新型负泊松比高强钢筋与混凝土黏结性能的研究*

邵姝文 商怀帅 冯海暴 李永升 袁守涛

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033；2.中交一航局有限公司，天津 300456；3.青岛中航工程试验检测有限公司，山东青岛 266044)

推广和应用高强钢筋对建筑行业的节能减排意义重大，钢筋强度每提高100 MPa，可节约钢材用量10%左右[1]。关于高强钢筋的使用，国外开始的较早。近年来，我国学者也陆续开展了关于高强钢筋的试验研究。姚瑞研究了HRB500级钢筋与混凝土间的黏结性能，并分析了不同因素对黏结性能的影响，基于试验数据提出了黏结强度计算式及合理锚固长度[2]。管俊峰等对600 MPa级钢筋的力学性能及配置600 MPa级钢筋的梁构件抗裂性能进行了试验研究，并基于试验数据提出了600 MPa级钢筋的本构关系及配置600 MPa级钢筋的梁构件抗裂度计算式[3-4]。除此以外，文献[5-6]介绍了对630 MPa级高强钢筋及HTRB700钢筋的试验研究，给出了630 MPa级钢筋的低周疲劳性能及HTRB700钢筋的材料特性。

国内外学者对高强钢筋的研究已经较为深入，但目前国内研究应用的高强钢筋屈服强度普遍介于500～600 MPa，较发达国家仍存在差距，且普遍存在强度提高、延性降低的问题。除钢筋的强度和延性外，钢筋的耐腐蚀性能也是影响钢筋混凝土结构耐久性能的重要因素；但目前研究应用的高强钢筋，强度提高的同时，延性和耐腐蚀性能并未得到改善。

基于此，我国自主研发了一种新型负泊松比高强高延性耐腐蚀的钢筋——NPR钢筋；NPR钢筋与普通高强钢筋相比，除强度提高外，延性和耐腐蚀性能均得到了改善。但目前关于NPR钢筋的研究国内外均鲜有报道。作为新型钢筋，当其应用于混凝土结构时，其与混凝土的黏结性能是否与普通钢筋、高强钢筋及各类FRP筋与混凝土间的黏结性能相似，需通过试验研究确定。故开展NPR钢筋与混凝土间的黏结性能研究，可为NPR钢筋应用于混凝土结构提供参考。

1 NPR钢筋简介及静载拉伸试验

NPR钢筋与普通钢筋相比主要有以下特点：1)NPR钢筋中Mn元素含量高达10.7%，Mn元素对提高钢材的强度、硬度、韧性及热加工性能有积极作用；此外，NPR钢筋中Ni 、Cr、Cu微量元素含量高于普通钢筋，使其耐腐蚀性能提高，NPR钢筋的化学成分及含量如表1所示。2)由于其特殊的退火保温工艺，NPR钢筋在常温下为全奥氏体材料，奥氏体具有无磁、韧性高、塑性好等优点，同时全奥氏体的单相组织比其他复相组织材料的耐腐蚀性更高，NPR钢筋的金相组织如图1所示。3)NPR钢筋外表面为连续均匀分布的凸起螺旋肋，通体横截面积相等；其特殊的表面形式实现了高均匀、大变形的特性，同时解决了月牙肋钢筋在拉伸时由于肋根部应力集中而出现剪切断裂，断裂延伸率不可控等问题。

图1 NPR钢筋的金相组织Fig.1 Metallographic structure of NPR rebars

表1 NPR钢筋的化学成分及含量Table 1 Chemistry and contents of NPR rebars %

采用300 kN的电液伺服万能试验机对NPR钢筋进行了室温下拉伸试验。NPR钢筋的拉伸试验数据如表2所示，其应力-应变曲线如图2所示。从表2和图2可以看出：1)不同直径NPR钢筋的应力-应变曲线趋势基本相同，其屈服平台消失，无明显屈服强度。2)对于直径为8 mm的两种钢筋，HRB400钢筋的屈服强度和极限强度仅为NPR钢筋的61.33%和63.74%，NPR钢筋的断后伸长率和最大力总伸长率较HRB400钢筋分别提高了78.11%和125.60%。3)对于直径为18 mm的两种钢筋，NPR钢筋的屈服强度、极限强度、断后伸长率及最大力总伸长率较HRB400钢筋分别提高了50.80%、42.42%、44.10%和87.86，表明NPR钢筋具有更高的强度和延性。

