鋼纖維摻量對變形鋼筋與超高性能混凝土黏結性能影響

胡翱翔，邱 敏

（深圳職業技術大學建筑工程學院 深圳 518055）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）是目前土木工程領域研究較多的新材料之一。與普通混凝土相比，UHPC 具有強度高、流動性好、延性好以及耐久性優良等特點［1-4］，但是其抗拉強度與抗壓強度之比仍然較低［5-6］，約為1/20［7］，所以在實際工程應用中仍需要配置一定數量的鋼筋［8-10］，以彌補其抗拉強度的不足。黏結力是鋼筋與UHPC 這兩種不同性質的材料能夠共同工作的基礎［11］；鋼筋與UHPC 之間的黏結-滑移本構關系可以反映兩種材料協同工作的情況，也是對UHPC結構進行非線性有限元分析的基礎。但是目前我國規范還沒有關于鋼筋與UHPC 黏結性能方面的相關規定，普通混凝土與UHPC 力學性能差異較大，鋼筋與普通混凝土黏結性能的規定不適用于這種新材料，所以有必要研究鋼筋與UHPC 的黏結性能，建立鋼筋與UHPC的黏結-滑移本構方程。

國內外研究者對鋼筋與UHPC 的黏結性能進行了一些研究。賈方方［12］為研究變形鋼筋與高溫養護活性粉末混凝土的黏結性能，進行梁式試驗和中心拔出試驗，考慮的因素有保護層厚度、鋼纖維摻量和黏結長度等，鋼纖維體積摻量為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%共5種，試驗結果表明：增加鋼纖維體積摻量，可以改善試件的脆性，同時起到阻裂的作用；試件的破壞形態從活性粉末混凝土劈裂破壞變化為劈裂破壞和鋼筋拔出共同發生，最后變為鋼筋拔出破壞；鋼纖維體積摻量主要影響極限黏結強度及其相應的滑移值，極限黏結強度及其相應的滑移值與鋼纖維體積摻量成正比。

鄧宗才等人［13］通過72 個拉拔試件研究高強鋼筋與高溫蒸汽養護活性粉末混凝土的黏結性能；試驗考慮的變量有鋼筋埋長、保護層厚度、鋼筋直徑、鋼纖維摻量和活性粉末混凝土強度等，鋼纖維體積摻量為1.5%和2.0%。試驗結果表明：隨著鋼纖維體積摻量的增加，黏結-滑移曲線下降段變緩；纖維摻量較小時，對試件的破壞形式、極限黏結強度影響不大。

BAE 等人［14］通過中心拔出試驗，研究高溫蒸汽養護活性粉末混凝土強度、保護層厚度和鋼纖維摻量對鋼筋與活性粉末混凝土黏結性能的影響；鋼纖維摻量為0%、1%和2%。試驗結果表明：鋼纖維摻量從0%增加至1%時，極限黏結強度增加了一倍，但是繼續增加至2%時，極限黏結強度僅增加2%～5%。

YOO等人［15］通過中心拔出試驗，研究纖維摻量對鋼筋與高溫養護UHPC 黏結性能的影響，鋼纖維體積摻量為1%、2%、3%和4%共4 種。試驗結果表明：纖維摻量小于3%時，極限黏結強度及其對應的滑移值隨著纖維摻量的增加而增加，繼續增加纖維摻量，極限黏結強度反而降低，可能是由于混凝土中纖維分散不均勻導致。

上述研究表明：黏結強度與鋼纖維摻量有關，纖維摻量較小時影響不大，在纖維均勻分布條件下，鋼纖維摻量越大，極限黏結強度越高。但是國內外目前對于鋼筋與UHPC 的研究主要集中在低摻量（≤2%）、高溫養護條件下，對于纖維大摻量常溫養護條件下UHPC 的黏結性能研究相對較少。UHPC 材料實際應用中，一般是根據不同的工程應用條件，只改變纖維摻量來調整配合比［16］，所以有必要研究纖維摻量對鋼筋與UHPC 黏結性能的影響。另外，當這種材料用于預制構件的搭接部位時，受現場養護條件的限制，無法實現高溫養護或者標準養護，所以有必要研究室外養護條件下鋼筋與UHPC的黏結性能。

