含粗骨料超高性能混凝土與鋼筋黏結(jié)性能研究

摘要：在超高性能混凝土（UHPC）中加入粗骨料可以有效地解決UHPC自身收縮大、成本高等問題.為了研究彎曲應(yīng)力狀態(tài)下含粗骨料超高性能混凝土（UHPC-CA）與鋼筋的黏結(jié)性能，對12根UHPC-CA搭接梁式試件進(jìn)行4點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，并采用鋼筋開槽粘貼應(yīng)變片的方式測量了沿搭接鋼筋長度方向黏結(jié)應(yīng)力，研究其分布規(guī)律.主要研究參數(shù)包括粗骨料粒徑、粗骨料含量、搭接長度以及保護(hù)層厚度.試驗(yàn)結(jié)果表明，試件破壞以劈裂破壞為主.粗骨料對鋼筋的黏結(jié)性能具有雙重影響，一方面，骨料與鋼筋的互鎖機(jī)制能增強(qiáng)機(jī)械咬合力，提升黏結(jié)強(qiáng)度；另一方面，骨料的加入會增加材料的不均勻程度，對黏結(jié)性能產(chǎn)生不利影響.5～10 mm粒徑的骨料對黏結(jié)性能的影響比10～15 mm粒徑的骨料更顯著，當(dāng)骨料含量達(dá)到800 kg/m3時(shí)，鋼筋黏結(jié)應(yīng)力沿搭接長度方向的分布變得更均勻.增大鋼筋搭接長度和增加混凝土保護(hù)層厚度均能增強(qiáng)對黏結(jié)強(qiáng)度的保持作用，從而提高試件的峰后黏結(jié)強(qiáng)度.提出了考慮粗骨料特征參數(shù)的UHPC-CA劈裂黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算表達(dá)式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.

關(guān)鍵詞：超高性能混凝土；粗骨料；黏結(jié)性能；梁式試驗(yàn)；搭接

中圖分類號：TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

超高性能混凝土是一種新型水泥基復(fù)合材料，通常由水泥、硅粉、細(xì)石英砂、高摻量減水劑和纖維構(gòu)成，有時(shí)也包含其他輔助膠凝材料和粗骨料［1］.UHPC具有優(yōu)越的力學(xué)性能，但其水灰比低，導(dǎo)致較高的體積收縮率，且表面容易產(chǎn)生早期干燥裂縫［2］.為了解決上述問題，學(xué)者們提出在UHPC中加入粗骨料［3］，形成含粗骨料超高性能混凝土（UHPC-CA），通過粗骨料的約束作用降低UHPC的自收縮以及早期開裂的風(fēng)險(xiǎn).與此同時(shí)，由于粗骨料取代了一部分膠凝材料，可以在一定程度上降低UHPC材料的成本［3］.目前UHPC-CA 已在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，包括南京第五長江大橋和上海松浦大橋等［4-5］.為了推廣UHPC-CA 在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，研究鋼筋與UHPC-CA之間的黏結(jié)性能至關(guān)重要［6-7］.

Iqbal等［8］通過研究不同粒徑骨料對鋼筋與普通混凝土黏結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)最大骨料粒徑小于10 mm時(shí)，鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度明顯降低.Walach［9］研究了骨料粒徑對普通混凝土和高強(qiáng)混凝土中鋼筋黏結(jié)性能影響的差異，結(jié)果表明普通混凝土中鋼筋黏結(jié)性能隨骨料粒徑的增大而降低，但在高強(qiáng)混凝土中骨料粒徑變化對黏結(jié)強(qiáng)度沒有明顯影響. 本課題組［10］改進(jìn)了拔出試驗(yàn)，并進(jìn)一步探究了粗骨料的加入對拔出試件中鋼筋黏結(jié)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明較小粒徑的粗骨料對黏結(jié)強(qiáng)度的提升幅度能達(dá)到14.49%［11］.

相較于短錨試驗(yàn)，梁式搭接試驗(yàn)更能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)中鋼筋的黏結(jié)狀態(tài)［12］.Maya 等［13］開展了UHPC節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋搭接黏結(jié)性能試驗(yàn)研究，得出15倍鋼筋直徑的搭接長度能夠使試件達(dá)到理論抗彎強(qiáng)度.Valentim等［14］同時(shí)開展了短錨拔出試驗(yàn)和梁式搭接試驗(yàn)，探究了不同參數(shù)對鋼筋-UHPC黏結(jié)性能的影響.Bae等［15］研究了兩種類型的鋼纖維混合對鋼筋黏結(jié)性能的影響，結(jié)果表明兩種鋼纖維混合能夠提高鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度.Ronanki等［6］開展了拉拔試驗(yàn)和梁式搭接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼筋黏結(jié)應(yīng)力沿長度方向分布不均勻.Liang等［7］開展了一系列梁式搭接試驗(yàn)，探究鋼筋與UHPC的黏結(jié)性能，并提出劈裂黏結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算表達(dá)式.Hung等［16］對16個(gè)全尺寸UHPC梁進(jìn)行4點(diǎn)加載試驗(yàn)，得出粗骨料能夠增強(qiáng)鋼筋與UHPC的黏結(jié)強(qiáng)度的結(jié)論.

已有的相關(guān)研究中并未考慮到不同骨料粒徑以及不同骨料含量的變化對UHPC和鋼筋黏結(jié)性能的影響.因此本文設(shè)計(jì)梁式搭接試驗(yàn)，以探究彎曲應(yīng)力狀態(tài)下鋼筋與UHPC-CA的黏結(jié)性能.主要研究參數(shù)包括粗骨料含量、粗骨料粒徑、鋼筋搭接長度以及鋼筋保護(hù)層厚度.研究不同參數(shù)對鋼筋與UHPC-CA黏結(jié)性能的影響.探究了不同骨料含量下鋼筋黏結(jié)應(yīng)力沿鋼筋搭接方向的分布規(guī)律.并提出了考慮粗骨料特征參數(shù)的UHPC-CA 構(gòu)件劈裂黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算表達(dá)式.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本研究一共設(shè)計(jì)了12根梁式試件，試件梁的截面尺寸均為200 mm×300 mm，梁長度為1 500 mm，計(jì)算跨度為1 300 mm.所有試件均采用4點(diǎn)加載的方式進(jìn)行試驗(yàn).鋼筋搭接段均設(shè)在試件純彎段內(nèi)，以確保搭接鋼筋與周圍UHPC-CA基體在加載過程中均處于受拉的應(yīng)力狀態(tài).同時(shí)，為了使UHPC-CA梁表面裂縫數(shù)量足夠多，避免加載點(diǎn)位置處可能形成塑性鉸區(qū)域而對鋼筋-UHPC-CA黏結(jié)性能產(chǎn)生影響，純彎段的長度不宜小于搭接段長度與梁截面高度之和［17］.

梁底縱筋選用2根直徑16 mm的HRB600熱軋帶肋鋼筋，梁頂架立筋選用2 根直徑10 mm 的HRB500熱軋帶肋鋼筋.為探究UHPC-CA梁的劈裂破壞特征，鋼筋的搭接長度取為8db（db 為鋼筋直徑）［13］.位于搭接段外側(cè)的鋼筋從梁內(nèi)一直延伸到梁外，并用PVC 管將鋼筋與UHPC-CA 隔開，鋼筋與PVC管之間的空隙用發(fā)泡膠進(jìn)行填充，防止?jié)仓r(shí)UHPC流入PVC管［7，12］.在梁的剪跨段范圍內(nèi)布置直徑為6 mm，間距為70 mm的HRB400級雙支箍筋.