高強(qiáng)鋼筋與UHPC界面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

王詩(shī)涵，黃聲濤，雋 平，唐玉婷，戚家南

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 前 言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，簡(jiǎn)稱UHPC)具有高強(qiáng)度、超高韌性、良好耐久性和低磨耗性的特征。欲在結(jié)構(gòu)中充分發(fā)揮UHPC材料高性能，鋼筋和UHPC界面高效粘結(jié)是根本。

諸多學(xué)者對(duì)鋼筋與混凝土界面粘結(jié)性能進(jìn)行了研究。1967年Lutz等[1]發(fā)現(xiàn)粘結(jié)作用由3部分組成，鋼筋與混凝土粘結(jié)主要包括化學(xué)膠著力、摩擦力和機(jī)械咬合力三種，其中機(jī)械咬合力發(fā)揮主要作用。2014年鄧宗才等[2]研究了HRB500與RPC間的粘結(jié)性能，提出了鋼筋與RPC間的合理錨固長(zhǎng)度為4d，同時(shí)表明當(dāng)保護(hù)層厚度超高1d時(shí)能保證鋼筋與RPC間粘結(jié)性能的發(fā)揮。2015年P(guān)ierre Marchand 等[3]人對(duì)高強(qiáng)鋼筋在UHPFRC中的粘結(jié)表現(xiàn)進(jìn)行研究，探究了鋼筋直徑、鋼筋埋深、保護(hù)層厚度對(duì)粘結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于薄試件，均因鋼筋的屈服而失效；對(duì)于厚試件，失效模式取決于埋深長(zhǎng)度，埋深為2.5d時(shí)，呈現(xiàn)滑移和拔出破壞；埋深為8d時(shí)，呈現(xiàn)鋼筋破壞。2018年趙燦暉 等[4]通過帶肋鋼筋與粗骨料UHPC中心拉拔試驗(yàn)。2020年Aoxiang Hu等[5]研究了高強(qiáng)鋼筋與UHPC之間的粘結(jié)特性，得出結(jié)論,當(dāng)保護(hù)層厚度較小時(shí)(≤4.5 db)，UHPC中的纖維對(duì)粘結(jié)性能才有明顯影響，反之則無?；炷铃F形破壞表現(xiàn)出脆性且應(yīng)該避免，劈裂破壞和V型破壞表現(xiàn)出更好的延展性。

普通混凝土與鋼筋之間界面粘結(jié)性能已有很多研究，但普通混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)原理不適用于這兩者之間的粘結(jié)機(jī)理。目前對(duì)UHPC與高強(qiáng)鋼筋之間界面粘結(jié)性能的研究還很缺乏，甚者，現(xiàn)如今對(duì)混凝土保護(hù)層厚度、小鋼筋埋深研究未見報(bào)道本文對(duì)鋼筋直徑、鋼筋埋深和保護(hù)層厚度對(duì)粘結(jié)性能的影響并對(duì)粘結(jié)破壞機(jī)理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了12組共36個(gè)中心拉拔試件，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出了試件的破壞模式及受力階段，分析了不同參數(shù)下平均粘結(jié)應(yīng)力-自由端滑移的變化規(guī)律等。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料及力學(xué)性能

1.1.1 UHPC配合比與力學(xué)性能

試驗(yàn)用UHPC的配合比如表1所示。

表1 UHPC配合比 單位：g

UHPC基體中鋼纖維體積摻量為2%，其中鋼纖維參數(shù)如下：長(zhǎng)13 mm，直徑0.2 mm，極限抗拉強(qiáng)度為2 900 MPa。

UHPC力學(xué)性能每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)3個(gè)1組，取每組平均值為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)如表2，每種試件制作6個(gè)。

表2 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì) 單位：mm×mm×mm

在拉拔試驗(yàn)前，進(jìn)行了UHPC力學(xué)性能試驗(yàn)，試件與后續(xù)中心拔出實(shí)驗(yàn)所用試件同批生產(chǎn)并均采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件。UHPC力學(xué)性能見表3。

