張亞芳，楊 奕

（廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006）

碳纖維摻量對單筋拉拔混凝土試件界面力學性能的影響

張亞芳，楊 奕

（廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006）

將單絲鋼筋與混凝土的界面看作為獨立的材料相，分別運用物理實驗和數(shù)值模擬方法研究了單筋拉拔過程中碳纖維摻量對碳纖維增強混凝土（CFRC，Carbon Fiber Reinforced Concrete）試件粘結(jié)滑移性能的影響.物理實驗表明，相比于普通混凝土，單筋在碳纖維增強混凝土基體中的拉拔粘結(jié)強度隨著碳纖維摻量的增加而增強.數(shù)值模擬分析結(jié)果得到了材料試件的整體力學性能指標，再現(xiàn)構(gòu)件的拔出破壞演化過程，表明它是一個細觀損傷不斷萌生、擴展、滑移并最終拔出破壞的漸進過程，單筋拔出損傷演化過程的聲發(fā)射結(jié)果揭示了試件的失穩(wěn)破裂機理.

界面；單筋拉拔；碳纖維增強混凝土；聲發(fā)射

纖維增強混凝土材料（FRC，F(xiàn)iber Reinforced Concrete）簡稱纖維混凝土，它是以水泥漿、砂漿或混凝土為基體，以金屬纖維、無機非金屬纖維、合成纖維或天然有機纖維為增強材料組成的復合材料［1－3］.鋼筋與混凝土之間可靠的粘結(jié)和錨固是保證鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)［4－5］.因此，鋼筋與混凝土接觸面上的粘結(jié)應力分析至關(guān)重要［6］.

本文研究了單筋拉拔過程中碳纖維摻量對碳纖維增強混凝土（CFRC）試件粘結(jié)滑移性能的影響.首先開展了中心拉拔過程的物理試驗研究［7］，并采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，對單筋拉拔過程進行觀察和研究，分析不同碳纖維摻量對CFRC試件粘結(jié)滑移特性的影響.同時開展數(shù)值模擬分析，建立單絲拉拔模型，建模時將單絲鋼筋、混凝土基體、碳纖維、單筋與混凝土基體間的界面看作為獨立的四相材料，假設(shè)各相材料符合Weibull分布雙參數(shù)函數(shù)的隨機分布細觀模型［8］，對各組成相材料的物理性質(zhì)進行非均勻賦值，利用有限元方法進行應力分析，再現(xiàn)了單筋拉拔試件在外荷載作用下由裂紋萌生、擴展直至失穩(wěn)破壞的全過程.

1 物理試驗

1.1 試驗原材料及配合比

試驗采用C30混凝土，基準配合比為水泥∶水∶砂子∶石子＝461∶175∶512∶1 252（單位：kg）.摻加的短切碳纖維的物理參數(shù)見表1.

表1 短切碳纖維性能參數(shù)Table 1 Parameters of short cut carbon fiber

在基準配合比的基礎(chǔ)上分別向混凝土中摻入不同摻量的碳纖維，配置了4組不同碳纖維摻量的CFRC，即碳纖維體積摻量分別為0、0.20%、0.25%和0.30%，分別以符號NC（Normal Concrete，素混凝土）、CFRC-0.20（碳纖維體積摻量為0.20%的CFRC，下同）、CFRC-0.25、CFRC-0.30標記.

上述每組拉拔試件均澆筑了6個邊長為100 mm的試塊，試塊在自然條件下水養(yǎng)28 d，然后參考標準［9］進行試驗，同時用聲發(fā)射儀器對拉拔全過程進行監(jiān)測.

