鋼纖維對混凝土與變形鋼筋之間黏結性能試驗研究

延瀟　史慶軒　徐趙東

摘???要：在對不同摻量鋼纖維普通和輕質混凝土試塊的基本力學性能試驗研究的基礎上，通過中心拉拔試驗，分析鋼纖維對混凝土與變形鋼筋之間黏結性能的影響機理.?研究表1明：鋼纖維的加入提高了混凝土和鋼筋之間的黏結性能及混凝土抗裂縫發展的能力.?同時，相同鋼纖維摻量下，普通混凝土自身的抗裂縫發展能力高于輕質混凝土，從而使其與鋼筋的黏結強度也高于輕質混凝土.?鋼纖維的加入使得混凝土對于鋼筋的黏結強度顯著增大，最大增長率可達到49.94%（普通混凝土鋼纖維摻量為40?kg/m3時）和51.94%（輕質混凝土鋼纖維摻量為60?kg/m3時）.?本文研究可為后續黏結性能的研究提供一定的理論參考，同時推進輕骨料鋼纖維混凝土在實際工程中的應用.

關鍵詞：黏結應力;鋼纖維混凝土;變形鋼筋;拉拔試驗

中圖分類號：TU377.1????????????????????????????文獻標志碼：A

Experimental?Study?on?Bond?Behavior?between

Concrete?and?Deformed?Steel?Bar?with?Different?Steel?Bar

YAN?Xiao1，2？，SHI?Qingxuan1，2，XU?Zhaodong3

（1.?School?of?Civil?Engineering，Xian?University?of?Architecture?&?Technology，Xian?710055，China;

2.?Key?Laboratory?of?Structural?Engineering?and?Earthquake?Resistance?（XAUAT）

of?the?Ministry?of?Education，Xian?710055，China;

3.?School?of?Civil?Engineering，Southeast?University，Nanjing?210096，China）

Abstract：Based?on?the?study?of?mechanical?property?test?in?normal?weight?concrete?and?lightweight?concrete?with?different?fiber?volume?fractions，the?influence?of?steel?fiber?on?the?bond?mechanism?between?deformed?steel?bar?and?reinforced?concrete?was?discussed?through?the?central?pullout?test?program.?It?can?be?found?that?the?ability?to?resist?crack?propagate?of?the?concrete?was?increased?because?of?the?steel?fiber?added?in?the?concrete.?The?bond?behavior?of?the?concrete?was?also?increased.?With?the?same?fiber?volume?fractions?in?two?concretes，normal?weight?concrete?has?a?better?performance?to?avoid?the?crack?propagation?than?lightweight?concrete.?Therefore，the?bond?behavior?of?normal?weight?concrete?is?also?better?than?that?of?lightweight?concrete.?The?maximum?increase?of?the?reinforced?concrete?bond?strength?was?49.94%?（normal?weight?concrete?with?40?kg/m3?fiber?volume?fractions）?and?51.94%?（lightweight?concrete?with?60?kg/m3?fiber?volume?fractions），respectively.?The?research?in?this?paper?can?provide?theoretical?reference?for?the?follow-up?research?on?the?bonding?performance?and?promote?the?application?of?lightweight?aggregate?steel?fiber?concrete?in?practical?engineering.

Key?words：bond?stress;steel?fiber?reinforced?concrete;deformed?steel?bar;pullout?testing

