王俊顏,常思遠(yuǎn)
(1.先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué)),上海201804;2.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海201804)
負(fù)泊松比鋼筋 (negative Poisson’s ratio rebar, NPR鋼筋)是一種具有負(fù)泊松比特性(受力時(shí)體積產(chǎn)生微膨脹,且拉斷時(shí)不發(fā)生局部頸縮現(xiàn)象)以及高強(qiáng)度和高延性等良好性能的新型建筑材料[1],然而在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼筋強(qiáng)度過(guò)高會(huì)使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在服役狀態(tài)下產(chǎn)生較大的裂縫。超高性能混凝土(ultra high performance concrete, UHPC)是一種新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[2-4],其具有較高的抗拉強(qiáng)度[5-6]和抗壓強(qiáng)度[7],其中高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC有較好的裂縫控制能力[8],是高強(qiáng)鋼筋的良好載體。使用高強(qiáng)鋼筋-UHPC結(jié)構(gòu)有利于提高結(jié)構(gòu)的承載力與延性[9-11],目前已有學(xué)者進(jìn)行了普通高強(qiáng)鋼筋與UHPC的黏結(jié)性能試驗(yàn),主要是探究錨固長(zhǎng)度、保護(hù)層厚度、鋼筋直徑等參數(shù)的變化對(duì)兩者黏結(jié)性能的影響[12-15],然而NPR鋼筋與UHPC間的黏結(jié)性能尚未見(jiàn)到相關(guān)研究文獻(xiàn)。本文通過(guò)拉拔試驗(yàn)對(duì)NPR鋼筋與UHPC的黏結(jié)性能展開研究,并采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)其黏結(jié)滑移破壞模式及內(nèi)部損傷演化過(guò)程進(jìn)行分析。
試驗(yàn)采用鋼筋直徑均為16 mm,鋼筋種類分別為普通NPR鋼筋、肋間距離增大1倍的NPRA鋼筋(力學(xué)性質(zhì)與普通NPR鋼筋相同)及HRB400鋼筋,鋼筋外形參數(shù)見(jiàn)圖1(a),其中HRB400鋼筋外形與普通NPR鋼筋相同,外形系數(shù)為0.058;鋼筋軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1(b),NPR鋼筋平均極限抗拉強(qiáng)度約為1 123 MPa,平均斷后伸長(zhǎng)率約為41%,兼具高強(qiáng)度及高延性。為保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲(chǔ)備,按照無(wú)明顯屈服點(diǎn)鋼筋的屈服強(qiáng)度確定方法(取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%),確定NPR鋼筋的屈服強(qiáng)度為650 MPa。
圖1 鋼筋外形參數(shù)及軸拉曲線
試驗(yàn)所用UHPC基體體積配合比見(jiàn)表1,鋼纖維性能參數(shù)見(jiàn)表2,所用鋼纖維體積摻量分別為1%、2%和2.5%,分別配置出應(yīng)變軟化型、低應(yīng)變強(qiáng)化型、高應(yīng)變強(qiáng)化型3種UHPC,其基本力學(xué)性能見(jiàn)表3。
表1 UHPC基體體積配合比
表2 纖維力學(xué)性能
表3 UHPC基本力學(xué)性能
拉拔試件制作時(shí)先將鋼筋水平居中放置在模具中,之后沿鋼筋軸向進(jìn)行澆筑,模具兩端使用30 mm長(zhǎng)塑料管將UHPC與鋼筋隔離,防止加載時(shí)端部局部破壞,試件在室溫養(yǎng)護(hù)1 d后拆模,之后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)使用300 kN微機(jī)控制電子伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載,將位移傳感器固定于鋼筋自由端測(cè)量鋼筋自由端滑移,荷載及位移數(shù)據(jù)由電腦自動(dòng)采集,試驗(yàn)正式加載前進(jìn)行預(yù)加載,預(yù)加載速度1.5 mm/min,當(dāng)荷載達(dá)到0.5 kN時(shí)預(yù)加載結(jié)束進(jìn)入正式加載,加載速度1 mm/min,滑移達(dá)到10 mm時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。