HRB400(18 mm);HRB400(8 mm);NPR(18 mm);NPR(8 mm)。图2 应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves

2 中心拔出试验

2.1 试验材料

2.1.1钢 筋

试验选用直径为8，18 mm的NPR钢筋和HRB400级普通月牙纹钢筋，钢筋力学性能指标如表2所示，外形如图3所示，参数如表3～4所示。

mm

表2 不同类型钢筋的力学性能Table 2 Mechanical properties of different rebars

无明显屈服平台的钢筋，其屈服强度取残余变形为0.2%时对应的强度值。

a—NPR钢筋；b—普通钢筋。图3 钢筋示意Fig.3 Schematic diagrams of rebars

表3 普通钢筋外形参数Table 3 Shape parameters of conventional rebars

表4 NPR钢筋外形参数Table 4 Shape parameters of NPR rebars

螺旋槽数为沿钢筋全长连续均匀分布的螺旋肋数量。

2.1.2海工混凝土

为了更贴合工程实际，试验选用中交一航局第二工程有限公司预制分公司生产的海工混凝土，其强度等级为C30，抗冻等级为F250；水泥选用山铝P·O 42.5R水泥；粗骨料选用连续级配为5～25 mm的碎石，其堆积密度为1 789 kg/m3，表观密度为2 670 kg/m3，含泥量低于1.5%；细骨料选用青岛市河沙，其细度模数为3.1，含泥量低于2.0%；拌和水选用青岛市自来水。此外还掺有引气剂、矿粉、高性能减水剂等，由于引气剂等外加剂的加入，使海工混凝土的抗冻及抗渗性能与普通混凝土相比大幅度提高。海工混凝土具体配合比如表5所示，其材料性能如表6所示。

表5 海工混凝土配合比Table 5 Proportion of marine concrete mix kg/m3

表6 海工混凝土材料性能指标Table 6 Material property indexes of marine concrete

2.2 试件制备

试验共设计24组尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm的中心拔出试件，钢筋选取NPR钢筋和普通钢筋、钢筋直径为8，18 mm、黏结长度为5d和7d(d为钢筋直径)。试件编号由3部分组成，钢筋种类和直径-黏结长度-混凝土强度等级。例如，N18-5d-30表示：直径为18 mm的NPR钢筋，其与强度等级为C30的混凝土黏结长度为5d。

在浇筑前，为防止边界效应的影响，在加载端和自由端分别设置聚氯乙烯管，并通过调整聚氯乙烯管位置来设置黏结长度；通过缠绕泡沫状的双面胶固定聚氯乙烯管和钢筋的相对位置，同时为防止砂浆流入聚氯乙烯管与钢筋之间的空隙，进而影响黏结强度，采用树脂将聚氯乙烯管两端封堵；自由端钢筋预留长度为100 mm，加载端预留350 mm，试件详图如图4所示。浇筑24 h后拆模，然后将试件放入标准养护室养护28 d。

图4 中心拔出试件 mmFig.4 Details of central pull-out specimens

2.3 试验设备及加载方案

中心拔出试验在600 kN的电液伺服万能试验机上进行，试验通过在加载端设置荷载传感器和位移计来采集荷载及加载端滑移，试验采用力控制加载模式，加载速率为0.1 kN/s，直至试验结束；试验过程中若出现混凝土劈裂或加载端滑移超过36 mm时停止加载，试验装置如图5所示。

图5 试验加载装置Fig.5 The test loading device

3 试验结果和分析

3.1 试验现象及破坏形态分析

试验结果表明，钢筋类型对破坏形态无明显影响，试验主要发生钢筋拔出破坏和混凝土劈裂两种破坏模式(表7)。直径8 mm的两种钢筋均发生拔出破坏，直径18 mm的两种钢筋均发生混凝土劈裂破坏；其中劈裂破坏是由于钢筋肋作用在混凝中产生的环向拉应力的横向分力大于混凝土的抗拉强度，而在混凝土的薄弱部位产生裂缝，裂缝随荷载的增大不断扩展，最终因混凝土能力不足而发生的破坏，劈裂破坏所得黏结强度小于钢筋与混凝土的实际极限黏结强度。发生劈裂破坏的试件至少产生一条贯穿裂缝，且普通钢筋试件的裂缝发展情况较NPR钢筋试件严重，裂缝宽度稍大于NPR钢筋试件(图6a)；从破坏面可见混凝土黏结段的钢筋凹槽明显，凹槽前有摩擦痕迹且有少量被挤碎的碎屑，普通钢筋凹槽的摩擦现象较NPR钢筋严重(图6b)；发生劈裂破坏的钢筋肋表面基本无磨损，钢筋肋间残留混凝土碎屑，且普通钢筋肋间碎屑较NPR钢筋更多(图6c)。出现以上劈裂现象的原因是：NPR钢筋的肋高较普通钢筋低，其肋对混凝土的斜向挤压力更小，从而使得斜向挤压力的径向分力更小，裂缝开展更慢，破坏现象更轻。

