朱紅兵 張 娜 余志武 蔣麗忠 徐文康

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,武漢 430065；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410075)

陶?；炷辆哂休p質(zhì)高強(qiáng)、綠色環(huán)保、耐火抗凍等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。陶粒混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能，對(duì)陶粒混凝土結(jié)構(gòu)性能會(huì)產(chǎn)生很大影響[2]。在混凝土中摻入纖維能有效改善混凝土材料的韌性，減少混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的生成和擴(kuò)展，改善混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)性能[3]。將幾何尺寸較大、彈性模量高的鋼纖維和幾何尺寸較小、彈性模量低的聚丙烯纖維按一定比例混摻，形成剛?cè)峤Y(jié)合的亂向分布空間三維網(wǎng)，依靠聚丙烯纖維橋接混凝土內(nèi)的微裂縫并抑制其擴(kuò)展，利用鋼纖維的橋接作用控制宏觀裂縫，可使聚丙烯纖維和鋼纖維在混凝土破壞過程中的不同層次、不同階段上體現(xiàn)增強(qiáng)增韌作用[4-6]，產(chǎn)生正混雜效應(yīng)。

鋼-聚丙烯混雜纖維能改善混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能，提高結(jié)構(gòu)的延性[7-8]。目前，對(duì)于鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷恋难芯慷嗉杏诶w維對(duì)陶粒混凝土基本力學(xué)性能的改善，鋼-聚丙烯混雜纖維陶粒混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能還不明晰[9-10]。文獻(xiàn)[1，11]介紹了對(duì)鋼纖維陶?；炷僚c高強(qiáng)輕骨料混凝土黏結(jié)性能的研究，建立了相應(yīng)的混凝土極限黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式。Aslani等通過試驗(yàn)建立了自密實(shí)混凝土黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式[12]。現(xiàn)有文獻(xiàn)的黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式大都未考慮纖維對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響，文獻(xiàn)[11]雖考慮了鋼纖維摻量，但鋼-聚丙烯混雜纖維所體現(xiàn)的混雜效應(yīng)較單摻鋼纖維更加復(fù)雜。變形鋼筋與混凝土的黏結(jié)滑移關(guān)系多采用平均黏結(jié)應(yīng)力-滑移本構(gòu)關(guān)系來(lái)表達(dá)，常采用基于試驗(yàn)建立的分段函數(shù)半理論模型表達(dá)式。歐洲標(biāo)準(zhǔn)CEB-FIP[13]中給出的分段模型分為上升段、水平段、下降段和殘余段。葉列平等提出了高強(qiáng)輕骨料混凝土黏結(jié)-滑移曲線分段式模型[1]，主要由上升段和下降段組成。

通過對(duì)16組不同摻量的鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷猎嚰M(jìn)行抗壓劈裂及拉拔試驗(yàn)，得出不同混雜纖維摻量混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)強(qiáng)度，并進(jìn)一步得到鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土與鋼筋間黏結(jié)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

1 鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷?/h2>

1.1 原材料

采用華能牌束狀單絲聚丙烯纖維SHWITCOM端勾型鋼纖維，物理性能指標(biāo)見表1和表2。

表1 聚丙烯纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of polypropylene fibers

表2 鋼纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Physical and mechanical properties of steel fibers

粗骨料采用宜昌光大牌900級(jí)碎石型頁(yè)巖陶粒，見表3。陶粒在使用前先預(yù)濕處理。細(xì)骨料采用天然河沙，堆積密度為1.56 t/m3,細(xì)度模數(shù)為2.65，含泥量小于2%，使用前過4.75 mm方孔篩篩分。水泥采用湖北華新公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，密度為3.15 t/m3。減水劑采用青島虹廈生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑。

表3 頁(yè)巖陶粒物理性能指標(biāo)Table 3 Physical properties of shale ceramsite

1.2 混凝土配合比

參考JGJ 12—2006《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，經(jīng)多次試配，確定混凝土基準(zhǔn)配合比(表4)，其中砂率為40%。

表4 混凝土基準(zhǔn)配合比Table 4 Proportion of reference concrete mix kg/m3

參照CECS 38∶2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，鋼纖維體積率分4種水平考慮：0%、0.5%、1.0%、1.5%。聚丙烯纖維體積摻量采用4種水平：0%、0.6%、1.0%、1.4%[14-15]。采用不同的鋼纖維(SF)及聚丙烯纖維(PP)摻量，制作16組(每組3個(gè))100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，標(biāo)養(yǎng)28 d后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.3 基本力學(xué)性能試驗(yàn)

立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 鋼-聚丙烯混雜纖維陶粒混凝土立方體抗壓強(qiáng)度Table 5 Cubic compressive strength of ceramsite concrete with hybrid fibers of steel and polypropylene MPa

