高延性混凝土与带肋钢筋黏结性能试验研究

邓明科，范洪侃，马福栋,3，刘俊超，张 伟

(1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西，西安 710055；2.西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西，西安 710055；3.上海市建筑科学研究院有限公司上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

随着我国基础建设的发展，建筑结构的形式趋于复杂，因此，对建筑材料提出了较高的要求。高延性混凝土(High Ductile Concrete, HDC)[1-5]，是一种短纤维增强水泥基复合材料，具有高韧性、高抗裂性能和耐损伤能力，在实际工程中应用广泛。研究表明，HDC应用于混凝土装配式框架梁-柱节点时，有效提高了框架节点的变形能力和耗能[6]；与RC 梁相比，塑性铰区采用HDC后，试件的破坏形态有所改善，延性和耗能得到显著提高[7]；HDC无腹筋梁发生剪切破坏时，其裂缝宽度相对较小，承载力下降缓慢，表现出较好的变形能力[8]。与高强混凝土剪力墙相比，HDC剪力墙的变形能力明显提高[9-10]。HDC与钢筋的黏结性能，是保证两种材料共同工作的基础。因此，为推广HDC在实际工程中的应用，研究HDC与带肋钢筋的黏结性能具有重要意义。

王洪昌[11]研究了埋置长度、保护层厚度和钢筋直径对钢筋与超高韧性水泥基复合材料的黏结强度的影响，并分析出埋置长度规律；TOSHIYUKI等[12]发现：保护层厚度对ECC构件力学性能影响较小；CAMPIONE 等[13]、LI等[14 - 15]和HARAJLI[16 - 17]指出，钢筋与钢纤维混凝土具有较好的黏结性能，钢纤维的掺入可有效限制试件裂缝的发展，提高其耐损伤性能。本课题组[18-19]已研究了钢筋直径、钢筋外形、HDC抗压强度、HDC弯曲韧性、HDC拉伸性能、保护层厚度、埋置长度和纤维掺量对带肋钢筋与HDC黏结性能的影响；上述试验中HDC抗压强度的变化范围较小，且未考虑重复荷载作用对HDC与带肋钢筋黏结性能的影响。

因此，本文研究了单调与重复荷载作用下，不同强度HDC与带肋钢筋的黏结机理；分析了HDC抗压强度、纤维种类、纤维掺量和保护层厚度对HDC与带肋钢筋黏结性能的影响以及带肋钢筋与HDC黏结强度退化规律；建立带肋钢筋与HDC的黏结-滑移本构模型，为结构设计与有限元分析提供重要依据[20]。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验设计了20组Losberg 试件[21]，Losberg 试件的黏结段位于试件中部，两端用PVC管包裹，以减小端部效应，试件形式如图1所示，所有试件采用直径16 mm 的HRB400级普通热轧月牙肋钢筋，钢筋黏结段为5 d，HDC试块尺寸为150 mm×150mm×150mm，每组3个试件。

图1 试件的尺寸Fig.1 Dimension of specimens

试件分组及参数变化见表1；试件编号如70V2-4表示试件立方体抗压强度设计值为70MPa，纤维种类为PVA 纤维，纤维体积掺量为2%，相对保护层厚度为4。其中V 为PVA 纤维，P为PP纤维，E 为PE 纤维，C为普通混凝土，相对保护层厚度(c/d)为钢筋保护层厚度与钢筋直径比。

表1 试件设计参数Table1 Specimen design parameters

1.2 材料力学性能

HDC主要成分有：普通硅酸盐水泥(PO·42.5)、Ⅱ级粉煤灰、石英砂、水、高效减水剂和聚乙烯醇(PVA)纤维、矿物掺合料，试件的配合比如表2所示。试件浇注时，每种配合比分别预留材性试块，试件标准件养护56 d 后测得其力学性能，如表2所示，单轴拉伸采用15mm×50 mm×350mm哑铃型试件，应力-应变曲线和加载装置如图2所示；纤维具体参数如表3所示。钢筋均采用普通热轧带肋钢筋HRB400级，其力学性能按《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》(GB/T 1499.2-2018)[22]测量，钢筋的材性数据见表4。