表7 中心拔出试验结果Table 7 Results of central pull-out test

a—混凝土裂缝；b—钢筋凹槽；c—钢筋表面形态。图6 试件劈裂破坏形态Fig.6 Fracture failure modes of specimens

当荷载较小时，黏结力主要由化学胶着力提供；随荷载的增加，加载端胶着力逐渐破坏，抗力主要由钢筋肋与混凝土间机械咬合力和摩擦力提供；接近破坏时，钢筋肋间混凝土被磨平(图7a、7b)，钢筋肋表面也出现磨损现象(图7c)。由于NPR钢筋表面形式的影响，使得其与混凝土间的机械咬合力和摩擦力较小，因此NPR钢筋凹槽及肋表面磨损情况与普通钢筋试件相比较轻。

a—NPR钢筋凹槽；b—普通钢筋凹槽；c—钢筋表面形态。图7 试件拔出破坏形态Fig.7 Pull-out failure modes of specimens

3.2 黏结强度

平均黏结应力按(1a)式计算，加载端黏结滑移的计算见式(1b)。

(1a)

s=s1-Δs

(1b)

式中：τ为平均黏结应力；F为拉拔力；d为钢筋直径；la为黏结长度；s为加载端黏结滑移值；s1为加载端实际滑移值；Δs为垫板表面至位移计架立处钢筋伸长量；l为图5中位移计架立处至试件底面的垂直距离；E为钢筋弹性模量；A为钢筋计算截面面积。

3.2.1钢筋直径对黏结强度的影响

钢筋直径对黏结强度的影响随黏结长度的不同而变化。如图8所示，黏结长度为5d的N18试件、P18试件比N08试件、P08试件的黏结强度分别提高了43.9%、66.24%；黏结长度为7d的N18试件、P18试件，其黏结强度分别为11.31,12.62 MPa，比N08试件、P08试件的黏结强度分别降低了2.16%、7.82%。研究[7-8]表明：钢筋与混凝土的黏结强度随钢筋直径的增大而减小，主要是由于钢筋直径增大，其相对肋高降低，导致钢筋与混凝土间的机械咬合力降低，从而使黏结强度减小。一些学者也指出将相对肋面积(NPR钢筋的相对肋面积为：螺旋肋在其垂直平面的投影面积/钢筋周长与螺旋肋宽的乘积)作为评价黏结强度的关键因素[8-9]，直径18 mm的两种钢筋相对肋面积较直径8 mm钢筋有所提高；除此以外，对于直径8 mm钢筋，当黏结长度为5d时，相对黏结面积(钢筋黏结面积与钢筋拉应力之比)较小，最终导致黏结长度为5d、钢筋直径为8 mm的两种钢筋试件在较小荷载下发生黏结破坏。尽管试验结果存在离散性，但总体而言，NPR钢筋和普通钢筋在不同直径下对黏结强度的影响规律相似。

3.2.2黏结长度对黏结强度的影响

对于直径为18 mm的两类钢筋，黏结强度随黏结长度的增大而降低，P18-7d试件黏结强度为P18-5d的74.06%；N18-7d试件黏结强度为N18-5d的82.92%。而对于直径为8 mm的两类钢筋，P08-7d和N08-7d试件的黏结强度比P08-5d和N08-5d试件分别提高了33.56%、21.94%(图8)，说明黏结强度随黏结长度的增加而提高。出现这种现象的原因是：对于直径8 mm钢筋，黏结长度由5d增加到7d，钢筋与混凝土的黏结锚固长度变化范围不大，使得试验结果与黏结强度随黏结长度增加而降低的普遍规律不同[7,10-11]；同时，黏结长度由5d增加到7d，钢筋与混凝土的相对黏结面积增大，使得两种钢筋试件的黏结强度有所提高。

