朱佳鵬，孫 敏,2

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇 蘇州215011）

鋼-聚乙烯醇纖維混凝土與鋼筋粘結性能研究

朱佳鵬1，孫 敏1,2

（1.蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇 蘇州215011）

通過鋼-聚乙烯醇纖維混凝土試件的中心拉拔試驗，研究鋼-聚乙烯醇混雜纖維混凝土與鋼筋的粘結性能，分析鋼筋種類，混雜纖維體積率對鋼筋與混凝土粘結性能的影響并根據(jù)試驗結果擬合出相應的鋼筋與混凝土粘結-滑移曲線，提出了粘結滑移的本構關系。試驗結果表明，在一定范圍內(nèi),隨著混雜纖維體積率的增大，鋼筋與混凝土之間的粘結性能逐步提高，變形鋼筋與混凝土之間的粘結性能優(yōu)于光圓鋼筋。

鋼-聚乙烯醇纖維混凝土；鋼筋種類；粘結性能；粘結本構關系

混凝土是目前最常使用的建筑材料，但其抗拉強度低、脆性大、延性差等缺陷限制了混凝土的進一步發(fā)展和使用，研究表明在混凝土中摻入纖維能夠有效地解決這些問題[1-2]。

鋼纖維、聚乙烯醇纖維（PVA）、碳纖維等是目前廣泛應用的纖維。鋼纖維能夠顯著提高混凝土的抗拉強度和延性，對阻止混凝土裂縫的擴展具有很好的效果[1，3]。PVA是一種高彈高模纖維，在混凝土中加入一定量的PVA能夠控制混凝土因溫度和塑性收縮產(chǎn)生的裂縫，有效地改善混凝土的抗?jié)B性和抗沖擊性能[4-5]。相關研究[6]指出鋼-聚乙烯醇混雜纖維的摻入能夠有效提高混凝土的韌性，混雜纖維摻入率達到1.5%時最優(yōu)。鋼筋與混凝土之間的粘結作用是兩者協(xié)調(diào)工作的基礎，國內(nèi)外學者在此方面進行了大量的研究，研究表明[7-9]，纖維的存在能夠約束混凝土內(nèi)部裂縫擴展從而提高鋼筋與混凝土之間的粘結性能。但大多數(shù)纖維混凝土粘結性能的研究主要集中在單一的鋼纖維混凝土上，對混雜纖維混凝土與鋼筋之間的粘結性能研究不多，而混凝土是一種多相均質(zhì)的材料，一種纖維能夠增強某一相的性能，多種纖維能夠?qū)崿F(xiàn)更好的正混雜效應。

因此文中研究鋼-聚乙烯醇纖維混凝土與鋼筋之間的粘結性能，通過對5組混凝土試件進行中心拉拔試驗，分析了混雜纖維體積率和鋼筋種類對粘結性能的影響，建立相應的粘結滑移本構關系，為完善鋼-聚乙烯醇混雜纖維混凝土的工程應用提供參考，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 試驗概況

1.1 試驗設計

為了深入研究鋼筋種類和混雜纖維的摻入對混凝土與鋼筋之間粘結性能的影響，該文制作了5組拉拔試件，主要控制參數(shù)是混雜纖維的體積率以及鋼筋的種類，試件具體參數(shù)見表1。試件尺寸采用150 mm的立方體，混凝土立方體軸心布置直徑d為18 mm的變形鋼筋和光圓鋼筋。為了得到可靠的粘結強度，鋼筋的有效粘結長度采用5d（90 mm），在較小長度上可近似認為粘結應力均勻分布[10]。為了消除端部效應并防止加載時試件偏心受力，在試件一端埋置長度為60 mm的PVC套管，PVC套管與鋼筋之間的空隙纏繞廢紙防止相對滑動，并保證設計粘結長度。試件尺寸如圖1所示。

1.2 原材料及配合比

根據(jù)《纖維混凝土結構技術規(guī)程》（CECS38：2004），設計了C40混凝土，主要組成材料為：42.5號普通硅酸鹽水泥、中砂（細度模數(shù)2.91）、碎石（5～30 mm）、聚羧酸高效減水劑（減水率＞25%）。鋼纖維采用蘇州龍宇鋼纖維有限公司生產(chǎn)的剪切波紋型鋼纖維，聚乙烯醇采用日本廠家生產(chǎn)的高強高模PVA纖維，纖維的主要物理參數(shù)由廠家提供，如表2所示，混凝土的配合比如表3所示。

