高強鋼絞線與工程水泥基復合材料黏結性能試驗

李 可， 李思辰， 周擎威， 王新玲

（1. 鄭州大學 土木工程學院， 鄭州 450001； 2. 杭州融浩置業有限公司， 杭州 311215）

由于鋼筋強度較低，屈服應變遠小于ECC極限拉應變，當用作ECC的增強筋材時，不足以充分發揮ECC應變硬化特性.而FRP筋或編織網的價格相對較高，不利于推廣使用于普通結構.高強鋼絞線具有高強、耐腐蝕等優點，其極限拉應變（3%～4%之間）和ECC接近，同時較FRP有明顯的經濟性.因此，本文提出一種新型復合材料——高強鋼絞線網增強ECC，并驗證了其優越的抗裂、延性和高強度等性能[8].為使二者更好地協同工作，朱俊濤等[9]考慮橫向鋼絞線影響，研究了高強鋼絞線網和ECC黏結性能，但尚未綜合考慮ECC強度和保護層厚度等因素的影響.深入了解ECC與高強鋼絞線的黏結性能，是對新型復合材料“高強鋼絞線網增強ECC”受力性能分析的基礎.因此，為推廣高強鋼絞線網增強ECC的工程應用，亟需進行ECC與高強鋼絞線黏結性能的系統研究.本文考慮鋼絞線直徑、錨固長度、ECC的強度和保護層厚度4個影響因素，對高強鋼絞線與ECC黏結性能進行了試驗研究.

1 試驗概況

1.1 試件設計

1.1.1 高強鋼絞線在ECC棱柱體中拉拔試件設計

為研究鋼絞線的公稱直徑d、鋼絞線錨固長度la、ECC強度（通過改變ECC水膠比r來改變其強度）對高強鋼絞線與ECC黏結性能的影響規律，設計5組試件（A*～E*組），每種同樣規格試件制作3個，共84個棱柱體拉拔試件.試件詳圖如圖1a所示（單位：mm）.所采用不同水膠比的ECC配合比如表1所示.各試件采用中心置筋，并在ECC試塊兩端各嵌入內徑為8 mm的聚氯乙烯（PVC）管，其長度大于5d，以防止ECC與鋼絞線黏結端部因應力集中發生錐形破壞.在5組試件中，B*組中錨固長度為25d的ECC試塊以及C*、D*、E*組中錨固長度大于等于15d的ECC試塊的尺寸均為100 mm×100 mm×150 mm，其余ECC試塊尺寸均為100 mm×100 mm×100 m.

圖1 試件尺寸及加載裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen size and loading device

1.1.2 高強鋼絞線在ECC薄板中拉拔試件設計

試驗以鋼絞線的保護層厚度c為試驗參數，研究保護層厚度對黏結性能的影響.根據高強鋼絞線在ECC棱柱體中拉拔試驗結果（見表2），薄板拉拔試件的錨固長度取22d（大于試驗確定的有效錨固長度），以防止黏結破壞.薄板試件（定義為F*組）設計為4種工況，每種同樣規格的試件制作3個，共12個薄板試件.ECC薄板尺寸為150 mm×150 mm.表2中，試件號第一個數字代表鋼絞線直徑；第二個數字代表水膠比，第三個數字代表錨固長度；L表示ECC保護層厚度遠大于臨界保護層厚度；P表示從ECC拉出高強鋼絞線；R表示鋼絞線斷裂；Tu為平均極限拉力；τu為平均結合強度.

1.2 加載及測量方案

試驗加載方案參考Canadian Standards Association（CSA）標準[10]，關于拉拔試驗方法的規定，采用100 kN電伺服萬能試驗機對試件進行拉拔試驗，試驗加載裝置及位移計（LVDT）布置如圖1b所示.試驗采用位移控制，速度為0.3 mm/min.直至發生如下現象時停止加載：1）鋼絞線被拔出或者斷裂；2）ECC試件破壞.試驗過程中，由于鋼絞線最大拉拔力僅為14 kN左右，因此可忽略ECC試塊的變形.自由端伸出的AB段鋼絞線在加載過程中沒有變形，故把自由端的位移計所測得的數據SA即認為是自由端B點處鋼絞線與ECC的相對滑移.下端位移計測量的是鋼絞線的D點相對試件錨固段最底部C點的滑移，但CD段鋼絞線的變形較大，不能忽略.試驗中CD段鋼絞線的變形為

SCD=PlCD/EsAs

（1）

式中：P為施加拉力；Es為鋼絞線彈性模量；As為鋼絞線截面面積；lCD為CD段鋼絞線長度.加載端鋼絞線相對ECC的實際滑移SL為

SL=SD-SCD

（2）

式中，SD為下端位移計測得的位移.平均滑移量計算公式為

S=（SL+SA）/2

（3）

式中，SA為自由端滑移量.錨固長度內的平均黏結應力τ計算公式為

τ=F/（πdla）

（4）

式中，F為平均極限拉拔力.

