PVA纖維灌漿料黏結錨固性能試驗研究

朱方之 馬志鳴 左工 高立

（1宿遷學院建筑工程學院，江蘇 宿遷 223800；2揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

作為裝配式結構的關鍵技術，工程上預制構件的縱筋通常采用套筒灌漿連接，鋼筋通過灌漿料和套筒的共同作用傳力。其中，水泥基灌漿料的強度和韌性是地震作用下接頭可靠性、耗能能力的關鍵影響因素。目前，國內外學者對水泥基灌漿料的性能研究較多[1-3]，對水泥基灌漿料中摻入PVA纖維進行增強增韌改性的研究較少。張曉平等[4]研究認為聚丙烯纖維摻量在0.1%以內時，其力學強度和抗裂性隨其摻量的增加而提高，摻量＞0.15%時，力學強度開始降低。鄭和暉等[5]選用鋼纖維配制一種的高性能纖維增強灌漿材料，用于組合梁鋼混連接，縮短現場作業時間，提高鋼混結合質量。朱清華等[6]研究PVA纖維對灌漿料工作性、鋼筋在套筒內的錨固性能的影響，結果表明，PVA纖維的摻入，降低了水泥基灌漿料的擴展度，但能夠大大提高灌漿料對不銹鋼鋼筋的錨固作用。

此外，黃加圣等[7]研究了聚乙烯醇纖維混凝土的長期力學性能，結果表明，與基準混凝土相比，聚乙烯醇纖維混凝土的抗壓、劈拉和抗折強度有一定幅度的提升，聚乙烯醇纖維更有利于低水膠比混凝土長期力學性能的增長。鄧宗才等[8]研究認為，PVA纖維可顯著提高混凝土抗彎韌性和變形能力，最終使混凝土由脆性破壞變為延性破壞。朱佳鵬等[9]研究鋼-聚乙烯醇混雜纖維混凝土與鋼筋的粘結性能，結果表明在一定范圍內，隨著混雜纖維體積率的增大，鋼筋與混凝土之間的粘結性能逐步提高，但是水泥基灌漿材料中沒有粗骨料，摻入PVA纖維后與鋼筋的黏結性能是否等同于混凝土，還需要進一步研究。

本文在滿足灌漿料工作性和強度的基礎上，選用3mm、6mm長度PVA纖維，按照體積摻量0.15%和0.3%，制作4組12個變形鋼筋-灌漿料拉拔試件，通過中心拉拔試驗，分析鋼筋與PVA纖維水泥基灌漿料間的黏結-滑移規律，為改善套筒鋼筋連接接頭性能及套筒接頭的有限元分析提供試驗依據。

1 試驗概況

1.1 聚乙烯醇（PVA)纖維

以高聚合度的聚乙烯醇為原料，采用特定技術加工的一種合成纖維。纖維表面粗糙多孔，在水泥基集料中分散均勻，并與水泥基集料產生良好的結合力。其性能指標如下：直徑15.1μm,密度1.3g/cm3，彈性模量40.1GPa,抗拉強度1620MPa,斷裂伸長率6.9%，抗酸堿性好。

1.2 灌漿料

試驗所用灌漿料為上海某公司生產的超高強微膨脹灌漿料，成分以無機膠凝材料和高強細骨料為主。灌漿料的抗壓強度根據GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，40mm×40mm×160mm棱柱體標準試塊測得。

表1 鋼筋的力學參數

1.3 鋼筋

試驗使用HRB400級鋼筋，通過拉伸試驗得到基本力學指標見表1。

1.4 試件設計

中心拉拔試件如圖1所示。鋼筋加載端設置一無黏結段。試件澆筑前，用直徑稍大于鋼筋直徑的PVC塑料管套住無黏結部位，對塑料管端部進行密封，防止灌漿料進入管內。黏結段長度Ld采用6倍鋼筋直徑，鋼筋的保護層厚度為45mm。

圖1 鋼筋拉拔試件示意

1.5 拉拔試驗

中心拉拔試驗在電液伺服疲勞試驗機（極限拉力250kN)上進行，拉拔試驗加載裝置如圖2所示。

安裝時將鋼筋穿過加載架下部鋼板與試驗機下夾頭相連，上部通過一個連接件與試驗機上夾頭相連。與試件接觸的鋼板與加載架鋼板之間是凹凸面接觸，保證底部為鉸接約束。采用1mm/3min的位移控制加載，直至灌漿料劈裂或鋼筋被拉斷。

