超低温环境下钢筋与混凝土的粘结性能
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1 超低温下混凝土的力学性能
文献[1―5]指出：1) 低温时混凝土材料弹性模 量增加、强度提高，但并不随温度呈线性变化；2) 低 温下混凝土含水率越高则强度提高得越多，抗压强 度增量与含水率呈线性；3) 混凝土中的水分包括化 学结合水、物理吸附水和自由水三种形式，物理吸 附水和自由水受温度影响显著；4) 低温下水凝结为 冰有利于混凝土强度提高，但冰在−120℃时结构发 生改变，因此继续降温时强度试验值离散性变大； 5) 水灰比越大，含气量越多，低温下材料强度提高 越多；6) 常温-低温反复冻融时，强度有下降倾向， 特别在超低温冷热循环作用下，即使循环作用次数 较少，材料强度也有明显下降。
从图 1 看出，钢筋屈服强度和极限强度随温度 的降低而升高，而且屈服强度升高的速度比极限强 度快，说明钢筋塑性随温度降低而降低，这与结构 钢材主要性能受低温影响的研究结论[8]相似。 2.2 预应力钢筋在低温环境下的力学性能
预应力钢筋的力学性能受低温影响与普通钢 筋相似，仍然表现为名义屈服强度和极限强度随温 度下降而提高；温度降至−195℃时，弹性模量提高 约 3%―10%；温度达到−100℃以下时，在钢筋张 拉 10h 后，由钢筋松弛造成的应力损失则可以忽略 不计[3,6,9]。图 2 为预应力钢筋分别在 20℃、−60℃、 −110℃和−165℃温度下的应力-应变关系曲线。
表 1 不同养护条件和低温环境中的粘结强度关系 Table 1 Bond strength for different curing conditions and
different low temperatures
温度/(℃)
锚固长度/cm
破坏荷载/t 潮湿 气干
平均粘结应力/MPa
潮湿
气干
25
6.6 5.3
different low temperatures
此外，文献[10]通过对钢绞线的拉伸试验表明， 在−165℃的低温下，极限强度提高约 15%，而此时 钢绞线拉伸破坏时的伸长率与常温情况基本相同。
3 超低温下钢筋与混凝土的粘结性能
钢筋与混凝土粘结性能的影响因素包括钢筋
品种、钢筋直径、钢筋位置、混凝土保护层厚度和
2 超低温下钢筋的力学性能
2.1 普通钢筋在低温环境下的力学性能 低温下钢筋的力学性能是低温材料性能研究
的基本内容之一。国外试验研究成果[6―7]表明，低 温下普通钢筋屈服强度和极限强度都有显著提高； 低温下钢筋弹性模量增加约 10%，而线膨胀系数在 70℃ ― −165℃ 的 温 度 区 间 内 基 本 保 持 不 变 ， 为 10−5/(℃)左右；钢筋在低温条件下韧性降低而脆性 增强，但可以通过添加少量钛、铌或者铝元素得以 改善。图 1 为混凝土结构所用普通钢筋分别在 −20℃、−60℃和−196℃低温环境下的应力-应变关 系曲线。
第 28 卷增刊 I Vol.28 Sup. I
工程力学
2011 年 6 月 June 2011
ENGINEERING MECHANICS
80
文章编号：1000-4750(2011)Sup.I-0080-05
超低温环境下钢筋与混凝土的粘结性能
李会杰 1，*谢 剑 1,2
(1. 天津大学建筑工程学院土木工程系，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)
*谢 剑(1974―)，男，河北人，副教授，博士，硕导，主要从事混凝土基本理论研究(E-mail: xiejian@tju.edu.cn).
