钢-聚乙烯醇纤维混凝土与钢筋粘结性能研究

朱佳鹏，孙 敏,2

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州215011）

钢-聚乙烯醇纤维混凝土与钢筋粘结性能研究

朱佳鹏1，孙 敏1,2

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州215011）

通过钢-聚乙烯醇纤维混凝土试件的中心拉拔试验，研究钢-聚乙烯醇混杂纤维混凝土与钢筋的粘结性能，分析钢筋种类，混杂纤维体积率对钢筋与混凝土粘结性能的影响并根据试验结果拟合出相应的钢筋与混凝土粘结-滑移曲线，提出了粘结滑移的本构关系。试验结果表明，在一定范围内,随着混杂纤维体积率的增大，钢筋与混凝土之间的粘结性能逐步提高，变形钢筋与混凝土之间的粘结性能优于光圆钢筋。

钢-聚乙烯醇纤维混凝土；钢筋种类；粘结性能；粘结本构关系

混凝土是目前最常使用的建筑材料，但其抗拉强度低、脆性大、延性差等缺陷限制了混凝土的进一步发展和使用，研究表明在混凝土中掺入纤维能够有效地解决这些问题[1-2]。

钢纤维、聚乙烯醇纤维（PVA）、碳纤维等是目前广泛应用的纤维。钢纤维能够显著提高混凝土的抗拉强度和延性，对阻止混凝土裂缝的扩展具有很好的效果[1，3]。PVA是一种高弹高模纤维，在混凝土中加入一定量的PVA能够控制混凝土因温度和塑性收缩产生的裂缝，有效地改善混凝土的抗渗性和抗冲击性能[4-5]。相关研究[6]指出钢-聚乙烯醇混杂纤维的掺入能够有效提高混凝土的韧性，混杂纤维掺入率达到1.5%时最优。钢筋与混凝土之间的粘结作用是两者协调工作的基础，国内外学者在此方面进行了大量的研究，研究表明[7-9]，纤维的存在能够约束混凝土内部裂缝扩展从而提高钢筋与混凝土之间的粘结性能。但大多数纤维混凝土粘结性能的研究主要集中在单一的钢纤维混凝土上，对混杂纤维混凝土与钢筋之间的粘结性能研究不多，而混凝土是一种多相均质的材料，一种纤维能够增强某一相的性能，多种纤维能够实现更好的正混杂效应。

因此文中研究钢-聚乙烯醇纤维混凝土与钢筋之间的粘结性能，通过对5组混凝土试件进行中心拉拔试验，分析了混杂纤维体积率和钢筋种类对粘结性能的影响，建立相应的粘结滑移本构关系，为完善钢-聚乙烯醇混杂纤维混凝土的工程应用提供参考，具有重要的理论和现实意义。

1 试验概况

1.1 试验设计

为了深入研究钢筋种类和混杂纤维的掺入对混凝土与钢筋之间粘结性能的影响，该文制作了5组拉拔试件，主要控制参数是混杂纤维的体积率以及钢筋的种类，试件具体参数见表1。试件尺寸采用150 mm的立方体，混凝土立方体轴心布置直径d为18 mm的变形钢筋和光圆钢筋。为了得到可靠的粘结强度，钢筋的有效粘结长度采用5d（90 mm），在较小长度上可近似认为粘结应力均匀分布[10]。为了消除端部效应并防止加载时试件偏心受力，在试件一端埋置长度为60 mm的PVC套管，PVC套管与钢筋之间的空隙缠绕废纸防止相对滑动，并保证设计粘结长度。试件尺寸如图1所示。

1.2 原材料及配合比

根据《纤维混凝土结构技术规程》（CECS38：2004），设计了C40混凝土，主要组成材料为：42.5号普通硅酸盐水泥、中砂（细度模数2.91）、碎石（5～30 mm）、聚羧酸高效减水剂（减水率＞25%）。钢纤维采用苏州龙宇钢纤维有限公司生产的剪切波纹型钢纤维，聚乙烯醇采用日本厂家生产的高强高模PVA纤维，纤维的主要物理参数由厂家提供，如表2所示，混凝土的配合比如表3所示。

