帶肋鋼筋與超高延性水泥基復(fù)合材料的黏結(jié)性能

余 瓊，魏晉文，張 亮，許雪靜，余江滔

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

普通混凝土具有很好的抗壓性能，但受拉極易開裂，正常使用階段混凝土的開裂會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)耐久性不足，在地震、爆炸等荷載作用下也可能出現(xiàn)脆性斷裂，因此研究人員開展了高性能混凝土的制備試驗(yàn)。例如：1992年，Li等[1]將短纖維摻入膠凝材料、砂和水泥中，得到了具有明顯應(yīng)變硬化特征的復(fù)合材料ECC(engineered cementitious composites)。2001年，Li等[2]又研制成功了聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)，這些復(fù)合材料極限應(yīng)變超過3%。Ranade等[3]研制的高強(qiáng)高延性混凝土(HSHDC)抗壓強(qiáng)度大于150 MPa、拉伸應(yīng)變?cè)?%～4%，使得水泥基復(fù)合材料第一次同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高延性。

近年來國內(nèi)學(xué)者關(guān)于高延性混凝土也已做了許多研究。高淑玲等[4]成功配制了PVA-ECC，徐世烺等[5]測(cè)得PVA-ECC極限拉應(yīng)變達(dá)3.8%～4.2%，裂縫寬度控制在100 μm以內(nèi)，且對(duì)缺口不敏感。陸洲導(dǎo)等[6]配制出了具有超高強(qiáng)度和超高延性的纖維混凝土(UHDCC)，平均拉伸應(yīng)變超過8%，抗壓強(qiáng)度在45.9～121.5 MPa。

高延性混凝土主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)維修、橋面板、隧道襯砌等領(lǐng)域，在抗震節(jié)點(diǎn)[7]、抗震阻尼器、拼裝式剪力墻[8]等方面也有廣泛應(yīng)用前景。但目前高延性混凝土與帶肋鋼筋之間的黏結(jié)滑移性能的研究還比較少，僅徐世烺等[9]分析了鋼筋與水泥基復(fù)合材料之間的黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度的分布規(guī)律，得出黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系；于明鑫等[10]進(jìn)行了帶肋鋼筋與ECC黏結(jié)性能試驗(yàn)，僅研究了鋼筋直徑、錨固長(zhǎng)度及纖維體積摻量對(duì)黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的影響。

本文進(jìn)行了20組共45個(gè)試件的鋼筋與UHDCC拉拔試驗(yàn)，考察了錨固長(zhǎng)度、澆筑方式、保護(hù)層厚度、90°彎鉤以及偏心錨固等對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響，同時(shí)也分析了UHDCC應(yīng)力沿黏結(jié)長(zhǎng)度的分布規(guī)律、帶肋鋼筋與UHDCC之間的黏結(jié)滑移機(jī)理，以期為高強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在受力構(gòu)件中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

UHDCC制備材料主要包括硅酸鹽水泥、硅灰、礦粉、石英砂、水、聚乙烯(PE)纖維、減水劑等，表1為各材料粒徑范圍及配合比，表2為所用PE纖維的性能。

表1 UHDCC材料及配合比

表2 PE纖維性能

試驗(yàn)基準(zhǔn)試件的外形和尺寸見圖1。

圖1 基準(zhǔn)試件的外形和尺寸(mm)

第一批試驗(yàn)探索鋼筋錨固長(zhǎng)度和澆筑方式對(duì)黏結(jié)性能的影響。表3為第一批試件基本情況，試件為中心錨固，考慮了澆筑面平行鋼筋軸向方向(梁構(gòu)件)和澆筑面垂直鋼筋方向(柱構(gòu)件)兩種澆筑方式，見圖2。

表3 第一批試驗(yàn)試件基本情況

圖2 澆筑方向示意

根據(jù)第一批試件試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)試件錨固長(zhǎng)度為6d、澆筑方式為垂直澆筑時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度較高(詳見2、3節(jié))，故定義后續(xù)澆筑方式為垂直澆筑，研究保護(hù)層厚度時(shí)，錨固長(zhǎng)度取6d。

