带肋钢筋与超高延性水泥基复合材料的黏结性能

2022-03-23魏晋文许雪静余江滔

哈尔滨工业大学学报 2022年4期

余琼，魏晋文，张亮，许雪静，余江滔

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

普通混凝土具有很好的抗压性能，但受拉极易开裂，正常使用阶段混凝土的开裂会导致钢筋锈蚀、结构耐久性不足，在地震、爆炸等荷载作用下也可能出现脆性断裂，因此研究人员开展了高性能混凝土的制备试验。例如：1992年，Li等[1]将短纤维掺入胶凝材料、砂和水泥中，得到了具有明显应变硬化特征的复合材料ECC(engineered cementitious composites)。2001年，Li等[2]又研制成功了聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)，这些复合材料极限应变超过3%。Ranade等[3]研制的高强高延性混凝土(HSHDC)抗压强度大于150 MPa、拉伸应变在3%～4%，使得水泥基复合材料第一次同时实现高强度、高延性。

近年来国内学者关于高延性混凝土也已做了许多研究。高淑玲等[4]成功配制了PVA-ECC，徐世烺等[5]测得PVA-ECC极限拉应变达3.8%～4.2%，裂缝宽度控制在100 μm以内，且对缺口不敏感。陆洲导等[6]配制出了具有超高强度和超高延性的纤维混凝土(UHDCC)，平均拉伸应变超过8%，抗压强度在45.9～121.5 MPa。

高延性混凝土主要应用于结构维修、桥面板、隧道衬砌等领域，在抗震节点[7]、抗震阻尼器、拼装式剪力墙[8]等方面也有广泛应用前景。但目前高延性混凝土与带肋钢筋之间的黏结滑移性能的研究还比较少，仅徐世烺等[9]分析了钢筋与水泥基复合材料之间的黏结应力沿锚固长度的分布规律，得出黏结滑移本构关系；于明鑫等[10]进行了带肋钢筋与ECC黏结性能试验，仅研究了钢筋直径、锚固长度及纤维体积掺量对黏结应力-滑移曲线的影响。

本文进行了20组共45个试件的钢筋与UHDCC拉拔试验，考察了锚固长度、浇筑方式、保护层厚度、90°弯钩以及偏心锚固等对黏结强度的影响，同时也分析了UHDCC应力沿黏结长度的分布规律、带肋钢筋与UHDCC之间的黏结滑移机理，以期为高强水泥基复合材料在受力构件中的应用提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

UHDCC制备材料主要包括硅酸盐水泥、硅灰、矿粉、石英砂、水、聚乙烯(PE)纤维、减水剂等，表1为各材料粒径范围及配合比，表2为所用PE纤维的性能。

表1 UHDCC材料及配合比

表2 PE纤维性能

试验基准试件的外形和尺寸见图1。

图1 基准试件的外形和尺寸(mm)

第一批试验探索钢筋锚固长度和浇筑方式对黏结性能的影响。表3为第一批试件基本情况，试件为中心锚固，考虑了浇筑面平行钢筋轴向方向(梁构件)和浇筑面垂直钢筋方向(柱构件)两种浇筑方式，见图2。

表3 第一批试验试件基本情况

图2 浇筑方向示意

根据第一批试件试验结果，当试件锚固长度为6d、浇筑方式为垂直浇筑时黏结强度较高(详见2、3节)，故定义后续浇筑方式为垂直浇筑，研究保护层厚度时，锚固长度取6d。

表4为第二批试件基本情况，研究参数为钢筋直径、保护层厚度、锚固钢筋形状(直锚和弯锚)。

表4 第二批试验试件基本情况

本次试验采用HRB400月牙肋钢筋，钢筋力学性能见表5。

表5 钢筋材性试验性能

本文采用狗骨型平板试件[11]测试UHDCC抗拉性能。UHDCC混凝土需分多次制备，每次都保留3～5根狗骨试件，最后在20余根狗骨试件中选取标距段内裂缝得到充分开展的作为UHDCC材料的强度依据。

UHDCC的抗拉应力-应变关系与混凝土的应力应变明显不同[12]，UHDCC存在应变硬化现象，即在达到峰值荷载前一段相当长范围内，应变增加时，应力也会增大，其平均抗拉强度为9.05 MPa，是同等水泥标号(P.Ⅱ 52.5)对应的C50普通混凝土(ftk=2.64 MPa)的3.43倍，平均峰值应变为7%，是C50混凝土(εu= 0.01%)的700倍。

测得40 mm×40 mm×160 mm试件的三点弯曲平均抗折强度为18.0 MPa，50 mm×100 mm的圆柱体平均抗压强度为50.51 MPa。

1.2 加载装置

图3为试验装置示意，加载主要利用钢反力架，包含上层顶板(厚40 mm)、下层底板(厚30 mm，开槽，以观察试件开裂)及连接上、下层板的4根直径为20 mm的高强螺栓。