1.3 材料性能試驗結果

制作ECC采用的原料有普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、微硅粉、細沙、PVA纖維、水及高效減水劑.試驗按照3種不同的水膠比r各澆筑5個試件，標準養護28 d（抗壓試件為邊長70.7 mm的立方體，受拉試件為13 mm×40 mm×280 mm薄板），并進行ECC的單軸受壓和受拉試驗，確定ECC抗壓強度fcu、受拉開裂強度ftc、抗拉強度fet以及極限拉應變εu，試驗結果如表3所示.對3種直徑鋼絞線試樣各取3個進行受拉試驗，測得的平均拉斷力Pu、極限抗拉強度fy、平均彈性模量Es、極限拉應變εu如表3所示.

2 試驗結果及分析

2.1 高強鋼絞線在ECC棱柱體中拉拔試驗結果及分析

2.1.1 ECC棱柱體拉拔試驗破壞模式

當錨固長度較小時，試件發生拔出破壞，其荷載達到峰值后突然下降，且滑移量迅速增加，荷載下降到一定程度后不再降低，而是出現小幅上下波動，滑移量仍繼續增加，直到鋼絞線拔出.撥出破壞模式如圖2所示，可見ECC基體粉末嵌入鋼絞線表面鋼絲之間，說明鋼絞線拔出過程中，其表面鋼絲間的基體被擠碎切斷.隨著錨固長度增大，平均極限拉拔力也增加，當拉拔力增至鋼絞線拉斷力后試件發生鋼絞線斷裂破壞.所有試件ECC試塊表面均未出現裂縫.各試件試驗結果如表2所示.

圖2 ECC棱柱體試件拔出破壞圖Fig.2 Failure mode of ECC prismatic specimens with pull-out failure

上升段（OA段）.即從零點（O點）到峰值荷載A點；加荷初期，曲線呈線性上升，這是由于界面黏結力主要由化學膠結力提供，相對滑移較小；當荷載增至極限荷載的10%～20%時，曲線開始非線性上升，這是由于隨著滑移量增大，化學膠結力從加載端向自由端逐漸喪失，界面力轉由界面機械咬合力和摩擦力提供，使得滑移量增速加快，直至峰值荷載.

下降段（AB段）.即從峰值點A到荷載開始停止下降點B之間的階段；達到峰值后曲線開始非線性快速下降，這是由于鋼絞線表面鋼絲間的基體被擠碎切斷，咬合齒破壞導致荷載迅速下降，滑移量快速增大；且界面基體顆粒不斷被磨細，導致摩擦力也不斷下降.

殘余段（BC段）.滑移量增至一定值后，基體顆粒被充分磨細后摩擦力不再下降，使荷載保持基本不變（殘余承載力約為峰值荷載的50%～60%），但由于界面不均勻性發生小幅波動.

2.1.3 黏結性能影響因素分析

在圖3a中，對于鋼絞線拔出破壞試件，隨著錨固長度增大，峰值拉拔荷載不斷增大，峰值荷載對應的滑移量也不斷增大，且在上升段內相同荷載對應的滑移量減小.這是由于增加錨固長度，可以提供更大的黏結面積，從而增加界面總黏結力和整體剛度.由圖3b可知，隨著鋼絞線直徑增大，試件峰值拉拔力增大，且在上升段內相同荷載對應的滑移量減小.這是由于隨著鋼絞線直徑增大，黏結面積增加，從而提供更大界面整體黏結力和剛度.由圖3c可知，隨著ECC抗壓（抗拉）強度提高，峰值荷載增大，但其對應滑移量幾乎不變，且在上升段內相同荷載對應的滑移量減小.這是由于ECC強度越高（即水膠比越低），其與鋼絞線的化學膠結力越大，且基體越不易被擠碎或切斷，從而增加界面整體黏結力和剛度.