表6 鋼-聚丙烯纖維陶?；炷亮⒎襟w劈裂抗拉強(qiáng)度Table 6 Tensile strength of cube splitting for ceramsite concrete with hybird fibers of steel and polypropylene MPa

由表5、6可知：當(dāng)采用同一聚丙烯纖維摻量時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著鋼纖維體積率的增大而增加；鋼纖維摻量相同時(shí)，隨聚丙烯纖維體積率的增加，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，在聚丙烯纖維(PP)體積率為0.1%時(shí)達(dá)到最大值。鋼纖維因其較高的彈性模量和幾何尺寸，在增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度中占主導(dǎo)作用，增強(qiáng)作用遠(yuǎn)大于聚丙烯纖維。

2 黏結(jié)性能試驗(yàn)

2.1 拉拔試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1拉拔試件制作

采用中心拉拔試件進(jìn)行鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)。對(duì)于拉拔試件的尺寸各試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)行GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中并未提及黏結(jié)性能的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)參照GB/T 50152—1992要求制作。

試件的邊長(zhǎng)決定保護(hù)層厚度大小，進(jìn)而會(huì)影響拉拔試件的破壞形態(tài)，在保護(hù)層厚度較小時(shí)，尚未完全發(fā)揮出材料的黏結(jié)性能就發(fā)生劈裂破壞。同時(shí)，較小的截面尺寸會(huì)使摻加的纖維產(chǎn)生“邊壁效應(yīng)”，影響纖維的均勻分布。采用武鋼生產(chǎn)的直徑d為14 mm的HRB400E鋼筋。立方體試件邊長(zhǎng)取10d(140 mm)。鋼筋有效黏結(jié)長(zhǎng)度為5d(70 mm)，為消除試件因加載端局部受壓影響混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，在鋼筋的有效黏結(jié)區(qū)兩端各設(shè)置2.5d(35 mm)的非黏結(jié)區(qū)。非黏結(jié)區(qū)采用直徑25 mm的聚氯乙烯套管，鋼筋與套管之間采用泡沫膠進(jìn)行填充。鋼筋伸出混凝土自由端和加載段的長(zhǎng)度分別為20，300 mm。鋼筋放置于立方體試件的中軸線上，在澆筑試件時(shí)鋼筋縱軸應(yīng)與澆筑面平行，且與拉拔試件加載承壓面垂直，并進(jìn)行固定。

在拉拔試件中，鋼纖維的摻入能起到類似于箍筋的橫向約束作用，為減少相關(guān)因素對(duì)試驗(yàn)的干擾，試驗(yàn)中的試件均未配制箍筋。拉拔試件按摻入的混雜纖維情況分為16組(每組3個(gè)試件，共48個(gè)試件)。拉拔試件的制作及試件模具見圖1。

a—拉拔試件鋼筋；b—拉拔試件模具；c—拉拔試件示意。圖1 拉拔試件制作 mmFig.1 Specimen-making for pull-out tests

2.1.2加載裝置及步驟

考慮到采用高強(qiáng)陶?；炷?xí)r，在試件破壞前自由端鋼筋難免會(huì)出現(xiàn)較大伸長(zhǎng)量或屈服，會(huì)對(duì)加載端滑移值產(chǎn)生較大影響。而自由端滑移值較加載端相對(duì)滯后，受鋼筋屈服影響較小。試驗(yàn)以自由端滑移值作為相對(duì)滑移，在鋼筋自由端底部安裝一組位移計(jì)，位移傳感器的精度為2.0×10-4mm。為了便于在試件自由端安裝位移計(jì)固定支座，在試件自由端用AB膠將一塊角鋼固定在混凝土表面。采用微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(WAW-1000)加載，加載反力裝置為自行設(shè)計(jì)的反力架。荷載-滑移曲線中的滑移值由位移計(jì)每?jī)擅胗涗浺淮?，荷載采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄保存。

參照GB/T 50152—1992，拉拔試驗(yàn)的加載速度為0.098 kN/s。試驗(yàn)裝置示意見圖2。

圖2 拉拔試驗(yàn)裝置Fig.2 Devices of pull-out tests

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所測(cè)得極限黏結(jié)強(qiáng)度及峰值滑移值如表7所示，每組3個(gè)試件的峰值荷載最大值和最小值與中間值之差均小于中間值的15%，表中所列的極限黏結(jié)強(qiáng)度τu為每組3個(gè)試件的平均值，峰值滑移su為每組3個(gè)試件的中值滑移。極限黏結(jié)強(qiáng)度采用有效黏結(jié)段內(nèi)的平均黏結(jié)強(qiáng)度來(lái)表示，如式(1)所示。

