PVA纖維灌漿料黏結(jié)錨固性能試驗(yàn)研究

朱方之 馬志鳴 左工 高立

（1宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800；2揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

作為裝配式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，工程上預(yù)制構(gòu)件的縱筋通常采用套筒灌漿連接，鋼筋通過灌漿料和套筒的共同作用傳力。其中，水泥基灌漿料的強(qiáng)度和韌性是地震作用下接頭可靠性、耗能能力的關(guān)鍵影響因素。目前，國內(nèi)外學(xué)者對水泥基灌漿料的性能研究較多[1-3]，對水泥基灌漿料中摻入PVA纖維進(jìn)行增強(qiáng)增韌改性的研究較少。張曉平等[4]研究認(rèn)為聚丙烯纖維摻量在0.1%以內(nèi)時(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度和抗裂性隨其摻量的增加而提高，摻量＞0.15%時(shí)，力學(xué)強(qiáng)度開始降低。鄭和暉等[5]選用鋼纖維配制一種的高性能纖維增強(qiáng)灌漿材料，用于組合梁鋼混連接，縮短現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間，提高鋼混結(jié)合質(zhì)量。朱清華等[6]研究PVA纖維對灌漿料工作性、鋼筋在套筒內(nèi)的錨固性能的影響，結(jié)果表明，PVA纖維的摻入，降低了水泥基灌漿料的擴(kuò)展度，但能夠大大提高灌漿料對不銹鋼鋼筋的錨固作用。

此外，黃加圣等[7]研究了聚乙烯醇纖維混凝土的長期力學(xué)性能，結(jié)果表明，與基準(zhǔn)混凝土相比，聚乙烯醇纖維混凝土的抗壓、劈拉和抗折強(qiáng)度有一定幅度的提升，聚乙烯醇纖維更有利于低水膠比混凝土長期力學(xué)性能的增長。鄧宗才等[8]研究認(rèn)為，PVA纖維可顯著提高混凝土抗彎韌性和變形能力，最終使混凝土由脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹Ｖ旒样i等[9]研究鋼-聚乙烯醇混雜纖維混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，隨著混雜纖維體積率的增大，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能逐步提高，但是水泥基灌漿材料中沒有粗骨料，摻入PVA纖維后與鋼筋的黏結(jié)性能是否等同于混凝土，還需要進(jìn)一步研究。

本文在滿足灌漿料工作性和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，選用3mm、6mm長度PVA纖維，按照體積摻量0.15%和0.3%，制作4組12個(gè)變形鋼筋-灌漿料拉拔試件，通過中心拉拔試驗(yàn)，分析鋼筋與PVA纖維水泥基灌漿料間的黏結(jié)-滑移規(guī)律，為改善套筒鋼筋連接接頭性能及套筒接頭的有限元分析提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 聚乙烯醇（PVA)纖維

以高聚合度的聚乙烯醇為原料，采用特定技術(shù)加工的一種合成纖維。纖維表面粗糙多孔，在水泥基集料中分散均勻，并與水泥基集料產(chǎn)生良好的結(jié)合力。其性能指標(biāo)如下：直徑15.1μm,密度1.3g/cm3，彈性模量40.1GPa,抗拉強(qiáng)度1620MPa,斷裂伸長率6.9%，抗酸堿性好。

1.2 灌漿料

試驗(yàn)所用灌漿料為上海某公司生產(chǎn)的超高強(qiáng)微膨脹灌漿料，成分以無機(jī)膠凝材料和高強(qiáng)細(xì)骨料為主。灌漿料的抗壓強(qiáng)度根據(jù)GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，40mm×40mm×160mm棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試塊測得。

表1 鋼筋的力學(xué)參數(shù)

1.3 鋼筋

試驗(yàn)使用HRB400級鋼筋，通過拉伸試驗(yàn)得到基本力學(xué)指標(biāo)見表1。

1.4 試件設(shè)計(jì)

中心拉拔試件如圖1所示。鋼筋加載端設(shè)置一無黏結(jié)段。試件澆筑前，用直徑稍大于鋼筋直徑的PVC塑料管套住無黏結(jié)部位，對塑料管端部進(jìn)行密封，防止灌漿料進(jìn)入管內(nèi)。黏結(jié)段長度Ld采用6倍鋼筋直徑，鋼筋的保護(hù)層厚度為45mm。

圖1 鋼筋拉拔試件示意

1.5 拉拔試驗(yàn)

中心拉拔試驗(yàn)在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)（極限拉力250kN)上進(jìn)行，拉拔試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

安裝時(shí)將鋼筋穿過加載架下部鋼板與試驗(yàn)機(jī)下夾頭相連，上部通過一個(gè)連接件與試驗(yàn)機(jī)上夾頭相連。與試件接觸的鋼板與加載架鋼板之間是凹凸面接觸，保證底部為鉸接約束。采用1mm/3min的位移控制加載，直至灌漿料劈裂或鋼筋被拉斷。