表4為第二批試件基本情況，研究參數(shù)為鋼筋直徑、保護(hù)層厚度、錨固鋼筋形狀(直錨和彎錨)。

表4 第二批試驗(yàn)試件基本情況

本次試驗(yàn)采用HRB400月牙肋鋼筋，鋼筋力學(xué)性能見表5。

表5 鋼筋材性試驗(yàn)性能

本文采用狗骨型平板試件[11]測(cè)試UHDCC抗拉性能。UHDCC混凝土需分多次制備，每次都保留3～5根狗骨試件，最后在20余根狗骨試件中選取標(biāo)距段內(nèi)裂縫得到充分開展的作為UHDCC材料的強(qiáng)度依據(jù)。

UHDCC的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與混凝土的應(yīng)力應(yīng)變明顯不同[12]，UHDCC存在應(yīng)變硬化現(xiàn)象，即在達(dá)到峰值荷載前一段相當(dāng)長(zhǎng)范圍內(nèi)，應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，應(yīng)力也會(huì)增大，其平均抗拉強(qiáng)度為9.05 MPa，是同等水泥標(biāo)號(hào)(P.Ⅱ 52.5)對(duì)應(yīng)的C50普通混凝土(ftk=2.64 MPa)的3.43倍，平均峰值應(yīng)變?yōu)?%，是C50混凝土(εu= 0.01%)的700倍。

測(cè)得40 mm×40 mm×160 mm試件的三點(diǎn)彎曲平均抗折強(qiáng)度為18.0 MPa，50 mm×100 mm的圓柱體平均抗壓強(qiáng)度為50.51 MPa。

1.2 加載裝置

圖3為試驗(yàn)裝置示意，加載主要利用鋼反力架，包含上層頂板(厚40 mm)、下層底板(厚30 mm，開槽，以觀察試件開裂)及連接上、下層板的4根直徑為20 mm的高強(qiáng)螺栓。

圖3 試驗(yàn)裝置及鋼反力架示意

圖4為引伸計(jì)、拉線式位移計(jì)的布置位置示意。試驗(yàn)共設(shè)置2個(gè)標(biāo)距為20 mm的引伸計(jì)A、B，分別測(cè)量鋼筋自由端和鋼筋加載端的位移；設(shè)置2個(gè)拉線式位移計(jì)C、D，用于測(cè)量試件的橫向膨脹率，分別放置在試件中部和下部。

圖4 引伸計(jì)、拉線式位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)通過測(cè)量鋼筋兩端的位移來得到黏結(jié)長(zhǎng)度上的平均滑移量。從圖4可看出，鋼筋在UHDCC內(nèi)的錨固段為CD段。由于自由端鋼筋在加載過程中不受力，因此可認(rèn)為自由端沒有變形，所以可用A點(diǎn)引伸計(jì)測(cè)得的位移SF來代替C點(diǎn)位移。B點(diǎn)離加載端混凝土非常近，此段區(qū)間內(nèi)鋼筋變形可忽略。因此，可認(rèn)為B點(diǎn)引伸計(jì)測(cè)得的位移SL為D點(diǎn)的位移。CD段滑移平均值S為

(1)

鋼筋與UHDCC黏結(jié)段平均黏結(jié)應(yīng)力τ為

(2)

式中d為鋼筋直徑，la為鋼筋錨固長(zhǎng)度。

為了消除加載速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)以1 mm/min的速度進(jìn)行單調(diào)加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試件破壞形式

圖5為UHDCC試件出現(xiàn)的3種破壞形態(tài)：鋼筋拔出破壞、鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞、鋼筋屈服強(qiáng)化后拉斷破壞，試件的具體破壞形態(tài)見表6。

表6 試件破壞類型

圖5 UHDCC試件破壞類型

當(dāng)錨固長(zhǎng)度較小(4d～6d)時(shí)，一般出現(xiàn)鋼筋拔出破壞，見圖5(a)(中心錨固，鋼筋周邊幾乎無裂縫)、5(b)(保護(hù)層厚度為30 mm時(shí)，直錨構(gòu)件，鋼筋周邊出現(xiàn)裂縫)、5(c)(彎鉤試件，鋼筋周邊裂縫多)。

錨固長(zhǎng)度達(dá)6d～10d時(shí)試件發(fā)生鋼筋及UHDCC錐形拔出破壞，見圖5(d)(中心錨固)、5(e)(保護(hù)層厚度為30 mm時(shí)，直錨構(gòu)件)、5(f)(彎鉤試件)。

錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)(10d～12d)時(shí)，發(fā)生鋼筋拉斷破壞，見圖5(g)、(h)，試件表面無裂縫。