表7 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Pull-out test results

(1)

式中：Fu為峰值荷載；d為鋼筋直徑；l為黏結(jié)長(zhǎng)度。

由表7可知，使用單摻鋼纖維時(shí)，陶?；炷僚c鋼筋的黏結(jié)性能具有明顯的改善，黏結(jié)強(qiáng)度和峰值滑移隨著鋼纖維體積率的增加而增加。在鋼纖維體積率為0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度較未摻纖維的試件分別提升9%、16%、21%，峰值滑移最大提升26%，試件由脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)向延性破壞。單摻聚丙烯纖維時(shí)，陶?；炷僚c鋼筋的黏結(jié)性能也有一定的改善，隨摻量增加黏結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，在體積率為0.1%時(shí)達(dá)到最大值。摻加混雜纖維時(shí)，如聚丙烯纖維摻量一定，黏結(jié)強(qiáng)度及峰值滑移隨鋼纖維摻量增大呈現(xiàn)增大；如鋼纖維摻量一定，則黏結(jié)強(qiáng)度及峰值滑移隨聚丙烯纖維摻量增大呈現(xiàn)先增大后減小。總體而言，摻加鋼纖維及聚丙烯纖維均能改善陶?；炷僚c鋼筋的黏結(jié)性能，但鋼纖維的改善效果更明顯。

單摻鋼纖維摻量低于1%或單摻聚丙烯纖維時(shí)，試件表現(xiàn)為劈裂或劈裂拔出破壞形態(tài)，鋼筋不屈服；單摻鋼纖維摻量達(dá)到或大于1%時(shí)則表現(xiàn)為拔出破壞，鋼筋也會(huì)處于屈服狀態(tài)?；鞊嚼w維時(shí)，除8和11兩組為劈裂拔出外，其余組均為拔出破壞，混摻時(shí)鋼筋均達(dá)到屈服狀態(tài)。綜合表6數(shù)據(jù)，試件出現(xiàn)劈裂破壞、鋼筋未屈服的試驗(yàn)組，原因?yàn)槔w維(尤其是鋼纖維)摻量較低，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均較低，拉拔試件中混凝土達(dá)到劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力尚未達(dá)到極限值、鋼筋拉應(yīng)力也低于屈服應(yīng)力?；炷僚芽估瓘?qiáng)度增大后，試件中鋼筋與混凝土的黏結(jié)力才能充分發(fā)揮，破壞形態(tài)相應(yīng)地變?yōu)榘纬銎茐摹?/p>

3 黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式及應(yīng)變關(guān)系

3.1 混雜纖維陶粒混凝土黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式

葉列平提出的針對(duì)高強(qiáng)陶?；炷恋酿そY(jié)強(qiáng)度計(jì)算式[1]為：

式中：τu為極限強(qiáng)度；d為鋼筋直徑；c為混凝土保護(hù)層厚度；la為黏結(jié)長(zhǎng)度；ρsv為配箍率；fcu為立方體抗壓強(qiáng)度。

文獻(xiàn)[4，16]對(duì)混雜纖維或鋼纖維混凝土梁的抗剪和抗彎性能研究認(rèn)為：在中低配箍率的情況下，鋼纖維或混雜纖維梁能獲得更好的力學(xué)性能和變形性能，采用鋼纖維或混雜纖維部分代替箍筋可增大箍筋間距，具有一定的可行性。在拉拔試件中摻入鋼-聚丙烯混雜纖維能發(fā)揮出類似箍筋的作用，具有較好的護(hù)筋效果。

(3)

式中：fcu為未摻加纖維的陶?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度；λsf、λpf分別為鋼纖維和聚丙烯纖維特征參數(shù)，其值為纖維體積率與長(zhǎng)細(xì)比的乘積；α1、β1、γ1分別為鋼纖維、聚丙烯纖維以及鋼-聚丙烯混雜纖維的黏結(jié)強(qiáng)度影響系數(shù)；δ1為強(qiáng)度修正參數(shù)。

采用表5及表7中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)式(3)進(jìn)行擬合，獲得各參數(shù)擬合值，見表8。

表8 式(3)參數(shù)的擬合值Table 8 Fitting values of parameters in formula (3)

R2為決定系數(shù)。

3.2 混雜纖維陶粒混凝土黏結(jié)滑移模型

綜合考慮以上各現(xiàn)有模型的特點(diǎn)[1,16]，兼顧黏結(jié)滑移曲線特征及算式的簡(jiǎn)化，采用三段式的表達(dá)式來(lái)描述鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷恋酿そY(jié)滑移模型。在殘余荷載階段，鋼筋與混凝土間已發(fā)生較大的滑移，此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋的黏結(jié)已瀕臨失效，故黏結(jié)模型中未對(duì)其進(jìn)行表述。表達(dá)式分為上升段、水平段、下降段，各段的表達(dá)式為：