表2 试件的配合比及力学性能Table2 M ixing ratio and mechanical propertiesof specimens

图2 单轴拉伸加载装置及应力-应变曲线示意图Fig.2 Schematic diagram of uniaxial tension loading device and stress-strain curve

表3 PVA 纤维各项性能指标Table3 Performance indicatorsof PVA

表4 钢材的力学性能Table4 Material propertiesof steel

1.3 试验加载及测试内容

试验采用MTSSANSCMT5105，10T 万能试验机进行加载，加载装置如图3所示。位移控制试验加载，加载速率为0.5mm/m in，重复加载制度见图4，图4中：F表示加载端的荷载，T表示加载时间，为单调加载时每组试件的峰值荷载平均值。试验中采集加载端的荷载和自由端的位移。

图3 加载装置示意图Fig.3 Sketch of loading device

图4 重复荷载加载制度Fig.4 Repeated load loading system

2 试验现象及试件的黏结-滑移曲线

2.1 试验现象

试件的破坏形态可分为完全劈裂破坏、拔出破坏和劈裂拔出破坏。

如图5(a)、图5(b)所示，未掺纤维的基体试件和普通混凝土试件主要发生完全劈裂破坏，当加载到弹性段峰值荷载时，试件出现裂缝，随后荷载再次上升，直至试件完全劈裂，加载结束；试件50V2-4发生拔出破坏；加载过程中，未出现肉眼可见的裂缝，试件的破坏形态见图5(c)；剩余试件均发生劈裂拔出破坏，加载初期，自由端无滑移，试件处于弹性阶段，当达到峰值荷载时，靠近加载端处与钢筋平行面出现裂缝，随后，裂缝变宽，并向自由端延伸，荷载缓慢降低，最后达到稳定状态，试件最终发生劈裂拔出破坏。

图5 试件的破坏形态Fig.5 Failuremodesof specimens

对于发生劈裂拔出破坏的试件，掺入PP纤维试件表面的裂缝宽度较大，裂缝完全延伸到自由端；掺入PE纤维试件的裂缝宽度较小，数量较多；掺入PVA 纤维的试件，其裂缝从加载端向自由端延伸的距离相比PP纤维试件较小；试件的裂缝随纤维掺量的增加、保护层厚度的增加而减小。各试件的破坏形态见图5。重复荷载作用下，带肋钢筋与HDC试件的破坏形态与单调荷载下的试件相同。

2.2 试件的黏结-滑移曲线及黏结机理

式中：P为加载端的荷载；d为钢筋直径；l为锚固长度，取5d。

带肋钢筋与HDC的黏结力依旧由三部分组成：1)HDC胶凝材料与带肋钢筋表面的化学胶着力；2)带肋钢筋与HDC接触面的摩擦力；3)带肋钢筋与HDC间的机械咬合力。

图6为各个试件的τ-s关系曲线，由图可得，带肋钢筋与HDC的黏结破坏过程可分为上升段、下降段和残余段。

1)上升段：加载初期，自由端无滑移，黏结应力主要由化学胶着力和静摩擦力共同作用，此时试件处于弹性阶段；当荷载增大到峰值荷载的40%左右时，自由端开始滑移，此时化学胶着力退出工作，黏结应力主要为机械咬合力；在峰值荷载的80%左右到峰值荷载阶段，HDC内部开始出现径向裂缝，但没有延伸到试件侧表面，此阶段的黏结应力继续增大，曲线的斜率减小，黏结应力由机械咬合力与动摩擦力共同作用。

2)下降段：峰值荷载后，试件内部的径向裂缝逐渐延伸到试件表面，形成劈裂裂缝(若试件的黏结力较低，且HDC受的约束作用较强时，试件内部的径向裂缝不会延伸到试件表面)，HDC 对钢筋的握裹力降低，同时，随着自由端的不断滑移，钢筋肋间的HDC被剪断，黏结应力开始降低，曲线开始下降。