圖6為A組數(shù)據(jù)不同錨固長(zhǎng)度試件的τ-s曲線，可以看出發(fā)生鋼筋拔出破壞+鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞的試件(A3-2、A4-2、A5-1)，荷載達(dá)到最大值后即進(jìn)入下降段，位移持續(xù)增加，荷載保持在一定水平并在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)(殘余荷載)，此時(shí)是摩擦力起作用，觀察完全拔出的鋼筋，其肋間充滿UHDCC混凝土碎屑。發(fā)生鋼筋拉斷破壞的試件鋼筋變形小，最后鋼筋拉伸斷裂，試件積蓄的巨大能量在鋼筋頸縮拉斷瞬間被突然釋放，發(fā)出巨大的響聲。

圖6 A組數(shù)據(jù)不同錨固長(zhǎng)度試件的τ-s曲線

本試驗(yàn)中并未出現(xiàn)帶肋鋼筋與灌漿料拉拔試驗(yàn)中試件的脆性劈裂破壞[13]。這是因?yàn)槔w維混凝土具有良好的橫向約束作用，帶肋鋼筋與UHDCC混凝土間的黏結(jié)性能得以充分發(fā)揮，試件破壞模式為延性破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 中心錨固時(shí)錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)性能的影響

定義鋼筋錨固長(zhǎng)度與鋼筋直徑之比la/d為相對(duì)錨固長(zhǎng)度，圖7為A組試件承載力、黏結(jié)強(qiáng)度隨相對(duì)錨固長(zhǎng)度變化趨勢(shì)(A1組試件全部為拉斷破壞，不參與擬合)。

圖7 承載力、黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的變化規(guī)律

圖7(a)表明隨著鋼筋錨固長(zhǎng)度增加，試件承載力逐漸增加。這是由于錨固長(zhǎng)度增大鋼筋與UHDCC的接觸面增大，接觸面上的機(jī)械咬合作用隨之增強(qiáng)。

圖7(b)表明當(dāng)錨固長(zhǎng)度從4d增大到6d，黏結(jié)強(qiáng)度有上升趨勢(shì)；大于6d，黏結(jié)強(qiáng)度變化不大，這與余瓊等[14]得出的“混凝土、灌漿料等脆性材料，錨固長(zhǎng)度增大，黏結(jié)強(qiáng)度下降”不同。圖8為灌漿料黏結(jié)強(qiáng)度隨相對(duì)錨固長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

圖8 灌漿料黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的變化規(guī)律

對(duì)于混凝土、灌漿料等脆性材料，黏結(jié)應(yīng)力沿鋼筋縱向分布是不均勻的。當(dāng)鋼筋錨固長(zhǎng)度較小時(shí)，高應(yīng)力區(qū)段比較飽滿，黏結(jié)強(qiáng)度τu與實(shí)際最大黏結(jié)應(yīng)力τmax的比值較大；而當(dāng)錨固長(zhǎng)度較大時(shí)，距加載端較遠(yuǎn)處的鋼筋黏結(jié)應(yīng)力小，黏結(jié)應(yīng)力分布不均勻性更加突出，黏結(jié)強(qiáng)度τu與實(shí)際最大黏結(jié)應(yīng)力τmax的比值較小。而不同鋼筋錨固長(zhǎng)度的試件τmax的變化不大，因此隨著鋼筋錨固長(zhǎng)度的增加，試件的平均黏結(jié)應(yīng)力越來越小。

但UHDCC材料受拉時(shí)具有應(yīng)變硬化的特性，即材料應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，應(yīng)力也會(huì)增大，故UHDCC的極限抗拉承載力相比于普通混凝土是持續(xù)增大的。在持續(xù)加載后，即使鋼筋周圍混凝土產(chǎn)生放射狀裂縫，由于纖維約束，裂縫寬度非常小(短錨試件的裂縫甚至未能穿透保護(hù)層)，UHDCC材料仍能持續(xù)地承載，并對(duì)鋼筋提供足夠的約束作用。因此，錨固長(zhǎng)度增加到10d時(shí)，黏結(jié)力增加或保持不變。

