孫 濤

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，UHPC)具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐久性的特點(diǎn)[1-2]。UHPC通過提高各組分的細(xì)度和活性，摻入鋼纖維并采用蒸汽養(yǎng)護(hù)來減少材料內(nèi)部微裂縫、空隙等缺陷，獲得優(yōu)良特性[3-4]。但是UHPC的軸心抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值仍偏小[5]，UHPC結(jié)構(gòu)仍需配筋。

超高性能混凝土與鋼筋共同工作的特性直接影響超高性能混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的性能，鋼筋混凝土構(gòu)件的開裂、裂縫寬度、撓度、強(qiáng)度、延性等都直接或間接與鋼筋和混凝土的黏結(jié)性能有關(guān)，若二者之間沒有可靠的錨固與黏結(jié)，鋼筋不會受力，在較小荷載作用下結(jié)構(gòu)就會發(fā)生破壞[6-11]。關(guān)于鋼筋與超高性能混凝土黏結(jié)性能的研究較少且考慮的影響因素不夠全面，還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 基本力學(xué)性能試驗(yàn)

UHPC的抗壓、抗折強(qiáng)度是UHPC結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的基本力學(xué)參數(shù)?？箟涸嚰叽鐬檫呴L100 mm×100 mm×100 mm的立方體，抗折試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體；鋼筋為唐山鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的HRB400鋼筋，直徑16 mm。

1.2 拉拔試驗(yàn)

試驗(yàn)采用立方體試件單端拔出試驗(yàn)，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，鋼筋水平放置在模具里，為避免混凝土在加載時(shí)受到局部擠壓，在加載端與自由端用塑料套管將非黏結(jié)區(qū)的鋼筋和超高性能混凝土隔開，拔出試件示意見圖1。

圖1 拔出試件示意

主要變化參數(shù)：

1)鋼筋黏結(jié)長度la。黏結(jié)長度為鋼筋直徑的3，4，5，6倍。

2)保護(hù)層厚度c。保護(hù)層厚度為10,16,25，35，45,55 mm。

3)養(yǎng)護(hù)制度。①標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，75 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3 d；②標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，齡期7，14,28 d。

將位移計(jì)固定在鋼筋自由端，測量鋼筋與UHPC之間的相對滑移量。試驗(yàn)在 1 000 kN 的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，用 DH3816靜態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，按照GB 50152—92《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)加載速度勻速加載。

試件編號方法為：第1個(gè)字母G或B分別代表蒸養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)，第1個(gè) “-”后的數(shù)字代表鋼筋黏結(jié)長度，第2個(gè) “-”后的數(shù)字養(yǎng)護(hù)齡期(蒸養(yǎng)不需要)，第3個(gè)“-”后的數(shù)字代表保護(hù)層厚度。例如B-48-28-2的含義為：標(biāo)養(yǎng)28 d，直徑16 mm、黏結(jié)長度為48 mm，保護(hù)層厚度為2 cm 的偏心拉拔試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度在齡期7,14，28,3 d蒸養(yǎng)時(shí)的強(qiáng)度為78.8,83.6,89.9,132 MPa和13.1,14.3,15.6，20.8 MPa。

2.2 拔出試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 黏結(jié)應(yīng)力

鋼筋與UHPC之間的黏結(jié)應(yīng)力沿著有效黏結(jié)長度是不均勻分布的，為了簡化，采用平均黏結(jié)應(yīng)力τ，計(jì)算公式為

(1)

式中:F為拉拔荷載;d為鋼筋直徑;la為有效黏結(jié)長度。

拉拔試驗(yàn)結(jié)果列于表1。其中，la為有效黏結(jié)長度；Fcr為初始滑移荷載；Fu為極限拉拔荷載；τu為極限黏結(jié)應(yīng)力；Fcr,Fu,τu均為平均值。

表1 拉拔試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 黏結(jié)應(yīng)力-滑移過程

圖2為鋼筋與UHPC黏結(jié)應(yīng)力的滑移過程。可知，在加載前期，鋼筋與UHPC基本為零滑移，此時(shí)黏結(jié)力主要為化學(xué)膠著力。荷載繼續(xù)增加，滑移增大到可以測量并伴隨試件內(nèi)部裂縫產(chǎn)生，鋼筋肋與UHPC咬合齒發(fā)生局部破壞，應(yīng)力-滑移曲線由線性變?yōu)榉蔷€性。過峰值應(yīng)力后，應(yīng)力下降迅速，滑移增長加快。下降一段時(shí)間后，應(yīng)力重分布又出現(xiàn)回彈上升，然后進(jìn)入應(yīng)力殘余階段。

圖2 黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

2.2.3 破壞形式

試件的破壞形式有3種：①鋼筋拔出破壞，鋼筋與UHPC之間發(fā)生沿鋼筋橫肋外徑圓柱面上的剪切滑移，最終鋼筋被拔出而產(chǎn)生“刮犁式”破壞；②鋼筋拉斷破壞，鋼筋在距混凝土試塊下緣20～30 mm處被拉斷；③鋼筋拔出的同時(shí)，UHPC試塊表面產(chǎn)生豎向裂縫。