1.2 試驗裝置

本文所用試驗機及聲發(fā)射儀器見圖1.采用SANS微機控制電液伺服萬能試驗機進行加載，可以得到拔出力－拔出位移的數(shù)據(jù).試件表面設(shè)置2 個AE傳感器來采集AE信號，得到試驗過程中的AE相關(guān)數(shù)據(jù).聲發(fā)射檢測技術(shù)采用美國物理聲學公司（PAC）的μSAMOS系統(tǒng).根據(jù)文獻［10－13］數(shù)據(jù)并進行測試后，最終設(shè)置本次混凝土拔出試驗門檻40 dB，時間參數(shù)PDT（峰值鑒別時間）為150 μs，HDT（撞擊鑒別時間）為300 μs，HLT（撞擊閉鎖時間）為500 μs.

圖1 液壓伺服試驗機Fig.1 Hydraulic testing machine

1.3 試驗結(jié)果與分析

1.3.1 碳纖維摻量對鋼筋粘結(jié)滑移特性的影響

將材料試件裝上圖1所示試驗機，加荷載開展單筋拉拔實驗，可以觀察到，所有試件的失效破壞形式均表現(xiàn)為鋼筋從混凝土基體中的拔出.

圖2為鋼筋從各摻量碳纖維試件的拉拔粘結(jié)強度相對于NC粘結(jié)強度的相對值，即將NC的粘結(jié)強度設(shè)為1，得到各摻加纖維混凝土試件的粘結(jié)強度相對值，CFRC-0.20、CFRC-0.25、CFRC-0.30試件的拉拔粘結(jié)強度分別提高了26%、41%和88%.

圖2 碳纖維混凝土相對粘結(jié)強度值Fig.2 The relative bond strength of CFRC

1.3.2 單筋拉拔試件的聲發(fā)射實驗

圖3是直徑為6 mm的單絲鋼筋從CFRC-0.20中拔出的全過程聲發(fā)射信號采集圖.在初始加載后，混凝土中出現(xiàn)微損傷，出現(xiàn)少量聲發(fā)射信號；隨著加載繼續(xù)進行，混凝土初始開裂，聲發(fā)射信號出現(xiàn)峰值，約在7 000左右；繼續(xù)加載，混凝土開裂，鋼筋從混凝土基體中拔出破壞，聲發(fā)射信號不斷涌現(xiàn)，但數(shù)值不斷降低；再加載，鋼筋完全脫粘，試件的聲發(fā)射信號降至0，試件發(fā)生失穩(wěn)破壞，鋼筋滑移過程結(jié)束.

圖3 鋼筋拔出過程的聲發(fā)射信號Fig.3 AE signal of steel bar pull out

2 單筋拉拔的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型與模擬簡介

為開展進一步研究，本文進行了數(shù)值模擬分析，鋼筋／纖維混凝土拔出模型見圖4，其中鋼筋的直徑為6 mm，埋深為30 mm.混凝土基體中碳纖維摻量分別為0、0.15%、0.20%、0.25%和0.30%，分別以符號NC、CFRC-0.15、CFRC-0.20、CFRC-0.25、CFRC-0.30標記.

圖5為鋼筋分別從NC試件和CFRC-0.20試件中的拉拔過程圖.

由圖可知，鋼筋拔出時，無論NC還是CFRC-0.20，隨著荷載的不斷增大，鋼筋與碳纖維混凝土之間的界面弱單元出現(xiàn)了局部脫粘現(xiàn)象，裂紋也同時主要向其中一端延展，隨著加載步的增加，鋼筋在拉拔過程中造成鋼筋埋入端的混凝土基質(zhì)出現(xiàn)裂紋，并不斷擴展.

圖4 纖維混凝土鋼筋拔出模型Fig.4 The numerical model of fiber reinforced concrete

圖5 不同碳纖維摻量時的鋼筋／碳纖維混凝土拔出試件的破壞過程Fig.5 Failure processes of different contents of carbon fiber of CFRC

最后，界面完全脫粘，鋼筋被拔出.NC試件埋置端附近基體中的單元發(fā)生較大范圍的損傷破壞，而CFRC-0.20試件埋置端附近基體中的損傷破壞單元范圍則十分有限.

