PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋粘結性能研究*

劉曙光, 鄧軼涵, 張　菊, 王玉清, 成　芳

(1. 內蒙古工業大學 礦業學院, 呼和浩特 010051; 2. 內蒙古工業大學 土木工程學院, 呼和浩特 010051;

3. 赤峰學院，內蒙古 赤峰 024000)

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PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋粘結性能研究*

劉曙光1, 鄧軼涵2, 張菊1, 王玉清2, 成芳3

(1. 內蒙古工業大學 礦業學院, 呼和浩特 010051; 2. 內蒙古工業大學 土木工程學院, 呼和浩特 010051;

3. 赤峰學院，內蒙古 赤峰 024000)

摘要：PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋之間的粘結性能，是二者安全、穩定、耐久工作的前提和保證。通過中心拉拔實驗，探討了PVA纖維水泥基復合材料和鋼筋粘結滑移研究中影響因素及本構關系問題，測試得到了粘結滑移曲線，通過對加載到破壞全過程的受力分析及基材中纖維的特性分析，在已有模型的基礎上，根據振動阻尼的理論提出一種新的粘結-滑移本構關系模型。并與實驗結果和已有模型比較。新構建的粘結-滑移本構關系能較好地反映PVA纖維水泥基復合材料和鋼筋的受力全過程，與實驗結果比較吻合。可為PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋性能的非線性有限元法分析提供參考和依據；為有關規程的修訂提供了依據。

關鍵詞：PVA纖維；水泥基復合材料；鋼筋；粘結性能；本構關系模型

1引言

聚乙烯醇纖維水泥基復合材料(polyvinyl alcohol fibers reinforced cementitious composite，簡稱PVA纖維水泥基復合材料)具有抗拉強度高、拉應變大、高斷裂阻力、和易性良好以及耐久性好的特點[1]。在拉伸加載條件下，PVA纖維水泥基復合材料表現出少脆性或者說準韌性行為，同時表現出多裂縫的應變硬化狀態，并且在破壞之前吸收較大的能量[2]。正是因為它具有緩解裂縫-破壞的優勢，使這種材料能成功的應用到加固及修復領域，如日本三鷹大壩修復工程、美國橋面鋪裝改造工程、韓國水泥廠修復工程[3]。因此，PVA纖維水泥基復合材料以良好的性能和價格優勢得到了國內外學術界和工程界的關注。

近些年，對PVA纖維水泥基復合材料的性能研究較為集中，?avdar[4]對纖維增強水泥基復合材料在不同溫度下(21，100，450 和650 ℃)的力學性能進行了分析，得出摻入纖維可提高材料高溫力學性能，其中，摻入PVA 纖維的試件抗彎性能最好。闞黎黎[5]等對PVA-ECC的自愈合行為進行了研究，得出不同程度預加拉伸應變產生裂縫后，ECC試件的殘余應變約等于預加應變的50%左右。即使是在高達2.0%拉伸應變破壞下，ECC材料裂縫的最大寬度仍維持在80 μm以下。李俊[6]等利用PVA纖維作為增強材料配置出了極限拉伸應變高于3%的SHCC，得出隨著粉煤灰摻量的增加，SHCC極限拉伸應變有稍許削弱；自燃養護有利于SHCC拉伸應變的維持。張菊[7]等分析了氯鹽環境對PVA纖維水泥基復合材料的抗凍性能影響，得出了相比淡水環境，氯鹽環境中凍融循環后PVA-ECC 試件表層剝落嚴重，PVA 纖維明顯外露，試件形狀和尺寸完整程度較差，抗凍性顯著下降。劉曙光、趙曉明[8]等分析了聚乙烯醇纖維增強水泥基復合材料在長期浸泡作用下抗硫酸鹽的侵蝕性能，得出PVA纖維的摻入使PVA 纖維增強水泥復合材料在硫酸鈉溶液中的侵蝕速度隨之減緩，但纖維摻量有一個最佳摻量。