基于此，本文為充分研究纖維摻量對鋼筋與UHPC黏結性能的影響，設計、制作了6組室外養護條件下不同纖維摻量的中心拔出試件，纖維摻量為0%～5%，研究鋼纖維摻量對黏結性能的影響；結合國內外試驗結果，給出僅考慮纖維摻量的黏結-滑移本構方程。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗所用配合比為水泥∶水∶硅灰∶石英砂∶減水劑=1.00∶0.23∶0.26∶1.26∶0.03。鋼纖維為表面鍍黃銅的圓柱形纖維，長度為7 mm，等效長徑比為39，抗拉強度為2 850 MPa。鋼纖維體積摻量為0～5%，一共6組試驗，每組3 個試件。試件制作完成之后試件表面用濕布覆蓋，放置室外養護48 h 后拆模，之后繼續放在室外養護至28 d齡期進行試驗，試件制作完成后的前14 d，每天早、中、晚澆水養護3次，之后每天澆水養護1次。

UHPC抗壓、抗拉強度比普通混凝土高很多，為充分發揮材料的優良力學性能，變形鋼筋采用HRB500級鋼筋，直徑均為16 mm，其實測力學性能參數如下：直徑為16 mm，屈服強度為553.10 MPa，抗拉強度為756.20 MPa，斷后伸長率為26.20%，彈性模量為2.0×105MPa。與試件同條件養護的6組100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊抗壓強度平均值如表1。

1.2 試件設計

試件尺寸參考《鋼纖維混凝土試驗方法：CECS 13∶89》［17］中關于鋼筋與混凝土黏結性能試驗的規定，確定試件為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體；分別在鋼筋加載端和自由端的非黏結區域范圍內，先用膠帶纏繞，之后在鋼筋表面分別用PVC 套管套住，使其與周圍混凝土隔離，以防止振搗UHPC 時，混凝土滲入非黏結區域而影響試驗結果，同時也消除或減小試件加載端混凝土局部受壓的影響，黏結區的長度取值參考文獻［14-15，18］，最終固定為2.5 d。試件的具體尺寸如圖1所示。

圖1 拔出試件詳圖Fig.1 Detail of the Pull-out Specimen （mm）

1.3 試驗加載過程

試驗在1 000 kN 電子萬能試驗機上進行，試驗時在鋼筋自由端安裝2 個位移計，測量試驗加載過程中鋼筋與UHPC 的相對滑移。荷載由儀器自動測量，試驗加載全過程采用位移控制，加載速率為0.5 mm/min。試件的加載裝置如圖2所示。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test Setup for the Pull-out Test

2 試驗結果

2.1 試件破壞過程和破壞形態

試驗試件的破壞形態與鋼纖維摻量密切相關，纖維摻量不同，試件的破壞形態也不同，大致可以分為3種：不摻纖維、纖維摻量為1%和纖維摻量大于1%。

對于不摻鋼纖維的試件，剛開始加載階段荷載上升較快，但是滑移值增長較慢，當達到峰值荷載時，突然“砰”的一聲巨響，試件從鋼筋的位置劈裂成幾塊，裂縫呈放射狀，并有少許混凝土碎沫掉落，荷載突然降為零，試驗結束。試件最終的破壞形態均為劈裂黏結破壞。

對于纖維摻量為1%的試件，剛開始加載階段荷載上升較快，但是滑移值增長比不摻纖維組試件快；當超過峰值荷載后，荷載緩慢下降，滑移值大幅度增長，在試件澆筑上表面出現平行于加載方向的縱向劈裂裂縫，縱向裂縫從鋼筋加載端產生，并向自由端延伸，但并未延伸至自由端，試件仍然保持整體狀態。試件最終的破壞形態是鋼筋被拔出的劈裂黏結破壞。

