帶肋鋼筋與超高延性水泥基復合材料的黏結性能

余 瓊，魏晉文，張 亮，許雪靜，余江滔

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

普通混凝土具有很好的抗壓性能，但受拉極易開裂，正常使用階段混凝土的開裂會導致鋼筋銹蝕、結構耐久性不足，在地震、爆炸等荷載作用下也可能出現脆性斷裂，因此研究人員開展了高性能混凝土的制備試驗。例如：1992年，Li等[1]將短纖維摻入膠凝材料、砂和水泥中，得到了具有明顯應變硬化特征的復合材料ECC(engineered cementitious composites)。2001年，Li等[2]又研制成功了聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料(PVA-ECC)，這些復合材料極限應變超過3%。Ranade等[3]研制的高強高延性混凝土(HSHDC)抗壓強度大于150 MPa、拉伸應變在3%～4%，使得水泥基復合材料第一次同時實現高強度、高延性。

近年來國內學者關于高延性混凝土也已做了許多研究。高淑玲等[4]成功配制了PVA-ECC，徐世烺等[5]測得PVA-ECC極限拉應變達3.8%～4.2%，裂縫寬度控制在100 μm以內，且對缺口不敏感。陸洲導等[6]配制出了具有超高強度和超高延性的纖維混凝土(UHDCC)，平均拉伸應變超過8%，抗壓強度在45.9～121.5 MPa。

高延性混凝土主要應用于結構維修、橋面板、隧道襯砌等領域，在抗震節點[7]、抗震阻尼器、拼裝式剪力墻[8]等方面也有廣泛應用前景。但目前高延性混凝土與帶肋鋼筋之間的黏結滑移性能的研究還比較少，僅徐世烺等[9]分析了鋼筋與水泥基復合材料之間的黏結應力沿錨固長度的分布規律，得出黏結滑移本構關系；于明鑫等[10]進行了帶肋鋼筋與ECC黏結性能試驗，僅研究了鋼筋直徑、錨固長度及纖維體積摻量對黏結應力-滑移曲線的影響。

本文進行了20組共45個試件的鋼筋與UHDCC拉拔試驗，考察了錨固長度、澆筑方式、保護層厚度、90°彎鉤以及偏心錨固等對黏結強度的影響，同時也分析了UHDCC應力沿黏結長度的分布規律、帶肋鋼筋與UHDCC之間的黏結滑移機理，以期為高強水泥基復合材料在受力構件中的應用提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

UHDCC制備材料主要包括硅酸鹽水泥、硅灰、礦粉、石英砂、水、聚乙烯(PE)纖維、減水劑等，表1為各材料粒徑范圍及配合比，表2為所用PE纖維的性能。

表1 UHDCC材料及配合比

表2 PE纖維性能

試驗基準試件的外形和尺寸見圖1。

圖1 基準試件的外形和尺寸(mm)

第一批試驗探索鋼筋錨固長度和澆筑方式對黏結性能的影響。表3為第一批試件基本情況，試件為中心錨固，考慮了澆筑面平行鋼筋軸向方向(梁構件)和澆筑面垂直鋼筋方向(柱構件)兩種澆筑方式，見圖2。

表3 第一批試驗試件基本情況

圖2 澆筑方向示意

根據第一批試件試驗結果，當試件錨固長度為6d、澆筑方式為垂直澆筑時黏結強度較高(詳見2、3節)，故定義后續澆筑方式為垂直澆筑，研究保護層厚度時，錨固長度取6d。

表4為第二批試件基本情況，研究參數為鋼筋直徑、保護層厚度、錨固鋼筋形狀(直錨和彎錨)。

表4 第二批試驗試件基本情況

本次試驗采用HRB400月牙肋鋼筋，鋼筋力學性能見表5。

表5 鋼筋材性試驗性能

本文采用狗骨型平板試件[11]測試UHDCC抗拉性能。UHDCC混凝土需分多次制備，每次都保留3～5根狗骨試件，最后在20余根狗骨試件中選取標距段內裂縫得到充分開展的作為UHDCC材料的強度依據。

UHDCC的抗拉應力-應變關系與混凝土的應力應變明顯不同[12]，UHDCC存在應變硬化現象，即在達到峰值荷載前一段相當長范圍內，應變增加時，應力也會增大，其平均抗拉強度為9.05 MPa，是同等水泥標號(P.Ⅱ 52.5)對應的C50普通混凝土(ftk=2.64 MPa)的3.43倍，平均峰值應變為7%，是C50混凝土(εu= 0.01%)的700倍。