目前，對基體自身的各種力學性能已有大量的研究，但與鋼筋共同工作的粘結性能及本構關系尚不清楚。本文利用中心拉拔試件系統的研究了纖維體積摻量、錨固長度和相對保護層厚度等因素對粘結性能的影響，在對已有的τ-s本構關系模型進行分析的基礎上，根據振動阻尼理論重新定義了連續曲線模型[9]的殘余段。為PVA纖維增強水泥基和鋼筋的粘結滑移理論的完善提供了實驗基礎。

2實驗概況

2.1試件設計

本實驗PVA纖維體積摻量為0%，0.5%和1.0%試件的水膠比為0.26，而纖維體積摻量為2.0%試件的水膠比為0.28。采用內蒙古冀東水泥有限公司生產的42.5級水泥，Ⅰ級粉煤灰為內蒙古達旗建材公司生產，細骨料為70～140目選優質石英砂，增稠劑是山東生化公司生產，型號為MK-100000S。高效減水劑采用大連西卡建材公司生產高效減水劑。高效消泡劑為北京金亮博科技有限公司生產的JXPT-1206。PVA纖維采用了日本Kuraray公司生產的K-Ⅱ可樂綸，特性如表1所示。選用包頭鋼鐵有限責任公司生產的HRB400級變形鋼筋。

表1　PVA纖維特性

結構中鋼筋和基材的粘結作用是局部應力狀態，應力和應變分布復雜，而且影響因素眾多，很難準確模擬。由于普通混凝土與鋼筋的粘結性能的研究較為成熟，針對PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋的粘結性能問題，本實驗直接采用普通混凝土與鋼筋粘結性能的實驗方法。

實驗試件形式為國內外普遍采用的中心拉拔試件。采用150 mm×150 mm×150 mm的標準試件；鋼筋總長度為400 mm，拉拔端長度為200 mm，自由端長度為50 mm。各試件詳細參數如表2所示。

表2　試件設計

注：試件命名規則為：F纖維體積摻量-鋼筋直徑-錨固長度。如F1-16-50表示纖維體積摻量為1%、鋼筋直徑16 mm，試件內部錨固長度50 mm。

試件制作過程中，為了避免試件在受力過程中出現應力集中與實際結構中鋼筋的應力狀態差別大，影響實驗結果的真實性，同時也為了消除端部效應，在鋼筋兩端一定長度內用PVC套管將二者隔離。此外，夾具上端設有穿心球鉸以避免鋼筋偏斜引起的撕裂和偏心受拉，如圖1所示。

2.2加載與測試

如圖2所示，本實驗特別制作加載裝置，以便放置試件并提供反力、安裝拉壓力傳感器；在鋼筋的自由端和加載端各安裝兩個位移傳感器，用于量測加載端和自由端鋼筋相對于PVA纖維增強水泥基的滑移。實驗使用100 t萬能實驗機采用等速位移控制，加載速率1 mm/min。各試件加載結束的標志為鋼筋拔出或基體開裂。

圖1　試件詳圖

圖2　加載架示意圖

本文中，CD段鋼筋受拉拔荷載作用產生非滑移變形(因為CD段鋼筋長度相對較長)，在加載端滑移計算時應該減去加載端lCD段的非滑移變形，具體計算公式如下：

加載端C點的滑移量

(1)

平均滑移量

(2)

鋼筋的平均粘結應力為

(3)

3實驗結果及參數影響分析

3.1PVA纖維體積摻量對粘結性能的影響

如圖3所示，直徑為16 mm，錨固長度為50 mm的試件，不同PVA纖維體積摻量的平均粘結應力-滑移量關系曲線。

圖3纖維體積摻量對平均粘結應力和峰值粘結應力的影響

Fig 3 Influence of fiber volume percent on average bond stress and ultimate bond strength

從圖3所示曲線可以看出，隨著PVA纖維體積摻量的提高，峰值粘結應力逐漸增大。纖維體積摻量為1%和2%時的峰值粘結應力相差不大，約為纖維體積摻量為0時的3～4倍。這是因為纖維與水泥基體共同受力時，纖維的橋接作用不僅使PVA纖維水泥基復合材料整體的傳力性能并沒有因微細裂紋的形成而被顯著削弱，而且還增加了水泥基復合材料與鋼筋相對滑動的阻力。纖維體積摻量越大，被削弱的程度越小，阻力越大，峰值粘結應力越大。