(4)

試驗(yàn)測(cè)得的黏結(jié)滑移曲線顯示，鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷恋呐鸦浦祍cr并不明顯，隨纖維摻量變化的影響較小。參照文獻(xiàn)[1]的處理方法，對(duì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的黏結(jié)滑移曲線(圖3)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取scr=0.017d，未摻加纖維的陶?；炷练逯祷迫u0=0.029 6d。峰值滑移值su按式(5)進(jìn)行計(jì)算。極限黏結(jié)強(qiáng)度τu采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。

試驗(yàn)曲線；計(jì)算曲線。圖3 計(jì)算模型與試驗(yàn)曲線對(duì)比Fig.3 Comparisons of curves from the calculation model and the test

su=su0(α2Vsf+β2Vpp+γ2VsfVpp)

(5)

式中：Su0為未摻加纖維的陶?；炷练逯叼そY(jié)滑移值；Vsf、Vpp分別為鋼纖維體積率和聚丙烯纖維體積率；α2、β2、γ2分別為鋼纖維、聚丙烯纖維以及混雜效應(yīng)對(duì)峰值滑移的影響系數(shù)，擬合得α2=0.199、β2=0.384、γ2=-0.101，R2=0.89。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得黏結(jié)滑移模型中各參數(shù)值，見表9。

表9 黏結(jié)滑移曲線參數(shù)a、b取值Table 9 Parameters a and b in the bond slip curves

考慮到實(shí)際工程中纖維摻量可任意取值，根據(jù)表9的參數(shù)值，建立鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷琉そY(jié)滑移曲線上升段及下降段參數(shù)a和b的任意計(jì)算式，見式(6)，該式中各參數(shù)的擬合值見表10。

表10 黏結(jié)滑移曲線擬合參數(shù)Table 10 Fitting parameters of bond slip curves

a=α3Vsf+β3Vpp+γ3VsfVpp+δ3

(6a)

(6b)

式中：α3、β3、γ3分別為鋼纖維、聚丙烯纖維以及混雜效應(yīng)對(duì)黏結(jié)滑移的影響系數(shù)；Vsf、Vpp分別為鋼纖維體積率和聚丙烯纖維體積率；δ3為纖維陶?；炷琉そY(jié)滑移曲線參數(shù)的修正系數(shù)。

根據(jù)式(3)和黏結(jié)滑移模型，對(duì)鋼纖維體積摻量為1.5%、聚丙烯纖體積維摻量為0.1%的陶?；炷琉そY(jié)模型進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)計(jì)算模型與試驗(yàn)曲線吻合度較好，能準(zhǔn)確地反映鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷僚c鋼筋的黏結(jié)滑移關(guān)系。計(jì)算模型與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖3所示。其余試件試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算模型曲線吻合度也較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)16組不同鋼-聚丙烯混雜纖維摻量的陶?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)表明，采用相同聚丙烯纖維摻量時(shí)，試件強(qiáng)度隨鋼纖維體積率增大而增加；鋼纖維摻量相同時(shí)，試件強(qiáng)度隨聚丙烯纖維體積率增加，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。鋼纖維和聚丙烯纖維體積率分別為1.5%和0.1%時(shí)，混凝土力學(xué)性能較好。

2)聚丙烯纖維摻量一定，黏結(jié)強(qiáng)度及峰值滑移隨鋼纖維摻量增大而增大；鋼纖維摻量一定，則黏結(jié)強(qiáng)度及峰值滑移隨聚丙烯纖維摻量增大呈現(xiàn)先增大后減小。摻加鋼纖維及聚丙烯纖維均能改善陶?；炷僚c鋼筋的黏結(jié)性能，但鋼纖維的改善效果更明顯。

3)基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)黏結(jié)強(qiáng)度，建立了鋼-聚丙烯混雜纖維陶粒混凝土極限黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式，該式考慮了未摻加纖維時(shí)陶粒混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、鋼纖維和聚丙烯纖維特征參數(shù)(纖維體積率與長(zhǎng)細(xì)比的乘積)、鋼筋直徑、混凝土保護(hù)層厚度、黏結(jié)長(zhǎng)度等參數(shù)。

4)基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)黏結(jié)強(qiáng)度和滑移值，采用三段式表達(dá)式(上升段，水平段、下降段)建立了可描述鋼-聚丙烯混雜纖維陶粒混凝土與變形鋼筋的黏結(jié)滑移模型。