工程力学
81
土研究的重要低温应用领域。因此，研究超低温下 材料力学性能和钢筋与混凝土粘结性能尤显必要。
本文在参考大量国内外文献的基础上对超低 温下材料性能以及钢筋与混凝土粘结性能做了综 述，重点讲述超低温下钢筋与混凝土的粘结性能。
BONDING PROPERTIES BETWEEN REINFORCEMENT AND CONCRETE AT CRYOGENIC TEMPERATURES
LI Hui-jie1, *XIE Jian1,2
(1. Department of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
图 3 不同养护条件下滑移量为 0.01mm 时粘结应力 随温度变化
Fig.3 Bond stress determined at 0.01mm slip plotted against temperature for different curing conditions
图 4 不同养护条件下滑移量为 0.1mm 时粘结应力 随温度变化
应变ε /(%)
图 1 普通钢筋在不同低温下的应力-应变关系[3] Fig.1 Reinforced concrete steel stress-strain relationship at
different low temperatures
应变ε /(%)
图 2 不同温度下预应力钢筋应力-应变关系[3] Fig.2 Prestressed concrete steel stress-strain relationship at
土的粘结性能进行了基础性研究。
下式成立：
τ= N
(1)
3πd 2
式中：τ 为粘结应力；N 为钢筋拉力；d 为钢筋直径。
82
工程力学
极限粘结强度τwk.baidu.com /MPa
粘结应力τ0.10 /MPa
粘结应力τ0.01 /MPa
试验分别在 20℃、−40℃、−80℃、−120℃和 −165℃的温度条件下进行，得到钢筋滑移 s 分别为 0.01mm、0.1mm 时的粘结应力 τ0.01、τ0.1 以及极限 粘结强度 τu 随温度的变化曲线，如图 3―图 5 所示。
mechanical properties
LNG 低温储罐的建设可能使混凝土结构经受 −165℃的超低温。随着 LNG 储罐的推广建造，超 低温下相关材性问题急需研究解决。同时，我国幅 员辽阔，北部寒带温度低且温差大，大量土木工程 建设在低温环境下进行。据记载，我国黑龙江境内
漠 河 地 区 历 史 上 就 曾 经 达 到 −53.3℃ 的 极 端 最 低 温度。
摘 要：随着对 LNG 低温储罐关注度的提高及在严寒地区进行大量的土木工程建设，混凝土结构已广泛应用于 低温、超低温环境。如 LNG 低温储罐的发展使混凝土结构可能被应用于−165℃的超低温环境，因此有必要对超 低温环境下的相关材料性能进行系统的研究。该文在参考大量国内外文献的基础上对超低温下钢筋、混凝土材料 的力学性能以及钢筋与混凝土的粘结性能做了综述，重点讲述超低温环境下钢筋、预应力钢筋的力学性能以及超 低温对钢筋与混凝土粘结性能的影响。 关键词：超低温；混凝土；钢筋；预应力钢筋；粘结性能；力学性能 中图分类号：TU502 文献标识码：A
different curing conditions
可以发现，τ0.01 与温度及养护条件并无明显相 关，即当相对滑移量 s 很小时，温度对钢筋与混凝 土粘结性能影响很小，见图 3。
当相对滑移 s 较大时，如 s=0.1mm 或极限破坏 时，低温和混凝土含水量将对粘结应力和极限强度 产生不容忽视的影响。如图 4、图 5 所示，不同养 护条件造成混凝土含水量不同，含水量越高，则粘 结应力 τ0.1 和极限粘结强度 τu 值越大。温度对于粘 结性能的影响与其对混凝土抗压强度的影响相似， 随着温度降低，τ0.1 和 τu 显著增大，在−120℃左右 的低温下达到最大值，此后不再随温度降低而继续 增大，而是粘结强度略有下降[12]。这主要是由于在 −120℃的低温条件下冰的状态和结构发生改变，硬 度变软。
19.4
15.8
常温
50
14.8 8
21.7
11.8
文献[13]也通过试验比较了潮湿和干燥养护下 的钢筋与混凝土粘结强度，证明在其他条件相同时 潮湿养护的粘结强度高于干燥养护情况，见表 1。 这也证明了含水量是影响钢筋与混凝土粘结性能 的重要因素。同时，随着锚固长度增加，钢筋与混 凝土粘结破坏荷载增大，但平均粘结应力减小，这 与常温下钢筋与混凝土粘结性能是一致的。
Fig.4 Bond stress determined at 0.1mm slip plotted against temperature for different curing conditions
图 5 不同养护条件下极限粘结强度随温度变化 Fig.5 Ultimate bond strength plotted against temperature for