表 1 拉拔试件具体参数

图 1 拉拔试件尺寸图

表 2 纤维主要参数

表 3 混凝土配合比设计 kg/m3

1.3 材性试验

试件浇筑的同时，同批浇筑1组边长100 mm的立方体试块用于测定立方体抗压强度，对于边长100 mm的试块结果乘以换算系数0.95。组边长150 mm标准立方体试块用于测定劈裂抗拉强度和1组100 mm× 100 mm×300 mm的棱柱体试块用于测定轴心抗压强度，自然下养护28 d后，按《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2002）测得试块的各个材料力学性能，见表4。光圆钢筋采用HPB235钢筋，变形钢筋采用HRB335钢筋，按《金属材料室温拉伸试验方法》（GB／T228-2002）测得钢筋力学性能如表5所示。

表 4 混杂纤维混凝土力学性能

表 5 钢筋力学性能

1.4 试验方法

拉拔试验加载装置采用混凝土钢筋握裹力测定仪，该装置与100 t万能试验机配合使用，采用位移加载方式,试验中加载速度为1 mm/min，每5 kN记录百分表数据。在钢筋自由端上安装量程20 mm的百分表，测量自由端钢筋的滑移值。在钢筋的下端采用特殊装置安装2个量程30 mm的百分表，2个百分表位移的平均值与钢筋弹性伸长量之差就是加载端钢筋的滑移值。平均滑移值即为自由端和加载端滑移的平均值。混凝土试件劈裂后到达稳定荷载或者钢筋屈服即停止试验。加载装置和仪表布置如图2所示。

图 2 加载装置和仪表布置图

2 试验结果与分析

2.1 混杂纤维体积率变化对混凝土力学性能的影响

普通混凝土试块在立方体抗压试验中，观察到在接近峰值荷载时试件表面出现剥落，到达峰值荷载后突然碎裂，而混杂纤维混凝土接近峰值荷载时，试件侧面出现多条纵向裂缝，破坏后仍然保持相对完整的形态，具有一定的塑性。在劈裂抗拉强度试验中，普通混凝土到达初裂荷载后，裂缝沿试件中线处迅速扩展，到达极限荷载时，试件在中线附近被劈成两半，出现脆性破坏。而混杂纤维混凝土在达到较大荷载时才发生破坏，且裂缝宽度较小，试件劈裂后发现有钢纤维被拉断的现象，纤维加入使混凝土产生劈裂裂缝后仍然受到纤维的约束作用，具有一定的韧性，对提高混凝土的抗劈拉能力具有很好的效果。

从表4中可以看出，随着混杂纤维体积率的增加，混杂纤维混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度均得到提高，但提高幅度不大。SP-0.6、SP-1.1、SP-1.6混凝土试块立方体抗压强度较普通混凝土分别提高1.6%、2.1%、5%。混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强度得到了极大提高，随着混杂纤维体积率的增加，混杂纤维混凝土较普通混凝土分别依次提高了3.1%、11.8%、28.0%，具有很好的劈裂抗拉强度。

2.2 拉拔试件破坏形态及试验结果

随着荷载的增大，自由端和加载端的滑移值逐渐缓慢增大，达到峰值荷载后，滑移值迅速增大，荷载值逐渐减小。当自由端和加载端位移达到10 mm或荷载稳定在某一数值时，认为试件已破坏。光圆钢筋混凝土拉拔试件发生剪切型破坏，而变形钢筋混凝土试件均发生劈裂型破坏。变形钢筋混凝土试件破坏后，钢筋自由端均出现2～3条放射状的裂缝，且裂缝宽度随着混杂纤维体积率的增大而减少。