不同纖維體積摻量的試件在初始滑移段，滑移量與平均粘結應力的關系均接近90°直線，隨著纖維體積摻量的增加，達到峰值粘結應力的速度越快，對應的滑移量越小，超過峰值粘結應力時，下降速度越快。但纖維體積摻量為2%的試件在達到峰值粘結應力時維持的時間較長，下降段較其它曲線平緩，殘余粘結應力較高。

綜合看來，PVA纖維體積摻量為2%時，粘結性能較好。這是因為PVA纖維水泥基復合材料中亂向分布的纖維對基體產生均勻的短筋骨架的作用，增強基體的整體性；此外，當纖維含量較高時，PVA纖維水泥基復合材料可大量吸收和耗散由剪切粘結應力在鋼筋滑移過程中做功所產生的能量，使拔出過程連續平緩，表現出較好的延性特征。

3.2錨固長度對粘結性能的影響

如圖4所示，在纖維體積摻量、鋼筋直徑、保護層厚度相同的條件下，隨著錨固長度的增加，平均粘結應力減小。這是因為粘結應力沿錨固長度的分布是不均勻的，錨固長度越長，試件破壞時的平均粘結應力τ與實際最大粘結應力τmax的比值越小，高應力區相對較窄，導致平均粘結應力較低。錨固長度較短時，錨固區鋼筋積累了抵抗拉力所需的強度，高應力區相對較寬，平均粘結應力相對較高[10]。實驗表明，鋼筋的錨固長度由L=50 mm增加到L=100 mm時，峰值粘結應力下降43.7%。

圖4　錨固長度對平均粘結應力的影響

Fig 4 Influence of anchorage length on average bond stress

3.3相對保護層厚度對粘結性能的影響

相對保護層厚度對峰值粘結應力和破壞形態的影響如表3所示，在相對保護層厚度由3.25提高到4.19時，峰值粘結應力有顯著提升，破壞形態也由剪切-劈裂破壞變為剪切破壞。

表3相對保護層厚度對峰值粘結應力和破壞形態的影響

Table 3 Influence of relative protective thickness on the ultimate bond strength and failure pattern

試件編號相對保護層厚度c/d峰值粘結應力/MPa破壞形態F1-12-1005.7515.08剪切F1-16-1004.1920.36剪切F1-20-1003.259.60剪切-劈裂

相對保護層厚度由4.29增加到5.7時峰值粘結應力下降，對破壞形態影響不大。根據鋼筋混凝土粘結理論[11]，對于螺紋鋼，當相對保護層厚度c/d(保護層厚度與鋼筋直徑之比)>5～6時，粘結應力不再增大。參考鋼筋混凝土粘結理論可推斷，鋼筋與PVA纖維水泥基復合材料的粘結也存在一個臨界相對保護層厚度(c/d)cr，在4.2到5.75之間，小于(c/d)cr時，峰值粘結應力隨保護層厚度的增大而增大，相對保護層厚度超過(c/d)cr峰值粘結應力不再增長。

如圖5所示，在變形鋼筋表面，PVA纖維水泥基復合材料基體像齒狀一樣嵌入變形鋼筋的橫肋，鋼筋對基體產生斜向的擠壓力， 斜向擠壓力的徑向分力對外圍基體產生環向拉應力，猶如一個承受內壓力的管壁。當環向應力大于基體的抗拉強度時，產生徑向裂縫，如果c/d較小，即基體的有效握裹層[12]較小，裂縫迅速發展至試件表面形成劈裂裂縫，基體對鋼筋的約束作用突然降低，峰值粘結應力下降，如圖5(a)所示。如果c/d較大時，保護層的握裹作用得到充分發揮，將延緩內部裂縫的開展速度，提高外圍基體的抗裂能力，最終使肋與肋之間齒狀的PVA纖維水泥基復合材料部分將被壓碎或剪斷，使鋼筋帶著橫肋之間的材料沿橫肋外徑圓柱面發生剪切滑動，直至破壞形成刮犁式破壞，如圖5(c)所示。圖5(b)為劈裂試件內部鋼筋橫肋在拔出過程中對周邊水泥基產生的刮痕，即發生的是剪切-劈裂破壞。

