鋼纖維輕骨料混凝土與光面鋼筋粘結性能試驗研究

李鳳蘭，于亞男，余可飛，陳建清

（1.華北水利水電大學土木與交通學院，河南鄭州 450011；2.鄭州禹建鋼纖維有限公司，河南鄭州 450000）

鋼纖維輕骨料混凝土與光面鋼筋粘結性能試驗研究

李鳳蘭1，于亞男1，余可飛1，陳建清2

（1.華北水利水電大學土木與交通學院，河南鄭州 450011；2.鄭州禹建鋼纖維有限公司，河南鄭州 450000）

通過混凝土試件中心拉拔試驗，研究了混凝土強度（LC35～LC45）、鋼纖維體積率（0～1.2%）、粗骨料強度（筒壓強度不同的陶粒）、細骨料類型（輕質陶砂和機制砂）對鋼纖維輕骨料混凝土與光面鋼筋粘結性能的影響．結果表明：所有試件均發生拔出破壞，鋼纖維輕骨料混凝土與光面鋼筋具有良好的粘結性能，鋼纖維全輕混凝土的粘結強度和對應特征滑移量大于鋼纖維機制砂輕骨料混凝土，鋼纖維摻量和粗骨料強度對鋼纖維全輕混凝土與光面鋼筋的粘粘結性能影響較小．經過對實測曲線的統計分析，提出了粘結—滑移計算公式．

鋼纖維輕骨料混凝土；光面鋼筋；粘結性能；陶粒；粘結—滑移關系

鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋的粘結錨固體現了兩者之間的共同作用能力[1-2]．鑒于目前缺乏鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋粘結性能的研究成果[3-4]，本課題組進行了相關的試驗研究工作[5]．本文介紹其中鋼纖維輕骨料混凝土與光面鋼筋的粘結性能，進一步深入了解鋼纖維輕骨料混凝土的材料組成變化對光面鋼筋與混凝土界面粘結性能的影響．

1 試驗概況

采用42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用頁巖陶粒，按最大緊密堆積密度由粒級2～5mm、5～10mm、10～16mm、16～20mm混合；細骨料采用陶砂和機制砂；物理力學性能指標見表1～表4．采用聚羧酸系高性能減水劑，實測減水率為25%．選用鄭州禹建鋼纖維有限公司的銑削型鋼纖維，長30mm、等效直徑0.8mm、長徑比37.5．選用HPB235級鋼筋，直徑16mm，實測屈服強度303MPa，極限抗拉強度419MPa．

表1 水泥物理力學性能Tab.1 Physicalandmechanicalpropertiesof cement

表2 陶粒物理力學性能Tab.2 Physicalandmechanical propertiesof ceram site

表3 陶砂物理性能Tab.3 Physical propertiesof lightw eightsand

表4 機制砂物理性能Tab.4 Physical propertiesofmachine-made sand

混凝土配合比見表5，水灰比0.35、0.30和0.25分別對應混凝土強度等級LC35、LC40和LC45．除編號SLC的粗骨料為筒壓強度6.2 MPa陶粒外，其他均為筒壓強度5.0 MPa陶粒；除編號JLC的細骨料為機制砂外，其他均為陶砂．

表5 混凝土配合比kg/m3Tab.5 M ix proportion of concrete

制作中心拉拔試件，將鋼筋與混凝土的粘結段（長度80mm）置于混凝土試件中部、兩端敷設PVC套管（長度35 mm）并用石蠟密封端口，試件垂直于鋼筋的橫截面尺寸為150 mm×150 mm．伴隨制作邊長為150mm的混凝土立方體試塊測試混凝土抗壓和劈裂抗拉強度．試件標準養護28 d后進行拉拔試驗．分別在鋼筋自由端和加載端安裝位移計測試鋼筋和混凝土的相對位移，鋼筋承受的拉力通過荷載傳感器采集．在加載過程中，采用全自動數據采集系統記錄拉力和位移．

