超高性能混凝土与钢筋的黏结性能试验研究

郑七振， 让 梦， 李 鹏

（上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）作为一种具有超高强度、优良韧性（类金属变形性能）及优异耐久性等性能的超高强水泥基材料，已应用于核工业、超高层建筑、海洋工程及加固防护工程等领域[1-5]。目前，国内外关于UHPC的研究主要集中在配合比设计、材料性能、养护方法及工程应用等方面，对钢筋与UHPC的黏结性能研究较少[6-9]。深入研究钢筋与UHPC材料的黏结性能，对推动UHPC材料的发展，拓展其应用领域具有重要意义[10]。本文以钢筋锚固长度、钢筋直径及混凝土保护层厚度为主要参数，设计了9组共27个试件，进行了中心拉拔试验，研究不同参数取值对钢筋与UHPC之间的黏结性能的影响，为UHPC材料在建筑结构工程中的应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验材料及性能

试验采用的钢筋均为HRB400热轧带肋钢筋。在制作试件时，选取同批次钢筋，取标距为5倍钢筋直径，根据《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T 228-2002）进行拉伸试验。钢筋的物理力学性能参数如表1所示。

表 1 钢筋的物理力学性能参数Tab.1 Physical and mechanical properties of steel bars

试验采用的UHPC由某材料公司提供，根据《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）进行材性试验，UHPC的立方体尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，测得抗压强度平均值为135.0 MPa。

1.2 试件设计与制作

设计并制作9组中心拉拔试件，共27个，其中，U1，U2，U3组试件的主要变化参数分别为钢筋锚固长度la，钢筋直径d和混凝土保护层厚度c，各试件参数如表2所示。试件采用无横向钢筋的中心拉拔试件，为了避免试件加载端的UHPC受到局部挤压，在加载端用PVC套管将非黏结段的钢筋与混凝土隔离开，试件设计示意图如图1所示。

表 2 试件分组及设计参数Tab.2 Grouping of specimens and design parameters

图 1 试件设计示意图Fig.1 Schematic diagram of the specimen design

1.3 加载及测量方案

试验在SANT100T液压伺服万能试验机上进行，采用力控加载方式，钢筋直径为12，16，20 mm的加载速度分别为72，128，200 N/s，连续加载直至试件破坏，试验加载装置如图2所示。在拉拔试件的加载端（下端）和自由端（上端）分别对称布置2个位移计，以测量加载端和自由端钢筋与试件基体的相对滑移，位移计通过特定装置固定于试件相应位置后，将其与DH5921数据采集系统相连，连续采集试验数据。

图 2 试验加载装置Fig.2 Loading appliance

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

在加载初期，钢筋加载端和自由端的滑移量均为零，随着荷载的增大，钢筋加载端逐渐开始产生滑移，且荷载向自由端传递，并最终产生了3种破坏形态：钢筋拔出破坏、劈裂破坏和钢筋拉断破坏，典型破坏形态如图3所示。

图 3 典型破坏形态Fig.3 Typical failure forms

在9组试件中，有7组试件发生了钢筋拉断破坏，只有钢筋锚固长度为3d的试件（U1-1）发生了钢筋拔出破坏，对于混凝土保护层厚度最小的U3-2试件则发生了劈裂破坏。各试件具体破坏形态如表3所示，定义Fcr为自由端初始滑移荷载，Fu为极限拉拔荷载，τu为极限黏结强度，按公式τu=Fu/（πdla）计算，su为峰值荷载对应的自由端滑移量。

表 3 超高性能混凝土试件的中心拉拔试验结果Tab.3 Pull-out test results of ultra-high performance concrete

2.2 荷载-滑移曲线及其特性

为了忽略试验加载过程中钢筋伸长的影响，仅对自由端滑移量进行分析。同一破坏模式的试件，均表现出相似的荷载-滑移曲线，图4为各破坏形态的典型荷载-滑移曲线，由图4可见，典型荷载-滑移曲线可呈现3阶段特点：

a. 无滑移阶段。加载初期，自由端几乎不产生滑移，当荷载达到50%～70%极限拉拔荷载时，自由端才开始出现滑移，首次出现滑移对应的荷载称为自由端初始滑移荷载Fcr。

b. 滑移阶段。随着荷载增加，自由端滑移量不断增大，荷载-滑移曲线斜率减小，荷载逐渐达到极限拉拔荷载Fu，形成非线性增长的曲线。

c. 破坏阶段。不同破坏形态的试件，其荷载-滑移曲线的破坏阶段也不同。对于钢筋拔出破坏，荷载达到极限拉拔荷载Fu后，荷载增长不大的情况下，自由端钢筋产生大量滑移，荷载逐渐减小，钢筋被拔出，荷载-滑移曲线形成一段平缓的下降曲线；对于劈裂破坏，荷载达到极限拉拔荷载Fu后，试件表面裂缝迅速发展，瞬间劈裂，此阶段破坏较为突然，荷载变化较小，滑移量迅速增大，荷载-滑移曲线形成一段陡峭的下降曲线；对于钢筋拉断破坏，荷载达到钢筋的极限抗拉强度时，在钢筋与UHPC的黏结性能完好情况下，最终发生钢筋拉断破坏，自由端钢筋滑移量不再变化，荷载-滑移曲线形成一段垂直的下降段。