2.2 模擬結(jié)果與討論

圖6給出了不同碳纖維摻量條件下的鋼筋／碳纖維混凝土拉拔試件的荷載－位移曲線.從該圖可知，所有試件的拔出過程均可分為4個階段：完全粘結(jié)階段、局部脫粘階段、應力跌落階段和殘余粘結(jié)階段.試件的峰值荷載則隨著碳纖維摻量的增加而增加，將NC的峰值荷載看作為1，CFRC-0.15、CFRC-0.20、CFRC-0.25、CFRC-0.30的相對峰值荷載：1.12、1.20、1.31和1.41，分別提高了12.08%、20.27%、30.70%、40.69%.

在加載條件下，NC試件和CFRC-0.30試件的拉拔荷載－位移－聲發(fā)射次數(shù)變化曲線見圖7.

從圖7可知，對于NC，鋼筋拉拔過程中聲發(fā)射次數(shù)峰值較小，劣化階段后期的聲發(fā)射次數(shù)很少.對于CFRC-0.30的拉拔過程，試件的聲發(fā)射峰值明顯增大，劣化階段后期的聲發(fā)射次數(shù)增多，波動的峰值也相對較大.

圖6 不同碳纖維摻量下的鋼筋／碳纖維混凝土拔出力－拔出位移圖Fig.6 Load-displacement curves of steel bar pull out of different contents of carbon fiber of CFRC

圖7 不同試件的拉拔荷載－位移－聲發(fā)射次數(shù)曲線圖Fig.7 Load-displacement-AE curves of different specimens

究其原因，隨著碳纖維的摻入，提高了混凝土基體的阻裂作用，增強了混凝土基材在鋼筋拔出過程中的延性，對鋼筋的拉拔過程產(chǎn)生了一定影響.

圖8為各試件拉拔粘接強度相對值.同樣將NC試件的粘接強度假設(shè)為基準值1，得到各CFRC試件的粘接強度相對值，與物理實驗的結(jié)果對比可見，數(shù)值模擬結(jié)果與物理實驗結(jié)果具有一致的趨勢，試件的拉拔粘接強度均是隨纖維摻量的增加而逐步提高的，其中CFRC-0.15、CFRC-0.20、CFRC-0.25、CFRC-0.30試件的拉拔粘結(jié)強度分別提高了12.09%、22.09%，30.70%和40.96%，趨勢和物理實驗結(jié)果相同，但由于數(shù)值計算比物理實驗條件要相對理想得多，因此，其具體數(shù)值差異較大.

圖8 界面最大粘結(jié)強度－碳纖維摻量變化關(guān)系Fig.8 The relation of interface maximum bond strength by different carbon fiber's contents

3 結(jié) 論

本文采用物理實驗和數(shù)值模擬方法研究了單絲鋼筋從碳纖維混凝土基體中的拉拔破壞過程，并利用聲發(fā)射技術(shù)進行監(jiān)測和分析，得到以下結(jié)論：在物理試驗和數(shù)值模擬中，試件的破壞形式均為鋼筋從纖維混凝土基體中的拔出破壞形式；試塊的拔出峰值荷載和界面拉拔粘結(jié)強度均隨碳纖維摻量的增加而增大.聲發(fā)射研究表明聲發(fā)射次數(shù)與材料試件的荷載－位移曲線存在對應關(guān)系，聲發(fā)射研究可以作為試件破壞的預警.通過對比本次物理試驗和數(shù)值試驗的結(jié)果可見，數(shù)值模擬結(jié)果與物理試驗的結(jié)果趨勢吻合良好，說明運用本文的數(shù)值分析方法開展纖維混凝土材料的拉拔過程研究具有較好的參考價值.

參考文獻：

［1］ 黃承逵.纖維增強混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

HUANG C K.Fiber reinforced concrete structure［M］.Beijing：China Machine Press，2004.

［2］ 高丹盈，劉建秀.鋼纖維混凝土基本理論［M］.北京：科學技術(shù)文獻出版社，1994.

GA0D Y，LIU J X.The basic theory of steel fiber reinforced concrete［M］.Beijing：Scientific and Technical Documentation Press，1994.