3)残余段：当自由端位移达到约8mm(约一个肋间距)后，此时钢筋肋间的HDC完全被剪坏，黏结应力由钢筋与HDC之间的滑动摩擦力控制，此时的摩擦系数已经趋于稳定，黏结应力趋于平稳，曲线趋于平缓；当自由端滑移约13mm 时，曲线出现小幅度上升，这是因为拔出过程中钢筋肋间填满了HDC粉末，导致试件的黏结力小幅提升。

3 试验结果分析

3.1 各因素对带肋钢筋与HDC黏结性能的影响

由图6可得，试件自由端开始滑移至峰值荷载的80%左右为滑移段，为便于计算曲线滑移段的黏结刚度，本文将试件自由端开始滑移时至峰值荷载的80%定义为上升滑移段，且k1=(τ0.8-τc)/(s0.8-sc)，式中τ0.8为曲线上升段0.8倍的峰值应力值，s0.8为τ0.8对 应的自由端位移；τc为试件自由端开始滑移时对应的黏结应力；sc为试件自由端开始滑移时对应的自由端位移，取0.001mm；试件下降段黏结刚度k2=(τu-τz)/(sz-su)，式中τz和sz为曲线下降段的明显转折点。图7为试件的黏结-滑移曲线特征点示意图。

图6 试件的黏结应力-滑移曲线Fig.6 Bond stress-slip curves of specimens

图7 曲线的特征点Fig.7 Characteristic pointsof curves

结合试件的黏结应力-自由端滑移曲线，可以得出各个试件的黏结强度τu、黏结强度对应的自由端滑移量su、滑移段黏结刚度k1、下降段黏结刚度k2和 残余黏结强度τr(对应于曲线平稳段的初始应力)与黏结强度的比值为kr(残余黏结强度系数)，各试件的试验结果见表5，表中数值为各组试件的平均值。

3.1.1 HDC抗压强度影响

由表5可得，单调荷载下，试件80V2-4的黏结强度相比试件50V2-4和试件70V2-4分别提高了59.4%和11.8%；重复荷载后，试件70V2-4的黏结强度相比试件50V2-4提高31.6%。可见，HDC抗压强度对带肋钢筋与HDC的黏结性能影响较大，抗压强度提高，试件的黏结强度增大(单调和重复荷载作用下)。抗压强度达到80MPa 时，试件的残余黏结强度系数kr降低，说明HDC 抗压强度较大时，对试件残余黏结强度的提高作用并不明显。

3.1.2 纤维种类影响

如表5所示，与试件70P2-4相比，单调荷载下，试件70V2-4 的黏结强度和残余黏结强度分别提高了39.5%和220.4%，试件70E2-4的黏结强度和残余黏结强度分别提高了32.5%和66.8%；与试件70P2-4相比，重复荷载作用下，试件70V2-4的黏结强度和残余黏结强度分别提高了40.8%和238.9%，试件70E2-4的黏结强度和残余黏结强度分别提高了40.8%和171.2%；因此可得，PVA纤维和PE 纤维对试件的黏结性能影响比PP纤维更明显。这是因为：纤维桥连作用约束裂缝扩展，对骨料咬合力及滑动摩擦都有利；PVA 纤维和PE 纤维抗拉强度高于PP纤维，因此对HDC的约束作用较强，使得PVA 纤维和PE纤维试件的抗劈裂能力更强，试件产生裂缝宽度较小，致使HDC与钢筋的握裹力，以及钢筋与HDC之间的机械咬合作用增强；PE纤维抗拉强度比PVA 纤维高2.38倍，但试件裂缝处PVA 纤维与基体的黏结强度大于单个PE 纤维与基体的黏结强度，PVA 纤维试件更大的纤维桥连应力约束了基体的开裂，从而提高了握裹力，因此，掺入PVA 纤维试件的黏结强度更高。