3.2 中心錨固時(shí)澆筑方式對(duì)黏結(jié)性能的影響

圖9為(B組試件)不同澆筑方式與黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系?？梢钥闯?，垂直澆筑成型的試件，平均黏結(jié)應(yīng)力普遍高于平行澆筑的試件；而對(duì)普通混凝土，兩種澆筑方式基本沒有差異。這是由于兩種澆筑方式影響了纖維分布, 纖維的成型方向會(huì)對(duì)鋼筋與UHDCC的黏結(jié)性能產(chǎn)生影響。Hambach等[17]的研究指出碳纖維沿著混凝土的受力方向進(jìn)行排列可以有效提高纖維混凝土的強(qiáng)度，邱明紅等[18]研究表明采用平行纖維取向可以顯著提高纖維混凝土的首次開裂荷載和峰值荷載，并能顯著抑制裂縫寬度的擴(kuò)展。而纖維混凝土中纖維的排列在澆筑時(shí)傾向平行于流動(dòng)方向，當(dāng)垂直澆筑時(shí)纖維排列傾向于與鋼筋垂直，能有效約束鋼筋徑向的膨脹力，因此黏結(jié)強(qiáng)度增加。

圖9 不同澆筑方式下黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比

3.3 保護(hù)層厚度對(duì)黏結(jié)性能的影響

圖10為UHDCC及灌漿料的保護(hù)層厚度與試件的黏結(jié)強(qiáng)度關(guān)系圖(均為中心錨固)，本文試驗(yàn)中UHDCC保護(hù)層厚度超過4.5d后，對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響不明顯，而灌漿料的保護(hù)層厚度大于5.5d后對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度才無明顯影響?？梢娪捎诶w維拉結(jié)作用，UHDCC材料不受影響的最小保護(hù)層厚度降低。

圖10 不同材料保護(hù)層厚度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響對(duì)比

3.4 保護(hù)層厚度為30 mm時(shí)錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)性能的影響

保護(hù)層厚度30 mm的試件發(fā)生鋼筋拔出或鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞。這主要是因?yàn)樵摻M試件的保護(hù)層厚度偏小(2.5d)，黏結(jié)力的徑向分量能使保護(hù)層開裂，黏結(jié)強(qiáng)度大幅降低。圖11為保護(hù)層厚度30 mm工況下承載力、黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

圖11 保護(hù)層厚度30 mm時(shí)錨固長(zhǎng)度與承載力及黏結(jié)強(qiáng)度關(guān)系

圖11(b)偏心錨固(保護(hù)層厚度較薄)黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律與圖8(b)中心錨固不同，錨固長(zhǎng)度從4d到6d，試件從鋼筋拔出破壞轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻畎纬黾癠HDCC錐形破壞，黏結(jié)強(qiáng)度增大，此時(shí)UHDCC材料PE纖維的約束作用得以發(fā)揮；當(dāng)錨固長(zhǎng)度從6d增大到12d，試件從鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞轉(zhuǎn)換到拉斷破壞，黏結(jié)強(qiáng)度下降，這是因?yàn)楸Ｗo(hù)層偏薄，UHDCC材料的應(yīng)變硬化及約束作用減小，試件的黏結(jié)性能類似灌漿料。

3.5 保護(hù)層厚度為30 mm時(shí)90°彎鉤對(duì)黏結(jié)性能的影響

工程中常常會(huì)在錨固鋼筋的末端增設(shè)彎鉤，以增大錨固的安全系數(shù)，抵御鋼筋被拔出的風(fēng)險(xiǎn)。本文研究增設(shè)90°彎鉤(4d)，考察其對(duì)承載力的提高作用。

3.5.1 直錨段相等時(shí)

圖12為保護(hù)層厚度30 mm、彎鉤工況下，直錨段錨固長(zhǎng)度與承載力關(guān)系。短錨區(qū)段(4d～6d)的承載力增長(zhǎng)速度大于中錨區(qū)段(6d～10d)。

圖12 帶90°彎鉤的試件錨固長(zhǎng)度-承載力關(guān)系

表7為直錨段相同時(shí)增設(shè)彎鉤后承載力提升情況。當(dāng)彎段鋼筋(4d)與直段錨固鋼筋(4d)等長(zhǎng)時(shí)，承載力提升幅度可達(dá)67.78%。彎鉤段長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著直錨段長(zhǎng)度增加，彎鉤對(duì)承載力提升幅度減小。這主要是由于彎鉤段鋼筋有效起到抵抗滑移。對(duì)于短錨試件，鋼筋與UHDCC較早黏結(jié)失效，產(chǎn)生滑移，彎鉤能抵抗較多的滑移，極大地提升試件承載力；對(duì)于長(zhǎng)錨試件，承載力增大，鋼筋滑移量較小，因此彎鉤抵抗的滑移量也相對(duì)減少，承載力增幅有限。

