邵姝文 商懷帥 馮海暴 李永升 袁守濤

(1.青島理工大學土木工程學院，山東青島 266033；2.中交一航局有限公司，天津 300456；3.青島中航工程試驗檢測有限公司，山東青島 266044)

推廣和應用高強鋼筋對建筑行業(yè)的節(jié)能減排意義重大，鋼筋強度每提高100 MPa，可節(jié)約鋼材用量10%左右[1]。關于高強鋼筋的使用，國外開始的較早。近年來，我國學者也陸續(xù)開展了關于高強鋼筋的試驗研究。姚瑞研究了HRB500級鋼筋與混凝土間的黏結性能，并分析了不同因素對黏結性能的影響，基于試驗數(shù)據(jù)提出了黏結強度計算式及合理錨固長度[2]。管俊峰等對600 MPa級鋼筋的力學性能及配置600 MPa級鋼筋的梁構件抗裂性能進行了試驗研究，并基于試驗數(shù)據(jù)提出了600 MPa級鋼筋的本構關系及配置600 MPa級鋼筋的梁構件抗裂度計算式[3-4]。除此以外，文獻[5-6]介紹了對630 MPa級高強鋼筋及HTRB700鋼筋的試驗研究，給出了630 MPa級鋼筋的低周疲勞性能及HTRB700鋼筋的材料特性。

國內外學者對高強鋼筋的研究已經較為深入，但目前國內研究應用的高強鋼筋屈服強度普遍介于500～600 MPa，較發(fā)達國家仍存在差距，且普遍存在強度提高、延性降低的問題。除鋼筋的強度和延性外，鋼筋的耐腐蝕性能也是影響鋼筋混凝土結構耐久性能的重要因素；但目前研究應用的高強鋼筋，強度提高的同時，延性和耐腐蝕性能并未得到改善。

基于此，我國自主研發(fā)了一種新型負泊松比高強高延性耐腐蝕的鋼筋——NPR鋼筋；NPR鋼筋與普通高強鋼筋相比，除強度提高外，延性和耐腐蝕性能均得到了改善。但目前關于NPR鋼筋的研究國內外均鮮有報道。作為新型鋼筋，當其應用于混凝土結構時，其與混凝土的黏結性能是否與普通鋼筋、高強鋼筋及各類FRP筋與混凝土間的黏結性能相似，需通過試驗研究確定。故開展NPR鋼筋與混凝土間的黏結性能研究，可為NPR鋼筋應用于混凝土結構提供參考。

1 NPR鋼筋簡介及靜載拉伸試驗

NPR鋼筋與普通鋼筋相比主要有以下特點：1)NPR鋼筋中Mn元素含量高達10.7%，Mn元素對提高鋼材的強度、硬度、韌性及熱加工性能有積極作用；此外，NPR鋼筋中Ni 、Cr、Cu微量元素含量高于普通鋼筋，使其耐腐蝕性能提高，NPR鋼筋的化學成分及含量如表1所示。2)由于其特殊的退火保溫工藝，NPR鋼筋在常溫下為全奧氏體材料，奧氏體具有無磁、韌性高、塑性好等優(yōu)點，同時全奧氏體的單相組織比其他復相組織材料的耐腐蝕性更高，NPR鋼筋的金相組織如圖1所示。3)NPR鋼筋外表面為連續(xù)均勻分布的凸起螺旋肋，通體橫截面積相等；其特殊的表面形式實現(xiàn)了高均勻、大變形的特性，同時解決了月牙肋鋼筋在拉伸時由于肋根部應力集中而出現(xiàn)剪切斷裂，斷裂延伸率不可控等問題。

圖1 NPR鋼筋的金相組織Fig.1 Metallographic structure of NPR rebars

表1 NPR鋼筋的化學成分及含量Table 1 Chemistry and contents of NPR rebars %

采用300 kN的電液伺服萬能試驗機對NPR鋼筋進行了室溫下拉伸試驗。NPR鋼筋的拉伸試驗數(shù)據(jù)如表2所示，其應力-應變曲線如圖2所示。從表2和圖2可以看出：1)不同直徑NPR鋼筋的應力-應變曲線趨勢基本相同，其屈服平臺消失，無明顯屈服強度。2)對于直徑為8 mm的兩種鋼筋，HRB400鋼筋的屈服強度和極限強度僅為NPR鋼筋的61.33%和63.74%，NPR鋼筋的斷后伸長率和最大力總伸長率較HRB400鋼筋分別提高了78.11%和125.60%。3)對于直徑為18 mm的兩種鋼筋，NPR鋼筋的屈服強度、極限強度、斷后伸長率及最大力總伸長率較HRB400鋼筋分別提高了50.80%、42.42%、44.10%和87.86，表明NPR鋼筋具有更高的強度和延性。