對于纖維摻量超過1%的試件，剛開始加載階段荷載上升較快，滑移值增長比不摻纖維組試件快；當超過峰值荷載后，荷載緩慢下降，滑移值大幅度增長，試件表面沒有裂縫出現。試件最終的破壞形態均為鋼筋被拔出的黏結破壞。

由上述可見，隨著纖維摻量的增加，UHPC 拔出試件的破壞形態逐漸從混凝土劈裂破壞轉變為混凝土劈裂和鋼筋拔出同時發生，最后轉變為鋼筋拔出破壞，即由脆性破壞逐漸轉變為韌性破壞。試件最終破壞形態如圖3所示。

圖3 試件破壞形態Fig.3 Failure Modes of the Pull-out Test

2.2 試驗結果

本次試驗所有組鋼筋的黏結長度均為2.5d=40 mm，黏結長度較短，所以假定黏結長度范圍內鋼筋與混凝土的黏結應力均勻分布，等于平均黏結應力，計算公式為式⑴。鋼筋與混凝土的相對滑移取自由端兩個位移計的平均值，計算公式為式⑵；試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果Tab.2 Results of the Pull-out Test

式中：τ、τm分別表示黏結應力（MPa）和平均黏結應力（MPa）；F為拔出力（N）；d為鋼筋直徑（mm）；l為黏結長度（mm）；s為鋼筋與混凝土的相對滑移（mm）；sf1、sf2分別表示鋼筋自由端兩個位移計的測量值（mm）。

2.3 平均黏結應力-滑移曲線

6 組試件的平均黏結應力-滑移全曲線（固定滑移，黏結應力取平均值）、上升段以及下降段曲線如圖4所示。第一組試件不摻鋼纖維，加載至峰值荷載過后，試件發生劈裂破壞，荷載突然降為零，未得到曲線的下降段，其他組均得到完整的黏結應力-滑移曲線。由圖4 可知：摻纖維組黏結應力-滑移曲線的走勢大致相同，在達到峰值荷載之前，荷載大幅度增加但是滑移值卻很??；峰值荷載過后，荷載開始下降，滑移值增長較快；當滑移值達到6～11 mm 左右時，荷載下降緩慢，鋼筋徐徐從混凝土中拔出。纖維摻量對曲線上升段影響不大，主要影響峰值荷載過后的下降段曲線形狀。纖維摻量小于3%時，隨著纖維摻量的增加，下降段曲線越來越平緩，曲線與坐標橫軸包圍的面積增大；當纖維摻量大于3%時，曲線下降段變陡，曲線與坐標橫軸包圍的面積減小，表明纖維摻量對于黏結應力-滑移曲線下降段的影響，并非纖維摻量越多越好，而是存在一個上限值。

圖4 6組平均黏結應力-滑移曲線Fig.4 Average Bond Stress-slip Curves of All Groups

3 試驗結果分析

3.1 纖維摻量對鋼筋與UHPC黏結性能的影響

3.1.1 纖維摻量對黏結強度的影響

纖維摻量與黏結強度之間的關系如圖5 所示，可知：與不摻纖維組相比，纖維摻量從1%增加到5%，最大黏結強度分別增加5.92%、4.96%、6.18%、3.32%和4.84%，即纖維對黏結強度有提高作用，但是纖維摻量對黏結強度影響不大，黏結強度均保持在60 MPa 左右。纖維摻量為3%時，黏結強度最大，為61.49 MPa，繼續增加纖維摻量，黏結強度反而降低，其原因可能是纖維摻量超過某一值時，UHPC 的密實性和均勻性變差。

圖5 纖維摻量對黏結強度的影響Fig.5 Effect of Fiber Content on the Bond Strength

3.1.2 纖維摻量對峰值應力相應的滑移值的影響

纖維摻量對峰值應力相應的滑移值的影響如圖6所示?？芍弘S著纖維摻量的增加，峰值應力相應的滑移值逐漸增大，但是并非線性增長，并且增加的幅度減小，即與不摻纖維組相比，纖維摻量從1%增加至5%，峰值應力相應的滑移值分別增大102%、158%、161%、165%和171%。