圖3 參數對ECC棱柱體拉拔試件荷載滑移關系的影響Fig.3 Influences of parameters on load-slip relationships of ECC prismatic pull-out specimens

2.2 高強鋼絞線在ECC薄板中拉拔試驗結果及分析

2.2.1 ECC薄板拉拔試驗現象分析

對于保護層厚度為1.5d、2.5d、3.5d的ECC薄板試件，加載至開裂荷載（分別為其峰值荷載的10%、15%、30%）時，試件加載端底部中間出現豎向細小裂縫；荷載增至峰值荷載的20%～30%時，試件上端開始出現滑移.隨著荷載繼續增加，裂縫向上延伸，且下部裂縫寬度也在增加.當達到峰值荷載時，伴隨“砰”的響聲，保護層厚度為1.5d、2.5d的試件豎向裂縫貫通，滑移迅速增大，荷載快速下降；當荷載降至一定值后不再單調降低，此時裂縫最大寬度達到約0.2 mm；之后荷載波動式下降至一定值（即殘余承載力，分別約為其峰值荷載的30%、40%）后便維持在該值小幅波動，且裂縫寬度也不再增大，直至鋼絞線拔出，如圖4a、b所示.對于保護層厚度為3.5d的試件達到峰值荷載時，伴隨“砰”的響聲，其豎向裂縫延伸至約試件3/4高度處，并未貫通，之后荷載迅速下降，而滑移量快速增加；當荷載降至一定值后不再單調下降，此時最大裂縫寬度達到0.08 mm，之后荷載波動式下降至殘余承載力，并小幅波動（殘余承載力約為其峰值荷載的45%），且裂縫寬度也不再增大，直至鋼絞線拔出，如圖4c所示.保護層厚度為5d的試件均發生了鋼絞線拉斷破壞，且試驗過程中ECC薄板都未出現裂縫，如圖4d所示.

圖4 薄板拉拔試件破壞圖Fig.4 Failure modes of thin plate pull-out specimens

綜上所述，隨著ECC保護層厚度增加，提供更大的橫向約束力，試件由劈裂拔出破壞轉變為鋼絞線斷裂破壞.當厚度增至3.5d時，荷載已增至約14 kN，接近鋼絞線拉斷力，裂縫并未貫通，說明此時的保護層厚度已接近臨界保護層厚度.另外，由于ECC中短纖維的橋聯作用，出現劈裂裂縫的試件是裂而不碎，仍保持良好的完整性，且裂縫寬度較小.

圖5 不同保護層厚度ECC薄板拉拔試件荷載滑移曲線對比

3 高強鋼絞線與ECC的黏結強度分析

3.1 直徑對黏結強度的影響

圖6為黏結強度與影響因素關系曲線.圖6a為不同錨固長度試件的平均黏結強度τu與鋼絞線直徑的關系曲線.由圖6a可見，在其他條件相同情況下，隨著直徑增加，鋼絞線與ECC的最大平均黏結應力（即平均黏結強度）基本呈線性減小.分析其原因，由于泊松效應，鋼絞線縱向拉伸時會導致徑向收縮，從而降低鋼絞線與ECC的貼合度，減弱兩者間的機械咬合力和摩擦力，導致黏結強度降低.

3.2 錨固長度對黏結強度的影響

圖6b為不同鋼絞線直徑試件的平均黏結強度τu與相對錨固長度la/d的關系曲線，可以看出，在其他條件相同情況下，隨著錨固長度的增加，峰值拉拔荷載增大，但高強鋼絞線與ECC的平均黏結強度卻逐漸降低，且基本呈線性減小.分析其原因，由于試件中存在應力拱而引起的黏結應力峰值效應現象，使得界面應力分布并不均勻，且錨固長度越長，應力分布越不均勻，高應力區占黏結總長度的比例較短，故平均黏結強度較低.

3.3 ECC強度對黏結強度的影響

圖6c為不同錨固長度試件的平均黏結強度τu與ECC抗壓強度fcu平方根的關系曲線，可以看出，在其他條件相同的情況下，隨著ECC強度等級的提高，高強鋼絞線與ECC的平均黏結強度增大，且平均黏結強度與ECC抗壓強度平方根基本呈線性關系.根據前文分析，界面化學膠結力、機械咬合力、摩擦力均隨著ECC抗壓強度增加而提高，從而使平均黏結強度得到了提高.