HRB400(18 mm);HRB400(8 mm);NPR(18 mm);NPR(8 mm)。圖2 應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves

2 中心拔出試驗

2.1 試驗材料

2.1.1鋼 筋

試驗選用直徑為8，18 mm的NPR鋼筋和HRB400級普通月牙紋鋼筋，鋼筋力學性能指標如表2所示，外形如圖3所示，參數(shù)如表3～4所示。

mm

表2 不同類型鋼筋的力學性能Table 2 Mechanical properties of different rebars

無明顯屈服平臺的鋼筋，其屈服強度取殘余變形為0.2%時對應的強度值。

a—NPR鋼筋；b—普通鋼筋。圖3 鋼筋示意Fig.3 Schematic diagrams of rebars

表3 普通鋼筋外形參數(shù)Table 3 Shape parameters of conventional rebars

表4 NPR鋼筋外形參數(shù)Table 4 Shape parameters of NPR rebars

螺旋槽數(shù)為沿鋼筋全長連續(xù)均勻分布的螺旋肋數(shù)量。

2.1.2海工混凝土

為了更貼合工程實際，試驗選用中交一航局第二工程有限公司預制分公司生產的海工混凝土，其強度等級為C30，抗凍等級為F250；水泥選用山鋁P·O 42.5R水泥；粗骨料選用連續(xù)級配為5～25 mm的碎石，其堆積密度為1 789 kg/m3，表觀密度為2 670 kg/m3，含泥量低于1.5%；細骨料選用青島市河沙，其細度模數(shù)為3.1，含泥量低于2.0%；拌和水選用青島市自來水。此外還摻有引氣劑、礦粉、高性能減水劑等，由于引氣劑等外加劑的加入，使海工混凝土的抗凍及抗?jié)B性能與普通混凝土相比大幅度提高。海工混凝土具體配合比如表5所示，其材料性能如表6所示。

表5 海工混凝土配合比Table 5 Proportion of marine concrete mix kg/m3

表6 海工混凝土材料性能指標Table 6 Material property indexes of marine concrete

2.2 試件制備

試驗共設計24組尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm的中心拔出試件，鋼筋選取NPR鋼筋和普通鋼筋、鋼筋直徑為8，18 mm、黏結長度為5d和7d(d為鋼筋直徑)。試件編號由3部分組成，鋼筋種類和直徑-黏結長度-混凝土強度等級。例如，N18-5d-30表示：直徑為18 mm的NPR鋼筋，其與強度等級為C30的混凝土黏結長度為5d。

在澆筑前，為防止邊界效應的影響，在加載端和自由端分別設置聚氯乙烯管，并通過調整聚氯乙烯管位置來設置黏結長度；通過纏繞泡沫狀的雙面膠固定聚氯乙烯管和鋼筋的相對位置，同時為防止砂漿流入聚氯乙烯管與鋼筋之間的空隙，進而影響?zhàn)そY強度，采用樹脂將聚氯乙烯管兩端封堵；自由端鋼筋預留長度為100 mm，加載端預留350 mm，試件詳圖如圖4所示。澆筑24 h后拆模，然后將試件放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。

圖4 中心拔出試件 mmFig.4 Details of central pull-out specimens

2.3 試驗設備及加載方案

中心拔出試驗在600 kN的電液伺服萬能試驗機上進行，試驗通過在加載端設置荷載傳感器和位移計來采集荷載及加載端滑移，試驗采用力控制加載模式，加載速率為0.1 kN/s，直至試驗結束；試驗過程中若出現(xiàn)混凝土劈裂或加載端滑移超過36 mm時停止加載，試驗裝置如圖5所示。

圖5 試驗加載裝置Fig.5 The test loading device

3 試驗結果和分析

3.1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)分析

試驗結果表明，鋼筋類型對破壞形態(tài)無明顯影響，試驗主要發(fā)生鋼筋拔出破壞和混凝土劈裂兩種破壞模式(表7)。直徑8 mm的兩種鋼筋均發(fā)生拔出破壞，直徑18 mm的兩種鋼筋均發(fā)生混凝土劈裂破壞；其中劈裂破壞是由于鋼筋肋作用在混凝中產生的環(huán)向拉應力的橫向分力大于混凝土的抗拉強度，而在混凝土的薄弱部位產生裂縫，裂縫隨荷載的增大不斷擴展，最終因混凝土能力不足而發(fā)生的破壞，劈裂破壞所得黏結強度小于鋼筋與混凝土的實際極限黏結強度。發(fā)生劈裂破壞的試件至少產生一條貫穿裂縫，且普通鋼筋試件的裂縫發(fā)展情況較NPR鋼筋試件嚴重，裂縫寬度稍大于NPR鋼筋試件(圖6a)；從破壞面可見混凝土黏結段的鋼筋凹槽明顯，凹槽前有摩擦痕跡且有少量被擠碎的碎屑，普通鋼筋凹槽的摩擦現(xiàn)象較NPR鋼筋嚴重(圖6b)；發(fā)生劈裂破壞的鋼筋肋表面基本無磨損，鋼筋肋間殘留混凝土碎屑，且普通鋼筋肋間碎屑較NPR鋼筋更多(圖6c)。出現(xiàn)以上劈裂現(xiàn)象的原因是：NPR鋼筋的肋高較普通鋼筋低，其肋對混凝土的斜向擠壓力更小，從而使得斜向擠壓力的徑向分力更小，裂縫開展更慢，破壞現(xiàn)象更輕。

