鄭七振， 讓 夢(mèng)， 李 鵬

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）作為一種具有超高強(qiáng)度、優(yōu)良韌性（類金屬變形性能）及優(yōu)異耐久性等性能的超高強(qiáng)水泥基材料，已應(yīng)用于核工業(yè)、超高層建筑、海洋工程及加固防護(hù)工程等領(lǐng)域[1-5]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于UHPC的研究主要集中在配合比設(shè)計(jì)、材料性能、養(yǎng)護(hù)方法及工程應(yīng)用等方面，對(duì)鋼筋與UHPC的黏結(jié)性能研究較少[6-9]。深入研究鋼筋與UHPC材料的黏結(jié)性能，對(duì)推動(dòng)UHPC材料的發(fā)展，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義[10]。本文以鋼筋錨固長(zhǎng)度、鋼筋直徑及混凝土保護(hù)層厚度為主要參數(shù)，設(shè)計(jì)了9組共27個(gè)試件，進(jìn)行了中心拉拔試驗(yàn)，研究不同參數(shù)取值對(duì)鋼筋與UHPC之間的黏結(jié)性能的影響，為UHPC材料在建筑結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料及性能

試驗(yàn)采用的鋼筋均為HRB400熱軋帶肋鋼筋。在制作試件時(shí)，選取同批次鋼筋，取標(biāo)距為5倍鋼筋直徑，根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T 228-2002）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。鋼筋的物理力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表 1 鋼筋的物理力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical properties of steel bars

試驗(yàn)采用的UHPC由某材料公司提供，根據(jù)《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）進(jìn)行材性試驗(yàn)，UHPC的立方體尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，測(cè)得抗壓強(qiáng)度平均值為135.0 MPa。

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

設(shè)計(jì)并制作9組中心拉拔試件，共27個(gè)，其中，U1，U2，U3組試件的主要變化參數(shù)分別為鋼筋錨固長(zhǎng)度la，鋼筋直徑d和混凝土保護(hù)層厚度c，各試件參數(shù)如表2所示。試件采用無(wú)橫向鋼筋的中心拉拔試件，為了避免試件加載端的UHPC受到局部擠壓，在加載端用PVC套管將非黏結(jié)段的鋼筋與混凝土隔離開(kāi)，試件設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

表 2 試件分組及設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Grouping of specimens and design parameters

圖 1 試件設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the specimen design

1.3 加載及測(cè)量方案

試驗(yàn)在SANT100T液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用力控加載方式，鋼筋直徑為12，16，20 mm的加載速度分別為72，128，200 N/s，連續(xù)加載直至試件破壞，試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。在拉拔試件的加載端（下端）和自由端（上端）分別對(duì)稱布置2個(gè)位移計(jì)，以測(cè)量加載端和自由端鋼筋與試件基體的相對(duì)滑移，位移計(jì)通過(guò)特定裝置固定于試件相應(yīng)位置后，將其與DH5921數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，連續(xù)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖 2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Loading appliance

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

在加載初期，鋼筋加載端和自由端的滑移量均為零，隨著荷載的增大，鋼筋加載端逐漸開(kāi)始產(chǎn)生滑移，且荷載向自由端傳遞，并最終產(chǎn)生了3種破壞形態(tài)：鋼筋拔出破壞、劈裂破壞和鋼筋拉斷破壞，典型破壞形態(tài)如圖3所示。

圖 3 典型破壞形態(tài)Fig.3 Typical failure forms

在9組試件中，有7組試件發(fā)生了鋼筋拉斷破壞，只有鋼筋錨固長(zhǎng)度為3d的試件（U1-1）發(fā)生了鋼筋拔出破壞，對(duì)于混凝土保護(hù)層厚度最小的U3-2試件則發(fā)生了劈裂破壞。各試件具體破壞形態(tài)如表3所示，定義Fcr為自由端初始滑移荷載，F(xiàn)u為極限拉拔荷載，τu為極限黏結(jié)強(qiáng)度，按公式τu=Fu/（πdla）計(jì)算，su為峰值荷載對(duì)應(yīng)的自由端滑移量。

表 3 超高性能混凝土試件的中心拉拔試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Pull-out test results of ultra-high performance concrete

2.2 荷載-滑移曲線及其特性

為了忽略試驗(yàn)加載過(guò)程中鋼筋伸長(zhǎng)的影響，僅對(duì)自由端滑移量進(jìn)行分析。同一破壞模式的試件，均表現(xiàn)出相似的荷載-滑移曲線，圖4為各破壞形態(tài)的典型荷載-滑移曲線，由圖4可見(jiàn)，典型荷載-滑移曲線可呈現(xiàn)3階段特點(diǎn)：

a. 無(wú)滑移階段。加載初期，自由端幾乎不產(chǎn)生滑移，當(dāng)荷載達(dá)到50%～70%極限拉拔荷載時(shí)，自由端才開(kāi)始出現(xiàn)滑移，首次出現(xiàn)滑移對(duì)應(yīng)的荷載稱為自由端初始滑移荷載Fcr。

b. 滑移階段。隨著荷載增加，自由端滑移量不斷增大，荷載-滑移曲線斜率減小，荷載逐漸達(dá)到極限拉拔荷載Fu，形成非線性增長(zhǎng)的曲線。

c. 破壞階段。不同破壞形態(tài)的試件，其荷載-滑移曲線的破壞階段也不同。對(duì)于鋼筋拔出破壞，荷載達(dá)到極限拉拔荷載Fu后，荷載增長(zhǎng)不大的情況下，自由端鋼筋產(chǎn)生大量滑移，荷載逐漸減小，鋼筋被拔出，荷載-滑移曲線形成一段平緩的下降曲線；對(duì)于劈裂破壞，荷載達(dá)到極限拉拔荷載Fu后，試件表面裂縫迅速發(fā)展，瞬間劈裂，此階段破壞較為突然，荷載變化較小，滑移量迅速增大，荷載-滑移曲線形成一段陡峭的下降曲線；對(duì)于鋼筋拉斷破壞，荷載達(dá)到鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，在鋼筋與UHPC的黏結(jié)性能完好情況下，最終發(fā)生鋼筋拉斷破壞，自由端鋼筋滑移量不再變化，荷載-滑移曲線形成一段垂直的下降段。