根据试验测得的荷载，由公式（1）计算出相应的粘结应力τ，计算结果如表6所示。

其中，F为钢筋所受拉力；l为钢筋有效粘结长度；d为钢筋直径。

表6 拉拔试验结果

从表6中可以很直观的看出，变形钢筋与光圆钢筋相比，与混凝土之间有着更高的极限粘结强度，变形钢筋其凸出的肋对周围混凝土产生斜向挤压力，与光圆钢筋相比，增加了机械咬合力，但光圆钢筋的初始粘结强度要强于变形钢筋，其原因可能为光圆钢筋更能使水泥浆体渗透到钢筋表面氧化层，造成化学粘结力的提高。混杂纤维混凝土和钢筋之间的粘结性能与普通混凝土相比也有很大的提高，SP-0.6、SP-1.1、SP-1.6与N-L试件相比，极限粘结强度分别提高了2.7%、7.2%、10.8%，初始粘结强度分别提高了86.26%、92.89%以及132.7%。

在拉拔的初始阶段，纤维的桥架作用抑制了混凝土裂缝的产生，保证了周围混凝土对钢筋的约束作用，初始粘结强度得到了极大的提高。在拉拔滑移阶段，由于混杂纤维的存在，抑制了混凝土内裂缝的开展，提高了混凝土对钢筋的环向挤压力，从而增强了混凝土与钢筋的机械咬合力。混杂纤维混凝土与普通混凝土相比，极限滑移值也有很大的提高，表明在拉拔过程中，混杂纤维混凝土耗能更大，并且在一定范围内随着混杂纤维率的提高而不断增大。

2.3 粘结滑移曲线

各组拉拔试件的自由端和加载端的粘结荷载-滑移曲线和平均粘结荷载-滑移曲线分别如图3、图4所示。光圆钢筋与变形钢筋相比，粘结-滑移曲线差异较大，从图3（a）中可以看出试件N-G粘结荷载到达峰值后，荷载迅速下降到达荷载残余阶段，表明滑移的瞬间就失去大部分粘结强度，表现出极大的脆性，在粘结荷载-滑移曲线上升段，自由端和加载端位移极为相近,表明光圆钢筋试件加载端的应力能很快传递到自由端；而如图3（b）～（e）所示，变形钢筋粘结-滑移曲线的加载端滑移量始终比自由端大,这是因为当加载端滑动时，由于变形钢筋较光圆钢筋表面更为复杂，应力传递到自由端较为迟缓。

在拉拔试验微滑移阶段，试件裂缝还未产生，上升段粘结-滑移曲线基本呈线性关系,随着荷载的增加,试件内部出现裂缝，进入滑移阶段，滑移加速发展，曲线斜率较前一阶段有所减小，非线性特性明显,但混杂纤维混凝土试件中，纤维的增强作用抑制了裂缝的发展,提高了混凝土与钢筋的粘结强度。

从图4（a）中可以明显看出，混杂纤维体积率越高，上升段越陡，产生相同滑移量时，粘结荷载越大，极限荷载和极限荷载对应的滑移量也越大，在拉拔过程中消耗更多的能量。如图4（b）所示，混杂纤维混凝土粘结荷载-滑移曲线表现出很好的延性,纤维发挥了很好的阻裂作用和抗剪作用,荷载到达峰时后并未迅速下降，随着纤维体积率的提高，下降段越平缓，耗能能力越强。

图4 平均粘结荷载-滑移曲线

3 粘结滑移本构模型及其曲线拟合

3.1 粘结滑移本构模型

混凝土粘结应力-滑移曲线曲线反映了整个拉拔过程钢筋与混凝土之间的相互关系，是利用有限元软件进行非线性分析的基础，粘结应力-滑移曲线可分为上升段和下降段，其线型类似于混凝土的受拉本构关系曲线。目前很多学者通过试验提出了一些粘结-滑移模型的数学表达式，但是受到混凝土自身非线性和实验手段等众多因素的影响，尚未得到一套完整的理论。

纤维混凝土与普通混凝土应具有类似的粘结特性，参考Haraji针对钢纤维提出的上升段粘结滑移本构，采用式（2）来拟合普通混凝土和混杂纤维混凝土的粘结-滑移上升段曲线。由于粘结应力-滑移曲线与混凝土抗拉本构关系曲线线型相近，故采用式（3），参考过镇海[12]提出的关于混凝土受拉下降段曲线数学模型来拟合普通混凝土和混杂纤维混凝土粘结-滑移曲线下降段，将混凝土受拉时的应力和应变分别等效为粘结应力和滑移值，峰值应力和到达峰值应力对应的应变等效为极限粘结应力和极限粘结应力对应的滑移值。