表7 中心拔出試驗結果Table 7 Results of central pull-out test

a—混凝土裂縫；b—鋼筋凹槽；c—鋼筋表面形態(tài)。圖6 試件劈裂破壞形態(tài)Fig.6 Fracture failure modes of specimens

當荷載較小時，黏結力主要由化學膠著力提供；隨荷載的增加，加載端膠著力逐漸破壞，抗力主要由鋼筋肋與混凝土間機械咬合力和摩擦力提供；接近破壞時，鋼筋肋間混凝土被磨平(圖7a、7b)，鋼筋肋表面也出現(xiàn)磨損現(xiàn)象(圖7c)。由于NPR鋼筋表面形式的影響，使得其與混凝土間的機械咬合力和摩擦力較小，因此NPR鋼筋凹槽及肋表面磨損情況與普通鋼筋試件相比較輕。

a—NPR鋼筋凹槽；b—普通鋼筋凹槽；c—鋼筋表面形態(tài)。圖7 試件拔出破壞形態(tài)Fig.7 Pull-out failure modes of specimens

3.2 黏結強度

平均黏結應力按(1a)式計算，加載端黏結滑移的計算見式(1b)。

(1a)

s=s1-Δs

(1b)

式中：τ為平均黏結應力；F為拉拔力；d為鋼筋直徑；la為黏結長度；s為加載端黏結滑移值；s1為加載端實際滑移值；Δs為墊板表面至位移計架立處鋼筋伸長量；l為圖5中位移計架立處至試件底面的垂直距離；E為鋼筋彈性模量；A為鋼筋計算截面面積。

3.2.1鋼筋直徑對黏結強度的影響

鋼筋直徑對黏結強度的影響隨黏結長度的不同而變化。如圖8所示，黏結長度為5d的N18試件、P18試件比N08試件、P08試件的黏結強度分別提高了43.9%、66.24%；黏結長度為7d的N18試件、P18試件，其黏結強度分別為11.31,12.62 MPa，比N08試件、P08試件的黏結強度分別降低了2.16%、7.82%。研究[7-8]表明：鋼筋與混凝土的黏結強度隨鋼筋直徑的增大而減小，主要是由于鋼筋直徑增大，其相對肋高降低，導致鋼筋與混凝土間的機械咬合力降低，從而使黏結強度減小。一些學者也指出將相對肋面積(NPR鋼筋的相對肋面積為：螺旋肋在其垂直平面的投影面積/鋼筋周長與螺旋肋寬的乘積)作為評價黏結強度的關鍵因素[8-9]，直徑18 mm的兩種鋼筋相對肋面積較直徑8 mm鋼筋有所提高；除此以外，對于直徑8 mm鋼筋，當黏結長度為5d時，相對黏結面積(鋼筋黏結面積與鋼筋拉應力之比)較小，最終導致黏結長度為5d、鋼筋直徑為8 mm的兩種鋼筋試件在較小荷載下發(fā)生黏結破壞。盡管試驗結果存在離散性，但總體而言，NPR鋼筋和普通鋼筋在不同直徑下對黏結強度的影響規(guī)律相似。

3.2.2黏結長度對黏結強度的影響

對于直徑為18 mm的兩類鋼筋，黏結強度隨黏結長度的增大而降低，P18-7d試件黏結強度為P18-5d的74.06%；N18-7d試件黏結強度為N18-5d的82.92%。而對于直徑為8 mm的兩類鋼筋，P08-7d和N08-7d試件的黏結強度比P08-5d和N08-5d試件分別提高了33.56%、21.94%(圖8)，說明黏結強度隨黏結長度的增加而提高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：對于直徑8 mm鋼筋，黏結長度由5d增加到7d，鋼筋與混凝土的黏結錨固長度變化范圍不大，使得試驗結果與黏結強度隨黏結長度增加而降低的普遍規(guī)律不同[7,10-11]；同時，黏結長度由5d增加到7d，鋼筋與混凝土的相對黏結面積增大，使得兩種鋼筋試件的黏結強度有所提高。