表7 直錨段等長(zhǎng)時(shí)增設(shè)90°彎鉤后承載力提升

圖13為直錨段相等情況下彎鉤組與直錨組荷載-滑移曲線對(duì)比，可以看出在不同的受力階段，帶彎鉤試件直段鋼筋的錨固力和彎鉤段的錨固力的比例是變化的。

圖13 直錨段相等情況下彎鉤組與直錨組荷載-滑移曲線對(duì)比

在加載前期，由于彎鉤控制滑移，彎鉤組的滑移小于直錨組；達(dá)到峰值荷載后，由于彎鉤的機(jī)械錨固作用，彎鉤組荷載-位移曲線沒有下降的趨勢(shì)，承載力較穩(wěn)定，而直錨組承載力迅速下降。

3.5.2 絕對(duì)錨固長(zhǎng)度相等

圖14為絕對(duì)錨固長(zhǎng)度相等時(shí)直錨組與彎鉤組荷載-滑移曲線對(duì)比。對(duì)于絕對(duì)錨固長(zhǎng)度(實(shí)際埋入試件內(nèi)的鋼筋長(zhǎng)度總和)相等的試件，直接錨固的試件承載力大于帶90°彎鉤的試件，故彎鉤錨固不能等價(jià)直錨鋼筋。在彎鉤段長(zhǎng)度均為4d時(shí)，彎鉤組的直錨段越長(zhǎng)，直錨組與彎鉤組承載力相差越小，因此彎鉤錨固必須保證其直錨段長(zhǎng)度。

圖14 絕對(duì)錨固長(zhǎng)度相等時(shí)荷載-滑移曲線對(duì)比

在工程應(yīng)用中，需要首先確保直接錨固段的長(zhǎng)度滿足要求，有條件的可以加上彎鉤增大安全系數(shù)。

4 黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式

參照王冰等[19]、山顯彬[20]的函數(shù)形式，對(duì)本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，得出澆筑方式為垂直方向、錨固方式均為直接錨固的黏結(jié)強(qiáng)度τu的計(jì)算公式:

(3)

表8 直接錨固黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比

5 結(jié) 論

通過45個(gè)鋼筋在UHDCC中錨固試件的拉拔試驗(yàn)，得出的主要結(jié)論可為UHDCC應(yīng)用于受力構(gòu)件提供理論依據(jù)。

1)UHDCC試件3種破壞形態(tài)：鋼筋拔出破壞、鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞、鋼筋拉斷破壞。纖維混凝土具有良好的橫向約束作用，使得帶肋鋼筋與UHDCC間的黏結(jié)性能得以充分發(fā)揮，試件未發(fā)生劈裂破壞。

2)由于UHDCC應(yīng)變硬化現(xiàn)象，試件錨固長(zhǎng)度從4d增大到6d，黏結(jié)強(qiáng)度有上升趨勢(shì)；大于6d時(shí)，中心錨固試件(保護(hù)層較厚)錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響不大，偏心錨固試件(保護(hù)層較薄UHDCC材料的約束作用減小)隨錨固長(zhǎng)度增加黏結(jié)強(qiáng)度降低。

3)纖維混凝土中纖維的排列在澆筑時(shí)傾向平行于流動(dòng)方向，當(dāng)垂直澆筑時(shí)纖維排列與鋼筋垂直，能有效約束鋼筋徑向的膨脹力，垂直澆筑的試件承載力大于水平澆筑。

4)由于纖維拉結(jié)作用，本文試驗(yàn)條件下UHDCC材料不受影響的保護(hù)層厚度為4.5d后，比灌漿料的不受影響的保護(hù)層厚度5.5d小。

5)增設(shè)90°彎鉤4d后，直錨段鋼筋為4d時(shí)，承載力提升幅度大，隨著直錨段長(zhǎng)度增加，90°彎鉤對(duì)承載力提升幅度減小，彎鉤試件在荷載超過峰值荷載后荷載-位移曲線沒有下降的趨勢(shì)。

6)絕對(duì)錨固長(zhǎng)度相等時(shí)直錨組試件承載力大于帶彎鉤的試件，彎鉤錨固不能等價(jià)直錨鋼筋。彎鉤段長(zhǎng)均為4d，實(shí)際錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，彎鉤組直錨段越長(zhǎng)，直錨組與彎鉤組承載力相差越小，因此帶彎鉤段的錨固，必須保證直錨段長(zhǎng)度。

7)提出UHDCC黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式。