拉拔試驗(yàn)編號(hào)規(guī)則:編號(hào)第1部分為UHPC種類,高應(yīng)變強(qiáng)化型編號(hào)H,低應(yīng)變強(qiáng)化型編號(hào)L,應(yīng)變軟化型編號(hào)S,每組3個(gè)試件;編號(hào)第2部分為鋼筋種類,普通NPR鋼筋編號(hào)為NPR、肋間距離增大100%的NPR鋼筋編號(hào)為NPRA,標(biāo)準(zhǔn)外形HRB400鋼筋編號(hào)為400,每組3個(gè)試件;編號(hào)第3部分為鋼筋錨固長(zhǎng)度,取錨固長(zhǎng)度48、64、80 mm對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為3D、4D、5D,每組3個(gè)試件;編號(hào)第4部分為保護(hù)層厚度,取保護(hù)層厚度30、40、50 mm對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為30、40、50,每組2個(gè)試件;具體分組及拉拔試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。其中除保護(hù)層厚度變化試件為150 mm長(zhǎng)棱柱體外,其他試件尺寸均為150 mm立方體。
結(jié)構(gòu)或材料在產(chǎn)生微小損傷和裂縫時(shí)會(huì)以聲波形式將能量釋放并產(chǎn)生相應(yīng)的聲信號(hào),通過(guò)傳感器將聲信號(hào)收集,并經(jīng)過(guò)相應(yīng)軟件處理,可得到聲發(fā)射信號(hào)參數(shù);同時(shí)系統(tǒng)可對(duì)聲發(fā)射信號(hào)通過(guò)時(shí)差定位的方式得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷點(diǎn)的分布情況。
首先參考ASTM規(guī)范使用0.5 mm的2B鉛筆通過(guò)斷芯的方法測(cè)定試件內(nèi)部波速以及環(huán)境噪音,測(cè)定后將波速輸入系統(tǒng)。在試塊正反兩面對(duì)稱選取8個(gè)定位點(diǎn),聲發(fā)射試驗(yàn)裝置及傳感器布置點(diǎn)位見(jiàn)圖2,通過(guò)耦合劑和膠槍將傳感器固定在試件表面,之后對(duì)立方體試件同時(shí)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)及聲發(fā)射試驗(yàn),并同時(shí)結(jié)束。試驗(yàn)前置放大器增益為40 dB,帶寬為20~200 kHz采樣頻率3 MHz,門限為15 mV。
圖2 聲發(fā)射試驗(yàn)裝置
拉拔試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4,由于鋼筋錨固長(zhǎng)度較小,假設(shè)黏結(jié)應(yīng)力沿鋼筋長(zhǎng)度方向均勻分布,由式(1)可得平均最大黏結(jié)應(yīng)力τu。
(1)
式中:τu為平均最大黏結(jié)應(yīng)力,Fu為極限拉拔荷載,la為錨固長(zhǎng)度,d為鋼筋直徑。
表4 試驗(yàn)結(jié)果
圖3(a)反映了UHPC種類對(duì)拉拔試驗(yàn)平均荷載-滑移曲線的影響;NPR鋼筋在UHPC中的荷載-滑移曲線可按圖3(b)分為兩種類型,曲線按斜率變化可分為快速上升段、緩直段及下降段。
圖3 UHPC種類對(duì)荷載-滑移曲線的影響
對(duì)于高應(yīng)變強(qiáng)化型和低應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC,兩者破壞模式均為拔出破壞,破壞時(shí)NPR鋼筋均未屈服,曲線發(fā)展規(guī)律相似,曲線類型為圖3(b)的類型1;加載初期,鋼筋受力后黏結(jié)力從加載端逐漸向自由端傳遞,此時(shí)為曲線的快速上升段,斜率較大,荷載快速增長(zhǎng),滑移增長(zhǎng)緩慢;當(dāng)達(dá)到極限拉拔荷載的80%左右時(shí),曲線進(jìn)入緩直段,此時(shí)曲線斜率開始減小,荷載增長(zhǎng)放緩,滑移開始加速增長(zhǎng),直到達(dá)到極限拉拔荷載并維持一段時(shí)間后曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),荷載減少,滑移持續(xù)快速增加,此時(shí)曲線進(jìn)入下降段。