N08;P08;N18;P18。圖8 黏結強度的對比Fig.8 Comparisons of bond strength

3.2.3鋼筋類型對黏結強度的影響

NPR鋼筋表面有多條凸起的、均勻分布的螺旋肋，且螺旋肋沿鋼筋軸向延伸設置，其特殊的表面形式可實現(xiàn)高均勻大變形的需求，同時對NPR鋼筋的黏結性能也有明顯影響。如圖8所示，對于直徑為8 mm的兩種鋼筋，黏結長度為5d、7d時，N08試件的黏結強度比P08試件分別降低了7.51%、15.56%；對于直徑為18 mm的兩種鋼筋，黏結長度為5d、7d時，N18試件的黏結強度比P18試件分別降低了19.95%、10.38%。NPR鋼筋外表面的螺旋肋和混凝土間的機械咬合力與普通月牙肋鋼筋相比有所降低，從而導致直徑和黏結長度相同時，NPR鋼筋的黏結強度與普通鋼筋試件相比有不同程度的降低。

3.3 黏結應力-滑移(τ-s)曲線

NPR鋼筋混凝土試件的黏結滑移破壞模式及受荷載作用下的表現(xiàn)與普通鋼筋高強混凝土[12]、FRP筋普通混凝土[13-14]、FRP筋珊瑚混凝土[15]、及環(huán)氧涂層鋼筋普通混凝土[16]基本相似。根據(jù)NPR鋼筋混凝土試件的破壞模式及加載端黏結應力-滑移(τ-s)曲線(圖9、圖10)，可以將其受力過程分為微滑移階段、滑移階段、下降階段、殘余階段；對于劈裂破壞的試件只存在前兩個階段。

N08;P08;N18;P18。圖9 5d黏結長度的τ-s曲線Fig.9 The τ-s curves for specimens with bond length of 5 times the diameter of rebars

N08;P08;N18;P18。圖10 7d黏結長度的τ-s曲線Fig.10 The τ-s curves for specimens with bond length of 7 times the diameter of rebars

微滑移階段：黏結力主要由化學膠著力提供，試件受力較小，加載端有微小滑移，τ-s曲線成線性變化；普通鋼筋在此階段的微滑移與NPR鋼筋相比略大。

滑移階段：隨荷載的不斷增加，黏結力主要由機械咬合力和摩擦力提供。NPR鋼筋與普通鋼筋相比，其加載端滑移明顯增大，τ-s曲線的斜率明顯降低，這是由于NPR鋼筋表面凸起的螺旋肋和混凝土間的機械咬合力與普通月牙肋鋼筋相比略低，從而導致滑移增大，反映在τ-s曲線上表現(xiàn)為其增長趨勢變緩。

下降階段：黏結應力達到峰值后，由于鋼筋肋間混凝土被磨碎，使得機械咬合力迅速降低，同時由于鋼筋肋被磨損，摩擦力也開始降低，從而導致黏結應力迅速減小，加載端滑移持續(xù)增大，τ-s曲線進入下降段。此階段的黏結力仍由機械咬合力和摩擦力提供，由于NPR鋼筋的機械咬合力和摩擦系數(shù)較小，使得其τ-s曲線的下降段與普通鋼筋相比更長，黏結應力下降更多，滑移發(fā)展更快。

殘余階段：下降段結束后，τ-s曲線進入殘余階段。此時黏結力并沒有消失，而是由于變形肋的機械咬合力和摩擦力共同作用使τ-s曲線進入下一個“滑移階段-下降階段-殘余階段”的循環(huán)過程，直至鋼筋拔出。

4 結束語

1)NPR鋼筋由于化學成分及含量、金相組織、表面形式的改變，使其在強度、硬度、延性及耐腐蝕性等方面表現(xiàn)出比普通鋼筋更優(yōu)越的性能；不同直徑NPR鋼筋的應力-應變曲線趨勢基本相同，其屈服平臺消失，無明顯屈服強度。

2)鋼筋類型對黏結破壞形式無明顯影響，直徑為8 mm的兩種鋼筋均發(fā)生拔出破壞，直徑為18 mm的兩種鋼筋均發(fā)生劈裂破壞。

3)其他條件相同時，直徑和黏結長度對兩種鋼筋黏結強度的影響規(guī)律類似，即黏結長度為5d的兩種鋼筋試件，其黏結強度均隨直徑的增大而增大；而黏結長度為7d時，兩種鋼筋的黏結強度均隨直徑的增大而減小。N08、P08試件的黏結強度隨黏結長度的增大而增大，N18、P18試件的黏結強度隨黏結長度的增大而減小。直徑和黏結長度相同時，NPR鋼筋的黏結強度較普通鋼筋試件偏低，降低值介于7.51%～19.55%，平均值在13.35%左右。

4)NPR鋼筋的τ-s曲線可分為微滑移階段、滑移階段、下降階段、殘余階段，其下降段與普通鋼筋試件相比略有差異。