測得40 mm×40 mm×160 mm試件的三點彎曲平均抗折強度為18.0 MPa，50 mm×100 mm的圓柱體平均抗壓強度為50.51 MPa。

1.2 加載裝置

圖3為試驗裝置示意，加載主要利用鋼反力架，包含上層頂板(厚40 mm)、下層底板(厚30 mm，開槽，以觀察試件開裂)及連接上、下層板的4根直徑為20 mm的高強螺栓。

圖3 試驗裝置及鋼反力架示意

圖4為引伸計、拉線式位移計的布置位置示意。試驗共設置2個標距為20 mm的引伸計A、B，分別測量鋼筋自由端和鋼筋加載端的位移；設置2個拉線式位移計C、D，用于測量試件的橫向膨脹率，分別放置在試件中部和下部。

圖4 引伸計、拉線式位移計測點布置

試驗通過測量鋼筋兩端的位移來得到黏結長度上的平均滑移量。從圖4可看出，鋼筋在UHDCC內的錨固段為CD段。由于自由端鋼筋在加載過程中不受力，因此可認為自由端沒有變形，所以可用A點引伸計測得的位移SF來代替C點位移。B點離加載端混凝土非常近，此段區間內鋼筋變形可忽略。因此，可認為B點引伸計測得的位移SL為D點的位移。CD段滑移平均值S為

(1)

鋼筋與UHDCC黏結段平均黏結應力τ為

(2)

式中d為鋼筋直徑，la為鋼筋錨固長度。

為了消除加載速度對試驗結果的影響，試驗以1 mm/min的速度進行單調加載。

2 試驗結果

2.1 試件破壞形式

圖5為UHDCC試件出現的3種破壞形態：鋼筋拔出破壞、鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞、鋼筋屈服強化后拉斷破壞，試件的具體破壞形態見表6。

表6 試件破壞類型

圖5 UHDCC試件破壞類型

當錨固長度較小(4d～6d)時，一般出現鋼筋拔出破壞，見圖5(a)(中心錨固，鋼筋周邊幾乎無裂縫)、5(b)(保護層厚度為30 mm時，直錨構件，鋼筋周邊出現裂縫)、5(c)(彎鉤試件，鋼筋周邊裂縫多)。

錨固長度達6d～10d時試件發生鋼筋及UHDCC錐形拔出破壞，見圖5(d)(中心錨固)、5(e)(保護層厚度為30 mm時，直錨構件)、5(f)(彎鉤試件)。

錨固長度較長(10d～12d)時，發生鋼筋拉斷破壞，見圖5(g)、(h)，試件表面無裂縫。

圖6為A組數據不同錨固長度試件的τ-s曲線，可以看出發生鋼筋拔出破壞+鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞的試件(A3-2、A4-2、A5-1)，荷載達到最大值后即進入下降段，位移持續增加，荷載保持在一定水平并在較小的范圍內波動(殘余荷載)，此時是摩擦力起作用，觀察完全拔出的鋼筋，其肋間充滿UHDCC混凝土碎屑。發生鋼筋拉斷破壞的試件鋼筋變形小，最后鋼筋拉伸斷裂，試件積蓄的巨大能量在鋼筋頸縮拉斷瞬間被突然釋放，發出巨大的響聲。

圖6 A組數據不同錨固長度試件的τ-s曲線

本試驗中并未出現帶肋鋼筋與灌漿料拉拔試驗中試件的脆性劈裂破壞[13]。這是因為纖維混凝土具有良好的橫向約束作用，帶肋鋼筋與UHDCC混凝土間的黏結性能得以充分發揮，試件破壞模式為延性破壞。

3 試驗結果分析

3.1 中心錨固時錨固長度對黏結性能的影響

定義鋼筋錨固長度與鋼筋直徑之比la/d為相對錨固長度，圖7為A組試件承載力、黏結強度隨相對錨固長度變化趨勢(A1組試件全部為拉斷破壞，不參與擬合)。

圖7 承載力、黏結強度隨錨固長度的變化規律

圖7(a)表明隨著鋼筋錨固長度增加，試件承載力逐漸增加。這是由于錨固長度增大鋼筋與UHDCC的接觸面增大，接觸面上的機械咬合作用隨之增強。

圖7(b)表明當錨固長度從4d增大到6d，黏結強度有上升趨勢；大于6d，黏結強度變化不大，這與余瓊等[14]得出的“混凝土、灌漿料等脆性材料，錨固長度增大，黏結強度下降”不同。圖8為灌漿料黏結強度隨相對錨固長度的變化規律。