表 1 拉拔試件具體參數(shù)

圖 1 拉拔試件尺寸圖

表 2 纖維主要參數(shù)

表 3 混凝土配合比設計 kg/m3

1.3 材性試驗

試件澆筑的同時，同批澆筑1組邊長100 mm的立方體試塊用于測定立方體抗壓強度，對于邊長100 mm的試塊結果乘以換算系數(shù)0.95。組邊長150 mm標準立方體試塊用于測定劈裂抗拉強度和1組100 mm× 100 mm×300 mm的棱柱體試塊用于測定軸心抗壓強度，自然下養(yǎng)護28 d后，按《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB/T50081-2002）測得試塊的各個材料力學性能，見表4。光圓鋼筋采用HPB235鋼筋，變形鋼筋采用HRB335鋼筋，按《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB／T228-2002）測得鋼筋力學性能如表5所示。

表 4 混雜纖維混凝土力學性能

表 5 鋼筋力學性能

1.4 試驗方法

拉拔試驗加載裝置采用混凝土鋼筋握裹力測定儀，該裝置與100 t萬能試驗機配合使用，采用位移加載方式,試驗中加載速度為1 mm/min，每5 kN記錄百分表數(shù)據(jù)。在鋼筋自由端上安裝量程20 mm的百分表，測量自由端鋼筋的滑移值。在鋼筋的下端采用特殊裝置安裝2個量程30 mm的百分表，2個百分表位移的平均值與鋼筋彈性伸長量之差就是加載端鋼筋的滑移值。平均滑移值即為自由端和加載端滑移的平均值?；炷猎嚰押蟮竭_穩(wěn)定荷載或者鋼筋屈服即停止試驗。加載裝置和儀表布置如圖2所示。

圖 2 加載裝置和儀表布置圖

2 試驗結果與分析

2.1 混雜纖維體積率變化對混凝土力學性能的影響

普通混凝土試塊在立方體抗壓試驗中，觀察到在接近峰值荷載時試件表面出現(xiàn)剝落，到達峰值荷載后突然碎裂，而混雜纖維混凝土接近峰值荷載時，試件側(cè)面出現(xiàn)多條縱向裂縫，破壞后仍然保持相對完整的形態(tài)，具有一定的塑性。在劈裂抗拉強度試驗中，普通混凝土到達初裂荷載后，裂縫沿試件中線處迅速擴展，到達極限荷載時，試件在中線附近被劈成兩半，出現(xiàn)脆性破壞。而混雜纖維混凝土在達到較大荷載時才發(fā)生破壞，且裂縫寬度較小，試件劈裂后發(fā)現(xiàn)有鋼纖維被拉斷的現(xiàn)象，纖維加入使混凝土產(chǎn)生劈裂裂縫后仍然受到纖維的約束作用，具有一定的韌性，對提高混凝土的抗劈拉能力具有很好的效果。

從表4中可以看出，隨著混雜纖維體積率的增加，混雜纖維混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度均得到提高，但提高幅度不大。SP-0.6、SP-1.1、SP-1.6混凝土試塊立方體抗壓強度較普通混凝土分別提高1.6%、2.1%、5%?；祀s纖維混凝土的劈裂抗拉強度得到了極大提高，隨著混雜纖維體積率的增加，混雜纖維混凝土較普通混凝土分別依次提高了3.1%、11.8%、28.0%，具有很好的劈裂抗拉強度。

2.2 拉拔試件破壞形態(tài)及試驗結果

隨著荷載的增大，自由端和加載端的滑移值逐漸緩慢增大，達到峰值荷載后，滑移值迅速增大，荷載值逐漸減小。當自由端和加載端位移達到10 mm或荷載穩(wěn)定在某一數(shù)值時，認為試件已破壞。光圓鋼筋混凝土拉拔試件發(fā)生剪切型破壞，而變形鋼筋混凝土試件均發(fā)生劈裂型破壞。變形鋼筋混凝土試件破壞后，鋼筋自由端均出現(xiàn)2～3條放射狀的裂縫，且裂縫寬度隨著混雜纖維體積率的增大而減少。