混凝土强度等。国外研究[11―12]表明，钢筋与混凝土
粘结应力受温度影响显著。其中，混凝土含水率是
低温下影响钢筋与混凝土粘结性能的重要因素。
Vandewalle L[12]选用直径 d=25mm 的变形钢
筋，采用水灰比 W/C=0.413 的混凝土，养护龄期
28d，粘结段长度 3d，通过梁式试验对钢筋和混凝
Abstract: With the attention on LNG storage tanks increasing and a large number of civil engineering constructions being carried out in cold areas, concrete structures will be widely used in low temperature and ultra-low temperature environments. For LNG cryogenic storage tanks, the concrete structure may be applied to an extreme environment with a temperature of −165℃. Thusly it is necessary to perform systematic researches on the material properties at cryogenic temperatures. The mechanical properties of structural materials under ultra-low temperatures are summarized based on review of a large number of domestic and foreign references. Especially, the mechanical performance of reinforced bars & prestressed reinforcements in ultra-low temperature environment, and the bonding behaviors between reinforcements and concrete at cryogenic temperatures are focused on. Key words: cryogenic temperature; concrete; reinforced bar; prestressed reinforcement; bonding properties;
此外，随着各国对极地资源争夺日益激烈，低 温下开采石油的移动式钻探容器、低温海洋环境下 的浮动码头建设等也是钢筋混凝土和预应力混凝
———————————————
收稿日期：2010-10-25；修改日期：2010-12-24 基金项目：国家自然科学基金项目(51078260) 作者简介：李会杰(1983―)，男，河北人，助工，硕士生，主要从事低温混凝土性能试验研究(E-mail: huijielee@yahoo.com.cn)；
文献[1―5]指出：1) 低温时混凝土材料弹性模 量增加、强度提高，但并不随温度呈线性变化；2) 低 温下混凝土含水率越高则强度提高得越多，抗压强 度增量与含水率呈线性；3) 混凝土中的水分包括化 学结合水、物理吸附水和自由水三种形式，物理吸 附水和自由水受温度影响显著；4) 低温下水凝结为 冰有利于混凝土强度提高，但冰在−120℃时结构发 生改变，因此继续降温时强度试验值离散性变大； 5) 水灰比越大，含气量越多，低温下材料强度提高 越多；6) 常温-低温反复冻融时，强度有下降倾向， 特别在超低温冷热循环作用下，即使循环作用次数 较少，材料强度也有明显下降。
从图 1 看出，钢筋屈服强度和极限强度随温度 的降低而升高，而且屈服强度升高的速度比极限强 度快，说明钢筋塑性随温度降低而降低，这与结构 钢材主要性能受低温影响的研究结论[8]相似。 2.2 预应力钢筋在低温环境下的力学性能
预应力钢筋的力学性能受低温影响与普通钢 筋相似，仍然表现为名义屈服强度和极限强度随温 度下降而提高；温度降至−195℃时，弹性模量提高 约 3%―10%；温度达到−100℃以下时，在钢筋张 拉 10h 后，由钢筋松弛造成的应力损失则可以忽略 不计[3,6,9]。图 2 为预应力钢筋分别在 20℃、−60℃、 −110℃和−165℃温度下的应力-应变关系曲线。
表 1 不同养护条件和低温环境中的粘结强度关系 Table 1 Bond strength for different curing conditions and
different low temperatures
温度/(℃)
锚固长度/cm
破坏荷载/t 潮湿 气干
平均粘结应力/MPa
潮湿
气干
25
6.6 5.3
different low temperatures
