王瑞龍，馬 骉

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

超高性能混凝土（UH PC）作為一種新型材料，由水泥、硅灰、石英粉、硅砂、細鋼纖維等材料加水拌合而成[1]。由于其細小顆粒混合料具有高均勻性與高致密性、細鋼纖維空間橋接可彌合微裂紋，故UH PC的抗壓強度可達到150 M Pa，抗拉強度可達到10 M Pa，防腐性能和耐久性能可達到普通混凝土的數(shù)十倍[2]。

目前，UH PC在橋梁預(yù)制拼裝的接縫區(qū)域有著很大的應(yīng)用前景。由于其與鋼筋的握裹力強，可簡化接縫區(qū)域的鋼筋連接方式（采用搭接，無需焊接或綁扎），大幅減少現(xiàn)場作業(yè)量、縮短養(yǎng)護時間。因此，為保證鋼筋在UH PC接縫中具有足夠的錨固長度，需明確鋼筋與UH PC之間的粘結(jié)強度。

上世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)者針對普通強度鋼筋和混凝土做了大量的粘結(jié)錨固試驗，得到了一系列成果。Kheder[3]對鋼筋與普通混凝土和粘結(jié)性能進行了試驗研究。結(jié)果表明，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度隨混凝土的抗壓強度及保護層厚度的增大而增大，隨鋼筋直徑的增大而減小。

隨著鋼筋和混凝土強度的發(fā)展，近年來，粘結(jié)錨固試驗逐漸聚焦到高強和高性能混凝土。謝劍等[4]對高強鋼筋和高強混凝土的粘結(jié)性能進行了拔出試驗。結(jié)果表明，兩者之間的粘結(jié)錨固性能與普通強度鋼筋混凝土類似，但破壞時延性較差。

國內(nèi)外諸多研究者均開展了關(guān)于鋼筋與纖維混凝土間黏結(jié)性能的試驗研究，探討纖維摻入對混凝土與變形鋼筋間黏結(jié)強度的影響規(guī)律。安明喆等[5]對不同直徑和不同埋長的普通熱軋變形鋼筋與活性粉末混凝土的粘結(jié)性能進行了鋼筋拔出試驗，結(jié)果表明活性粉末混凝土與鋼筋的極限粘結(jié)應(yīng)力隨著鋼筋直徑的增加而下降,鋼筋直徑相同時隨著錨固長度的增加而降低。牛建剛等[6]對塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋間粘結(jié)性能進行了鋼筋拔出試驗，得到了塑鋼纖維輕骨料混凝土鋼筋錨固長度。徐禮華[7]等對鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土與鋼筋黏結(jié)強度進行了試驗研究，結(jié)果表明，混雜纖維的摻入對混凝土與鋼筋間的黏結(jié)強度存在正混雜效應(yīng)，其中鋼纖維對黏結(jié)強度的提高作用更為明顯。

綜上，目前關(guān)于鋼筋與普通混凝土、高強混凝土、纖維混凝土的粘結(jié)強度均有了一定的試驗研究，但UH PC作為新一代混凝土材料，其與鋼筋的共同工作性能如何還不明確，且無規(guī)范可循。

因此，通過對UH PC與鋼筋的粘結(jié)性能進行試驗研究，得到UH PC材料、鋼筋直徑、鋼筋粘結(jié)長度等因素對粘結(jié)性能的破壞規(guī)律，從而為鋼筋在UH PC中的錨固長度提供可靠的試驗依據(jù)，為UH PC在預(yù)制拼裝橋梁接縫處的應(yīng)用提供設(shè)計建議。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