圖5破壞形態

Fig 5 Failure mode

4粘結滑移本構關系

4.1受力過程分析

實驗所得PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋的典型τ-s曲線如圖6所示。根據τ-s實驗曲線可以把PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋的受力過程歸納為3個階段：上升段、下降段和殘余段。

圖6　PVA纖維水泥基復合材料典型的τ-s關系曲線

Fig 6 Typical bond stress-slip curve of PVA fibers reinforced cementitious composite

(1) 上升段(OA)。從加載開始到鋼筋加載端開始滑移的階段(在峰值粘結應力的60%左右)，加載端滑移很小，自由端尚未開始滑移，幾乎為零，滑移量與平均粘結應力的關系接近90°直線，可以認為，在這一階段鋼筋與PVA纖維水泥基復合材料之間處于完全粘結狀態，粘結界面剛剛開始受剪，此階段主要由化學膠著力抵抗因加載產生的滑移變形。隨著荷載的增加，平均粘結應力不斷增大，當達到峰值粘結應力的60%以后，首先在加載端出現局部脫粘現象，逐漸由加載端沿鋼筋與PVA纖維水泥基復合材料的粘結界面向縱向深處發展，平均粘結應力和滑移量均隨荷載增加。平均粘結應力與荷載成正比，滑移量增加的速度加快，粘結-滑移表現為非線性關系。

(2) 下降段(AB)。荷載達到峰值后，加載端和自由端的滑移值均大幅增加，機械咬合力開始逐漸喪失，荷載下降，鋼筋開始從加載端拔出。纖維體積摻量低的某些試塊發生劈裂現象，荷載突然下降，破壞突然，脆性大；纖維體積摻量高的試塊，荷載下降較慢且相對平緩，鋼筋拔出的速度緩慢，表現出良好的粘結性能。

(3) 殘余段(BC)。當荷載下降到一定程度時，滑移量大幅增加，平均粘結應力并沒有完全消失，而是進入殘余階段。平均粘結應力主要由鋼筋表面與PVA纖維水泥基復合材料之間的摩阻力組成。由于變形鋼筋肋的存在，使摩擦力在相鄰肋之間少許增加又下降，連續起來就形成周期性衰減。對于纖維體積摻量較低的試塊，平均粘結應力在相鄰肋之間增加又下降的過程比較突然，殘余段曲線呈鋸齒形；而對于纖維體積摻量較高的試塊，平均粘結應力在一個變形肋之間增加又下降的過程比較平緩，殘余段曲線呈波浪形。

4.2粘結滑移本構關系模型

由 PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋在粘結-滑移中的受力過程分析可得，已有τ-s本構模型基本上是混凝土基體，但由于PVA纖維水泥基復合材料與混凝土存在著區別，因此現有的混凝土與鋼筋粘結滑移本構關系的研究成果，已不適用于PVA纖維水泥基復合材料。在原有連續曲線模型[9]的基礎上，根據振動阻尼的理論重新定義了殘余段。得到了能描述粘結-滑移的全過程、形式比較簡單、連續光滑的粘結滑移本構關系模型。如圖7所示。

圖7PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋τ-s本構關系模型

Fig 7 Bond-slip constitutive model of PVA reinforced cementitious composite

該模型存在3個關鍵點O、A和B處滿足以下條件

PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋粘結滑移本構關系模型的表達式為

(4)

(5)

(6)

式中，s0，su分別為圖7中A點，B點對應的滑移量，τ0，τu分別為s0，su對應的粘結應力。ω，c1，c2為由實驗曲線擬合確定的參數。

4.3模型驗證與對比分析

4.3.1模型驗證

(4)-(6)中即可得到相應試件的τ-s理論曲線。如圖8所示，τ-s實驗曲線與本文建議模型比較吻合，所以式(4)-(6)表示的粘結滑移本構關系模型與實驗數據比較吻合，能夠較好地描述 PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋在拉拔中的受力全過程。

