关于碳化改性再生骨料混凝土与钢筋在干湿循环作用下的粘结-滑移行为的实验研究

《Journal of Building Engineering》：Experimental study on the bond-slip behavior between carbonation-modified recycled aggregate concrete and steel bars under dry-wet cycles

碳化改性再生骨料混凝土与钢筋粘结性能研究，通过中心拔出试验分析不同干湿循环次数、混凝土类型、钢筋直径及锚固长度对粘结强度的影响。结果表明碳化改性可使再生混凝土粘结强度仅降低1.7%，钢筋直径增至22mm时粘结强度下降25%，锚固长度达5倍直径时提升13.34%。提出了粘结应力沿锚固长度分布函数及改进粘结滑移模型，为再生混凝土结构耐久性设计提供理论依据。

　　

陈霞王|肖胜贤|周阳生|徐雅珍|张发展|苏天|曹福波

内蒙古科技大学土木工程学院土木工程系，中国内蒙古包头市阿尔丁街7号，014010

摘要

经过碳化改性的再生骨料在提高再生混凝土与钢筋之间的粘结强度方面具有显著潜力，从而促进了建筑废弃物的可持续利用。本研究通过中心拔出试验，研究了在不同干湿循环（DWC）条件下钢筋与混凝土之间的粘结性能，其中混凝土类型、钢筋直径和锚固长度被作为关键变量。结果表明，随着DWC时间的增加，钢筋与混凝土之间的峰值粘结应力先增加后减少，这一趋势并未受到其他参数的显著影响。经过碳化改性的再生骨料后，混凝土与钢筋之间的粘结性能显著提高，仅比天然混凝土低1.7%。此外，钢筋直径的增加会导致粘结强度下降；当直径增加到22毫米时，粘结强度降低了25.0%。适当增加锚固长度可以有效提高粘结性能，当锚固长度达到5天时，粘结强度提高了13.34%。最后，基于沿锚固长度的粘结应力分布，提出了一个粘结位置函数，并开发了一个包含该函数的粘结-滑移模型。所提出的模型为评估碳化改性再生混凝土与钢筋之间的粘结性能提供了理论支持，有助于建筑废弃物的二次利用。

引言

近几十年来，全球建筑活动的持续扩张导致建筑和拆除废弃物（CDW）的产生量急剧增加，这对环境保护和资源可持续性构成了紧迫的挑战[1]、[2]。据统计，欧洲每年产生约9亿吨CDW，占固体废弃物总量的25-30%[3]。在中国，CDW占全国固体废弃物总量的30-40%，2022年达到33.46亿吨，而其综合利用率仅为约10%，这表明仍有大量CDW尚未得到有效回收[4]。在这种背景下，实现CDW的高效和高价值利用已成为一个平衡经济发展和环境可持续性的全球性问题。为应对这一挑战，从破碎的建筑废弃物中生产再生骨料（RA）作为天然骨料（NA）的部分或全部替代品被广泛认为是有前景的解决方案[5]、[6]。然而，由于存在旧砂浆附着和内部微裂纹等固有缺陷，RA的物理和机械性能通常不如NA[7]、[8]，这严重限制了其工程应用。因此，提出了多种改性技术，包括无机溶液处理、微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）、机械研磨和加速碳化。在这些方法中，加速碳化主要通过一系列化学反应来提高RA的质量[9]：CO₂溶解在孔隙水中形成碳酸（方程（1）），随后与Ca²⁺反应生成碳酸钙沉淀物（方程（2）。

同时，随着Ca(OH)₂的逐渐消耗，无定形C-S-H凝胶也参与碳化反应（方程（3）），共同导致骨料微观结构的致密化。

尽管碳化和MICP都被证明是有效的改性方法[10]，但微生物矿化过程通常具有程序复杂、成本高和严格的环境控制要求[11]。相比之下，加速碳化在简单性、经济效率和CO₂封存能力方面具有优势，同时显著提高了RA的性能并减少了温室气体排放。因此，加速碳化被认为是工程应用中最有前景的改性方法之一。

钢筋混凝土结构作为最广泛使用的复合材料之一，在道路、桥梁和水利工程等基础设施系统中发挥着关键作用。钢筋与混凝土之间的适当粘结性能对于确保其复合效果至关重要，并直接影响钢筋混凝土结构的抗疲劳性和抗震性能[12]、[13]。先前的研究表明，粘结性能受多种因素影响，包括钢筋直径、锚固长度、混凝土保护层厚度和混凝土类型。Pour和Alam[14]报告称，在给定的配合比下，粘结强度与保护层厚度呈正相关，与钢筋直径和锚固长度呈负相关。具体来说，将保护层厚度从42.5毫米增加到67.5毫米，粘结强度增加了约50%；将钢筋直径从20毫米减少到10毫米，粘结强度也有类似的增加；而将锚固长度从5天增加到10天，粘结强度降低了30%-50%。Li等人[15]通过梁试验研究了粗骨料超高性能混凝土与HRB500钢筋之间的粘结行为，得出了类似的结论。混凝土类型也是影响粘结性能的关键因素。由于再生混凝土（RC）的拉伸强度通常低于天然混凝土（NC），其粘结性能通常较差[16]、[17]。此外，RC的较高孔隙率促进了腐蚀性离子的侵入，削弱了钢筋周围的保护环境，加速了钢筋的腐蚀[18]，从而导致粘结性能进一步恶化。经过碳化改性的再生粗骨料（RCA）的机械性能显著提高[9]。然而，关于CRC与钢筋之间粘结性能的现有研究仍然有限，系统研究钢筋直径和锚固长度对CRC影响的研究仍缺乏。鉴于钢筋几何参数的影响与混凝土基体的性能密切相关，深入研究CRC的粘结行为对于促进其在实际工程中的可靠应用具有重要意义。