圖2 拉拔試驗(yàn)加載裝置示意

如果忽略灌漿料變形，自由端位移計(jì)測得數(shù)據(jù)即為自由端滑移sF,加載端位移計(jì)測得數(shù)據(jù)扣去鋼筋加載端非滑移變形即為加載端滑移sL。文中鋼筋與灌漿料黏結(jié)滑移按式（1）計(jì)算。

鋼筋與灌漿料之間的黏結(jié)應(yīng)力沿長度方向是變化的，通常采用平均黏結(jié)強(qiáng)度作為研究鋼筋黏結(jié)性能的基本指標(biāo)，按式（2）計(jì)算。

式中：F為鋼筋的拔出荷載；d為鋼筋的直徑；Ld為鋼筋的黏結(jié)長度。

2 結(jié)果與分析

2.1 PVA纖維對灌漿料流動(dòng)性的影響

PVA纖維灌漿料初始流動(dòng)度和30min流動(dòng)度數(shù)據(jù)見表2。可以看出，在灌漿料中摻入PVA纖維，灌漿料的流動(dòng)度均有下降。相對于未摻加纖維的灌漿料拌合物流動(dòng)度，體積摻量為0.15%時(shí)，初始流動(dòng)度分別降低4.5%（纖維長度3mm)和8.2%（纖維長度6mm)；體積纖維摻量為0.3%時(shí)，初始流動(dòng)度降低10.3%（纖維長度3mm)。30min后，無論是否摻加纖維，灌漿料的流動(dòng)度均有一定程度的降低。這表明PVA纖維摻量越大，直徑越長，對灌漿料流動(dòng)性阻礙作用也越大。其作用機(jī)理是PVA纖維表面的羥基親水官能團(tuán)使得水分在其表面富集，灌漿料顆粒間潤滑作用水分減少；同時(shí)，纖維的雜亂分布以及纖維表面與水泥顆粒的摩阻作用，均導(dǎo)致拌合物流動(dòng)阻力增大。經(jīng)過一段時(shí)間后，PVA纖維表面水泥顆粒水化較快，水化產(chǎn)物粘附于纖維表面，加劇了拌合物流動(dòng)阻力。流動(dòng)度測試時(shí)，需要再次強(qiáng)制攪拌，才能恢復(fù)較好的流動(dòng)性。

表2 PVA纖維灌漿料流動(dòng)度（/mm)

2.2 PVA纖維對灌漿料力學(xué)性能的影響

PVA纖維灌漿料受壓破壞后的形狀類似于普通砂漿試塊，呈錐形破壞形態(tài)。未摻加纖維的試塊，達(dá)到受壓極限荷載時(shí)，表面脆性剝落明顯；摻加纖維的試塊，在達(dá)到峰值荷載時(shí)，表面有碎片剝落，部分與椎體仍有一定的相連，脆性有一定程度的降低，如圖3所示。

圖3 PVA纖維灌漿料試塊受壓破壞形態(tài)

表3 PVA纖維灌漿料抗壓強(qiáng)度（/MPa)

PVA纖維水泥基灌漿料1d、3d和28d的抗壓強(qiáng)度如表3所示。結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，灌漿料抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)1d和3d有降低，28d抗壓強(qiáng)度有所提高的趨勢，但均能滿足灌漿料抗壓強(qiáng)度不低于85MPa的性能指標(biāo)要求。纖維摻量和長度對灌漿料28d抗壓強(qiáng)度影響不大。

2.3 PVA纖維對鋼筋與灌漿料黏結(jié)性能的影響

2.3.1 拉拔試件破壞類型

試驗(yàn)的4組試件均發(fā)生鋼筋屈服后灌漿料劈裂破壞（每組3個(gè)試件破壞形態(tài)一致），如圖3所示。可以看出，PVA-0-0 組和PVA-3-0.15 試件劈裂面上鋼筋肋狀齒形保持完整，橫肋前灌漿料未現(xiàn)擠碎破壞。PVA-3-0.3組試件劈裂面上，9個(gè)鋼筋肋前灌漿料中，靠近加載端的2個(gè)肋前灌漿料擠碎嚴(yán)重，距加載端較遠(yuǎn)的2個(gè)肋前灌漿料僅是輕微刮擦。PVA-6-0.15組試件與PVA-3-0.3組有相似的破碎情況。表明鋼筋在拔出過程中，滑移是自加載端向自由端逐步發(fā)展。

圖4 中心拉拔試件破壞形態(tài)