图3 试验装置及钢反力架示意

图4为引伸计、拉线式位移计的布置位置示意。试验共设置2个标距为20 mm的引伸计A、B，分别测量钢筋自由端和钢筋加载端的位移；设置2个拉线式位移计C、D，用于测量试件的横向膨胀率，分别放置在试件中部和下部。

图4 引伸计、拉线式位移计测点布置

试验通过测量钢筋两端的位移来得到黏结长度上的平均滑移量。从图4可看出，钢筋在UHDCC内的锚固段为CD段。由于自由端钢筋在加载过程中不受力，因此可认为自由端没有变形，所以可用A点引伸计测得的位移SF来代替C点位移。B点离加载端混凝土非常近，此段区间内钢筋变形可忽略。因此，可认为B点引伸计测得的位移SL为D点的位移。CD段滑移平均值S为

(1)

钢筋与UHDCC黏结段平均黏结应力τ为

(2)

式中d为钢筋直径，la为钢筋锚固长度。

为了消除加载速度对试验结果的影响，试验以1 mm/min的速度进行单调加载。

2 试验结果

2.1 试件破坏形式

图5为UHDCC试件出现的3种破坏形态：钢筋拔出破坏、钢筋拔出及UHDCC锥形破坏、钢筋屈服强化后拉断破坏，试件的具体破坏形态见表6。

表6 试件破坏类型

图5 UHDCC试件破坏类型

当锚固长度较小(4d～6d)时，一般出现钢筋拔出破坏，见图5(a)(中心锚固，钢筋周边几乎无裂缝)、5(b)(保护层厚度为30 mm时，直锚构件，钢筋周边出现裂缝)、5(c)(弯钩试件，钢筋周边裂缝多)。

锚固长度达6d～10d时试件发生钢筋及UHDCC锥形拔出破坏，见图5(d)(中心锚固)、5(e)(保护层厚度为30 mm时，直锚构件)、5(f)(弯钩试件)。

锚固长度较长(10d～12d)时，发生钢筋拉断破坏，见图5(g)、(h)，试件表面无裂缝。

图6为A组数据不同锚固长度试件的τ-s曲线，可以看出发生钢筋拔出破坏+钢筋拔出及UHDCC锥形破坏的试件(A3-2、A4-2、A5-1)，荷载达到最大值后即进入下降段，位移持续增加，荷载保持在一定水平并在较小的范围内波动(残余荷载)，此时是摩擦力起作用，观察完全拔出的钢筋，其肋间充满UHDCC混凝土碎屑。发生钢筋拉断破坏的试件钢筋变形小，最后钢筋拉伸断裂，试件积蓄的巨大能量在钢筋颈缩拉断瞬间被突然释放，发出巨大的响声。

图6 A组数据不同锚固长度试件的τ-s曲线

本试验中并未出现带肋钢筋与灌浆料拉拔试验中试件的脆性劈裂破坏[13]。这是因为纤维混凝土具有良好的横向约束作用，带肋钢筋与UHDCC混凝土间的黏结性能得以充分发挥，试件破坏模式为延性破坏。

3 试验结果分析

3.1 中心锚固时锚固长度对黏结性能的影响

定义钢筋锚固长度与钢筋直径之比la/d为相对锚固长度，图7为A组试件承载力、黏结强度随相对锚固长度变化趋势(A1组试件全部为拉断破坏，不参与拟合)。

图7 承载力、黏结强度随锚固长度的变化规律

图7(a)表明随着钢筋锚固长度增加，试件承载力逐渐增加。这是由于锚固长度增大钢筋与UHDCC的接触面增大，接触面上的机械咬合作用随之增强。

图7(b)表明当锚固长度从4d增大到6d，黏结强度有上升趋势；大于6d，黏结强度变化不大，这与余琼等[14]得出的“混凝土、灌浆料等脆性材料，锚固长度增大，黏结强度下降”不同。图8为灌浆料黏结强度随相对锚固长度的变化规律。

图8 灌浆料黏结强度随锚固长度的变化规律

对于混凝土、灌浆料等脆性材料，黏结应力沿钢筋纵向分布是不均匀的。当钢筋锚固长度较小时，高应力区段比较饱满，黏结强度τu与实际最大黏结应力τmax的比值较大；而当锚固长度较大时，距加载端较远处的钢筋黏结应力小，黏结应力分布不均匀性更加突出，黏结强度τu与实际最大黏结应力τmax的比值较小。而不同钢筋锚固长度的试件τmax的变化不大，因此随着钢筋锚固长度的增加，试件的平均黏结应力越来越小。

但UHDCC材料受拉时具有应变硬化的特性，即材料应变增加时，应力也会增大，故UHDCC的极限抗拉承载力相比于普通混凝土是持续增大的。在持续加载后，即使钢筋周围混凝土产生放射状裂缝，由于纤维约束，裂缝宽度非常小(短锚试件的裂缝甚至未能穿透保护层)，UHDCC材料仍能持续地承载，并对钢筋提供足够的约束作用。因此，锚固长度增加到10d时，黏结力增加或保持不变。

