ECC与钢筋黏结性能试验研究

2022-04-06翟可仪张耀文姜海波梅塨镛黄梓槺

广东工业大学学报 2022年2期

翟可仪，叶明，张耀文，姜海波，肖杰，梅塨镛，黄梓槺

（1. 广东工业大学土木与交通工程学院, 广东广州 510006；2. 广州市北二环交通科技有限公司, 广东广州 510062；3. 广东三和管桩股份有限公司, 广东中山 528414）

工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite, ECC)是由美国密歇根大学的LIVC教授和麻省理工大学的Leung CKY教授基于断裂力学和微观力学原理发明的一种具有优异拉伸变形性能的水泥基复合材料[1]。大量研究表明，ECC具有显著的应变硬化特征，轴向拉伸试验中，测得极限拉应变范围为3%～8%，充分地发挥了纤维的韧性作用[2]。而且ECC还具有优异的裂缝控制能力，将其应用于实际工程可显著改善结构构件的力学性能。

而ECC混凝土与钢筋是否具有良好的黏结锚固性能是对两者进行工程应用与设计的基本问题之一，它对于ECC结构中钢筋的锚固搭接等工程问题的解决具有十分重要的意义。另一方面，随着有限元分析的发展，需要先对其黏结滑移本构关系进行确定，才能更好地模拟ECC与钢筋的黏结性能。然而，ECC在配置过程中缺少粗骨料，使得ECC与普通混凝土的物理力学性能具有一定的差异性，已有的关于钢筋混凝土黏结性能方面的研究是否适用于ECC与钢筋的研究还有待验证[3-5]。因此，研究钢筋与ECC间的黏结锚固性能关系具有重要的理论与实际意义。

Deng[6]等进行了普通钢筋混凝土和配筋ECC黏结性能的对比分析，得出配筋ECC极限黏结强度为普通混凝土的1.71倍。Cai[7]等提出了一种考虑钢筋肋高的有限元分析模型。王洪昌[8]通过梁式黏贴试验和拉拔试验的分析研究，提出了HRB335级钢筋与ECC的锚固长度建议值。本文通过拉拔试验来探讨ECC与钢筋间的黏结性能，揭示两者间的黏结滑移破坏形态及相应的滑移机理，进而得到纤维掺量、锚固长度、保护层厚度等变量对其两者的影响规律，从而为完善ECC与钢筋间的黏结滑移理论提供一定的实验基础。

1 试验方法

1.1 实验原材料

水泥：采用广州市某水泥厂的石井牌P·O42.5R级普通硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅰ级高钙粉煤灰；细骨料A1：广西某沙场生产的不同粒径石英砂按50%比例混搭，粒径为100目和200目；细骨料 A2：粒径小于3 mm的精细砂；减水剂：江门市某厂生产的聚羧酸高效减水剂，减水率可达20%；PVA纤维：日产的K−Ⅱ可乐纶纤维，主要化学成分为聚乙烯醇，性能指标如表1 所示；钢筋：广州东圃区聚洪钢材加工厂的光圆钢筋和螺纹钢筋两类钢筋，钢筋的基本力学性能如表2所示，其中R表示光圆钢筋。

表1 PVA纤维的基本特性Table1 Basic characteristics of PVA fiber

表2 钢筋性能指标Table2 Rebar performance index

1.2 试件设计与制作

根据试验的目的，考虑4个主要参数：钢筋的类别、纤维掺量、黏结锚固长度、保护层厚度。因此本试验设计12组即36个立方体中心拉拔试件，试件设计如图1所示，试件模具制作采用木模板。在试件加载端附近设置PVC管非黏结区域以防止试件加载端会局部受压导致立方体试件内钢筋端部应力与其附近应力水平相差较大。试件中改变PVC管长度以改变黏结长度，保护层厚度通过改变试件尺寸来实现。

图1 拉拔试件Fig.1 Pull-out specimens

1.3 加载与测试

拉拔实验使用DDL300 吨万能试验机，试验采用位移控制进行加载，速率为0.5 mm/min。采用图2所示的加载装置，仪器顶部设置有偏心球铰以避免钢筋的偏心误差。加载时上部框架固定，下夹具夹住钢筋一起向下下降，直至试件达到破坏的状态。试验时在试件自由端与其上表面处均放置位移计，以测量钢筋与试件自由端的相对滑移，位移计数据通过晶明采集仪进行采集，频率为1 Hz。试验过程发生试件破坏、钢筋屈服或钢筋拔出，立即停止试验。

图2 加载装置Fig.2 Loading device

根据文献[9]，CD段为实际锚固长度；试验过程中，自由端DE段钢筋不会发生太大的变形，可忽略其变形对自由端位移的影响，因此计算自由端滑移量Sf时可采用自由端位移计所量测的位移；而AC段钢筋处于受力较大位置且钢筋较长，此区段钢筋发生的变形不可忽略，故计算加载端滑移量Su时应减去该段钢筋的变形。