根據(jù)試驗測得的荷載，由公式（1）計算出相應的粘結應力τ，計算結果如表6所示。

其中，F(xiàn)為鋼筋所受拉力；l為鋼筋有效粘結長度；d為鋼筋直徑。

表6 拉拔試驗結果

從表6中可以很直觀的看出，變形鋼筋與光圓鋼筋相比，與混凝土之間有著更高的極限粘結強度，變形鋼筋其凸出的肋對周圍混凝土產(chǎn)生斜向擠壓力，與光圓鋼筋相比，增加了機械咬合力，但光圓鋼筋的初始粘結強度要強于變形鋼筋，其原因可能為光圓鋼筋更能使水泥漿體滲透到鋼筋表面氧化層，造成化學粘結力的提高。混雜纖維混凝土和鋼筋之間的粘結性能與普通混凝土相比也有很大的提高，SP-0.6、SP-1.1、SP-1.6與N-L試件相比，極限粘結強度分別提高了2.7%、7.2%、10.8%，初始粘結強度分別提高了86.26%、92.89%以及132.7%。

在拉拔的初始階段，纖維的橋架作用抑制了混凝土裂縫的產(chǎn)生，保證了周圍混凝土對鋼筋的約束作用，初始粘結強度得到了極大的提高。在拉拔滑移階段，由于混雜纖維的存在，抑制了混凝土內(nèi)裂縫的開展，提高了混凝土對鋼筋的環(huán)向擠壓力，從而增強了混凝土與鋼筋的機械咬合力。混雜纖維混凝土與普通混凝土相比，極限滑移值也有很大的提高，表明在拉拔過程中，混雜纖維混凝土耗能更大，并且在一定范圍內(nèi)隨著混雜纖維率的提高而不斷增大。

2.3 粘結滑移曲線

各組拉拔試件的自由端和加載端的粘結荷載-滑移曲線和平均粘結荷載-滑移曲線分別如圖3、圖4所示。光圓鋼筋與變形鋼筋相比，粘結-滑移曲線差異較大，從圖3（a）中可以看出試件N-G粘結荷載到達峰值后，荷載迅速下降到達荷載殘余階段，表明滑移的瞬間就失去大部分粘結強度，表現(xiàn)出極大的脆性，在粘結荷載-滑移曲線上升段，自由端和加載端位移極為相近,表明光圓鋼筋試件加載端的應力能很快傳遞到自由端；而如圖3（b）～（e）所示，變形鋼筋粘結-滑移曲線的加載端滑移量始終比自由端大,這是因為當加載端滑動時，由于變形鋼筋較光圓鋼筋表面更為復雜，應力傳遞到自由端較為遲緩。

在拉拔試驗微滑移階段，試件裂縫還未產(chǎn)生，上升段粘結-滑移曲線基本呈線性關系,隨著荷載的增加,試件內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，進入滑移階段，滑移加速發(fā)展，曲線斜率較前一階段有所減小，非線性特性明顯,但混雜纖維混凝土試件中，纖維的增強作用抑制了裂縫的發(fā)展,提高了混凝土與鋼筋的粘結強度。

從圖4（a）中可以明顯看出，混雜纖維體積率越高，上升段越陡，產(chǎn)生相同滑移量時，粘結荷載越大，極限荷載和極限荷載對應的滑移量也越大，在拉拔過程中消耗更多的能量。如圖4（b）所示，混雜纖維混凝土粘結荷載-滑移曲線表現(xiàn)出很好的延性,纖維發(fā)揮了很好的阻裂作用和抗剪作用,荷載到達峰時后并未迅速下降，隨著纖維體積率的提高，下降段越平緩，耗能能力越強。

圖4 平均粘結荷載-滑移曲線

3 粘結滑移本構模型及其曲線擬合

3.1 粘結滑移本構模型

混凝土粘結應力-滑移曲線曲線反映了整個拉拔過程鋼筋與混凝土之間的相互關系，是利用有限元軟件進行非線性分析的基礎，粘結應力-滑移曲線可分為上升段和下降段，其線型類似于混凝土的受拉本構關系曲線。目前很多學者通過試驗提出了一些粘結-滑移模型的數(shù)學表達式，但是受到混凝土自身非線性和實驗手段等眾多因素的影響，尚未得到一套完整的理論。