3.1.3 纤维掺量影响

由表5可得，纤维掺量增加可提高钢筋与HDC试件的黏结性能；相比试件70V1-4，单调荷载作用下，当纤维掺量从1%提高到1.5%时，试件70V1.5-4的黏结强度和残余黏结强度系数分别提高了9.8%和21.5%；当纤维掺量从1.5%提高到2%时，试件70V2-4的黏结强度和残余黏结强度分别比试件70V1.5-4提高了11.2%和45.8%；重复荷载后，当纤维掺量从1%提高到2%时，试件70V2-4的黏结强度和残余黏结强度分别提高了3.1%和95%。纤维掺量在1%-2%范围内时，随着纤维掺量的增加，纤维桥联应力的约束效果增强，致使HDC对钢筋的握裹力提高，钢筋与HDC之间的机械咬合作用增强，从而提高了钢筋与HDC的黏结性能。

表5 试件的试验结果Table5 Test results of specimens

3.1.4 保护层厚度影响

如表5所示，相比试件70V2-1，单调荷载作用下，试件70V2-2的黏结强度和残余黏结强度分别提高了13.9%和30.5%，试件70V2-4的黏结强度和残余黏结强度提高了16.6%和122.7%；重复荷载作用后，试件70V2-2的黏结强度和残余黏结强度分别提高了1.5%和15.1%，试件70V2-4的黏结强度和残余黏结强度提高了26.0%和126.9%。说明保护层越大，HDC对劈裂裂缝的约束作用越强，因此HDC与钢筋的黏结性能增强。当保护层增大到一定程度(c/d=2)后，约束接近上限，试件的黏结强度提高幅度减小。

3.2 单调荷载与重复荷载作用下试件黏结性能对比

表6为各试件在重复荷载作用后，采用单调荷载加载至破坏所得试验结果，表中

表6 单调及重复荷载作用后各试件的试验结果对比Table6 Comparison of test resultsof each specimen under monotonic and cyclic repeated load

1)黏结强度

2)残余黏结强度

3.3 HDC、基体和普通混凝土黏结性能的对比

由图5(d)、图5(g)和图5(h)可以看出，纤维的桥联作用为HDC试件提供了良好的裂缝约束作用；试件在峰值荷载后，曲线缓慢下降，当钢筋与周围的HDC发生了较大的位移时，曲线趋于稳定，试件具有一定的残余强度，经历了较大塑性变形后发生破坏；HDC与钢筋发生具有延性的劈裂-拔出破坏；如图5(i)所示，钢筋肋间的HDC被磨平，说明HDC试件的黏结破坏是由于钢筋肋间HDC被剪断所致。普通混凝土试件发生脆性劈裂破坏，峰值荷载时，试件破坏并丧失承载能力，具有明显的脆性特征。

与基体试件相比，试件70P2-4、70V2-4和70E2-4的黏结强度分别提高了56.6%、118%和107.4%，且峰值荷载后具有残余黏结强度，说明纤维桥联作用可抑制试件的裂缝发展，提高其抗裂能力；纤维的掺入可提高带肋钢筋与HDC 的黏结性能。

文献[18]指出，抗压强度较低时，带肋钢筋与HDC的黏结强度稍低于普通混凝土；本文中，如图8所示，HDC试件(纤维种类为PVA)的黏结强度大于混凝土试件，黏结强度提高了24.8%，且试件具有残余黏结强度。当抗压强度较低(50MPa)时，由于HDC不含粗骨料，水泥石强度远低于骨料强度，致使HDC与带肋钢筋的机械咬合力小于普通混凝土，所以混凝土试件的黏结强度略大于HDC试件；抗压强度较高(70MPa)时，试件的黏结强度较高，对于普通混凝土而言，由于其脆性特点，钢筋与混凝土间发生较小滑移时，由于保护层劈裂而破坏，对于HDC试件而言，水泥石和粗骨料的强度差相对较小，HDC内部的纤维桥联作用提高了HDC的抗劈裂能力，使得钢筋与HDC间发生较大滑移时，钢筋肋与HDC 之间的机械咬合作用充分发挥，因此，HDC与带肋钢筋的黏结强度大于普通混凝土。