图 4 各典型破坏形态的荷载-滑移曲线Fig.4 Load-slip curve of typical failure forms

钢筋拉断破坏试件的自由端初始滑移荷载明显高于劈裂破坏试件和钢筋拔出破坏试件，且破坏时的试件自由端滑移量很小。发生钢筋拔出破坏的试件自由端滑移量较大，约为钢筋拉断破坏和劈裂破坏的4倍。

3 影响黏结性能的因素

3.1 钢筋锚固长度的影响

图5为具有不同钢筋锚固长度的U1系列试件荷载-滑移曲线。由图5可见，随着钢筋锚固长度的增大，自由端初始滑移荷载Fcr显著提高，U1-2与U1-3相较U1-1分别提高了85%，99%，而U1-4和U1-5试件钢筋直接拉断，未产生自由端滑移。对比U1系列试件可知，钢筋锚固长度在4d时，自由端初始滑移荷载与钢筋的屈服荷载基本保持一致，建议将钢筋与UHPC黏结性能的合理锚固长度取为4d。

图 5 钢筋锚固长度对黏结性能的影响Fig.5 Effect of the anchorage length on bond behaviors

3.2 钢筋直径的影响

图6（a）为具有不同钢筋直径的U1-3，U2-1和U2-2试件的荷载-滑移曲线（F-S曲线）。由图6（a）可知，钢筋直径越大，其实际锚固长度就越大，与UHPC接触面积越大，从而两者间的极限化学胶着力也越大，表现为随着钢筋直径的增大，自由端初始滑移荷载急剧增大。试件U2-2和U1-3的自由端初始滑移荷载分别为U2-1的3倍和2倍，且钢筋直径越大，荷载-滑移曲线越平缓，最终自由端滑移量也越大，直径为12 mm的U2-1试件的最终自由端滑移量约为0.03 mm，而直径为20 mm的U2-2试件的最终自由端滑移量约为0.25 mm以上。

由于3组试件均为钢筋拉断破坏，钢筋与UHPC间的黏结性能并未破坏，因此，3组试件的极限黏结应力相差不大，如图6（b）所示。

3.3 混凝土保护层厚度的影响

试验通过调整试件横截面尺寸来设置混凝土保护层厚度c。图7（a）为具有不同混凝土保护层厚度的U1-3，U3-1和U3-2试件的F-S曲线。由图7（a）可见，试件自由端初始滑移荷载随着混凝土保护层厚度的增加而有所增大，但增大幅度较小。c=32 mm的U3-2试件发生了劈裂破坏，钢筋滑移较大；而c较大的U1-3和U3-1则为钢筋拉断破坏。由此可见，随着混凝土保护层厚度的增大，试件的环向约束能力增强，但当保护层达到一定程度后，再增大保护层厚度对提高黏结强度没有作用。3组试件保护层厚度与极限黏结应力的对比曲线如图7（b）所示。由于试验并未设到与极限黏结强度对应的保护层厚度，因此，参考相关资料，并对图7（b）进行推断，建议混凝土临界保护层厚度为2.6 d。

图 6 钢筋直径对黏结性能的影响Fig. 6 Effect of the steel diameter on bond behaviors

图 7 混凝土保护层厚度对黏结性能的影响Fig. 7 Effect of the concrete cover thickness on bond behaviors

4 结 论

a. 超高性能混凝土中心拉拔试件主要发生了3种破坏形态：钢筋拔出破坏、劈裂破坏和钢筋拉断破坏。

b. 钢筋锚固长度在4d时，自由端初始滑移荷载与变形钢筋的屈服荷载基本保持一致，建议超高性能混凝土与钢筋的黏结强度的中心拉拔试验试件的合理锚固长度取为4d。

c. 自由端初始滑移荷载随钢筋锚固长度和钢筋直径的增大可提高1～2倍。

d. 钢筋直径对自由端初始滑移荷载影响较大，对极限平均黏结强度影响较小。

e. 随着混凝土保护层厚度的增大，试件的环向约束能力增强，但当保护层达到一定程度后，再增大保护层厚度对提高黏结强度没有作用，建议混凝土临界保护层厚度取为2.6d。