圖2 拉拔試驗加載裝置示意

如果忽略灌漿料變形，自由端位移計測得數據即為自由端滑移sF,加載端位移計測得數據扣去鋼筋加載端非滑移變形即為加載端滑移sL。文中鋼筋與灌漿料黏結滑移按式（1）計算。

鋼筋與灌漿料之間的黏結應力沿長度方向是變化的，通常采用平均黏結強度作為研究鋼筋黏結性能的基本指標，按式（2）計算。

式中：F為鋼筋的拔出荷載；d為鋼筋的直徑；Ld為鋼筋的黏結長度。

2 結果與分析

2.1 PVA纖維對灌漿料流動性的影響

PVA纖維灌漿料初始流動度和30min流動度數據見表2。可以看出，在灌漿料中摻入PVA纖維，灌漿料的流動度均有下降。相對于未摻加纖維的灌漿料拌合物流動度，體積摻量為0.15%時，初始流動度分別降低4.5%（纖維長度3mm)和8.2%（纖維長度6mm)；體積纖維摻量為0.3%時，初始流動度降低10.3%（纖維長度3mm)。30min后，無論是否摻加纖維，灌漿料的流動度均有一定程度的降低。這表明PVA纖維摻量越大，直徑越長，對灌漿料流動性阻礙作用也越大。其作用機理是PVA纖維表面的羥基親水官能團使得水分在其表面富集，灌漿料顆粒間潤滑作用水分減少；同時，纖維的雜亂分布以及纖維表面與水泥顆粒的摩阻作用，均導致拌合物流動阻力增大。經過一段時間后，PVA纖維表面水泥顆粒水化較快，水化產物粘附于纖維表面，加劇了拌合物流動阻力。流動度測試時，需要再次強制攪拌，才能恢復較好的流動性。

表2 PVA纖維灌漿料流動度（/mm)

2.2 PVA纖維對灌漿料力學性能的影響

PVA纖維灌漿料受壓破壞后的形狀類似于普通砂漿試塊，呈錐形破壞形態。未摻加纖維的試塊，達到受壓極限荷載時，表面脆性剝落明顯；摻加纖維的試塊，在達到峰值荷載時，表面有碎片剝落，部分與椎體仍有一定的相連，脆性有一定程度的降低，如圖3所示。

圖3 PVA纖維灌漿料試塊受壓破壞形態

表3 PVA纖維灌漿料抗壓強度（/MPa)

PVA纖維水泥基灌漿料1d、3d和28d的抗壓強度如表3所示。結果表明，隨著纖維摻量的增加，灌漿料抗壓強度呈現1d和3d有降低，28d抗壓強度有所提高的趨勢，但均能滿足灌漿料抗壓強度不低于85MPa的性能指標要求。纖維摻量和長度對灌漿料28d抗壓強度影響不大。

2.3 PVA纖維對鋼筋與灌漿料黏結性能的影響

2.3.1 拉拔試件破壞類型

試驗的4組試件均發生鋼筋屈服后灌漿料劈裂破壞（每組3個試件破壞形態一致），如圖3所示。可以看出，PVA-0-0 組和PVA-3-0.15 試件劈裂面上鋼筋肋狀齒形保持完整，橫肋前灌漿料未現擠碎破壞。PVA-3-0.3組試件劈裂面上，9個鋼筋肋前灌漿料中，靠近加載端的2個肋前灌漿料擠碎嚴重，距加載端較遠的2個肋前灌漿料僅是輕微刮擦。PVA-6-0.15組試件與PVA-3-0.3組有相似的破碎情況。表明鋼筋在拔出過程中，滑移是自加載端向自由端逐步發展。