在建筑構件的設計中，為了使建筑構件中的鋼筋屈服后，混凝土才被壓碎而發生破壞，需要對鋼筋與混凝土之間的黏結機理進行深入的研究[1].?對于一般的鋼筋混凝土結構，鋼筋與混凝土之間的黏結力主要由三部分組成：1）膠結力;2）摩擦力;3）機械咬合力.?這三個部分主要受到鋼筋的外表1面狀態和混凝土本身性質的影響[2].纖維混凝土的受力過程中，纖維材料發揮其抗拉強度高的特點，而混凝土發揮其抗壓強度高的優點.?通過在混凝土中加入纖維，增加了其在最大荷載下的壓縮應變，提高了其最大拉伸應力和拉伸變形，同時混凝土的能量吸收性能、韌性、抗剪能力、抗脆性破壞的能力及抵抗裂縫發展的能力等都得到了改善[3-7].?在我國，方志等人[8]發現鋼纖維的加入能顯著提高活性粉末混凝土的抗疲勞性能.?Sorushian等人[9]的研究表1明在混凝土材料中加入纖維材料可顯著提高鋼筋和混凝土之間的黏結強度，這主要是由于纖維材料的加入提高了混凝土的抗劈拉能力.?Won等[10]?研究了鋼纖維對于FRP材料和高強混凝土之間黏結性能的影響，發現鋼纖維可顯著提高混凝土結構的黏結性能.?在[S]emsi等人[11]?關于鋼纖維對混凝土和帶肋鋼筋黏結性能的研究中也得到了同樣的結論.?Harajli和Salloukh[12]?在鋼纖維對結構的黏結強度影響的研究中得出，鋼纖維在混凝土中的質量分數為2%時，混凝土結構的黏結強度增加了55%.?Ezeldin和Balaguru[13]在普通高強混凝土結構中進行了相同的研究，表1明鋼纖維質量分數為0.25%時，減弱了混凝土和鋼筋之間的黏結強度，而當鋼纖維在混凝土中質量分數為0.5%和0.75%時，其黏結強度最多增加18%.

目前，針對鋼纖維輕骨料混凝土與鋼筋黏結性能的研究較少，鋼筋混凝土黏結機理、黏結-滑移關系還存在許多亟待解決的問題.?本文采用試驗研究的方法，對普通鋼纖維混凝土與輕骨料鋼纖維混凝土進行了研究，深入地分析了鋼纖維摻量與鋼筋黏結應力之間的關系.?同時對兩種鋼纖維混凝土與鋼筋之間的黏結性能進行了分析對比，對鋼筋和混凝土之間的黏結性能做了進一步研究.

1???黏結滑移試驗

1.1???材料及試件基本性能

本試驗中兩類混凝土粗骨料分別為膨脹黏土（輕質混凝土）和碎石（普通混凝土），其中膨脹黏土的粒徑為2～10?mm，吸水率為15%;碎石的粒徑為2～8?mm，吸水率為1.48%.?細骨料均為粒徑0～2?mm的天然砂，其表1觀密度為2?570?kg/m3，吸水率為1%;所用錨固鋼筋為直徑20?mm的帶肋鋼筋;混凝土內鋼纖維采用35?mm長、等效直徑0.5?mm、長徑比為70的彎鉤形鋼纖維.?鋼纖維在混凝土攪拌過程中均勻地撒入攪拌機中，當全部鋼纖維加入后攪拌機繼續運轉大約1?min來確保攪拌均勻.

試驗所用的混凝土的配合比見表11.

不同鋼纖維摻量下試件的抗壓強度、抗拉強度及彈性模量均基于歐洲規范DIN?EN?12390進行測試，混凝土坍落度基于歐洲規范DIN?12650-2進行測試，抗彎強度采用ASTM.C1609-12中的三點加載法進行測試.?根據規范要求，抗壓強度與抗拉強度均采用150?mm×150?mm×150?mm立方體試塊進行測試，抗彎強度試驗采用150?mm×150?mm×700?mm試塊進行測試，彈性模量采用直徑為100?mm、高為200?mm的圓柱體試塊進行測試.?測試結果見表12.

由表12可知，加入鋼纖維后，對于輕質混凝土和普通混凝土的抗壓強度、抗拉強度及彈性模量的影響都相對較小.?其抗壓強度和抗拉強度均在鋼纖維摻量為40?kg/m3時達到最大值，而在普通混凝土中鋼纖維摻量為20?kg/m3時均有一定的減小.?最大抗彎強度在鋼纖維摻量為40?kg/m3的輕質混凝土和普通混凝土中達到最大增量分別為34.48%和24.40%.?同時，由圖1可知，鋼纖維的加入極大地提高了混凝土抵抗裂縫發展的能力，兩種混凝土表1現出良好的延性.

1.2???試件設計

測量混凝土結構黏結性能的最常用方法是Losberg拉拔試驗和RILEM/CEB/FIP測試方法[14].

