翟可儀，葉 明，張耀文，姜海波，肖 杰，梅塨鏞，黃梓槺

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006；2. 廣州市北二環(huán)交通科技有限公司, 廣東 廣州 510062；3. 廣東三和管樁股份有限公司, 廣東 中山 528414）

工程水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementitious Composite, ECC)是由美國密歇根大學(xué)的LIVC教授和麻省理工大學(xué)的Leung CKY教授基于斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)原理發(fā)明的一種具有優(yōu)異拉伸變形性能的水泥基復(fù)合材料[1]。大量研究表明，ECC具有顯著的應(yīng)變硬化特征，軸向拉伸試驗中，測得極限拉應(yīng)變范圍為3%～8%，充分地發(fā)揮了纖維的韌性作用[2]。而且ECC還具有優(yōu)異的裂縫控制能力，將其應(yīng)用于實際工程可顯著改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能。

而ECC混凝土與鋼筋是否具有良好的黏結(jié)錨固性能是對兩者進行工程應(yīng)用與設(shè)計的基本問題之一，它對于ECC結(jié)構(gòu)中鋼筋的錨固搭接等工程問題的解決具有十分重要的意義。另一方面，隨著有限元分析的發(fā)展，需要先對其黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系進行確定，才能更好地模擬ECC與鋼筋的黏結(jié)性能。然而，ECC在配置過程中缺少粗骨料，使得ECC與普通混凝土的物理力學(xué)性能具有一定的差異性，已有的關(guān)于鋼筋混凝土黏結(jié)性能方面的研究是否適用于ECC與鋼筋的研究還有待驗證[3-5]。因此，研究鋼筋與ECC間的黏結(jié)錨固性能關(guān)系具有重要的理論與實際意義。

Deng[6]等進行了普通鋼筋混凝土和配筋ECC黏結(jié)性能的對比分析，得出配筋ECC極限黏結(jié)強度為普通混凝土的1.71倍。Cai[7]等提出了一種考慮鋼筋肋高的有限元分析模型。王洪昌[8]通過梁式黏貼試驗和拉拔試驗的分析研究，提出了HRB335級鋼筋與ECC的錨固長度建議值。本文通過拉拔試驗來探討ECC與鋼筋間的黏結(jié)性能，揭示兩者間的黏結(jié)滑移破壞形態(tài)及相應(yīng)的滑移機理，進而得到纖維摻量、錨固長度、保護層厚度等變量對其兩者的影響規(guī)律，從而為完善ECC與鋼筋間的黏結(jié)滑移理論提供一定的實驗基礎(chǔ)。

1 試驗方法

1.1 實驗原材料

水泥：采用廣州市某水泥廠的石井牌P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：Ⅰ級高鈣粉煤灰；細骨料A1：廣西某沙場生產(chǎn)的不同粒徑石英砂按50%比例混搭，粒徑為100目和200目；細骨料 A2：粒徑小于3 mm的精細砂；減水劑：江門市某廠生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率可達20%；PVA纖維：日產(chǎn)的K?Ⅱ可樂綸纖維，主要化學(xué)成分為聚乙烯醇，性能指標(biāo)如表1 所示；鋼筋：廣州東圃區(qū)聚洪鋼材加工廠的光圓鋼筋和螺紋鋼筋兩類鋼筋，鋼筋的基本力學(xué)性能如表2所示，其中R表示光圓鋼筋。

表1 PVA纖維的基本特性Table1 Basic characteristics of PVA fiber

表2 鋼筋性能指標(biāo)Table2 Rebar performance index

1.2 試件設(shè)計與制作

根據(jù)試驗的目的，考慮4個主要參數(shù)：鋼筋的類別、纖維摻量、黏結(jié)錨固長度、保護層厚度。因此本試驗設(shè)計12組即36個立方體中心拉拔試件，試件設(shè)計如圖1所示，試件模具制作采用木模板。在試件加載端附近設(shè)置PVC管非黏結(jié)區(qū)域以防止試件加載端會局部受壓導(dǎo)致立方體試件內(nèi)鋼筋端部應(yīng)力與其附近應(yīng)力水平相差較大。試件中改變PVC管長度以改變黏結(jié)長度，保護層厚度通過改變試件尺寸來實現(xiàn)。