圖8 灌漿料黏結強度隨錨固長度的變化規律

對于混凝土、灌漿料等脆性材料，黏結應力沿鋼筋縱向分布是不均勻的。當鋼筋錨固長度較小時，高應力區段比較飽滿，黏結強度τu與實際最大黏結應力τmax的比值較大；而當錨固長度較大時，距加載端較遠處的鋼筋黏結應力小，黏結應力分布不均勻性更加突出，黏結強度τu與實際最大黏結應力τmax的比值較小。而不同鋼筋錨固長度的試件τmax的變化不大，因此隨著鋼筋錨固長度的增加，試件的平均黏結應力越來越小。

但UHDCC材料受拉時具有應變硬化的特性，即材料應變增加時，應力也會增大，故UHDCC的極限抗拉承載力相比于普通混凝土是持續增大的。在持續加載后，即使鋼筋周圍混凝土產生放射狀裂縫，由于纖維約束，裂縫寬度非常小(短錨試件的裂縫甚至未能穿透保護層)，UHDCC材料仍能持續地承載，并對鋼筋提供足夠的約束作用。因此，錨固長度增加到10d時，黏結力增加或保持不變。

3.2 中心錨固時澆筑方式對黏結性能的影響

圖9為(B組試件)不同澆筑方式與黏結強度的關系?？梢钥闯?，垂直澆筑成型的試件，平均黏結應力普遍高于平行澆筑的試件；而對普通混凝土，兩種澆筑方式基本沒有差異。這是由于兩種澆筑方式影響了纖維分布, 纖維的成型方向會對鋼筋與UHDCC的黏結性能產生影響。Hambach等[17]的研究指出碳纖維沿著混凝土的受力方向進行排列可以有效提高纖維混凝土的強度，邱明紅等[18]研究表明采用平行纖維取向可以顯著提高纖維混凝土的首次開裂荷載和峰值荷載，并能顯著抑制裂縫寬度的擴展。而纖維混凝土中纖維的排列在澆筑時傾向平行于流動方向，當垂直澆筑時纖維排列傾向于與鋼筋垂直，能有效約束鋼筋徑向的膨脹力，因此黏結強度增加。

圖9 不同澆筑方式下黏結強度對比

3.3 保護層厚度對黏結性能的影響

圖10為UHDCC及灌漿料的保護層厚度與試件的黏結強度關系圖(均為中心錨固)，本文試驗中UHDCC保護層厚度超過4.5d后，對黏結強度的影響不明顯，而灌漿料的保護層厚度大于5.5d后對黏結強度才無明顯影響?？梢娪捎诶w維拉結作用，UHDCC材料不受影響的最小保護層厚度降低。

圖10 不同材料保護層厚度對黏結強度的影響對比

3.4 保護層厚度為30 mm時錨固長度對黏結性能的影響

保護層厚度30 mm的試件發生鋼筋拔出或鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞。這主要是因為該組試件的保護層厚度偏小(2.5d)，黏結力的徑向分量能使保護層開裂，黏結強度大幅降低。圖11為保護層厚度30 mm工況下承載力、黏結強度隨錨固長度的變化規律。

圖11 保護層厚度30 mm時錨固長度與承載力及黏結強度關系

圖11(b)偏心錨固(保護層厚度較薄)黏結強度變化規律與圖8(b)中心錨固不同，錨固長度從4d到6d，試件從鋼筋拔出破壞轉變為鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞，黏結強度增大，此時UHDCC材料PE纖維的約束作用得以發揮；當錨固長度從6d增大到12d，試件從鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞轉換到拉斷破壞，黏結強度下降，這是因為保護層偏薄，UHDCC材料的應變硬化及約束作用減小，試件的黏結性能類似灌漿料。