然而對(duì)于應(yīng)變軟化型UHPC,曲線類型為圖3(b)的類型2,沒(méi)有明顯的緩直段;這是由于應(yīng)變軟化型UHPC纖維摻量較少,抗拉強(qiáng)度及延性低,難以抵御黏結(jié)力導(dǎo)致的內(nèi)部環(huán)向拉應(yīng)力,使得裂縫擴(kuò)展至試件表面,產(chǎn)生豎向貫通裂縫,使得破壞呈現(xiàn)一定的脆性。結(jié)合表4,S-NPR-3D、L-NPR-3D和H-NPR-3D組試件的平均最大黏結(jié)應(yīng)力分別為43.2、45.8和52.3 MPa,高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC相較低應(yīng)變強(qiáng)化型和應(yīng)變軟化型UHPC的平均最大黏結(jié)應(yīng)力提升約14.3%、21.6%,且發(fā)生拔出破壞時(shí)試件表面未出現(xiàn)裂縫,因此高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC與NPR鋼筋的黏結(jié)性能明顯高于另外兩種UHPC。
圖4為不同鋼筋在高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC中的平均荷載-滑移曲線,在3D的錨固長(zhǎng)度下,對(duì)于NPR鋼筋,發(fā)生拔出破壞時(shí)鋼筋均未屈服,對(duì)于HRB400鋼筋,拔出時(shí)鋼筋均已屈服,這是由于NPR鋼筋有較高的屈服強(qiáng)度,達(dá)到屈服強(qiáng)度所需錨固長(zhǎng)度也要更大。NPR鋼筋的荷載滑移曲線與HRB400鋼筋的荷載滑移曲線前期發(fā)展趨勢(shì)相似,曲線經(jīng)歷了快速上升段和緩直段;然而在下降段,NPR鋼筋和HRB400鋼筋表現(xiàn)出較大的不同。對(duì)于HRB400鋼筋,荷載達(dá)到峰值后曲線下降得較為緩慢,且在下降段出現(xiàn)一定的回彈,在滑移達(dá)到10 mm時(shí)仍能保持較高的殘余荷載,約為極限拉拔荷載的88.1%,表現(xiàn)出良好的延性。而對(duì)于NPR鋼筋,曲線下降較為迅速且并未出現(xiàn)回彈現(xiàn)象,在滑移達(dá)到10 mm時(shí)的殘余荷載僅為極限拉拔荷載的67.6%。這是由于NPR鋼筋的負(fù)泊松比特性導(dǎo)致其在受力后橫截面較大使得NPR鋼筋對(duì)混凝土材料的破壞更為嚴(yán)重,發(fā)生黏結(jié)滑移破壞后NPR鋼筋與UHPC間靠摩擦力維持的黏結(jié)力大大降低。
圖4 不同鋼筋種類下的平均荷載-滑移曲線
對(duì)于肋間距增大100%的NPRA鋼筋,破壞形態(tài)與普通NPR鋼筋相同, 試件平均極限拉拔荷載并未出現(xiàn)明顯下降,且曲線發(fā)展趨勢(shì)與普通NPR鋼筋相似;結(jié)合表4,H-NPR-3D和H-NPRA-3D組的平均最大黏結(jié)應(yīng)力分別為52.3、55.3 MPa,因此肋間距的改變對(duì)NPR鋼筋的平均最大黏結(jié)應(yīng)力影響并不明顯。然而在荷載相同時(shí),H-NPRA-3D組的滑移明顯大于H-NPR-3D組,可見(jiàn)肋間距增大對(duì)NPR鋼筋與混凝土之間的咬合及滑移有一定的影響。
圖5(a)可見(jiàn)不同錨固長(zhǎng)度的鋼筋其荷載-滑移曲線呈相似趨勢(shì),破壞形態(tài)均為拔出破壞,比較不同錨固長(zhǎng)度的情況,隨著鋼筋錨固長(zhǎng)度的增加,極限拉拔荷載明顯增加,而UHPC基體始終未出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象,這是因?yàn)楦邞?yīng)變強(qiáng)化型UHPC內(nèi)部大量的鋼纖維橋接了裂縫,試件內(nèi)部應(yīng)力分布更均勻,因此可以承受更大的拉拔力。從表4可見(jiàn),H-NPR-3D、H-NPR-4D和H-NPR-5D組試件的平均最大黏結(jié)應(yīng)力分別為52.3、47.2、40.8 MPa,隨著錨固長(zhǎng)度的增加試件平均最大黏結(jié)應(yīng)力逐漸降低。
圖5(b)顯示了錨固長(zhǎng)度變化對(duì)加載端鋼筋最大拉應(yīng)力的影響,隨著錨固長(zhǎng)度的增加NPR鋼筋加載端最大拉應(yīng)力增加幅度變小,錨固長(zhǎng)度為3D、4D和5D條件下加載端鋼筋平均最大應(yīng)力分別為628.7、754.5以及816.6 MPa,對(duì)于16 mm的NPR鋼筋其在高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC中錨固長(zhǎng)度為4D以上時(shí)才能使NPR鋼筋達(dá)到其屈服強(qiáng)度(650 MPa)。
