鋼筋與超高性能混凝土粘結錨固試驗研究

王瑞龍，馬 骉

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

超高性能混凝土（UH PC）作為一種新型材料，由水泥、硅灰、石英粉、硅砂、細鋼纖維等材料加水拌合而成[1]。由于其細小顆粒混合料具有高均勻性與高致密性、細鋼纖維空間橋接可彌合微裂紋，故UH PC的抗壓強度可達到150 M Pa，抗拉強度可達到10 M Pa，防腐性能和耐久性能可達到普通混凝土的數十倍[2]。

目前，UH PC在橋梁預制拼裝的接縫區域有著很大的應用前景。由于其與鋼筋的握裹力強，可簡化接縫區域的鋼筋連接方式（采用搭接，無需焊接或綁扎），大幅減少現場作業量、縮短養護時間。因此，為保證鋼筋在UH PC接縫中具有足夠的錨固長度，需明確鋼筋與UH PC之間的粘結強度。

上世紀90年代以來，國內外許多學者針對普通強度鋼筋和混凝土做了大量的粘結錨固試驗，得到了一系列成果。Kheder[3]對鋼筋與普通混凝土和粘結性能進行了試驗研究。結果表明，鋼筋與混凝土之間的粘結強度隨混凝土的抗壓強度及保護層厚度的增大而增大，隨鋼筋直徑的增大而減小。

隨著鋼筋和混凝土強度的發展，近年來，粘結錨固試驗逐漸聚焦到高強和高性能混凝土。謝劍等[4]對高強鋼筋和高強混凝土的粘結性能進行了拔出試驗。結果表明，兩者之間的粘結錨固性能與普通強度鋼筋混凝土類似，但破壞時延性較差。

國內外諸多研究者均開展了關于鋼筋與纖維混凝土間黏結性能的試驗研究，探討纖維摻入對混凝土與變形鋼筋間黏結強度的影響規律。安明喆等[5]對不同直徑和不同埋長的普通熱軋變形鋼筋與活性粉末混凝土的粘結性能進行了鋼筋拔出試驗，結果表明活性粉末混凝土與鋼筋的極限粘結應力隨著鋼筋直徑的增加而下降,鋼筋直徑相同時隨著錨固長度的增加而降低。牛建剛等[6]對塑鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋間粘結性能進行了鋼筋拔出試驗，得到了塑鋼纖維輕骨料混凝土鋼筋錨固長度。徐禮華[7]等對鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土與鋼筋黏結強度進行了試驗研究，結果表明，混雜纖維的摻入對混凝土與鋼筋間的黏結強度存在正混雜效應，其中鋼纖維對黏結強度的提高作用更為明顯。

綜上，目前關于鋼筋與普通混凝土、高強混凝土、纖維混凝土的粘結強度均有了一定的試驗研究，但UH PC作為新一代混凝土材料，其與鋼筋的共同工作性能如何還不明確，且無規范可循。

因此，通過對UH PC與鋼筋的粘結性能進行試驗研究，得到UH PC材料、鋼筋直徑、鋼筋粘結長度等因素對粘結性能的破壞規律，從而為鋼筋在UH PC中的錨固長度提供可靠的試驗依據，為UH PC在預制拼裝橋梁接縫處的應用提供設計建議。

1 試驗方案設計

1.1 試件設計

該試驗采用無橫向鋼筋的中心拔出試件，研究鋼筋與UH PC之間的粘結性能。釆用單端拉拔的立方體中心拔出試件，試件平面尺寸為150 m m×150 m m，高度根據粘結長度進行調整，鋼筋采用普通熱軋變形鋼筋H RB400。粘結區設置于試件中心，非粘結區（加載端及自由端）的鋼筋用塑料套管套住，使其與周圍UH PC隔離，形成一段無粘結區域，避免試件加載端混凝土受到局部擠壓，與實際結構中鋼筋的應力狀態差別大，影響試驗結果的準確性。無粘結區加載端一段控制長度為35 m m，自由端一段長度根據需要調整。加載端鋼筋伸出試件240 m m，自由端鋼筋伸出試件30 m m。試件示意圖見圖1所示。

1.2 試件參數分組

橋梁預制拼裝接縫分為上部結構接縫和下部結構接縫。根據接縫區域的受力不同，所用的UH PC材料及鋼筋直徑有所區別，見表1所列。其中，試驗所用UH PC為上海某廠家提供的材料。

根據實際采用的接縫材料，粘結錨固試驗分為8組，每組9個試件（粘結長度為4 d、5 d、6 d，每種各3個），共計72個試件。分別研究了UH PC材料、錨固長度、鋼筋直徑對粘結錨固強度的影響，試驗參數見表2所列。

表2 試件參數表

1.3 試件加載

試件在標準養護室內進行標準養護（溫度20±3℃，相對濕度90%以上），在試件齡期為28d時進行試驗。該項試驗利用液壓伺服萬能試驗機進行加載。采用力控制與位移控制的混合加載模式：（1）力加載：加載速率為6 M Pa/s，從0到350 M Pa；（2）位移加載：加載速率為1.8 m m/m i n，自由端的滑移值達到8 m m或鋼筋拉斷時，停止試驗。