該試驗采用無橫向鋼筋的中心拔出試件，研究鋼筋與UH PC之間的粘結(jié)性能。釆用單端拉拔的立方體中心拔出試件，試件平面尺寸為150 m m×150 m m，高度根據(jù)粘結(jié)長度進行調(diào)整，鋼筋采用普通熱軋變形鋼筋H RB400。粘結(jié)區(qū)設(shè)置于試件中心，非粘結(jié)區(qū)（加載端及自由端）的鋼筋用塑料套管套住，使其與周圍UH PC隔離，形成一段無粘結(jié)區(qū)域，避免試件加載端混凝土受到局部擠壓，與實際結(jié)構(gòu)中鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)差別大，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。無粘結(jié)區(qū)加載端一段控制長度為35 m m，自由端一段長度根據(jù)需要調(diào)整。加載端鋼筋伸出試件240 m m，自由端鋼筋伸出試件30 m m。試件示意圖見圖1所示。

1.2 試件參數(shù)分組

橋梁預(yù)制拼裝接縫分為上部結(jié)構(gòu)接縫和下部結(jié)構(gòu)接縫。根據(jù)接縫區(qū)域的受力不同，所用的UH PC材料及鋼筋直徑有所區(qū)別，見表1所列。其中，試驗所用UH PC為上海某廠家提供的材料。

根據(jù)實際采用的接縫材料，粘結(jié)錨固試驗分為8組，每組9個試件（粘結(jié)長度為4 d、5 d、6 d，每種各3個），共計72個試件。分別研究了UH PC材料、錨固長度、鋼筋直徑對粘結(jié)錨固強度的影響，試驗參數(shù)見表2所列。

表2 試件參數(shù)表

1.3 試件加載

試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（溫度20±3℃，相對濕度90%以上），在試件齡期為28d時進行試驗。該項試驗利用液壓伺服萬能試驗機進行加載。采用力控制與位移控制的混合加載模式：（1）力加載：加載速率為6 M Pa/s，從0到350 M Pa；（2）位移加載：加載速率為1.8 m m/m i n，自由端的滑移值達到8 m m或鋼筋拉斷時，停止試驗。

在加載過程中，用位移計量測鋼筋自由端的滑移，并采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。

加載之實景如圖2所示。

圖2 加載實景

2 試驗現(xiàn)象

試驗前期，加載端滑移隨著位移荷載的增加而增加，自由端基本沒有滑移。隨著位移的繼續(xù)增加，自由端出現(xiàn)微小滑移。之后鋼筋屈服，力和自由端的滑移值都基本不增加，加載端的滑移由于鋼筋的伸長加快增長，最終發(fā)生破壞。根據(jù)試驗參數(shù)的不同，試件發(fā)生鋼筋拉斷破壞或鋼筋拔出破壞，試件均未發(fā)生UH PC的劈裂破壞，說明鋼纖維的存在能大大提高UH PC的抗拉性能和整體性。

2.1 鋼筋拉斷破壞

鋼筋直徑12 m m、16 m m、20 m m在錨固長度為4 d、5 d、6 d，鋼筋直徑25 m m在錨固長度為5 d、6 d時，均發(fā)生鋼筋拉斷破壞。自由端雖有微量滑移，但未繼續(xù)發(fā)展，說明鋼筋與UH PC之間粘結(jié)強度較高，鋼筋達到極限抗拉強度時，還未發(fā)生與UH PC之間的粘結(jié)破壞，即粘結(jié)長度滿足錨固長度的要求。破壞結(jié)果見圖3所示。

圖3 鋼筋拉斷破壞之實景

2.2 鋼筋拔出破壞

鋼筋直徑25 m m在錨固長度為4 d時，鋼筋直徑 28 m m、32 m m 在錨固長度為 4 d、5 d、6 d時，均發(fā)生鋼筋拔出破壞。破壞時，鋼筋均已屈服，自由端滑移較大，試件完整。破壞結(jié)果見圖4所示。

圖4 鋼筋拔出破壞之實景

3 試驗結(jié)果及分析

為方便分析，假定粘結(jié)應(yīng)力在粘結(jié)長度范圍內(nèi)均勻分布，粘結(jié)長度內(nèi)的平均粘結(jié)應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力計算公式如下：