一般認(rèn)為，帶肋鋼筋與灌漿料的黏結(jié)力仍由鋼筋與灌漿料接觸面的化學(xué)膠結(jié)力、摩擦力和機(jī)械咬合力三部分組成，但主要是變形鋼筋表面突出肋與灌漿料間的機(jī)械咬合力做貢獻(xiàn)。當(dāng)鋼筋受拉時(shí)，鋼筋肋前灌漿料受到斜向擠壓力，如圖5所示，可分解為軸向和徑向應(yīng)力分量，其中軸向應(yīng)力分量使得鋼筋肋前灌漿料受剪，徑向應(yīng)力分量則在灌漿料基體中產(chǎn)生環(huán)向拉力。當(dāng)環(huán)向拉力足夠大，劈裂裂縫一般從鋼筋縱肋處開始向外部發(fā)展，最后形成一道主劈裂裂縫，伴隨著一聲較大的響聲，試件突然劈裂成2～3塊，呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。

圖5 帶肋鋼筋與灌漿料黏結(jié)作用

2.3.2 鋼筋與灌漿料-黏結(jié)滑移曲線

PVA纖維長度3mm和6mm試件的荷載-滑移曲線如圖6所示。與普通混凝土-鋼筋拉拔試件一樣，PVA纖維灌漿料-鋼筋的滑移過程分為兩段，即微滑移段和滑移劈裂段。因試件均為鋼筋屈服后的脆性劈裂破壞，滑移曲線未出現(xiàn)下降段。

圖6 荷載-滑移曲線

微滑移段：在加載初期，拉拔荷載增長較快，滑移值增長相對較慢。荷載-滑移曲線基本呈線性關(guān)系。鋼筋肋前灌漿料受到擠壓，并產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，但對灌漿料的損傷不大，PVA纖維增強(qiáng)作用尚未發(fā)揮。

滑移劈裂段：隨著拔出荷載增大，荷載-滑移曲線呈非線性發(fā)展，滑移增長速度加快，鋼筋肋前灌漿料受到擠壓作用增大。此時(shí)，拉拔荷載主要由鋼筋與灌漿料之間的摩阻和咬合作用承擔(dān)，肋前灌漿料的擠壓變形也進(jìn)入塑性發(fā)展階段，同時(shí)環(huán)向拉應(yīng)力產(chǎn)生的微裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。從鋼筋受拉屈服到灌漿料劈裂，拉拔荷載增加不多，但相對滑移增加幅度較大。劈裂時(shí)相對滑移大小順序依次為PVA-3-0.3 ＞PVA-3-0.15 ＞PVA-0-0。表明PVA纖維的摻加，延緩了灌漿料中微裂縫的開展，一定程度上增加了灌漿料與鋼筋的黏結(jié)力。此時(shí)，沿鋼筋的軸向應(yīng)力分量更大，更多的鋼筋肋前灌漿料被擠碎，鋼筋和灌漿料之間的滑移也在增大，如圖4（c)和（d)所示。最終環(huán)向拉力引起的裂縫延伸至試件外部，在鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度之前試件劈裂破壞。

2.3.3 鋼筋與灌漿料黏結(jié)錨固特征值

表4中峰值荷載和黏結(jié)應(yīng)力為3個(gè)拉拔試件的平均值，屈服滑移和劈裂滑移為典型拉拔試件按式（1）計(jì)算的鋼筋滑移量。由表4可知：摻加PVA纖維試件與無纖維試件相比，黏結(jié)應(yīng)力略有提高。將4類試件的黏結(jié)應(yīng)力分別進(jìn)行比較，3mm長度PVA纖維試件比無纖維試件分別增加了8.6%（體積摻量0.15%）和15.4%（體積摻量0.3%）；6mm長度PVA纖維試件比無纖維試件增加了9.0%（體積摻量0.15%）。鋼筋開始屈服時(shí)，鋼筋與灌漿料之間的相對滑移差別不大，但能夠使得試件達(dá)到較大的劈裂荷載，對應(yīng)的相對滑移顯著增大，約為無纖維試件的2～3倍。因此，在不影響灌漿料流動(dòng)性的前提下，適當(dāng)摻加PVA纖維可以約束灌漿料中微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高黏結(jié)強(qiáng)度，改善鋼筋與灌漿料的黏結(jié)性能。

表4 試件黏結(jié)性能特征值

3 結(jié)論

1）PVA纖維的摻入影響灌漿料的流動(dòng)度，纖維摻量越大，直徑越長，阻礙作用也越大。

2）PVA纖維的摻量與長度對灌漿料的抗壓強(qiáng)度影響不大。綜合考慮灌漿料力學(xué)性能和施工要求，建議3mm長度PVA纖維最佳摻量不宜超過0.3%，6mm長度PVA纖維最佳摻量不宜超過0.15%。

3）與未摻加纖維的試件相比，PVA纖維的加入，能夠提高鋼筋與灌漿料的黏結(jié)強(qiáng)度15.4%，相對滑移顯著增加，約為未加纖維試件的2～3倍（纖維長度3mm,體積摻量0.3%）。PVA纖維有助于改善鋼筋與灌漿料的黏結(jié)性能，增加試件黏結(jié)破壞時(shí)的耗能能力。