圖5 錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)性能的影響
圖6(a)為不同保護(hù)層厚度下的平均荷載-滑移曲線,對(duì)于保護(hù)層厚度為40、50 mm的棱柱體試件,破壞形態(tài)均為拔出破壞,鋼筋未屈服,荷載-滑移曲線趨勢(shì)與立方體試件相似,曲線為圖3(b)中類型1;但對(duì)于保護(hù)層厚度為30 mm的試件,其在破壞時(shí)縱向裂縫擴(kuò)展至表面,曲線在經(jīng)過(guò)快速上升段后直接進(jìn)入下降段,曲線為圖3(b)中的類型2,相較保護(hù)層厚度較大時(shí),其破壞呈現(xiàn)一定的脆性。從圖6(b)可見(jiàn),當(dāng)保護(hù)層厚度從30 mm增加至40 mm,鋼筋平均最大黏結(jié)應(yīng)力有明顯的提高,之后隨著保護(hù)層厚度的增大,拉拔試件的平均最大黏結(jié)應(yīng)力基本保持不變;這是因?yàn)楸Wo(hù)層厚度超過(guò)40 mm時(shí),基體已經(jīng)足以抵抗內(nèi)部環(huán)向拉應(yīng)力,因此進(jìn)一步增大保護(hù)層厚度不會(huì)對(duì)平均極限黏結(jié)應(yīng)力產(chǎn)生明顯影響。
圖6 保護(hù)層厚度對(duì)黏結(jié)性能的影響
鋼筋在拔出過(guò)程中,隨著拉力的增加,使得UHPC內(nèi)部產(chǎn)生裂縫和損傷,發(fā)出的聲信號(hào)以波的形式表現(xiàn),每個(gè)波形振幅-持續(xù)時(shí)間曲線下的面積即為損傷時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射能量,其大小可以反映損傷的劇烈程度。
圖7顯示了H-NPR-5D試件在發(fā)生黏結(jié)滑移破壞時(shí),時(shí)間與聲發(fā)射累計(jì)能量、荷載及滑移的關(guān)系,NPR鋼筋與高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC的黏結(jié)滑移破壞根據(jù)曲線斜率變化可分為三個(gè)階段,分別為初始階段Ⅰ、破壞階段Ⅱ及殘余階段Ⅲ。
圖7 荷載、滑移與聲發(fā)射累計(jì)能量演化特征
I階段,隨著荷載的逐漸增加,滑移開始緩慢增長(zhǎng),此時(shí)黏結(jié)力主要由膠結(jié)力和機(jī)械咬合力組成,黏結(jié)力從試件加載端逐漸向自由端傳遞,沿鋼筋錨固長(zhǎng)度方向上應(yīng)力開始分布不均,NPR鋼筋與UHPC間的膠結(jié)界面逐漸被破壞,靠近加載端的咬合齒開始產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)并出現(xiàn)裂縫,逐漸向外釋放能量。
隨著荷載進(jìn)一步增加,進(jìn)入Ⅱ階段,此時(shí)荷載增長(zhǎng)開始放緩,滑移增長(zhǎng)基本停止,沿著鋼筋錨固長(zhǎng)度方向上黏結(jié)應(yīng)力開始重新分布,能量釋放變緩,黏結(jié)力主要為機(jī)械咬合力;當(dāng)荷載接近峰值時(shí),UHPC基體內(nèi)部已積累大量損傷,由于鋼纖維的橋接作用基體并未出現(xiàn)劈裂,但陸續(xù)有鋼纖維拔出,接著新的鋼纖維繼續(xù)橋接裂縫,荷載曲線呈現(xiàn)下降一小段后又再次上升的現(xiàn)象,直到內(nèi)部損傷產(chǎn)生的能量積累到某一數(shù)值,突然爆發(fā);這時(shí)NPR鋼筋與UHPC間的咬合齒忽然被剪斷,連帶咬合齒附近的部分鋼纖維被剪斷,發(fā)出人耳可辨別的劇烈聲響,此時(shí)荷載忽然下降,釋放大量能量,滑移快速增長(zhǎng)。圖中可見(jiàn)歸一化累計(jì)能量曲線和滑移曲線斜率的突然變大與錨固失效時(shí)刻形成了良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
繼續(xù)加載,進(jìn)入Ⅲ階段,此時(shí)錨固已經(jīng)失效,荷載逐漸降低,滑移呈線性增長(zhǎng),但隨著鋼筋的拔出,黏結(jié)應(yīng)力導(dǎo)致的UHPC基體內(nèi)部環(huán)向拉應(yīng)力使基體繼續(xù)產(chǎn)生裂縫,能量釋放速度略微放緩,裂縫逐漸擴(kuò)大并伴隨纖維陸續(xù)拔出,在荷載曲線上呈階梯狀上下起伏,此時(shí)黏結(jié)力基本完全由磨阻力承擔(dān)。