3.5 保護層厚度為30 mm時90°彎鉤對黏結性能的影響

工程中常常會在錨固鋼筋的末端增設彎鉤，以增大錨固的安全系數，抵御鋼筋被拔出的風險。本文研究增設90°彎鉤(4d)，考察其對承載力的提高作用。

3.5.1 直錨段相等時

圖12為保護層厚度30 mm、彎鉤工況下，直錨段錨固長度與承載力關系。短錨區段(4d～6d)的承載力增長速度大于中錨區段(6d～10d)。

圖12 帶90°彎鉤的試件錨固長度-承載力關系

表7為直錨段相同時增設彎鉤后承載力提升情況。當彎段鋼筋(4d)與直段錨固鋼筋(4d)等長時，承載力提升幅度可達67.78%。彎鉤段長度一定時，隨著直錨段長度增加，彎鉤對承載力提升幅度減小。這主要是由于彎鉤段鋼筋有效起到抵抗滑移。對于短錨試件，鋼筋與UHDCC較早黏結失效，產生滑移，彎鉤能抵抗較多的滑移，極大地提升試件承載力；對于長錨試件，承載力增大，鋼筋滑移量較小，因此彎鉤抵抗的滑移量也相對減少，承載力增幅有限。

表7 直錨段等長時增設90°彎鉤后承載力提升

圖13為直錨段相等情況下彎鉤組與直錨組荷載-滑移曲線對比，可以看出在不同的受力階段，帶彎鉤試件直段鋼筋的錨固力和彎鉤段的錨固力的比例是變化的。

圖13 直錨段相等情況下彎鉤組與直錨組荷載-滑移曲線對比

在加載前期，由于彎鉤控制滑移，彎鉤組的滑移小于直錨組；達到峰值荷載后，由于彎鉤的機械錨固作用，彎鉤組荷載-位移曲線沒有下降的趨勢，承載力較穩定，而直錨組承載力迅速下降。

3.5.2 絕對錨固長度相等

圖14為絕對錨固長度相等時直錨組與彎鉤組荷載-滑移曲線對比。對于絕對錨固長度(實際埋入試件內的鋼筋長度總和)相等的試件，直接錨固的試件承載力大于帶90°彎鉤的試件，故彎鉤錨固不能等價直錨鋼筋。在彎鉤段長度均為4d時，彎鉤組的直錨段越長，直錨組與彎鉤組承載力相差越小，因此彎鉤錨固必須保證其直錨段長度。

圖14 絕對錨固長度相等時荷載-滑移曲線對比

在工程應用中，需要首先確保直接錨固段的長度滿足要求，有條件的可以加上彎鉤增大安全系數。

4 黏結強度計算公式

參照王冰等[19]、山顯彬[20]的函數形式，對本文試驗結果進行統計回歸，得出澆筑方式為垂直方向、錨固方式均為直接錨固的黏結強度τu的計算公式:

(3)

表8 直接錨固黏結強度試驗值和計算值對比

5 結 論

通過45個鋼筋在UHDCC中錨固試件的拉拔試驗，得出的主要結論可為UHDCC應用于受力構件提供理論依據。

1)UHDCC試件3種破壞形態：鋼筋拔出破壞、鋼筋拔出及UHDCC錐形破壞、鋼筋拉斷破壞。纖維混凝土具有良好的橫向約束作用，使得帶肋鋼筋與UHDCC間的黏結性能得以充分發揮，試件未發生劈裂破壞。

2)由于UHDCC應變硬化現象，試件錨固長度從4d增大到6d，黏結強度有上升趨勢；大于6d時，中心錨固試件(保護層較厚)錨固長度對黏結強度影響不大，偏心錨固試件(保護層較薄UHDCC材料的約束作用減小)隨錨固長度增加黏結強度降低。

3)纖維混凝土中纖維的排列在澆筑時傾向平行于流動方向，當垂直澆筑時纖維排列與鋼筋垂直，能有效約束鋼筋徑向的膨脹力，垂直澆筑的試件承載力大于水平澆筑。

4)由于纖維拉結作用，本文試驗條件下UHDCC材料不受影響的保護層厚度為4.5d后，比灌漿料的不受影響的保護層厚度5.5d小。

5)增設90°彎鉤4d后，直錨段鋼筋為4d時，承載力提升幅度大，隨著直錨段長度增加，90°彎鉤對承載力提升幅度減小，彎鉤試件在荷載超過峰值荷載后荷載-位移曲線沒有下降的趨勢。

6)絕對錨固長度相等時直錨組試件承載力大于帶彎鉤的試件，彎鉤錨固不能等價直錨鋼筋。彎鉤段長均為4d，實際錨固長度越長時，彎鉤組直錨段越長，直錨組與彎鉤組承載力相差越小，因此帶彎鉤段的錨固，必須保證直錨段長度。

7)提出UHDCC黏結強度計算公式。