AC段钢筋的变形

式中：ES和AS为钢筋弹性模量和钢筋截面积，LAC为AC段的长度，P为拉拔力。

则加载端实际滑移量Su为

Su=SZ−SAC

式中：SZ为试验机测得的钢筋实际滑移量。

从而可得出整个黏结段滑移量的计算公式为

计算钢筋与ECC基体在黏结长度范围内的黏结强度τ 的公式为

式中：d为钢筋的直径，la为锚固长度。

2 拉拔实验结果及分析

2.1 破坏形态

本次12组拉拔试件的破坏形式如表3所示，从表中可以看出ECC与钢筋之间的失效模式主要是剪切破坏与钢筋屈服。对于剪切破坏试件，当荷载达到一定值时，试件中的钢筋被拔出且伴随多条贯通裂缝，光圆钢筋全都是这类破坏形式，带肋钢筋的试件中部分也发生此类破坏形式。而对于钢筋屈服破坏试件，随着力的增加，钢筋首先达到屈服点而后被拔出致使试件被剪切失效或者混凝土劈裂失效。其中表3试件编号的意义为：表中每组试件的滑移量和平均黏结应力为此组3个试件试验结果的平均值，其中滑移量取自由端滑移量Sf，即采用试件自由端钢筋处位移计测量的数据减去两侧混凝土上表面位移计测量数据的平均值。

表3 试件设计及结果Table3 Specimen design and results

2.2 PVA纤维体积掺量对黏结性能的影响

对于钢筋直径16 mm、锚固长度80 mm、纤维体积掺量分别为1.0%、1.5%、2.0%的试件的平均黏结应力−滑移曲线见图3。从图3可以看出，PVA纤维的体积掺量从1.0%增大到2.0%，相应的极限黏结应力也显著提高。这是因为纤维掺量较低时混凝土中PVA纤维所提供的拉拔作用较小，此时混凝土的整体抗拉能力较低，对应黏结应力处于较低状态。对于P1.5−16−80试件，其对应的黏结应力比P1−16−80试件提高39.9%。当纤维体积掺量为2.0%时，其对应的黏结应力比纤维体积掺量为1.5%的试件提高20.6%，这说明纤维掺量的提高可以更好地发挥纤维的桥接作用，增强基体的整体性。

图3 不同纤维掺量的黏结滑移曲线Fig.3 Bond-slip curves of different fibercontent

2.3 相对保护层厚度对黏结性能的影响

本试验通过改变相对保护层厚度c/d来测试其对黏结性能的影响。根据已有研究，本文主要考虑相对保护层厚度c/d＞5和相对保护层厚度c/d＜5两种类型参数，故构件尺寸大小分别为150 mm×150 mm、160 mm×160 mm和200 mm×200 mm，对应选取直径分别为12，16，20 mm的钢筋，此时相对保护层厚度分别为5.75，4.5，4.5。如图4所示。

图4 不同保护层厚度的黏结滑移曲线Fig.4 Bond-slip curves of different cover depth

值得一提的是，本次拉拔结果均为剪切破坏，所不同的是c/d＞5的试件发生的是钢筋屈服后的剪切破坏，c/d＜5发生的是内部混凝土机械咬合齿被剪断的剪切破坏。

2.4 锚固长度对黏结性能的影响

本实验选取直径为16 mm的光圆钢筋和带肋钢筋来研究锚固长度对黏结性能的影响，锚固长度设置为60，80，100 mm，试件中改变PVC套管长度以实现改变黏结锚固长度。

图5(a)为带肋钢筋的黏结滑移曲线，从图中可以看出，其他条件保持一致时，增大内部锚固长度并不会使极限黏结强度减小，然而试件破坏模式会从剪切发展为钢筋屈服破坏，这与其他学者得出的结论不一致[10-11]。究其原因可能是对于直径16 mm的带肋钢筋，锚固长度为60 mm和80 mm时，拉拔力还未达到钢筋极限抗拉强度就发生内部混凝土机械咬合齿被剪断破坏，当锚固长度增大到100 mm，此时对应的拉拔力使钢筋达到屈服点而发生钢筋屈服破坏。

图5 光圆和带肋钢筋不同锚固长度的黏结滑移曲线Fig.5 Bond-slip curves of smooth circular and ribbed steel bars with different embedment lengths

图5(b)为光圆钢筋在不同锚固长度下的黏结滑移曲线，从图中可以看出，不同锚固长度下的滑移量基本一致，锚固长度为80 mm的比锚固长度为60 mm的极限黏结应力小，这与其他学者得出的结论一致[12]。但是在100，80，60 mm 3个锚固长度下的极限黏结应力，锚固长度为100 mm的极限黏结应力最大。这可能是因为随着锚固长度从80 mm增加到100 mm，黏结区域变大，要使界面发生破坏需要更大的拉拔力，而拉拔力的增长比率远大于黏结面积的增长比率，最终试件极限黏结应力表现出增大的趋势。