圖8為H-NPR-3D、S-NPR-3D、H-400-3D、H-NPRA-3D試件聲發(fā)射試驗(yàn)內(nèi)部損傷點(diǎn)分布情況,圖8(a)可見(jiàn)對(duì)于低應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC內(nèi)部損傷點(diǎn)主要分布在鋼筋周圍,黏結(jié)力在基體中未能良好地傳遞,基體還未充分利用時(shí)鋼筋與UHPC咬合齒已經(jīng)破壞;對(duì)于圖8(b)高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC在黏結(jié)滑移破壞過(guò)程中損傷點(diǎn)分布更為分散,這是由于大量分布的鋼纖維橋接了損傷過(guò)程產(chǎn)生的微裂紋,使得基體利用更加充分,因此黏結(jié)性能得到了較大提升;而圖8(c)中H-400-3D試件,損傷點(diǎn)主要分布于試件加載端,這是由于HRB400屈服應(yīng)力較小,僅靠下部UHPC便可以將鋼筋良好地錨固;圖8(d)中H-NPRA-3D試件損傷點(diǎn)十分密集且集中,這是由于鋼筋肋間距的增大造成局部的應(yīng)力集中更為明顯,靠近加載端UHPC基體此時(shí)已被壓碎,被壓碎的UHPC基體在力的作用下再次被壓實(shí)并分布于肋前繼續(xù)承載,因此肋間距的增大并未導(dǎo)致極限拉拔荷載的減小。
圖8 聲發(fā)射損傷點(diǎn)定位
圖9為H-NPR-5D試件黏結(jié)滑移破壞過(guò)程中的內(nèi)部損傷發(fā)展情況,可見(jiàn)在Ⅰ階段內(nèi)部損傷較少,且主要集中在試件加載端及鋼筋周圍,呈倒錐形,此時(shí)NPR鋼筋與UHPC咬合良好,黏結(jié)應(yīng)力主要分布于加載端,加載端鋼筋與UHPC咬合齒的部分錯(cuò)動(dòng)使得基體產(chǎn)生損傷;Ⅱ階段時(shí)由于黏結(jié)應(yīng)力沿著鋼筋逐漸開始進(jìn)行重分部,結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的新?lián)p傷點(diǎn)較少且沿鋼筋長(zhǎng)度方向分布較為均勻;Ⅲ階段時(shí)NPR鋼筋與UHPC間咬合齒已破壞,黏結(jié)力主要由磨阻力提供,此時(shí)鋼筋在拔出過(guò)程中UHPC基體內(nèi)部裂縫逐漸向外擴(kuò)展,從圖中可見(jiàn)這一階段由于大量鋼纖維對(duì)裂縫的橋接作用,損傷點(diǎn)在基體內(nèi)整體分布較為均勻。
圖9 損傷點(diǎn)演化特征
通過(guò)NPR鋼筋與UHPC的中心拉拔試驗(yàn),研究了不同參數(shù)對(duì)NPR鋼筋與UHPC間黏結(jié)性能的影響規(guī)律,并使用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)兩者的黏結(jié)滑移破壞模式及損傷開展過(guò)程進(jìn)行分析。
1) NPR鋼筋的負(fù)泊松比特性和高強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致發(fā)生黏結(jié)滑移破壞后的殘余黏結(jié)力降低,相較應(yīng)變軟化型和低應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC,高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC與NPR鋼筋間具有更好的黏結(jié)性能。
2) 增加錨固長(zhǎng)度可有效增加極限拉拔荷載,對(duì)于16 mm的NPR鋼筋推薦錨固長(zhǎng)度大于4倍鋼筋直徑。保護(hù)層厚度較小時(shí),裂縫會(huì)擴(kuò)展至表面,使破壞呈現(xiàn)一定的脆性。肋間距的增加會(huì)導(dǎo)致相同荷載下NPR鋼筋的滑移明顯增長(zhǎng),對(duì)最大黏結(jié)應(yīng)力影響較小。
3) 結(jié)合聲發(fā)射試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn),可將NPR鋼筋與高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC間的黏結(jié)滑移破壞過(guò)程分為初始、破壞和殘余三個(gè)階段,破壞階段末是錨固失效的轉(zhuǎn)折點(diǎn),通過(guò)能量曲線和滑移曲線斜率變化可有效辨別兩者間的錨固失效。
4)黏結(jié)滑移破壞過(guò)程中,損傷點(diǎn)在前期主要集中在加載端,之后逐漸向自由端擴(kuò)展,對(duì)于高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC由于內(nèi)部纖維良好的橋接作用,試件最終內(nèi)部損傷點(diǎn)分布較為均勻,聲發(fā)射試驗(yàn)可以較好地監(jiān)測(cè)黏結(jié)滑移破壞的損傷演化情況。