图8 HDC、基体、混凝土黏结性能对比Fig.8 Comparison of bond behavior of HDC,matrix and concrete

如图8所示，重复荷载下，HDC试件的黏结强度均大于基体和普通混凝土试件。与基体试件和混凝土试件相比，HDC试件的黏结强度分别提高了44.8%和10%；表6指出，基体试件、普通混凝土试件和HDC试件的黏结强度退化系数均大于1，说明重复荷载或单调荷载作用下，试件的黏结强度退化差别较小。

4 带肋钢筋与HDC黏结性能分析

4.1 黏结强度

文献[18]分析了钢筋直径、HDC强度、保护层厚度和纤维掺量对HDC与带肋钢筋黏结性能的影响，并结合试件的破坏形态以及黏结应力-滑移曲线的特征点，针对不同的破坏形态，通过试验数据回归，给出了黏结强度计算公式：

拔出破坏：

劈裂-拔出破坏：

式(2)适用于试件50V2-4；试件50V2-4 的计算值为15.65 MPa，试验值为15.52 MPa，式(3)是基于抗压强度为27-60MPa 的试验结果回归得到，HDC试件黏结强度小于同等抗压强度普通混凝土试件；本试验发生劈裂-拔出破坏的试件其立方体抗压强度变化范围为70MPa～80MPa，HDC试件黏结强度大于相同等级的普通混凝土试件，因此式(3)不适用于本次试验。

对于HDC强度较高、掺入PVA 纤维且试件发生劈裂拔出破坏的试件，采用保护层厚度c/d、HDC抗折强度，通过试验数据回归出黏结强度计算公式为：

表7列出了各个试件黏结强度的计算值和试验值，且计算值与试验值吻合较好。

表7 计算值与试验值的比较Table7 7Comparison between calculated and experimental values

4.2 黏结滑移本构模型

HDC与带肋钢筋的黏结滑移曲线可由上升段、下降段和残余段三部分组成。为便于分析，HDC与带肋钢筋的黏结滑移本构关系可采用以下三段式模型[23]：

对试验结果进行统计分析，可以回归得到上升段参数 α=0.15，相关系数 ρ =0.9856；则带肋钢筋与HDC黏结滑移本构关系为：

图9为HDC试件在单调荷载作用下模型曲线与试验曲线的对比，由图可得，模型曲线与试验曲线吻合较好。

图9 试验曲线与模型曲线的对比Fig.9 Comparison of experimental curvesand model curves

5 结论

通过20组试件的拔出试验，研究了单调与重复荷载作用下HDC抗压强度、纤维种类、纤维掺量和保护层厚度对带肋钢筋与HDC 的黏结性能的影响，得出了以下结论：

(1) HDC中的短纤维提高了带肋钢筋肋间HDC的抗剪强度，抑制了试件裂缝发展，提高了其黏结性能；抗压强度较高(70MPa)时，HDC试件的黏结强度大于普通混凝土的黏结强度。

(2)提高抗压强度和增加纤维掺量，黏结强度增幅分别为59.4%和118.4%，掺入PVA 纤维和PE 纤维较掺入PP纤维黏结强度提高均大于30.0%；黏结强度随相对保护层厚度增加而提高。

(3)重复荷载后，当试件相对保护层厚度为4时，相较于PP和PE 纤维，采用PVA 纤维可使(重复荷载作用后与单调荷载作用下黏结强度比值)大于1，分别提高了14.2%和7.4%。纤维种类和相对保护层厚度是试件黏结强度受否退化的关键因素。

(4)重复荷载后，当试件抗压强度为70MPa时，纤维体积掺量为2%可使(重复荷载作用后与单调荷载作用下残余黏结强度比值)大于1，相较于抗压强度50MPa 和纤维体积掺量为1%，分别提高了8.4%和30.3%。抗压强度和纤维掺量提高对试件残余黏结强度的退化抑制作用明显。

(5)建立了单调荷载作用下带肋钢筋与HDC的黏结强度计算公式及黏结-滑移本构模型，并且与试验结果吻合较好。