表3 UHPC力學(xué)性能

1.1.2 鋼筋力學(xué)性能

本試驗(yàn)中鋼筋采用HRB400級(jí)帶肋鋼筋，直徑為16 mm，鋼筋力學(xué)性能結(jié)果見表4。

表4 鋼筋力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)參數(shù)與加載

1.2.1 試驗(yàn)參數(shù)

影響鋼筋與UHPC粘結(jié)性能的因素眾多而復(fù)雜，不僅受到鋼筋和混凝土性能兩個(gè)主要因素的影響。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究在UHPC和鋼筋直徑選定的情況下，錨固長(zhǎng)度和保護(hù)層厚度兩個(gè)因素對(duì)鋼筋與UHPC粘結(jié)性能的影響，希望得出不同的參數(shù)對(duì)破壞模式和荷載滑移曲線的影響。

Fig.4 shows the fitting results of experimental Scenario 1.The following was observed:

每種因素設(shè)計(jì)2個(gè)參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)：鋼筋埋深為2、4、6、8倍直徑；保護(hù)層厚度為0.5、1.0、1.5倍直徑；因此共4×3=12個(gè)型號(hào)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。每個(gè)型號(hào)設(shè)計(jì)3個(gè)試件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，共4×3×3=36個(gè)試件。試件采用板式中心拉拔試驗(yàn)，通過板厚控制保護(hù)層厚度，通過預(yù)埋PVC管控制鋼筋錨固長(zhǎng)度；鋼筋自由端預(yù)留20 mm，以測(cè)量鋼筋滑移。試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表5，試驗(yàn)試件尺寸見圖1，中心拉撥試件見圖2。

表5 中心拔出實(shí)驗(yàn)試件設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)試件尺寸(單位：mm)

圖2 中心拉拔試件

1.2.2 加載方案

實(shí)驗(yàn)使用量程為600 kN的液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速度5 mm/min。為保證試件始終處于軸心受拉的情況，用上下鋼板和4根鋼棒固定試件，上部鋼板與球鉸相連，試件下部受試驗(yàn)機(jī)下拉，同時(shí)受下部鋼板反作用力，鋼筋緩緩從試件中拔出破壞。試件在自由端設(shè)置位移計(jì)，測(cè)量試件自由端滑移；加載端設(shè)置應(yīng)變計(jì)，測(cè)量鋼筋應(yīng)變，判斷鋼筋是否屈服。實(shí)驗(yàn)使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集應(yīng)變和滑移，液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)采集加載數(shù)據(jù)。試件加載及測(cè)量裝置圖見圖3。

圖3 試件加載及測(cè)量裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)主要結(jié)果

表1為試驗(yàn)結(jié)果匯總，每個(gè)試件結(jié)果取相同構(gòu)件均值。其中平均粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算如下式所示：

(1)

式中，τ為平均粘結(jié)強(qiáng)度；F為拉拔荷載；d為鋼筋直徑；l為鋼筋埋深。

表6 試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2 鋼筋埋深對(duì)粘結(jié)性能的影響

參與試驗(yàn)的所有試件均發(fā)生了劈裂拔出破壞，且裂縫的數(shù)量與裂縫的寬度隨著鋼筋埋深的增大而增大。這是由于埋深越大，試件破壞所需要拉拔力越大，對(duì)鋼筋周圍的混凝土所產(chǎn)生的環(huán)向力越大。

由圖4可知，隨著鋼筋埋深的增加，試件所能承受的極限荷載隨之增大，試件的平均極限粘結(jié)強(qiáng)度隨之降低。主要原因是：粘結(jié)應(yīng)力沿鋼筋埋深分布隨著錨固長(zhǎng)度的增加而變得不均勻，使得平均極限粘結(jié)強(qiáng)度與實(shí)際極限粘結(jié)強(qiáng)度之比變小。由于試件會(huì)在實(shí)際極限粘結(jié)強(qiáng)度較大的地方先發(fā)生破壞，因此導(dǎo)致平均極限粘結(jié)強(qiáng)度減小。