圖4 中心拉拔試件破壞形態

一般認為，帶肋鋼筋與灌漿料的黏結力仍由鋼筋與灌漿料接觸面的化學膠結力、摩擦力和機械咬合力三部分組成，但主要是變形鋼筋表面突出肋與灌漿料間的機械咬合力做貢獻。當鋼筋受拉時，鋼筋肋前灌漿料受到斜向擠壓力，如圖5所示，可分解為軸向和徑向應力分量，其中軸向應力分量使得鋼筋肋前灌漿料受剪，徑向應力分量則在灌漿料基體中產生環向拉力。當環向拉力足夠大，劈裂裂縫一般從鋼筋縱肋處開始向外部發展，最后形成一道主劈裂裂縫，伴隨著一聲較大的響聲，試件突然劈裂成2～3塊，呈現出明顯的脆性破壞特征。

圖5 帶肋鋼筋與灌漿料黏結作用

2.3.2 鋼筋與灌漿料-黏結滑移曲線

PVA纖維長度3mm和6mm試件的荷載-滑移曲線如圖6所示。與普通混凝土-鋼筋拉拔試件一樣，PVA纖維灌漿料-鋼筋的滑移過程分為兩段，即微滑移段和滑移劈裂段。因試件均為鋼筋屈服后的脆性劈裂破壞，滑移曲線未出現下降段。

圖6 荷載-滑移曲線

微滑移段：在加載初期，拉拔荷載增長較快，滑移值增長相對較慢。荷載-滑移曲線基本呈線性關系。鋼筋肋前灌漿料受到擠壓，并產生環向拉應力，但對灌漿料的損傷不大，PVA纖維增強作用尚未發揮。

滑移劈裂段：隨著拔出荷載增大，荷載-滑移曲線呈非線性發展，滑移增長速度加快，鋼筋肋前灌漿料受到擠壓作用增大。此時，拉拔荷載主要由鋼筋與灌漿料之間的摩阻和咬合作用承擔，肋前灌漿料的擠壓變形也進入塑性發展階段，同時環向拉應力產生的微裂紋穩定擴展。從鋼筋受拉屈服到灌漿料劈裂，拉拔荷載增加不多，但相對滑移增加幅度較大。劈裂時相對滑移大小順序依次為PVA-3-0.3 ＞PVA-3-0.15 ＞PVA-0-0。表明PVA纖維的摻加，延緩了灌漿料中微裂縫的開展，一定程度上增加了灌漿料與鋼筋的黏結力。此時，沿鋼筋的軸向應力分量更大，更多的鋼筋肋前灌漿料被擠碎，鋼筋和灌漿料之間的滑移也在增大，如圖4（c)和（d)所示。最終環向拉力引起的裂縫延伸至試件外部，在鋼筋達到極限強度之前試件劈裂破壞。

2.3.3 鋼筋與灌漿料黏結錨固特征值

表4中峰值荷載和黏結應力為3個拉拔試件的平均值，屈服滑移和劈裂滑移為典型拉拔試件按式（1）計算的鋼筋滑移量。由表4可知：摻加PVA纖維試件與無纖維試件相比，黏結應力略有提高。將4類試件的黏結應力分別進行比較，3mm長度PVA纖維試件比無纖維試件分別增加了8.6%（體積摻量0.15%）和15.4%（體積摻量0.3%）；6mm長度PVA纖維試件比無纖維試件增加了9.0%（體積摻量0.15%）。鋼筋開始屈服時，鋼筋與灌漿料之間的相對滑移差別不大，但能夠使得試件達到較大的劈裂荷載，對應的相對滑移顯著增大，約為無纖維試件的2～3倍。因此，在不影響灌漿料流動性的前提下，適當摻加PVA纖維可以約束灌漿料中微裂縫的產生和發展，從而提高黏結強度，改善鋼筋與灌漿料的黏結性能。

表4 試件黏結性能特征值

3 結論

1）PVA纖維的摻入影響灌漿料的流動度，纖維摻量越大，直徑越長，阻礙作用也越大。

2）PVA纖維的摻量與長度對灌漿料的抗壓強度影響不大。綜合考慮灌漿料力學性能和施工要求，建議3mm長度PVA纖維最佳摻量不宜超過0.3%，6mm長度PVA纖維最佳摻量不宜超過0.15%。

3）與未摻加纖維的試件相比，PVA纖維的加入，能夠提高鋼筋與灌漿料的黏結強度15.4%，相對滑移顯著增加，約為未加纖維試件的2～3倍（纖維長度3mm,體積摻量0.3%）。PVA纖維有助于改善鋼筋與灌漿料的黏結性能，增加試件黏結破壞時的耗能能力。