N08;P08;N18;P18。图8 黏结强度的对比Fig.8 Comparisons of bond strength

3.2.3钢筋类型对黏结强度的影响

NPR钢筋表面有多条凸起的、均匀分布的螺旋肋，且螺旋肋沿钢筋轴向延伸设置，其特殊的表面形式可实现高均匀大变形的需求，同时对NPR钢筋的黏结性能也有明显影响。如图8所示，对于直径为8 mm的两种钢筋，黏结长度为5d、7d时，N08试件的黏结强度比P08试件分别降低了7.51%、15.56%；对于直径为18 mm的两种钢筋，黏结长度为5d、7d时，N18试件的黏结强度比P18试件分别降低了19.95%、10.38%。NPR钢筋外表面的螺旋肋和混凝土间的机械咬合力与普通月牙肋钢筋相比有所降低，从而导致直径和黏结长度相同时，NPR钢筋的黏结强度与普通钢筋试件相比有不同程度的降低。

3.3 黏结应力-滑移(τ-s)曲线

NPR钢筋混凝土试件的黏结滑移破坏模式及受荷载作用下的表现与普通钢筋高强混凝土[12]、FRP筋普通混凝土[13-14]、FRP筋珊瑚混凝土[15]、及环氧涂层钢筋普通混凝土[16]基本相似。根据NPR钢筋混凝土试件的破坏模式及加载端黏结应力-滑移(τ-s)曲线(图9、图10)，可以将其受力过程分为微滑移阶段、滑移阶段、下降阶段、残余阶段；对于劈裂破坏的试件只存在前两个阶段。

N08;P08;N18;P18。图9 5d黏结长度的τ-s曲线Fig.9 The τ-s curves for specimens with bond length of 5 times the diameter of rebars

N08;P08;N18;P18。图10 7d黏结长度的τ-s曲线Fig.10 The τ-s curves for specimens with bond length of 7 times the diameter of rebars

微滑移阶段：黏结力主要由化学胶着力提供，试件受力较小，加载端有微小滑移，τ-s曲线成线性变化；普通钢筋在此阶段的微滑移与NPR钢筋相比略大。

滑移阶段：随荷载的不断增加，黏结力主要由机械咬合力和摩擦力提供。NPR钢筋与普通钢筋相比，其加载端滑移明显增大，τ-s曲线的斜率明显降低，这是由于NPR钢筋表面凸起的螺旋肋和混凝土间的机械咬合力与普通月牙肋钢筋相比略低，从而导致滑移增大，反映在τ-s曲线上表现为其增长趋势变缓。

下降阶段：黏结应力达到峰值后，由于钢筋肋间混凝土被磨碎，使得机械咬合力迅速降低，同时由于钢筋肋被磨损，摩擦力也开始降低，从而导致黏结应力迅速减小，加载端滑移持续增大，τ-s曲线进入下降段。此阶段的黏结力仍由机械咬合力和摩擦力提供，由于NPR钢筋的机械咬合力和摩擦系数较小，使得其τ-s曲线的下降段与普通钢筋相比更长，黏结应力下降更多，滑移发展更快。

残余阶段：下降段结束后，τ-s曲线进入残余阶段。此时黏结力并没有消失，而是由于变形肋的机械咬合力和摩擦力共同作用使τ-s曲线进入下一个“滑移阶段-下降阶段-残余阶段”的循环过程，直至钢筋拔出。

4 结束语

1)NPR钢筋由于化学成分及含量、金相组织、表面形式的改变，使其在强度、硬度、延性及耐腐蚀性等方面表现出比普通钢筋更优越的性能；不同直径NPR钢筋的应力-应变曲线趋势基本相同，其屈服平台消失，无明显屈服强度。

2)钢筋类型对黏结破坏形式无明显影响，直径为8 mm的两种钢筋均发生拔出破坏，直径为18 mm的两种钢筋均发生劈裂破坏。

3)其他条件相同时，直径和黏结长度对两种钢筋黏结强度的影响规律类似，即黏结长度为5d的两种钢筋试件，其黏结强度均随直径的增大而增大；而黏结长度为7d时，两种钢筋的黏结强度均随直径的增大而减小。N08、P08试件的黏结强度随黏结长度的增大而增大，N18、P18试件的黏结强度随黏结长度的增大而减小。直径和黏结长度相同时，NPR钢筋的黏结强度较普通钢筋试件偏低，降低值介于7.51%～19.55%，平均值在13.35%左右。

4)NPR钢筋的τ-s曲线可分为微滑移阶段、滑移阶段、下降阶段、残余阶段，其下降段与普通钢筋试件相比略有差异。