且極限荷載的變化在保護(hù)層厚度為0.5d時(shí)只有在錨固長(zhǎng)度由2d變?yōu)?d時(shí)變化顯著，后續(xù)隨著鋼筋埋深的增加雖然極限荷載也隨之變化，但變化較平緩。而在保護(hù)層厚度為1.0d與1.5d時(shí)可以清楚地發(fā)現(xiàn)，隨著鋼筋埋深增加，極限荷載增加較為均勻。

圖4 不同鋼筋埋深下粘結(jié)滑移曲線

2.3 保護(hù)層厚度對(duì)粘結(jié)性能的影響

保護(hù)層厚度對(duì)試件破壞模式有重要影響，本文以直徑d=16 mm,埋深l=8d的試件的破壞模式進(jìn)行說明。D16L8C0.5 試件的保護(hù)層厚度較小，試件表面可見沿著鋼筋埋深發(fā)展的劈裂裂縫，但由于鋼纖維的橋接作用，劈裂裂縫不會(huì)完全貫通使試件完全劈裂成兩半。隨著保護(hù)層厚度增加，在非粘結(jié)段與粘結(jié)段交界處由于應(yīng)力集中首先出現(xiàn)橫向裂縫，劈裂裂縫發(fā)展到橫向裂縫后不再繼續(xù)延伸。當(dāng)保護(hù)層厚度增加到 c=2d 時(shí)，試件表面劈裂裂縫寬度較小，在靠近加載端的部分形成混凝土局部錐形體破壞，最后肋前混凝土被擠壓破碎鋼筋拔出。對(duì)于埋深較小(l=2d)的試件，保護(hù)層厚度增加，會(huì)使破壞模式實(shí)現(xiàn)從劈裂破壞到錐形體破壞的轉(zhuǎn)變，此時(shí)試件表面無明顯劈裂裂縫存在，而對(duì)埋深較長(zhǎng)(l=6d,l=8d)的試件,保護(hù)層厚度增加，除了發(fā)生和埋深為 4d 的試件相同的破壞模式之外，還可能發(fā)生鋼筋屈服，甚至拉斷。

在保護(hù)層厚度和鋼筋直徑相同的條件下，荷載-滑移曲線的初始剛度受鋼筋埋深的影響較小。但是隨著鋼筋埋深的增加，荷載滑移曲線上升段的非線性部分整體上變得短而陡峭。

試驗(yàn)表明，與普通鋼筋混凝土不同,高強(qiáng)鋼筋與UHPC的荷載-滑移曲線下降段平緩或有回升,曲線可分為上升段、下降段、回升段、持力段(荷載能維持在較高值,不低于極限荷載的90%)以及殘余段等。由于影響曲線的因素不同,荷載滑移曲線的形式與變化規(guī)律有所不同。

鋼筋在UHPC中拔出分為界面脫粘、機(jī)械咬合拔出和摩擦失效3個(gè)階段。加載初期，化學(xué)膠結(jié)力和靜摩擦力發(fā)揮主要粘結(jié)作用；滑移階段，粘結(jié)應(yīng)力主要依靠機(jī)械咬合作用，粘結(jié)應(yīng)力增長(zhǎng)較快而滑移較??；當(dāng)粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到(70%～90%)倍平均極限粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，機(jī)械咬合力和動(dòng)摩檫力持續(xù)發(fā)揮作用；達(dá)到平均極限粘結(jié)強(qiáng)度及以后，動(dòng)摩檫力持續(xù)發(fā)揮作用，表現(xiàn)出較好的延性。不同保護(hù)層厚度下粘結(jié)滑移曲線見圖5。

圖5 不同保護(hù)層厚度下粘結(jié)滑移曲線

2.4 破壞模式與破壞機(jī)理

本實(shí)驗(yàn)中，得到3種試件破壞模式：劈裂拔出破壞、劈裂破壞和錐形體破壞伴隨劈裂破壞。錐形體破壞伴隨劈裂破壞發(fā)生在鋼筋埋深較小的試件；劈裂拔出破壞主要發(fā)生在保護(hù)層厚度較大的試件中。