式中，τ代表粘结应力，S代表滑移值，τu代表极限粘结应力，Su代表到达极限粘结应力时对应的滑移值。

3.2 粘结滑移曲线拟合

根据试验数据通过Origin软件拟合,得到粘结滑移本构模型上升段参数a和下降段参数b，结果如表7所示。拟合曲线与试验曲线对比如图5所示。

表 7 参数拟合

图 5 粘结-滑移曲线试验值和拟合值对比

参数a，b的大小与无量纲化的粘结-滑移曲线所围的面积有关，同时也反映出了粘结-滑移曲线的特性。a值越小，上升段曲线越陡即刚度越大。b值越小，下降段曲线越缓即延性越好。从图5中可以看出，N-L拉拔试件无量纲化的粘结-滑移曲线所围面积最小，在粘结滑移过程中消耗的能量也最小，随着混杂纤维率的增加，粘结-滑移曲线面积也随之增大，消耗能量也变大，但SP-1.1试件和SP-1.6试件相差不大，说明混凝土试件的粘结性能并不是随着混杂纤维量的增大而无限增大，选取合适的混杂纤维掺量是提高钢筋与混凝土粘结性能的关键。

试验平均曲线和计算曲线对比如图5所示，吻合较好，说明采用式（2）和式（3）可以拟合混杂纤维混凝土与变形钢筋之间粘结滑移的完整过程，Haraji提出的钢纤维混凝土粘结滑移上升段本构对普通混凝土和混杂纤维混凝土也具有一定的适用性。将混凝土受拉本构关系数学模型运用到拟合普通混凝土和混杂纤维混凝土粘结-滑移曲线下降段具有很好的效果。

4 结论

（1）随着混杂纤维的掺入，混凝土的抗压抗拉强度得到提高，弥补了混凝土脆性大、延性差的缺陷。

（2）变形钢筋与光圆钢筋相比，与混凝土之间有着更好地粘结性能。在一定范围内，混杂纤维体积率越高，钢筋与混杂纤维混凝土之间的粘结性能越好，粘结荷载-滑移曲线越饱满,在整个拉拔过程中耗能能力也越强。

（3）采用式（2）、（3）拟合得到的混杂纤维混凝土粘结-滑移曲线本构清晰明了，拟合效果良好，钢纤维混凝土粘结滑移上升段本构对普通混凝土和混杂纤维混凝土也具有一定的适用性。将混凝土受拉本构关系数学模型运用到拟合普通混凝土和混杂纤维混凝土粘结-滑移曲线下降段具有很好的效果，可为实际工程提高参考。

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Study on bond behavior between steel-PVA reinforced concrete and steel bar

ZHU Jiapeng1,SUN Min1,2

（1.School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China;2.Jiang Su Provincial Key Laboratory of Structural Engineering，Suzhou 215011，China）

By the center pullout tests of steel-PVA hybrid fibers reinforced concrete specimens,the bond behavior between different kinds of bars and different fibers volume fraction of hybrid fibers reinforced concrete is discussed,and the corresponding steel and concrete bond-slip curve is fitted out and the bond-slip constitutive relation is proposed according to the result of the test.The results showed that in a certain range the bond performance between steel and concrete gradually increases and the bond property of deformed bar is better than plain bars,with the increase of hybrid fiber volume fraction.

steel-PVA hybrid fibers reinforced concrete;steel bar type;bond property;bond constitutive relation

TU528.572

A

2096-3270（2017）01-0032-06

（责任编辑：秦中悦）

2016－09-22

江苏省结构工程重点实验室课题（ZD1205）

朱佳鹏（1991-），男，江苏苏州人，硕士研究生。

孙 敏（1970-），女，副教授，博士，从事混凝土桥梁结构研究，Email：sunmin@mail.usts.edu.cn。