圖1 拉拔試件Fig.1 Pull-out specimens

1.3 加載與測試

拉拔實驗使用DDL300 噸萬能試驗機，試驗采用位移控制進行加載，速率為0.5 mm/min。采用圖2所示的加載裝置，儀器頂部設(shè)置有偏心球鉸以避免鋼筋的偏心誤差。加載時上部框架固定，下夾具夾住鋼筋一起向下下降，直至試件達到破壞的狀態(tài)。試驗時在試件自由端與其上表面處均放置位移計，以測量鋼筋與試件自由端的相對滑移，位移計數(shù)據(jù)通過晶明采集儀進行采集，頻率為1 Hz。試驗過程發(fā)生試件破壞、鋼筋屈服或鋼筋拔出，立即停止試驗。

圖2 加載裝置Fig.2 Loading device

根據(jù)文獻[9]，CD段為實際錨固長度；試驗過程中，自由端DE段鋼筋不會發(fā)生太大的變形，可忽略其變形對自由端位移的影響，因此計算自由端滑移量Sf時可采用自由端位移計所量測的位移；而AC段鋼筋處于受力較大位置且鋼筋較長，此區(qū)段鋼筋發(fā)生的變形不可忽略，故計算加載端滑移量Su時應(yīng)減去該段鋼筋的變形。

AC段鋼筋的變形

式中：ES和AS為鋼筋彈性模量和鋼筋截面積，LAC為AC段的長度，P為拉拔力。

則加載端實際滑移量Su為

Su=SZ?SAC

式中：SZ為試驗機測得的鋼筋實際滑移量。

從而可得出整個黏結(jié)段滑移量的計算公式為

計算鋼筋與ECC基體在黏結(jié)長度范圍內(nèi)的黏結(jié)強度τ 的公式為

式中：d為鋼筋的直徑，la為錨固長度。

2 拉拔實驗結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

本次12組拉拔試件的破壞形式如表3所示，從表中可以看出ECC與鋼筋之間的失效模式主要是剪切破壞與鋼筋屈服。對于剪切破壞試件，當(dāng)荷載達到一定值時，試件中的鋼筋被拔出且伴隨多條貫通裂縫，光圓鋼筋全都是這類破壞形式，帶肋鋼筋的試件中部分也發(fā)生此類破壞形式。而對于鋼筋屈服破壞試件，隨著力的增加，鋼筋首先達到屈服點而后被拔出致使試件被剪切失效或者混凝土劈裂失效。其中表3試件編號的意義為：表中每組試件的滑移量和平均黏結(jié)應(yīng)力為此組3個試件試驗結(jié)果的平均值，其中滑移量取自由端滑移量Sf，即采用試件自由端鋼筋處位移計測量的數(shù)據(jù)減去兩側(cè)混凝土上表面位移計測量數(shù)據(jù)的平均值。

表3 試件設(shè)計及結(jié)果Table3 Specimen design and results

2.2 PVA纖維體積摻量對黏結(jié)性能的影響

對于鋼筋直徑16 mm、錨固長度80 mm、纖維體積摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%的試件的平均黏結(jié)應(yīng)力?滑移曲線見圖3。從圖3可以看出，PVA纖維的體積摻量從1.0%增大到2.0%，相應(yīng)的極限黏結(jié)應(yīng)力也顯著提高。這是因為纖維摻量較低時混凝土中PVA纖維所提供的拉拔作用較小，此時混凝土的整體抗拉能力較低，對應(yīng)黏結(jié)應(yīng)力處于較低狀態(tài)。對于P1.5?16?80試件，其對應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力比P1?16?80試件提高39.9%。當(dāng)纖維體積摻量為2.0%時，其對應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力比纖維體積摻量為1.5%的試件提高20.6%，這說明纖維摻量的提高可以更好地發(fā)揮纖維的橋接作用，增強基體的整體性。