在加載過程中，用位移計量測鋼筋自由端的滑移，并采用數據采集系統采集數據。

加載之實景如圖2所示。

圖2 加載實景

2 試驗現象

試驗前期，加載端滑移隨著位移荷載的增加而增加，自由端基本沒有滑移。隨著位移的繼續增加，自由端出現微小滑移。之后鋼筋屈服，力和自由端的滑移值都基本不增加，加載端的滑移由于鋼筋的伸長加快增長，最終發生破壞。根據試驗參數的不同，試件發生鋼筋拉斷破壞或鋼筋拔出破壞，試件均未發生UH PC的劈裂破壞，說明鋼纖維的存在能大大提高UH PC的抗拉性能和整體性。

2.1 鋼筋拉斷破壞

鋼筋直徑12 m m、16 m m、20 m m在錨固長度為4 d、5 d、6 d，鋼筋直徑25 m m在錨固長度為5 d、6 d時，均發生鋼筋拉斷破壞。自由端雖有微量滑移，但未繼續發展，說明鋼筋與UH PC之間粘結強度較高，鋼筋達到極限抗拉強度時，還未發生與UH PC之間的粘結破壞，即粘結長度滿足錨固長度的要求。破壞結果見圖3所示。

圖3 鋼筋拉斷破壞之實景

2.2 鋼筋拔出破壞

鋼筋直徑25 m m在錨固長度為4 d時，鋼筋直徑 28 m m、32 m m 在錨固長度為 4 d、5 d、6 d時，均發生鋼筋拔出破壞。破壞時，鋼筋均已屈服，自由端滑移較大，試件完整。破壞結果見圖4所示。

圖4 鋼筋拔出破壞之實景

3 試驗結果及分析

為方便分析，假定粘結應力在粘結長度范圍內均勻分布，粘結長度內的平均粘結應力及鋼筋應力計算公式如下：

式中：τ為平均粘結應力，M Pa；F為試驗荷載，kN；d為鋼筋直徑，m m；l為鋼筋粘結長度，m m。

根據式（1）可得到荷載最大時對應的粘結應力值，為極限粘結應力τu。另，對于發生鋼筋拉斷破壞的試件，由于錨固還未失效即發生鋼筋拉斷，所以極限荷載對應的粘結應力小于實際的極限粘結應力。

3.1 UHPC材料的影響

表3列出了UH PC材料對極限粘結應力和破壞模式的影響。其中，極限粘結應力為3個試件的平均值。從試驗結果可看出，T150與T180兩種UH PC材料在鋼筋錨固性能方面差異不大，且試件最終的破壞模式一致。

表3 UHPC材料的影響結果一覽表

3.2 相對錨固長度的影響

表4列出了相對錨固長度對極限粘結應力和破壞模式的影響。從試驗結果可看出，隨著相對錨固長度的增加，極限粘結應力越小，鋼筋應力越大。這是由于粘結應力在錨固區分布不均勻，隨著錨固長度的增加，高應力區占比越小，故平均極限粘結應力越小。但隨著錨固長度的增加，鋼筋在拔出時所能達到的應力越大。

表4 相對錨固長度的影響結果一覽表

3.3 鋼筋直徑的影響

表5列出了鋼筋直徑對極限粘結應力和破壞模式的影響。從試驗結果可看出，由于鋼筋拉斷破壞時的粘結應力小于實際的極限粘結應力，故粘結應力變化不大。但從鋼筋拔出破壞結果看，隨著鋼筋直徑的增加，極限粘結應力和鋼筋應力均逐漸減小。這是由于直徑越大的鋼筋，相對粘結面積與橫肋的相對高度越小。

表5 鋼筋直徑的影響結果一覽表

4 結論及討論

基于目前鋼筋與UH PC的粘結強度尚無試驗研究，而現行規范關于錨固長度的規定僅針對C60等級以下的普通混凝土的現狀，現進行了鋼筋與UH PC的粘結錨固試驗研究，其試驗變量為UH PC材料、錨固長度、鋼筋直徑，得到以下結論：

（1）試件的破壞模式隨試驗參數的不同分為鋼筋拔出破壞和鋼筋拉斷破壞，試件均未發生UH PC的劈裂破壞，說明鋼纖維的存在能大大提高UH PC的抗拉性能和整體性。

（2）試驗所采用的兩種UH PC 材料（T150、T180）在鋼筋錨固性能方面差異不大；隨著相對錨固長度的增加，平均極限粘結應力越小，鋼筋應力越大；隨著鋼筋直徑的增加，極限粘結應力和鋼筋應力均越小。

（3）鋼筋直徑 12 m m、16 m m、20 m m、25 m m H RB400鋼筋在錨固長度為4 d時，鋼筋應力可達到600 M Pa左右；鋼筋直徑28 m m鋼筋在錨固長度為4 d時，鋼筋應力可達到580 M Pa左右；φ32H RB400鋼筋在錨固長度為5 d時，鋼筋應力可達到550 M Pa左右。

（4）鋼筋直徑在大于25 m m后，由于鋼筋頸縮現象導致鋼筋與UH PC接觸面積減小，在粘結長度為6 d時仍表現為鋼筋拔出破壞，頸縮現象影響顯著。故大于25 m m鋼筋直徑在設計錨固長度時，應考慮錨固長度的適當增加。