結(jié)合表1可得，當(dāng)鋼筋直徑為16 mm時(shí)，試件的破壞形式有鋼筋拔出伴隨超高性能混凝土產(chǎn)生豎向裂縫，鋼筋拔出和鋼筋拔斷3種。當(dāng)保護(hù)層厚度c≤16 mm，超高性能混凝土較薄保護(hù)層的表面產(chǎn)生豎向貫通裂縫，同時(shí)鋼筋拔出。隨著保護(hù)層厚度增加，裂縫寬度減小；當(dāng)保護(hù)層厚度c=25 mm，鋼筋發(fā)生拔出破壞，超高性能混凝土表面沒有裂縫；當(dāng)保護(hù)層厚度c為35及45 mm，鋼筋被拔斷。鋼筋拔出時(shí)，鋼筋橫肋對周圍的超高性能混凝土產(chǎn)生擠壓力使超高性能混凝土環(huán)向受拉。當(dāng)保護(hù)層較小時(shí)，環(huán)向拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，裂縫發(fā)展到超高性能混凝土表面;隨著保護(hù)層厚度增加，超高性能混凝土對鋼筋的環(huán)箍作用增強(qiáng)，裂縫寬度減?。槐Ｗo(hù)層厚度較大時(shí)，裂縫尚未發(fā)展至表面，鋼筋發(fā)生拔出破壞；保護(hù)層厚度繼續(xù)增大，試件破壞時(shí)的荷載使鋼筋屈服最后被拉斷，即發(fā)生鋼筋拔斷破壞。

3 黏結(jié)影響因素分析

3.1 鋼筋黏結(jié)長度對黏結(jié)性能的影響

圖3 不同鋼筋黏結(jié)長度黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

圖3是HRB400鋼筋蒸養(yǎng)試件的不同黏結(jié)長度(4d，5d，6d)的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線。由圖3可得：極限黏結(jié)應(yīng)力隨鋼筋黏結(jié)長度的增加而減小，減小的原因是黏結(jié)應(yīng)力沿鋼筋黏結(jié)長度的不均勻分布和泊松比的影響。黏結(jié)長度越大，黏結(jié)應(yīng)力分布越不均勻，高應(yīng)力區(qū)相對短而窄，故長試件的平均黏結(jié)應(yīng)力反而較低。鋼筋黏結(jié)長度由4d增加到5d,6d，極限黏結(jié)應(yīng)力分別減小了2.27 MPa，5.95 MPa。結(jié)合表1可得：初始滑移荷載和極限拉拔荷載隨鋼筋有效黏結(jié)長度的增加而增大。初始滑移荷載的取值取決于鋼筋與UHPC間的膠著力，極限荷載主要取決于鋼筋與UHPC的摩擦力和機(jī)械咬合力。黏結(jié)長度增加，鋼筋與UHPC接觸面積增大，膠著力、摩擦力和機(jī)械咬合力增大，初始滑移荷載和極限荷載增大。

3.2 保護(hù)層厚度對黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖4為保護(hù)層厚度對黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律曲線?？傻茫孩俦Ｗo(hù)層厚度增加，增加了鋼筋周圍UHPC抵抗裂縫的能力，提高了極限黏結(jié)能力。黏結(jié)長度為80 cm 的鋼筋被拔出時(shí)，當(dāng)保護(hù)層c每提高一個(gè)級別，極限黏結(jié)應(yīng)力約提高1.14，2.75，2.75 MPa。應(yīng)力-滑移曲線出現(xiàn)水平段是因?yàn)檩^大保護(hù)層厚度試件的鋼筋被拔斷。②不同保護(hù)層的應(yīng)力-滑移曲線規(guī)律相近，保護(hù)層厚度大的試件非線性段較飽滿。

圖4 極限黏結(jié)應(yīng)力與保護(hù)層厚度關(guān)系曲線

3.3 UHPC齡期對黏結(jié)性能的影響

試驗(yàn)研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期(7,14,28 d)對黏結(jié)性能的影響，即隨著齡期的增長，UHPC的抗壓、抗折強(qiáng)度在增大，UHPC的黏結(jié)性能隨齡期變化的規(guī)律本質(zhì)上是隨強(qiáng)度變化的規(guī)律。

圖5 不同齡期黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

圖5為不同齡期黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線。由圖5、表1可見：初始滑移荷載、極限拉拔荷載及極限黏結(jié)強(qiáng)度隨著齡期的增加而增大，UHPC齡期越長，強(qiáng)度越高，提高了鋼筋與 UHPC 的化學(xué)黏結(jié)力與機(jī)械咬合力，增大了UHPC的抗劈裂強(qiáng)度，延緩UHPC脹裂破壞過程。如B-80-2.5 cm試驗(yàn)組，齡期28 d的極限黏結(jié)強(qiáng)度比齡期7,14 d分別提高了10.46，3.10 MPa。

4 極限黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式

由上節(jié)分析可知，影響拔出試件黏結(jié)應(yīng)力的2個(gè)主要變量為UHPC抗壓強(qiáng)度(fc)、相對保護(hù)層厚度(c/d)和相對有效黏結(jié)長度(d/l)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 黏結(jié)應(yīng)力及相關(guān)參數(shù)

回歸出的極限黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式為

(2)

式中:τ為拔出破壞試件的極限黏結(jié)應(yīng)力;c為較薄一側(cè)保護(hù)層厚度;c/d不超過2.81。

5 結(jié)論

本文研究了鋼筋黏結(jié)長度、保護(hù)層厚度、混凝土齡期對鋼筋與UHPC黏結(jié)性能的影響，并回歸出極限黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算公式。主要結(jié)論如下：

1)鋼筋與UHPC之間的極限黏結(jié)應(yīng)力隨鋼筋黏結(jié)長度的增大而減小，拔出試件都是突然拔出，黏結(jié)應(yīng)力瞬間回落；隨著滑移增大，應(yīng)力出現(xiàn)二次峰值，從波谷到二次峰值的斜率隨黏結(jié)長度增加而增大。

2)鋼筋與UHPC之間的極限黏結(jié)應(yīng)力隨UHPC養(yǎng)護(hù)齡期、保護(hù)層厚度的增加而增大，鋼筋與較早齡期UHPC黏結(jié)性能良好。

3)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸了τ/fc0.5與c/d,d/l的關(guān)系式。