此外，文献[10]通过对钢绞线的拉伸试验表明， 在−165℃的低温下，极限强度提高约 15%，而此时 钢绞线拉伸破坏时的伸长率与常温情况基本相同。
3 超低温下钢筋与混凝土的粘结性能
钢筋与混凝土粘结性能的影响因素包括钢筋
品种、钢筋直径、钢筋位置、混凝土保护层厚度和
2 超低温下钢筋的力学性能
2.1 普通钢筋在低温环境下的力学性能 低温下钢筋的力学性能是低温材料性能研究
的基本内容之一。国外试验研究成果[6―7]表明，低 温下普通钢筋屈服强度和极限强度都有显著提高； 低温下钢筋弹性模量增加约 10%，而线膨胀系数在 70℃ ― −165℃ 的 温 度 区 间 内 基 本 保 持 不 变 ， 为 10−5/(℃)左右；钢筋在低温条件下韧性降低而脆性 增强，但可以通过添加少量钛、铌或者铝元素得以 改善。图 1 为混凝土结构所用普通钢筋分别在 −20℃、−60℃和−196℃低温环境下的应力-应变关 系曲线。
第 28 卷增刊 I Vol.28 Sup. I
工程力学
2011 年 6 月 June 2011
ENGINEERING MECHANICS
80
文章编号：1000-4750(2011)Sup.I-0080-05
超低温环境下钢筋与混凝土的粘结性能
李会杰 1，*谢 剑 1,2
(1. 天津大学建筑工程学院土木工程系，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)
*谢 剑(1974―)，男，河北人，副教授，博士，硕导，主要从事混凝土基本理论研究(E-mail: xiejian@tju.edu.cn).
工程力学
81
土研究的重要低温应用领域。因此，研究超低温下 材料力学性能和钢筋与混凝土粘结性能尤显必要。
本文在参考大量国内外文献的基础上对超低 温下材料性能以及钢筋与混凝土粘结性能做了综 述，重点讲述超低温下钢筋与混凝土的粘结性能。
BONDING PROPERTIES BETWEEN REINFORCEMENT AND CONCRETE AT CRYOGENIC TEMPERATURES
LI Hui-jie1, *XIE Jian1,2
(1. Department of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety, Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
图 3 不同养护条件下滑移量为 0.01mm 时粘结应力 随温度变化
Fig.3 Bond stress determined at 0.01mm slip plotted against temperature for different curing conditions
图 4 不同养护条件下滑移量为 0.1mm 时粘结应力 随温度变化
应变ε /(%)
图 1 普通钢筋在不同低温下的应力-应变关系[3] Fig.1 Reinforced concrete steel stress-strain relationship at
different low temperatures
应变ε /(%)
图 2 不同温度下预应力钢筋应力-应变关系[3] Fig.2 Prestressed concrete steel stress-strain relationship at
土的粘结性能进行了基础性研究。
下式成立：
τ= N
(1)
3πd 2
式中：τ 为粘结应力；N 为钢筋拉力；d 为钢筋直径。
82
工程力学
极限粘结强度τwk.baidu.com /MPa
粘结应力τ0.10 /MPa
粘结应力τ0.01 /MPa
试验分别在 20℃、−40℃、−80℃、−120℃和 −165℃的温度条件下进行，得到钢筋滑移 s 分别为 0.01mm、0.1mm 时的粘结应力 τ0.01、τ0.1 以及极限 粘结强度 τu 随温度的变化曲线，如图 3―图 5 所示。
mechanical properties
LNG 低温储罐的建设可能使混凝土结构经受 −165℃的超低温。随着 LNG 储罐的推广建造，超 低温下相关材性问题急需研究解决。同时，我国幅 员辽阔，北部寒带温度低且温差大，大量土木工程 建设在低温环境下进行。据记载，我国黑龙江境内
漠 河 地 区 历 史 上 就 曾 经 达 到 −53.3℃ 的 极 端 最 低 温度。
摘 要：随着对 LNG 低温储罐关注度的提高及在严寒地区进行大量的土木工程建设，混凝土结构已广泛应用于 低温、超低温环境。如 LNG 低温储罐的发展使混凝土结构可能被应用于−165℃的超低温环境，因此有必要对超 低温环境下的相关材料性能进行系统的研究。该文在参考大量国内外文献的基础上对超低温下钢筋、混凝土材料 的力学性能以及钢筋与混凝土的粘结性能做了综述，重点讲述超低温环境下钢筋、预应力钢筋的力学性能以及超 低温对钢筋与混凝土粘结性能的影响。 关键词：超低温；混凝土；钢筋；预应力钢筋；粘结性能；力学性能 中图分类号：TU502 文献标识码：A