混凝土中主壓應(yīng)力向徑向和環(huán)向可分解為徑向力和切向力，鋼筋周圍的混凝土中產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力以平衡徑向力，如圖6所示[6]。若環(huán)向拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度，混凝土產(chǎn)生劈裂裂縫并最終發(fā)展為劈裂破壞；若有箍筋、圍壓或足夠的保護(hù)層存在，環(huán)向拉力則不再由鋼筋周圍混凝土承擔(dān)，混凝土不產(chǎn)生劈裂裂縫，最終發(fā)生鋼筋拔出或拉斷破壞。經(jīng)研究，以下幾種情況可以認(rèn)為劈裂破壞不會(huì)發(fā)生：①保護(hù)層厚度大于5倍鋼筋直徑且相鄰兩根鋼筋間距大于10倍鋼筋直徑；②劈裂面上總箍筋面積大于箍筋約束截面范圍內(nèi)總受力主筋面積；③混凝土四周圍壓不少于7.5 MPa。

圖6 混凝土中的應(yīng)力狀態(tài)

混凝土在硬化過程中，由于水泥水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮和自生收縮，出現(xiàn)收縮裂縫。因此，含水泥量較高的UHPC中更容易收縮開裂，發(fā)生脆性的劈裂破壞。鋼筋拔出過程中，混凝土縱向開裂，若箍筋抵抗橫向拉應(yīng)力，混凝土?xí)尸F(xiàn)新的平衡狀態(tài)，不再發(fā)生脆性劈裂破壞，錨固能力受拔出破壞控制，但拔出破壞是發(fā)生在有縱向裂縫的劈裂混凝土中，因此拔出力小于有裂縫情況下的拉拔力。

2.5 粘結(jié)強(qiáng)度

由圖7所示，對(duì)于鋼筋直徑d=16 mm的試件，隨著保護(hù)層厚度的增加，除錨固長(zhǎng)度l=2d的試件粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后略微降低的趨勢(shì)之外，其余試件均表現(xiàn)出隨著保護(hù)層厚度增加粘結(jié)強(qiáng)度增加的趨勢(shì)且增加幅度逐漸減??；同時(shí)，可見隨著鋼筋錨固長(zhǎng)度的增加，粘結(jié)強(qiáng)度減?。划?dāng)保護(hù)層厚度c=0.5d或1d時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度近似線性減小；當(dāng)保護(hù)層厚度c=1.5d時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度在錨固長(zhǎng)度為4d～6d出現(xiàn)下降幅度減緩。

鋼筋與UHPC界面粘結(jié)強(qiáng)度為5.4～18.1 MPa，當(dāng)保護(hù)層厚度從0.5d到1.5d，界面粘結(jié)強(qiáng)度平均提升252.3%。

圖7 錨固深度對(duì)平均粘結(jié)強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

1)隨著保護(hù)層厚度的增加，各試件分別主要發(fā)生了劈裂破壞、劈裂拔出破壞、混凝土錐形體破壞，在非粘結(jié)段與粘結(jié)段交界處由于應(yīng)力集中首先出現(xiàn)橫向裂縫，劈裂裂縫發(fā)展到橫向裂縫后不再繼續(xù)延伸。

2)加載初期，化學(xué)膠結(jié)力和靜摩擦力發(fā)揮主要粘結(jié)作用；滑移階段，粘結(jié)應(yīng)力主要依靠機(jī)械咬合作用，粘結(jié)應(yīng)力增長(zhǎng)較快而滑移較?。划?dāng)粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到70%～90%平均極限粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，機(jī)械咬合力和動(dòng)摩檫力持續(xù)發(fā)揮作用；達(dá)到平均極限粘結(jié)強(qiáng)度及以后，動(dòng)摩檫力持續(xù)發(fā)揮作用，表現(xiàn)出較好的延性。

3)當(dāng)鋼筋埋深達(dá)到2d，之后每增加其1倍埋深，平均粘結(jié)強(qiáng)度下降至原先的82%左右；當(dāng)保護(hù)層厚度從0.5d到1.5d，界面粘結(jié)強(qiáng)度提升約252%，最大可提升至253.7% 。

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