2 試驗結果分析

2.1粘結-滑移曲線

試件破壞形式均為鋼筋拔出，部分試件伴有表面裂縫出現，粘結—滑移曲線見圖1，粘結強度（u）及相應加載端和自由端滑移量（st、sf）見表6．根據光面鋼筋與混凝土的粘結機理[1]，鋼筋未滑動時粘結性能取決于化學膠著力，滑動后取決于界面摩擦力與機械咬合力．

在荷載初期，加載端鋼筋與混凝土發生相對滑移；極限荷載前，荷載隨滑移量的增加近似線性增加；隨荷載增加，粘結應力由加載端向自由端傳遞，應力峰值隨之內移，直至膠著力完全失效，粘結力由界面摩擦力和機械咬合力共同承擔，粘結滑移曲線也逐漸呈現出非線形特征；達到極限荷載附近時，滑移量增大，荷載變化較小；極限荷載后，荷載隨滑移量的增加逐漸降低．由于這種應力的傳遞關系，自由端的滑移量小于加載端的滑移量．加載至極限荷載時，自由端的滑移量與加載端滑移量突然變大，差值減小或保持不變．

表6 混凝土強度、粘結強度和滑移量實測值Tab.6 Testvaluesof concrete strength,bond strength and slip at tension and free ends

鋼纖維體積率0.8%時，隨混凝土強度的提高，對鋼筋的握裹能力越強，鋼筋周圍的混凝土越難發生劈裂現象，鋼筋與混凝土的粘結強度也隨之提高（圖1a））．水灰比相同時，鋼纖維全輕混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均隨鋼纖維摻量的增加而增大，粘結強度則未有明顯變化規律（圖1b））．這說明光面鋼筋從混凝土中拔出過程中，鋼筋與混凝土的界面較少產生裂縫，鋼纖維的阻裂作用得不到發揮，而硬化砂漿基體的各項性能沒有變化，因此粘結強度也沒有明顯變化．

圖1 試件的粘結—滑移曲線Fig.1 Bond-slip curveof testspecimens

水灰比0.30、鋼纖維體積率0.8%時，與鋼纖維全輕混凝土比較，鋼纖維機制砂輕混凝土的抗壓強度高出27.5%，劈裂抗拉強度基本相等，而粘結強度則低約26%，粘結滑移曲線形狀不豐潤，粘結強度對應滑移量特征值為0.25 mm（明顯小于鋼纖維全輕混凝土的0.39 mm），加載端和自由端滑移量的差值明顯偏大（圖1c））．原因是由于陶砂砂漿與陶粒的彈性模量相近，二者能夠實現同步變形；而機制砂砂漿的彈性模量大于陶粒，不能較好的實現同步變形，使粗細骨料界面產生微裂縫，減小了混凝土對鋼筋的握裹力，導致鋼纖維機制砂輕混凝土的極限粘結強度變小、相應的極限滑移量特征值也變小．

水灰比0.30、鋼纖維體積率0.8%、不同筒壓強度陶粒制作的混凝土，SLC0.30-0.8組抗壓強度和劈裂抗拉強度比LC0.3-0.8組分別高出26%和24%，而粘結強度變化不大，分別為5.59MPa和5.73MPa，粘結滑移曲線形狀相近．與鋼筋和普通混凝土的粘結性能隨抗拉強度的提高而提高有所不同[6]，原因在于鋼纖維全輕混凝土受壓破壞和劈裂受拉破壞與光面鋼筋粘結破壞的機理是不同的：受壓和劈裂破壞均是由粗骨料破壞引起，粗骨料強度對混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度均有明顯影響；粘結性能的主要影響因素是砂漿強度．因此盡管兩組試件粗骨料強度不同，但二者的水灰比和細骨料相同、砂漿強度相近，粘結強度差別不大．

2.2 粘結-滑移關系計算模型

結合上述試驗結果，提出鋼纖維輕骨料混凝土與光面鋼筋的粘結-滑移關系表達式為：

式中x=s/su，為滑移量與極限滑移量的比值．

按照上述表達式，繪制相應的滑移量與極限滑移量比值s/su-粘結應力與粘結強度比值/u關系曲線，如圖2和圖3中的實線所示，關系式中混凝土抗拉強度取實測平均值：對應鋼纖維體積率f=0、0.4%、0.8%和1.2%，u取值分別為2.29 ft、1.81 ft、1.85 ft和1.45 ft，su分別為0.042 5 d、0.023 8 d、0.020 0 d和0.020 6 d；對應混凝土強度等級LC35、LC40和LC45，u分別取值2.11 ft、1.85 ft和1.83 ft，su分別取為0.039 4 d、0.020 0 d和0.023 1 d．