different curing conditions
可以发现，τ0.01 与温度及养护条件并无明显相 关，即当相对滑移量 s 很小时，温度对钢筋与混凝 土粘结性能影响很小，见图 3。
当相对滑移 s 较大时，如 s=0.1mm 或极限破坏 时，低温和混凝土含水量将对粘结应力和极限强度 产生不容忽视的影响。如图 4、图 5 所示，不同养 护条件造成混凝土含水量不同，含水量越高，则粘 结应力 τ0.1 和极限粘结强度 τu 值越大。温度对于粘 结性能的影响与其对混凝土抗压强度的影响相似， 随着温度降低，τ0.1 和 τu 显著增大，在−120℃左右 的低温下达到最大值，此后不再随温度降低而继续 增大，而是粘结强度略有下降[12]。这主要是由于在 −120℃的低温条件下冰的状态和结构发生改变，硬 度变软。
19.4
15.8
常温
50
14.8 8
21.7
11.8
文献[13]也通过试验比较了潮湿和干燥养护下 的钢筋与混凝土粘结强度，证明在其他条件相同时 潮湿养护的粘结强度高于干燥养护情况，见表 1。 这也证明了含水量是影响钢筋与混凝土粘结性能 的重要因素。同时，随着锚固长度增加，钢筋与混 凝土粘结破坏荷载增大，但平均粘结应力减小，这 与常温下钢筋与混凝土粘结性能是一致的。
Fig.4 Bond stress determined at 0.1mm slip plotted against temperature for different curing conditions
图 5 不同养护条件下极限粘结强度随温度变化 Fig.5 Ultimate bond strength plotted against temperature for
混凝土强度等。国外研究[11―12]表明，钢筋与混凝土
粘结应力受温度影响显著。其中，混凝土含水率是
低温下影响钢筋与混凝土粘结性能的重要因素。
Vandewalle L[12]选用直径 d=25mm 的变形钢
筋，采用水灰比 W/C=0.413 的混凝土，养护龄期
28d，粘结段长度 3d，通过梁式试验对钢筋和混凝
Abstract: With the attention on LNG storage tanks increasing and a large number of civil engineering constructions being carried out in cold areas, concrete structures will be widely used in low temperature and ultra-low temperature environments. For LNG cryogenic storage tanks, the concrete structure may be applied to an extreme environment with a temperature of −165℃. Thusly it is necessary to perform systematic researches on the material properties at cryogenic temperatures. The mechanical properties of structural materials under ultra-low temperatures are summarized based on review of a large number of domestic and foreign references. Especially, the mechanical performance of reinforced bars & prestressed reinforcements in ultra-low temperature environment, and the bonding behaviors between reinforcements and concrete at cryogenic temperatures are focused on. Key words: cryogenic temperature; concrete; reinforced bar; prestressed reinforcement; bonding properties;
此外，随着各国对极地资源争夺日益激烈，低 温下开采石油的移动式钻探容器、低温海洋环境下 的浮动码头建设等也是钢筋混凝土和预应力混凝
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收稿日期：2010-10-25；修改日期：2010-12-24 基金项目：国家自然科学基金项目(51078260) 作者简介：李会杰(1983―)，男，河北人，助工，硕士生，主要从事低温混凝土性能试验研究(E-mail: huijielee@yahoo.com.cn)；