表4　特征值及參數擬合值

圖8τ-s實驗曲線與模型曲線比較

Fig 8 Comparison betweenτ-stest curves and model curves

4.3.2對比分析

為了驗證本文模型的合理性以及進一步分析粘結滑移的一些基本特性，選擇修正BEP 模型[13]、Zhang 模型[14]進行比較。如圖9所示。由圖9上升段、下降段分析可知，本文建議模型與實驗曲線比較吻合，BEP模型、Zhang模型與實驗曲線偏差較大，精確程度較低。由圖9殘余段分析可知，本文建議模型與實驗曲線吻合良好，能準確的描述PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋的殘余段受力機理，BEP 模型、Zhang模型認為其是水平直線，與實驗曲線不吻合程度較高。

圖9建議τ-s模型與已有模型比較

Fig 9 Comparison between proposedτ-smodel and existed models

多數已有模型均將上升段中滑移量微小段描述成斜率無窮大的直線，這與本實驗曲線比較吻合，可見PVA纖維水泥基復合材料與混凝土基體的微小滑移段的粘結機理相似，認為PVA纖維水泥基復合材料和鋼筋二者處于完全粘結狀態。

5結論

考慮纖維體積摻量、相對保護層厚度及錨固長度等因素，對PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋的粘結-滑移性能進行實驗研究，可以得到以下主要結論：

(1)纖維體積摻量越大，峰值粘結應力越大。相同條件下纖維體積摻量為2%時，粘結性能最好，峰值粘結應力最大。

(2)存在一個臨界相對保護層厚度(c/d)cr，小于(c/d)cr時，極限粘結強度隨保護層厚度的增大而提高，大于等于(c/d)cr時，極限粘結強度將不再增長。

(3)PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋的粘結-滑移曲線大致可分為上升段、下降段和殘余段。在殘余段內粘結強度并非恒定不變，而是呈現衰減過程，且隨滑移的增大平均粘結應力無限接近零。

(4)本文建議的粘結-滑移本構關系模型與實驗結果比較吻合，分析表明有較好的適用性，可為PVA纖維水泥基復合材料與鋼筋結構的性能分析、設計理論及工程應用提供理論依據。

由于實驗試件有限，沒有考慮位置函數對粘結-滑移本構關系的影響，還有待進一步研究。

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Research on bond behavior between PVA fiber reinforced cementitious composites and rebar

LIU Shuguang1, DENG Yihan2, ZHANG Ju1, WANG Yuqing2, CHENG Fang3

(1. School of Mining and Technology, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051,China;2. School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051,China;3. Chifeng University, Chifeng 024000, China)

Abstract:The bond behavior between PVA fiber reinforced cementitious composites and rebar is precondition and guarantee for the safe, stable and durable work. By centre pull-out test, these specimen were tested to investigate the influencing factors and the constitutive relation problems in the bond-slip study between PVA fiber reinforced cementitious composites and rebar, and the bond-slip curves were obtained for each specimen. By stress analysis of the whole process from loading to failure and characteristics analysis of fiber in elementary materials. Based on the existing bond-slip constitutive models, one new bond-slip constitutive model was proposed according to the theory of vibration damping. The newly built bond-slip constitutive model was compared with the test results and existing bond-slip models. It can well reflect the whole mechanical process between PVA fiber reinforced cementitious composites and rebar, which is well in agreement with the test results. These tests and experiments which not only provide a good reference and basis for non-linear finite element analysis of PVA fiber reinforced cementitious composites and rebar property, but also have provided the bases for respective revision of relevant codes.

Key words:PVA fiber；cementitious composites；steel；bond behavior；constitutive model

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.023

文獻標識碼：A

中圖分類號：TU528.01

作者簡介：劉曙光(1960-)，男(蒙古族)，內蒙古赤峰人，教授，碩士，主要從事纖維混凝土基本理論與研究 。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51168033，51368041)；內蒙古自然科學基金資助項目(2012MS0706，2013MS0709)；內蒙古自治區高等學校科學研究資助項目(NJZY13104)

文章編號：1001-9731(2016)01-01110-07

收到初稿日期：2015-02-08 收到修改稿日期：2015-09-13 通訊作者：張菊，E-mail: ycw970741@126.com