纖維混凝土與普通混凝土應具有類似的粘結特性，參考Haraji針對鋼纖維提出的上升段粘結滑移本構，采用式（2）來擬合普通混凝土和混雜纖維混凝土的粘結-滑移上升段曲線。由于粘結應力-滑移曲線與混凝土抗拉本構關系曲線線型相近，故采用式（3），參考過鎮(zhèn)海[12]提出的關于混凝土受拉下降段曲線數(shù)學模型來擬合普通混凝土和混雜纖維混凝土粘結-滑移曲線下降段，將混凝土受拉時的應力和應變分別等效為粘結應力和滑移值，峰值應力和到達峰值應力對應的應變等效為極限粘結應力和極限粘結應力對應的滑移值。

式中，τ代表粘結應力，S代表滑移值，τu代表極限粘結應力，Su代表到達極限粘結應力時對應的滑移值。

3.2 粘結滑移曲線擬合

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)通過Origin軟件擬合,得到粘結滑移本構模型上升段參數(shù)a和下降段參數(shù)b，結果如表7所示。擬合曲線與試驗曲線對比如圖5所示。

表 7 參數(shù)擬合

圖 5 粘結-滑移曲線試驗值和擬合值對比

參數(shù)a，b的大小與無量綱化的粘結-滑移曲線所圍的面積有關，同時也反映出了粘結-滑移曲線的特性。a值越小，上升段曲線越陡即剛度越大。b值越小，下降段曲線越緩即延性越好。從圖5中可以看出，N-L拉拔試件無量綱化的粘結-滑移曲線所圍面積最小，在粘結滑移過程中消耗的能量也最小，隨著混雜纖維率的增加，粘結-滑移曲線面積也隨之增大，消耗能量也變大，但SP-1.1試件和SP-1.6試件相差不大，說明混凝土試件的粘結性能并不是隨著混雜纖維量的增大而無限增大，選取合適的混雜纖維摻量是提高鋼筋與混凝土粘結性能的關鍵。

試驗平均曲線和計算曲線對比如圖5所示，吻合較好，說明采用式（2）和式（3）可以擬合混雜纖維混凝土與變形鋼筋之間粘結滑移的完整過程，Haraji提出的鋼纖維混凝土粘結滑移上升段本構對普通混凝土和混雜纖維混凝土也具有一定的適用性。將混凝土受拉本構關系數(shù)學模型運用到擬合普通混凝土和混雜纖維混凝土粘結-滑移曲線下降段具有很好的效果。

4 結論

（1）隨著混雜纖維的摻入，混凝土的抗壓抗拉強度得到提高，彌補了混凝土脆性大、延性差的缺陷。

（2）變形鋼筋與光圓鋼筋相比，與混凝土之間有著更好地粘結性能。在一定范圍內(nèi)，混雜纖維體積率越高，鋼筋與混雜纖維混凝土之間的粘結性能越好，粘結荷載-滑移曲線越飽滿,在整個拉拔過程中耗能能力也越強。

（3）采用式（2）、（3）擬合得到的混雜纖維混凝土粘結-滑移曲線本構清晰明了，擬合效果良好，鋼纖維混凝土粘結滑移上升段本構對普通混凝土和混雜纖維混凝土也具有一定的適用性。將混凝土受拉本構關系數(shù)學模型運用到擬合普通混凝土和混雜纖維混凝土粘結-滑移曲線下降段具有很好的效果，可為實際工程提高參考。

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Study on bond behavior between steel-PVA reinforced concrete and steel bar

ZHU Jiapeng1,SUN Min1,2

（1.School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China;2.Jiang Su Provincial Key Laboratory of Structural Engineering，Suzhou 215011，China）

By the center pullout tests of steel-PVA hybrid fibers reinforced concrete specimens,the bond behavior between different kinds of bars and different fibers volume fraction of hybrid fibers reinforced concrete is discussed,and the corresponding steel and concrete bond-slip curve is fitted out and the bond-slip constitutive relation is proposed according to the result of the test.The results showed that in a certain range the bond performance between steel and concrete gradually increases and the bond property of deformed bar is better than plain bars,with the increase of hybrid fiber volume fraction.

steel-PVA hybrid fibers reinforced concrete;steel bar type;bond property;bond constitutive relation

TU528.572

A

2096-3270（2017）01-0032-06

（責任編輯：秦中悅）

2016－09-22

江蘇省結構工程重點實驗室課題（ZD1205）

朱佳鵬（1991-），男，江蘇蘇州人，碩士研究生。

孫 敏（1970-），女，副教授，博士，從事混凝土橋梁結構研究，Email：sunmin@mail.usts.edu.cn。