由于試驗環境及條件限制，本試驗采用RILEM/CEB/?FIP方法，根據該方法規定[14]，拉拔試驗的混凝土立方體試塊的邊長為拉拔鋼筋直徑的10倍，即10d.?文中用于拉拔試驗的試件如圖2所示，試塊的邊長取20?cm，鋼筋的有效錨固長度為10?cm，未黏結部分采用塑料套管來隔離，鋼筋錨固于立方體中心位置.?試塊放置于承重板上，穿過鋼板端鋼筋為加載端，另一端為自由端.?自由端和加載端在混凝土試塊外長度分別為5?cm和30?cm.?試件根據不同鋼纖維摻量共分為4組，每組拉拔試驗均有3個試塊，試驗結果取平均值.

試塊被分別記為LWFC-X-20-Y和NWFC-X-20-Y，其中LWFC代表1輕骨料鋼纖維混凝土，NWFC代表1普通鋼纖維混凝土，X表1示鋼纖維在混凝土中的摻量（0，20??kg/m3，40??kg/m3，60?kg/m3），Y表1示試塊的編號（1，2，3），20表1示錨固鋼筋的直徑為20?mm.

1.3???試驗裝置及測試方法

錨固試驗主要用于測量鋼筋在加載端和自由端的錨固滑移關系，采用RILEM/CEB/FIP法[14]，測試所用的試驗儀器及試件如圖3所示.?加載端鋼筋被固定于試驗臺上，通過加載裝置將承重板向上拉起進行加載.?試塊加載端和自由端分別安裝有3個位移計（呈120°分布），測試時取3個位移計測量的平均值.

加載時使用以位移為控制變量的裝置，最大荷載為600?kN，測量時使用的加載速率為0.005?mm/s直到加載至拔出位移為4?mm時停止.?與以荷載為控制變量的試驗相比，位移作為控制變量可得到更好的裂縫形態，進而可更直觀地了解鋼纖維對混凝土黏結性能的影響.

通過對鋼筋拔出荷載、鋼筋錨固長度及鋼筋截面周長的分析，運用式（1）可得出鋼筋的黏結應力以及拉拔試驗的應力-變形曲線.

τ?=?F/（πΦL）.?????????????（1）

式中：τ為鋼筋的黏結應力，N/mm2;F為拉拔試驗時施加的荷載，N;Φ為鋼筋的橫截面直徑，mm;L為鋼筋在混凝土中的錨固長度，mm.

2???試驗結果及分析

2.1???破壞過程

加載端開始加載后，黏結力通過錨固在混凝土內的鋼筋進行傳遞，使鋼筋從混凝土試塊中逐漸被拔出.?在加載開始時，黏結強度由錨固鋼筋和其周圍的混凝土之間的化學黏結力提供.?隨著荷載的增加，化學黏結力很快消失，此時鋼筋和混凝土之間的機械錨固力成為主要抵抗鋼筋拔出的力.?當拉拔力繼續增大時，鋼筋與混凝土之間的接觸面上開始出現裂縫，并且向混凝土試塊的外側發展.?達到最大黏結強度后，隨著鋼筋的拔出，裂縫繼續擴展，向混凝土試塊的外側面處延伸，直到鋼筋拔出長度為4?mm時停止施加荷載.

在所有的拉拔試驗中，輕質混凝土試塊（如圖4（a）所示）及普通混凝土試塊（如圖4（b）所示）的破壞均為劈裂破壞，裂縫從加載端鋼筋與混凝土試塊表1面交匯處開始逐漸向外側擴展.

2.2???普通混凝土的黏結性能分析

2.2.1???黏結強度

表13中所示為普通混凝土最大黏結強度測量值.?由表13可知，隨著不同含量鋼纖維的加入，普通混凝土與鋼筋的最大黏結強度均增大.?黏結應力的增長量在鋼纖維摻量為20?kg/m3時較小，可知鋼纖維摻入量過少時，對其黏結強度的影響較小.?當鋼纖維摻量為40?kg/m3時，最大黏結應力增長率達到49.94%的最大值，而在鋼纖維摻量為60?kg/m3時，其增長率略微下降.