在恶劣环境条件下，钢筋与混凝土之间粘结性能的耐久性是结构耐久性领域的一个关键问题。恶劣环境不仅直接破坏混凝土基体，还对其内部的增强材料产生不利影响。例如，纤维增强聚合物（FRP）钢筋对温度非常敏感，在高温下其机械性能显著下降，导致与混凝土的粘结性能明显降低[19]。已经进行了大量研究来探讨各种环境作用下的粘结性能退化。Zhylkaidar等人[20]报告称，在经过五次冻融循环和氯化物暴露循环后，生产过程中螺旋缠绕的玻璃纤维增强聚合物和生产后螺旋缠绕的碳纤维增强聚合物的钢筋峰值粘结应力分别降低了14.63%、16.46%和43.51%。Li等人[21]发现，在经过200次冻融循环后，普通混凝土、50% RC和全RC的峰值粘结应力分别降低了54%、30%和26%。在中国西北部地区，盐湖和盐碱土分布广泛，混凝土基础设施长期受到硫酸盐和氯化物的侵蚀[22]。在干湿循环（DWC）条件下，这种退化过程进一步加剧。与DWC相关的退化机制主要涉及两个方面。首先，反复的湿润引起的膨胀和干燥引起的收缩在混凝土基体中产生循环拉应力，干燥阶段伴随着结晶引起的膨胀应力[23]。其次，SO₄^2-和Cl^-等侵蚀性离子的侵入导致膨胀产物的形成和结晶，包括石膏、ettringite（AFt）和Friedel盐，这些产物产生额外的膨胀应力。这些综合效应导致基体开裂和微观结构的逐渐破坏。实验研究表明，DWC会显著降低混凝土的宏观性能。Wu等人[23]研究了超高性能再生混凝土，并观察到其在DWC下的抗压强度最初增加，随后降低，510天后最大降低了18.98%。同样，Dong等人[24]报告称，风积沙混凝土也表现出相同的趋势，100%替代后的试样在90次DWC后的抗压强度损失率为25.3%。这些发现一致表明，DWC会导致混凝土性能的显著恶化。鉴于钢筋与混凝土之间的粘结强度密切依赖于周围混凝土基体的性能，上述恶化预计会对粘结行为产生显著影响。然而，专注于DWC条件下钢筋-混凝土粘结性能演变的系统研究仍然有限，特别是对于像CRC这样的新兴材料系统。因此，需要全面的实验研究和机理分析来准确评估和提高暴露在恶劣环境中的钢筋混凝土结构的长期耐久性。

本研究通过拔出试验研究了在不同干湿循环条件下钢筋与混凝土之间的粘结性能，其中混凝土类型、钢筋直径和锚固长度被作为关键变量。此外，基于沿锚固长度测量的粘结应力分布，建立了一个位置依赖函数，并据此开发了一个适用于CRC-钢筋界面的精细粘结-滑移模型。这一研究成果不仅为CRC在钢筋混凝土结构中的实际应用提供了理论指导，还为优化恶劣环境条件下钢筋增强体与混凝土之间的界面设计提供了科学依据，旨在促进再生混凝土骨料在实际应用中的推广。

材料

本研究使用了P.O 42.5普通波特兰水泥。粗骨料包括NCA、RCA和CRA。由于它们的吸水率较高，RCA在混合前根据其吸水能力进行了预湿润，以达到表面干燥的状态。粗骨料的物理性能按照GB/T 14685-2022标准进行了测定。相应的粒径分布曲线和主要物理性能参数如下所示

破坏形态分析

在混凝土加载过程中，其破坏模式主要受多种因素的影响，包括钢筋直径、锚固长度、箍筋配置和混凝土强度[26]。随着荷载的逐渐施加，钢筋的横向肋条压缩混凝土，从而在混凝土内部形成环向拉应力。当环向拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，钢筋与混凝土之间会发生相对滑移

损伤机制分析

钢筋-混凝土界面的损伤演变过程如图21所示。在初始加载阶段，粘结应力主要由化学粘合力提供，而钢筋肋条与周围混凝土之间的机械互锁尚未完全发挥。随着荷载的增加，粘结应力逐渐由机械互锁和界面摩擦共同抵抗。在此阶段，钢筋的肋条施加倾斜

结论

本研究考虑了混凝土类型、钢筋直径和锚固长度等因素，研究了在不同干湿循环条件下钢筋的粘结性能。得出以下结论。

(1)

碳化处理可以有效提高混凝土与钢筋之间的粘结性能。此外，钢筋直径和锚固长度对钢筋-混凝土粘结性能有显著影响。当钢筋

作者贡献声明

苏天：监督、概念构思。张发展：监督、方法论、资金获取。曹福波：监督、方法论、资金获取。陈霞王：可视化、项目管理、方法论、概念构思。周阳生：监督、概念构思。肖胜贤：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、概念构思。徐雅珍：监督

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性声明

数据可根据请求提供。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（51868061、52368024）和内蒙古自治区自然科学基金（2022LHMS05011、2024MS05028）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢编辑和匿名审稿人提出的有益意见。