圖 4 各典型破壞形態(tài)的荷載-滑移曲線Fig.4 Load-slip curve of typical failure forms

鋼筋拉斷破壞試件的自由端初始滑移荷載明顯高于劈裂破壞試件和鋼筋拔出破壞試件，且破壞時(shí)的試件自由端滑移量很小。發(fā)生鋼筋拔出破壞的試件自由端滑移量較大，約為鋼筋拉斷破壞和劈裂破壞的4倍。

3 影響?zhàn)そY(jié)性能的因素

3.1 鋼筋錨固長(zhǎng)度的影響

圖5為具有不同鋼筋錨固長(zhǎng)度的U1系列試件荷載-滑移曲線。由圖5可見(jiàn)，隨著鋼筋錨固長(zhǎng)度的增大，自由端初始滑移荷載Fcr顯著提高，U1-2與U1-3相較U1-1分別提高了85%，99%，而U1-4和U1-5試件鋼筋直接拉斷，未產(chǎn)生自由端滑移。對(duì)比U1系列試件可知，鋼筋錨固長(zhǎng)度在4d時(shí)，自由端初始滑移荷載與鋼筋的屈服荷載基本保持一致，建議將鋼筋與UHPC黏結(jié)性能的合理錨固長(zhǎng)度取為4d。

圖 5 鋼筋錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)性能的影響Fig.5 Effect of the anchorage length on bond behaviors

3.2 鋼筋直徑的影響

圖6（a）為具有不同鋼筋直徑的U1-3，U2-1和U2-2試件的荷載-滑移曲線（F-S曲線）。由圖6（a）可知，鋼筋直徑越大，其實(shí)際錨固長(zhǎng)度就越大，與UHPC接觸面積越大，從而兩者間的極限化學(xué)膠著力也越大，表現(xiàn)為隨著鋼筋直徑的增大，自由端初始滑移荷載急劇增大。試件U2-2和U1-3的自由端初始滑移荷載分別為U2-1的3倍和2倍，且鋼筋直徑越大，荷載-滑移曲線越平緩，最終自由端滑移量也越大，直徑為12 mm的U2-1試件的最終自由端滑移量約為0.03 mm，而直徑為20 mm的U2-2試件的最終自由端滑移量約為0.25 mm以上。

由于3組試件均為鋼筋拉斷破壞，鋼筋與UHPC間的黏結(jié)性能并未破壞，因此，3組試件的極限黏結(jié)應(yīng)力相差不大，如圖6（b）所示。

3.3 混凝土保護(hù)層厚度的影響

試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整試件橫截面尺寸來(lái)設(shè)置混凝土保護(hù)層厚度c。圖7（a）為具有不同混凝土保護(hù)層厚度的U1-3，U3-1和U3-2試件的F-S曲線。由圖7（a）可見(jiàn)，試件自由端初始滑移荷載隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加而有所增大，但增大幅度較小。c=32 mm的U3-2試件發(fā)生了劈裂破壞，鋼筋滑移較大；而c較大的U1-3和U3-1則為鋼筋拉斷破壞。由此可見(jiàn)，隨著混凝土保護(hù)層厚度的增大，試件的環(huán)向約束能力增強(qiáng)，但當(dāng)保護(hù)層達(dá)到一定程度后，再增大保護(hù)層厚度對(duì)提高黏結(jié)強(qiáng)度沒(méi)有作用。3組試件保護(hù)層厚度與極限黏結(jié)應(yīng)力的對(duì)比曲線如圖7（b）所示。由于試驗(yàn)并未設(shè)到與極限黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的保護(hù)層厚度，因此，參考相關(guān)資料，并對(duì)圖7（b）進(jìn)行推斷，建議混凝土臨界保護(hù)層厚度為2.6 d。

圖 6 鋼筋直徑對(duì)黏結(jié)性能的影響Fig. 6 Effect of the steel diameter on bond behaviors

圖 7 混凝土保護(hù)層厚度對(duì)黏結(jié)性能的影響Fig. 7 Effect of the concrete cover thickness on bond behaviors

4 結(jié) 論

a. 超高性能混凝土中心拉拔試件主要發(fā)生了3種破壞形態(tài)：鋼筋拔出破壞、劈裂破壞和鋼筋拉斷破壞。

b. 鋼筋錨固長(zhǎng)度在4d時(shí)，自由端初始滑移荷載與變形鋼筋的屈服荷載基本保持一致，建議超高性能混凝土與鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度的中心拉拔試驗(yàn)試件的合理錨固長(zhǎng)度取為4d。

c. 自由端初始滑移荷載隨鋼筋錨固長(zhǎng)度和鋼筋直徑的增大可提高1～2倍。

d. 鋼筋直徑對(duì)自由端初始滑移荷載影響較大，對(duì)極限平均黏結(jié)強(qiáng)度影響較小。

e. 隨著混凝土保護(hù)層厚度的增大，試件的環(huán)向約束能力增強(qiáng)，但當(dāng)保護(hù)層達(dá)到一定程度后，再增大保護(hù)層厚度對(duì)提高黏結(jié)強(qiáng)度沒(méi)有作用，建議混凝土臨界保護(hù)層厚度取為2.6d。