黏结应力τσ＝（0.8～0.85）τu。当τ-s曲线到达峰值应力τu时，相应的滑移s随混凝土强度的不同约在0.35～0.45mm之间波动。对于无横向配筋的一般保护层试件，到达τu后，在s增长不大的情况下出现脆性劈裂破坏。

4.影响黏结强度的因素

钢筋的黏结强度均随混凝土的强度提高而提高。实验表明：当其他条件基本相同时，黏结强度τu与混凝土的劈裂抗拉强度ft，s成正比。

混凝土保护层c和钢筋之间净距离越大，劈裂抗力越大，因而黏结强度越高；但当l/d＞5时，τu/ft，s不再增长，也就是说黏结强度不由劈裂破坏来决定，而是沿钢筋外径圆柱面上发生剪切破坏。

横向钢筋限制了纵向裂缝的发展，可使黏结强度提高，因而在钢筋锚固区和搭接长度范围内，加强横向钢筋（如箍筋加密等）可提高混凝土的黏结强度。

钢筋端部的弯钩、弯折及附加锚固措施（如焊钢筋和焊钢板等）可以提高的锚固黏结能力，锚固区内侧向压力的约束对黏结强度也有提高作用。

三、保证可靠黏结的构造措施

为了保证钢筋和混凝土的黏结强度，钢筋之间的距离和混凝土保护层不能太小。具体规定见附录6。

构件裂缝间的局部黏结应力使裂缝间的混凝土受拉。为了增加局部黏结作用和减小裂缝宽度，在同等钢筋面积的条件下，宜优先采用小直径的变形钢筋。光面钢筋黏结性能较差，应在钢筋末端设弯钩，增大其锚固黏结能力。

为保证钢筋伸入支座的黏结力，应使钢筋伸入支座有足够的锚固长度，如支座长度不够时，可将钢筋弯折，弯折长度计入锚固长度内，也可在钢筋端部焊短钢筋、短角钢等方法加强钢筋和混凝土的黏结能力；实际工程中，由于材料的供应条件和施工条件的限制，钢筋常常需要搭接，钢筋的搭接要有一定长度才能满足黏结强度的要求。钢筋的锚固长度和搭接长度与混凝土的强度、钢筋的强度等级、抗震等级和钢筋直径等因素有关，一般为钢筋直径的若干倍，具体数值应按附录7的公式计算确定。

钢筋不宜在混凝土的受拉区截断，如必须截断，则应满足在理论上不需要钢筋点和钢筋强度的充分利用点外伸一段长度才能截断。

横向钢筋的存在约束了径向裂缝的发展，使混凝土的黏结强度提高，故在大直径钢筋的搭接和锚固区域内设置横向钢筋（箍筋加密等），可增大该区段的黏结能力。