圖2 粘結-滑移曲線實測與計算結果比較（不同鋼纖維摻量）Fig.2 Testand calculation comparison of bond-slip curve in different fraction ofsteel fiberby volume

圖3 粘結-滑移關系實測與計算結果比較（不同混凝土強度）Fig.3 Testand calculation comparison ofbond-slip curve in differentstrength of concrete

3 結論

本次試驗的所有試件均發生拔出破壞．纖維體積率對鋼纖維全輕混凝土與光面鋼筋的粘結性能沒有顯著影響．鋼纖維機制砂輕混凝土與光面鋼筋的粘結強度和對應特征滑移量均低于鋼纖維全輕混凝土．粗骨料強度對鋼纖維全輕骨料混凝土抗壓和劈裂抗拉強度影響較大，對粘結強度影響較小．根據實測曲線取得了各組試件的粘結強度和滑移量特征值．通過統計分析，提出了鋼纖維輕骨料混凝土與光面鋼筋的粘結-滑移關系表達式．

[1]趙順波．混凝土結構設計原理[M]．第2版．上海：同濟大學出版社，2013．

[2]趙順波，杜中華，石風俊，等．鋼纖維輕骨料混凝土疊澆雙向板抗沖切試驗研究[J]．混凝土，2013（8）：123-126．

[3]李渝軍，葉列平，程志軍，等．高強陶粒混凝土與變形鋼筋粘結錨固強度的試驗研究[J]．建筑科學，2006，22（4）：51-55．

[4]王衛玉．陶粒混凝土與鋼筋粘結錨固性能的試驗研究[D]．南寧：廣西大學，2005．

[5]余可飛．鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋粘結性能試驗研究[D]．鄭州：華北水利水電大學，2014．

[6]趙順波，丁新新，李長永．Bond-slip relation of p lain steelbar in concretew ithmachine-made sand[J]．Applied Mechanicsand M aterials，2012，238：142-146．

[責任編輯 楊屹]

Experimentalstudy on bond propertiesof plain steel-barw ith SFRLAC

LIFeng-lan1，YU Ya-nan1，YU Ke-fei1，CHEN Jian-qing2

(1.Schoolof CivilEngineeringand Communication,North China University ofWaterResourcesand Electric Power,Henan Zhengzhou 450011,China;2.Zhengzhou Yujian Steel Fiber Co Ltd,Henan Zhengzhou 450000,China)

Based on the central-pullout testsofplain steel-bar in specimensof steel fiber reinforced lightweightaggregate concrete(SFRLAC),the effects of concrete strength varying from LC35 to LC45,fraction of steel fiber by volume changing from zero to 1.2%,coarse aggregate of ceramsite in different cy linder com pressive strength and fine aggregate in different type of lightweight sand and machine-made sand on the bond propertiesof plain steel-barw ith SFRLAC are investigated.The results show that all specimens damaged from pullout of plain steel-barw ith good bond properties to SFRLAC,the bond strength and related characteristic slip of SFRLAC w ith lightweight sand are larger than those of SFRLAC w ithmachine-made sand,the fraction of steel fiber by volume and the strength of coarse aggregate have little influenceon thebond strengthofplain steel-bar to SFRLACwith lightweightsand.With thestatisticalanalyseson the test curves,the formulasare proposed for the calculation of bond-slip relationship.

steel fiberreinforced lightweightaggregateconcrete(SFRLAC);plain steel-bar;bond property;ceramsite; bond-slip relationship.

TU 528；TV332

A

1007-2373(2014)06-0093-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.024

2014-06-21

河南省高校生態建筑材料與結構工程科技創新團隊（13IRTSHN002）；河南省新型城鎮建筑技術協同創新中心（教科技[2013] 638號）

李鳳蘭（1964-），女（漢族），教授．Email：lifl64@ncwu.edu.cn．