3.4 保護層厚度對黏結強度的影響

圖6d為發生劈裂拔出破壞的薄板拉拔試件的相對平均黏結強度τu/τ0與相對保護層厚度c/d的關系曲線.τ0=10.15 MPa，為當薄板試件的拉拔力等于高強鋼絞線平均拉斷力時對應的平均黏結應力.由圖6d可見，在其他條件相同的情況下，隨著相對保護層厚度的增加，高強鋼絞線與ECC的相對平均黏結強度呈線性增大.利用最小二乘法進行線性回歸分析得到τu/τ0與c/d的關系式為

τu/τ0=0.091 3c/d+0.662

（5）

圖6 黏結強度與影響因素關系Fig.6 Relationship between bond strength and influencing factors

式（5）的相關系數為0.989.根據試驗結果，當c/d>3.5時，增加保護層厚度對鋼絞線與ECC的黏結強度影響較小.令式（5）等于1，可得到ECC相對臨界保護層厚度為c/d=3.7，即當保護層厚度大于3.7d時，黏結強度不再增加，即不再出現劈裂裂縫.則式（5）的適用條件為：c≥3.7d時取c=3.7d.

3.5 黏結強度計算公式的提出及驗證

根據上述分析，基于前文中對試驗結果分析得到的高強鋼絞線直徑、錨固長度、保護層厚度以及ECC強度對黏結強度的影響規律，并參考文獻[11]假定各因素的影響相互獨立，對拉拔破壞試件（除試件4.5-0.280-20d和4.5-0.250-18d外）的平均黏結強度的試驗結果進行了統計回歸擬合，得到高強鋼絞線與ECC平均黏結強度以及各影響因素的關系式為

（1.228-0.136d/d2.4）·

（2.458-0.018la/d）

（6）

式中：當c/d>3.7時，取c/d=3.7；d2.4為公稱直徑為2.4 mm的鋼絞線.該擬合公式與試驗結果的相關系數為0.996.

未參與擬合的試件4.5-0.280-20d和4.5-0.250-18d的平均黏結強度試驗值τu，c分別為10.94 MPa、11.88 MPa，按照式（6）計算得到的平均黏結強度計算值τu，t分別為10.91 MPa、12.01 MPa.可以看出，式（6）能較準確地預測高強鋼絞線與ECC的平均黏結強度.

4 高強鋼絞線在ECC中的臨界錨固長度分析

為得到ECC保護層厚度大于臨界保護層厚度的情況下高強鋼絞線與ECC的臨界錨固長度，令平均黏結強度乘以鋼絞線與ECC的接觸面積等于鋼絞線的拉斷力，即式（7），可以得到不同直徑鋼鉸線在不同水膠比的ECC中的臨界錨固長度lc的值，其表達式為

（2.458-0.018lc/d）πdlc=Pu

（7）

表4為臨界錨固長度計算與試驗結果對比.將表4中按式（7）計算的臨界錨固長度值lc，7與各影響因素（包括ECC抗壓強度fcu、鋼絞線直徑d和抗拉強度fy）的關系進行擬合分析，得到臨界錨固長度簡化計算公式為

（8）

將式（8）計算得到的臨界錨固長度lc，8列于表4，可以看出，按式（8）與式（7）計算結果的比值lc，8/lc，7的平均值為1.0，變異系數為0.039.說明式（8）能較準確計算臨界錨固長度.

表4 臨界錨固長度計算與試驗結果對比Tab.4 Comparison between calculated and test results for critical anchorage lengths

5 結 論

本文通過分析得出以下結論：

2） 隨著高強鋼絞線直徑或錨固長度增加，鋼絞線在ECC中的峰值拉拔力及對應滑移值均增大，但平均黏結強度線性減小.隨著ECC抗壓（抗拉）強度增大，峰值拉拔力增大，但其對應滑移值基本不變，且平均黏結強度與ECC抗壓強度的平方根線性正相關.

3） 高強鋼絞線在ECC中的臨界保護層厚度為鋼絞線直徑的3.7倍.在不大于臨界保護層厚度值時，平均黏結強度隨相對保護層厚度增加呈線性增加趨勢，當其值大于臨界保護層厚度值時，繼續增大保護層厚度，平均黏結強度保持不變.

4） 考慮錨固長度、保護層厚度、ECC基體抗拉強度、高強鋼絞線直徑4個影響因素，提出高強鋼絞線與ECC間的平均黏結強度及臨界錨固長度計算公式，與試驗結果吻合良好.但該公式是在有限試驗數據基礎上得到的，還需要進一步研究來驗證其有效性.