式中：τ為平均粘結(jié)應(yīng)力，M Pa；F為試驗荷載，kN；d為鋼筋直徑，m m；l為鋼筋粘結(jié)長度，m m。

根據(jù)式（1）可得到荷載最大時對應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力值，為極限粘結(jié)應(yīng)力τu。另，對于發(fā)生鋼筋拉斷破壞的試件，由于錨固還未失效即發(fā)生鋼筋拉斷，所以極限荷載對應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力小于實際的極限粘結(jié)應(yīng)力。

3.1 UHPC材料的影響

表3列出了UH PC材料對極限粘結(jié)應(yīng)力和破壞模式的影響。其中，極限粘結(jié)應(yīng)力為3個試件的平均值。從試驗結(jié)果可看出，T150與T180兩種UH PC材料在鋼筋錨固性能方面差異不大，且試件最終的破壞模式一致。

表3 UHPC材料的影響結(jié)果一覽表

3.2 相對錨固長度的影響

表4列出了相對錨固長度對極限粘結(jié)應(yīng)力和破壞模式的影響。從試驗結(jié)果可看出，隨著相對錨固長度的增加，極限粘結(jié)應(yīng)力越小，鋼筋應(yīng)力越大。這是由于粘結(jié)應(yīng)力在錨固區(qū)分布不均勻，隨著錨固長度的增加，高應(yīng)力區(qū)占比越小，故平均極限粘結(jié)應(yīng)力越小。但隨著錨固長度的增加，鋼筋在拔出時所能達到的應(yīng)力越大。

表4 相對錨固長度的影響結(jié)果一覽表

3.3 鋼筋直徑的影響

表5列出了鋼筋直徑對極限粘結(jié)應(yīng)力和破壞模式的影響。從試驗結(jié)果可看出，由于鋼筋拉斷破壞時的粘結(jié)應(yīng)力小于實際的極限粘結(jié)應(yīng)力，故粘結(jié)應(yīng)力變化不大。但從鋼筋拔出破壞結(jié)果看，隨著鋼筋直徑的增加，極限粘結(jié)應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力均逐漸減小。這是由于直徑越大的鋼筋，相對粘結(jié)面積與橫肋的相對高度越小。

表5 鋼筋直徑的影響結(jié)果一覽表

4 結(jié)論及討論

基于目前鋼筋與UH PC的粘結(jié)強度尚無試驗研究，而現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于錨固長度的規(guī)定僅針對C60等級以下的普通混凝土的現(xiàn)狀，現(xiàn)進行了鋼筋與UH PC的粘結(jié)錨固試驗研究，其試驗變量為UH PC材料、錨固長度、鋼筋直徑，得到以下結(jié)論：

（1）試件的破壞模式隨試驗參數(shù)的不同分為鋼筋拔出破壞和鋼筋拉斷破壞，試件均未發(fā)生UH PC的劈裂破壞，說明鋼纖維的存在能大大提高UH PC的抗拉性能和整體性。

（2）試驗所采用的兩種UH PC 材料（T150、T180）在鋼筋錨固性能方面差異不大；隨著相對錨固長度的增加，平均極限粘結(jié)應(yīng)力越小，鋼筋應(yīng)力越大；隨著鋼筋直徑的增加，極限粘結(jié)應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力均越小。

（3）鋼筋直徑 12 m m、16 m m、20 m m、25 m m H RB400鋼筋在錨固長度為4 d時，鋼筋應(yīng)力可達到600 M Pa左右；鋼筋直徑28 m m鋼筋在錨固長度為4 d時，鋼筋應(yīng)力可達到580 M Pa左右；φ32H RB400鋼筋在錨固長度為5 d時，鋼筋應(yīng)力可達到550 M Pa左右。

（4）鋼筋直徑在大于25 m m后，由于鋼筋頸縮現(xiàn)象導(dǎo)致鋼筋與UH PC接觸面積減小，在粘結(jié)長度為6 d時仍表現(xiàn)為鋼筋拔出破壞，頸縮現(xiàn)象影響顯著。故大于25 m m鋼筋直徑在設(shè)計錨固長度時，應(yīng)考慮錨固長度的適當(dāng)增加。