［3］ （美）MEHTA P K.混凝土的結(jié)構(gòu)、性能與材料［M］.祝永年，等譯.天津：同濟大學出版社，1991.

MEHTA P K.Concrete structure，properties and materials［M］.Tran by ZHU Y N.Tanjing：Tongji University Press，1991.

［4］ PIETR0G G，GIANPAOL0R.Bond and splitting in reinforced concrete：test results on bar pull-out［J］.Mater Struct，1996，29（5）：267-276.

［5］ ESFAHANI M R，RANGAN B V.Bond between normal strength and high strength concrete and reinforcing bars in splices in beams［J］.ACI Struct J，1998，95（3）：272-280.

［6］ SOMAYAJI S，SHAH S P.Bond stress versus slip relationship and cracking response of tension members［J］.ACI Struct J，1981，78（3）：217－225.

［7］ 高丹盈，謝麗，朱海堂.鋼纖維高強混凝土與鋼筋粘結(jié)性能試驗研究［J］.建筑科學，2004，20（3）：56-60.

GA0D Y，XIE L，ZHU H T.Steel fiber reinforced concrete and bond slip test research［J］.Build Sci，2004，20（3）：56-60.

［8］ Y L，O'DOWD N P，BUSS0E P，et al.Weibull stress solutions for 2-D cracks in elastic and elastic-plastic materials［J］. Internat J Fract，1998，89（3）：245-268.

［9］ CECS13：89鋼纖維增強混凝土試驗方法［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989. CECS13：89 Test methods used for steel fiber reinforced concrete［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，1989.

［10］SAGAIDAK A I，ELIZAROV S V.Acoustic emission parameters correlated with fracture and deformation processes of concrete members［J］.Constr Build Mater，2007

［11］歐陽利軍，陸洲導，趙艷林.混凝土結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測參數(shù)設(shè)置研究［J］.重慶建筑大學學報，2008，30（5）：37-41.

OUYANG L J，LU Z D，ZHA0Y L.The setting of acoustic emission detecting parameters in concrete structure［J］.J Chongqing Jianzhu Univ，2008，30（5）：37-41.

［12］紀洪廣，張?zhí)焐?，蔡美峰，?混凝土材料損傷的聲發(fā)射動態(tài)檢測試驗研究.［J］巖石力學與工程學報，2000，19（2）：165-168.

JI H G，ZHANG T S，CAI M F.Experimetal study on concrete damage by dynamic measurement of acoustic emission［J］. Chin J Rock Mech Engin，2000，19（2）：165-168.

［13］陳沛然，張亞芳，李根.基體強度對鋼纖維單絲拉拔性能的影響［J］.中山大學學報：自然科學版，2013，52（6）：68-80.

CHEN P R，ZHANG Y F，LI G.Effect of matrix strength on properties of steel single fiber pull-out test［J］.Acta Sci Nat Univ Sunyatseni，2013，52（6）：68-80.

Effect of fiber dosage on the mechanical behavior of fiber reinforced concrete interface

ZHANG Ya-fang，YANG Yi
（School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

The interface between steel and concrete is viewed as an independent material phase to study the effect of fiber dosage including steel fiber on FRC bond-slip performance by the methods of physical experiment and numerical simulation.The experiment result shows that the bonding strength of CFRC improved with the fiber dosage increased compared with the common concrete.Meanwhile，the numerical simulation method is adopted to obtain the data of mechanical properties and the failure process is reproduced which indicates this is a gradual process of the microscopic damage initiated，propagated and finally the slip appearing.The AE result revealed the damage process and the failure mechanism.

interface；single pullout test；CFRC（Carbon Fiber Reinforced Concrete）；AE

TU 528.57

A

【責任編輯：周 全】

1671-4229（2015）05-0029-05

2015－05－25；

2015－06－04

國家自然科學基金資助項目（51278136）；廣州市教育局羊城學者資助項目（12A007G）

張亞芳（1966－），女，教授，博士.E-mail：zhangyafang2004＠163.com