圖3 不同纖維摻量的黏結(jié)滑移曲線Fig.3 Bond-slip curves of different fibercontent

2.3 相對保護層厚度對黏結(jié)性能的影響

本試驗通過改變相對保護層厚度c/d來測試其對黏結(jié)性能的影響。根據(jù)已有研究，本文主要考慮相對保護層厚度c/d＞5和相對保護層厚度c/d＜5兩種類型參數(shù)，故構(gòu)件尺寸大小分別為150 mm×150 mm、160 mm×160 mm和200 mm×200 mm，對應(yīng)選取直徑分別為12，16，20 mm的鋼筋，此時相對保護層厚度分別為5.75，4.5，4.5。如圖4所示。

圖4 不同保護層厚度的黏結(jié)滑移曲線Fig.4 Bond-slip curves of different cover depth

值得一提的是，本次拉拔結(jié)果均為剪切破壞，所不同的是c/d＞5的試件發(fā)生的是鋼筋屈服后的剪切破壞，c/d＜5發(fā)生的是內(nèi)部混凝土機械咬合齒被剪斷的剪切破壞。

2.4 錨固長度對黏結(jié)性能的影響

本實驗選取直徑為16 mm的光圓鋼筋和帶肋鋼筋來研究錨固長度對黏結(jié)性能的影響，錨固長度設(shè)置為60，80，100 mm，試件中改變PVC套管長度以實現(xiàn)改變黏結(jié)錨固長度。

圖5(a)為帶肋鋼筋的黏結(jié)滑移曲線，從圖中可以看出，其他條件保持一致時，增大內(nèi)部錨固長度并不會使極限黏結(jié)強度減小，然而試件破壞模式會從剪切發(fā)展為鋼筋屈服破壞，這與其他學(xué)者得出的結(jié)論不一致[10-11]。究其原因可能是對于直徑16 mm的帶肋鋼筋，錨固長度為60 mm和80 mm時，拉拔力還未達到鋼筋極限抗拉強度就發(fā)生內(nèi)部混凝土機械咬合齒被剪斷破壞，當(dāng)錨固長度增大到100 mm，此時對應(yīng)的拉拔力使鋼筋達到屈服點而發(fā)生鋼筋屈服破壞。

圖5 光圓和帶肋鋼筋不同錨固長度的黏結(jié)滑移曲線Fig.5 Bond-slip curves of smooth circular and ribbed steel bars with different embedment lengths

圖5(b)為光圓鋼筋在不同錨固長度下的黏結(jié)滑移曲線，從圖中可以看出，不同錨固長度下的滑移量基本一致，錨固長度為80 mm的比錨固長度為60 mm的極限黏結(jié)應(yīng)力小，這與其他學(xué)者得出的結(jié)論一致[12]。但是在100，80，60 mm 3個錨固長度下的極限黏結(jié)應(yīng)力，錨固長度為100 mm的極限黏結(jié)應(yīng)力最大。這可能是因為隨著錨固長度從80 mm增加到100 mm，黏結(jié)區(qū)域變大，要使界面發(fā)生破壞需要更大的拉拔力，而拉拔力的增長比率遠大于黏結(jié)面積的增長比率，最終試件極限黏結(jié)應(yīng)力表現(xiàn)出增大的趨勢。

3 結(jié)論

(1) 隨著纖維體積摻量的增加，極限黏結(jié)應(yīng)力有顯著的提高。

(2) 相對保護層厚度c/d＞5的試件發(fā)生鋼筋屈服后的剪切破壞，c/d＜5發(fā)生的是內(nèi)部混凝土機械咬合齒被剪斷的剪切破壞。

(3) 對于光圓鋼筋，增大錨固長度可能使得拉拔力的增長比率大于黏結(jié)面積增長比率，從而使極限黏結(jié)應(yīng)力會隨錨固長度的增加而增大。對于帶肋鋼筋，增加錨固長度會使得試件破壞模式從剪切破壞發(fā)展為鋼筋屈服破壞。