圖6 纖維摻量對滑移值的影響Fig.6 Effect of Fiber Content on the Slip

3.2 黏結強度計算

從表2 中正則化黏結強度計算結果可知：纖維摻量對正則化黏結強度幾乎沒有影響，纖維摻量為1%～5% 時，正則化黏結強度變化范圍不大，參考文獻［13-15，18-20］中26 組中心拔出試驗試驗數據，結合本文15 組試驗數據得出鋼筋與摻纖維UHPC 黏結強度計算公式如式⑶，計算值與試驗值的比較如圖7 所示。計算值與試驗值之比的平均值為1.05，變異系數為0.10。按照式⑶對本文15 組摻纖維組試驗進行計算，計算值與試驗值比如表3所示。計算值與試驗值之比的平均值為0.96，變異系數為0.04?？梢娛舰怯嬎愕玫降酿そY強度與試驗結果較為接近。

圖7 黏結強度計算值與試驗值比較Fig.7 Comparison of Calculated and Tested Bond Strength

表3 黏結強度計算結果Tab.3 Calculated Bond Strength of the Test

3.3 錨固長度

鋼筋在混凝土中必須具有足夠的錨固長度才能充分發揮鋼筋的性能，所以鋼筋錨固長度對于工程應用具有重要的意義。鋼筋最小錨固長度試驗值的計算依據是鋼筋達到屈服強度時剛好沒有被拔出的臨界狀態，據此可得出式⑷。將本文試驗數據代入式⑷中，計算結果列于表4 中。由計算結果可知：對于直徑為16 mm 的HRB500 級鋼筋，在纖維摻量為0%～5%的UHPC中最小錨固長度試驗值可取2.5d。

表4 鋼筋錨固長度計算Tab.4 Calculation of the Anchorage Length of the Steel Bars

式中：Lmin為鋼筋最小錨固長度試驗值（mm）；fy表示鋼筋屈服強度（MPa）。

4 分析模型

黏結應力-滑移分析模型是進行結構計算的依據，也是進行非線性有限元分析的基礎，所以準確給出黏結應力-滑移分析模型具有重要意義。本文參考文獻［21］中分析模型，模擬黏結應力-滑移曲線上升段，其表達式如式⑸：

其中，sr、β為待定系數，可通過最小二乘法曲線擬合得到。根據本文試驗數據擬合之后，得到的值分別為0.72和0.16。將數據代入式⑸中得到：

將式⑹與本文上升段試驗數據進行對比分析，如圖8所示，可以看出分析模型與試驗數據吻合較好。

圖8 各組擬合曲線Fig.8 Fitting Curves of All Groups

5 結論

由上述試驗分析結果可得出如下結論：

⑴纖維摻量對試件的破壞形態有較大影響。隨著纖維摻量的增加試件的破壞形態從混凝土劈裂破壞轉變成鋼筋拔出加混凝土劈裂最后轉變為鋼筋拔出破壞，即由脆性破壞轉變為韌性破壞。

⑵纖維摻量對黏結強度影響不大，黏結強度均處于60 MPa 左右，峰值滑移隨著纖維摻量增加而增大，纖維摻量為3%時黏結強度最大，為61.49 MPa，并且黏結應力-滑移曲線下降段最平緩，曲線與坐標橫軸圍成的面積最大。文中建立了鋼筋與摻纖維UHPC組黏結強度與抗壓強度之間的關系。

⑶根據鋼筋在混凝土中拔出的臨界狀態，計算鋼筋最小錨固長度，建議HRB500 型直徑16 mm 的變形鋼筋，在UHPC中最小錨固長度試驗值取2.5d。

⑷文中參考相關文獻建立了黏結應力-滑移曲線上升段分析模型，并且計算結果與試驗結果吻合較好。