3.2 中心锚固时浇筑方式对黏结性能的影响

图9为(B组试件)不同浇筑方式与黏结强度的关系。可以看出，垂直浇筑成型的试件，平均黏结应力普遍高于平行浇筑的试件；而对普通混凝土，两种浇筑方式基本没有差异。这是由于两种浇筑方式影响了纤维分布, 纤维的成型方向会对钢筋与UHDCC的黏结性能产生影响。Hambach等[17]的研究指出碳纤维沿着混凝土的受力方向进行排列可以有效提高纤维混凝土的强度，邱明红等[18]研究表明采用平行纤维取向可以显著提高纤维混凝土的首次开裂荷载和峰值荷载，并能显著抑制裂缝宽度的扩展。而纤维混凝土中纤维的排列在浇筑时倾向平行于流动方向，当垂直浇筑时纤维排列倾向于与钢筋垂直，能有效约束钢筋径向的膨胀力，因此黏结强度增加。

图9 不同浇筑方式下黏结强度对比

3.3 保护层厚度对黏结性能的影响

图10为UHDCC及灌浆料的保护层厚度与试件的黏结强度关系图(均为中心锚固)，本文试验中UHDCC保护层厚度超过4.5d后，对黏结强度的影响不明显，而灌浆料的保护层厚度大于5.5d后对黏结强度才无明显影响。可见由于纤维拉结作用，UHDCC材料不受影响的最小保护层厚度降低。

图10 不同材料保护层厚度对黏结强度的影响对比

3.4 保护层厚度为30 mm时锚固长度对黏结性能的影响

保护层厚度30 mm的试件发生钢筋拔出或钢筋拔出及UHDCC锥形破坏。这主要是因为该组试件的保护层厚度偏小(2.5d)，黏结力的径向分量能使保护层开裂，黏结强度大幅降低。图11为保护层厚度30 mm工况下承载力、黏结强度随锚固长度的变化规律。

图11 保护层厚度30 mm时锚固长度与承载力及黏结强度关系

图11(b)偏心锚固(保护层厚度较薄)黏结强度变化规律与图8(b)中心锚固不同，锚固长度从4d到6d，试件从钢筋拔出破坏转变为钢筋拔出及UHDCC锥形破坏，黏结强度增大，此时UHDCC材料PE纤维的约束作用得以发挥；当锚固长度从6d增大到12d，试件从钢筋拔出及UHDCC锥形破坏转换到拉断破坏，黏结强度下降，这是因为保护层偏薄，UHDCC材料的应变硬化及约束作用减小，试件的黏结性能类似灌浆料。

3.5 保护层厚度为30 mm时90°弯钩对黏结性能的影响

工程中常常会在锚固钢筋的末端增设弯钩，以增大锚固的安全系数，抵御钢筋被拔出的风险。本文研究增设90°弯钩(4d)，考察其对承载力的提高作用。

3.5.1 直锚段相等时

图12为保护层厚度30 mm、弯钩工况下，直锚段锚固长度与承载力关系。短锚区段(4d～6d)的承载力增长速度大于中锚区段(6d～10d)。

图12 带90°弯钩的试件锚固长度-承载力关系

表7为直锚段相同时增设弯钩后承载力提升情况。当弯段钢筋(4d)与直段锚固钢筋(4d)等长时，承载力提升幅度可达67.78%。弯钩段长度一定时，随着直锚段长度增加，弯钩对承载力提升幅度减小。这主要是由于弯钩段钢筋有效起到抵抗滑移。对于短锚试件，钢筋与UHDCC较早黏结失效，产生滑移，弯钩能抵抗较多的滑移，极大地提升试件承载力；对于长锚试件，承载力增大，钢筋滑移量较小，因此弯钩抵抗的滑移量也相对减少，承载力增幅有限。

表7 直锚段等长时增设90°弯钩后承载力提升

图13为直锚段相等情况下弯钩组与直锚组荷载-滑移曲线对比，可以看出在不同的受力阶段，带弯钩试件直段钢筋的锚固力和弯钩段的锚固力的比例是变化的。

图13 直锚段相等情况下弯钩组与直锚组荷载-滑移曲线对比

在加载前期，由于弯钩控制滑移，弯钩组的滑移小于直锚组；达到峰值荷载后，由于弯钩的机械锚固作用，弯钩组荷载-位移曲线没有下降的趋势，承载力较稳定，而直锚组承载力迅速下降。

3.5.2 绝对锚固长度相等

图14为绝对锚固长度相等时直锚组与弯钩组荷载-滑移曲线对比。对于绝对锚固长度(实际埋入试件内的钢筋长度总和)相等的试件，直接锚固的试件承载力大于带90°弯钩的试件，故弯钩锚固不能等价直锚钢筋。在弯钩段长度均为4d时，弯钩组的直锚段越长，直锚组与弯钩组承载力相差越小，因此弯钩锚固必须保证其直锚段长度。