從表12中混凝土的坍落度數據可發現，鋼纖維摻量為60?kg/m3時普通混凝土的坍落度有很大的下降，說明該摻量下，混凝土的流動性變差，導致混凝土內部密實度變差，其最大黏結應力增長率也隨之下降.?即使鋼纖維摻量為60?kg/m3時鋼筋與混凝土之間的最大黏結應力比40?kg/m3時低，但依然比無鋼纖維加入的普通混凝土最大黏結應力要高很多.?因此，鋼筋與其周圍混凝土之間的黏結性能在很大程度上由鋼纖維在混凝土中的摻量決定.

2.2.2???黏結應力-滑移曲線

普通混凝土試塊的平均黏結應力-滑移曲線如圖5所示.

由圖5中曲線可知：

1）鋼纖維對于普通混凝土與鋼筋的黏結殘余強度的影響較大，混凝土中含鋼纖維越多，其黏結應力-滑移曲線后半段也越平緩，進而說明其黏結殘余強度越大.?這是由于，混凝土開裂后，在裂縫處鋼纖維起到了錨固作用，阻止混凝土的開裂.?當鋼纖維摻量增加時，穿過裂縫處的鋼纖維量隨之增加，從而其黏結殘余強度也相應增強.?同時，鋼纖維摻量為20?kg/m3時，起到錨固作用的鋼纖維太少，其黏結殘余強度只有微小的提高，而在鋼纖維摻量為40?kg/m3和60?kg/m3時裂縫處鋼纖維增多，其黏結殘余強度的增加也較為明顯.

2）曲線的前半段幾乎一致，而達到峰值點后出現不同，可知鋼纖維的加入對于峰值前的黏結強度影響較小，但對于混凝土開裂性能的影響十分顯著.?鋼筋拉拔初期，混凝土內部產生裂縫較少，且產生的微裂縫寬度也較小，鋼纖維對于裂縫處的錨固作用不明顯，因此曲線前半段幾乎一致.?當拉拔力繼續增大，混凝土內部裂縫逐漸變大變寬時，鋼纖維開始發揮作用，抵抗裂縫的繼續發展.?當鋼纖維在混凝土中的摻量增加時，混凝土抵抗裂縫發展的能力隨之增加，但過量鋼纖維加入也會導致其增長率有所下降.

3）試驗中，普通混凝土的鋼纖維最佳摻量為40?kg/m3，鋼筋與混凝土之間的黏結殘余強度達到了最大值.?而過多鋼纖維加入將導致普通混凝土的流動性降低，使得混凝土試塊密實性變差，抵抗開裂的能力降低，進而導致黏結殘余應力降低.

2.3???輕質混凝土的黏結性能分析

2.3.1???黏結強度

輕質混凝土的最大黏結強度測量值見表14.?由表14可知，隨著鋼纖維摻量的增加，輕質混凝土與鋼筋的最大黏結強度明顯增加，鋼纖維摻入量的提高能使鋼筋與混凝土的黏結性能得到提升.?與普通混凝土不同的是，在輕骨料混凝土中，鋼纖維摻量為60?kg/m3時的鋼筋與其黏結強度比鋼纖維摻量為40?kg/m3時高.?由于碎石的不規則性導致鋼纖維在普通混凝土中更容易形成孔隙，而膨脹黏土形狀規則，鋼纖維的加入對其流動性的影響沒有在普通混凝土中大.?因此普通混凝土中最優鋼纖維摻量為40?kg/m3而輕質混凝土中卻仍未達到最優鋼纖維摻量的值.?由圖6可知鋼筋與輕骨料混凝土最大黏結強度增長率曲線仍呈現上升趨勢.?因此可預測，隨著輕質混凝土中鋼纖維摻量的繼續增加，其最大黏結強度還會增大.?由于試驗條件所限，后續將增大鋼纖維在輕質混凝土中的摻量進行補充試驗，得出相應的輕骨料混凝土最優鋼纖維摻量值并進行分析.

2.3.2???黏結應力-滑移曲線

輕質混凝土試塊的平均黏結應力-滑移曲線如圖7所示.

從圖7中曲線可看出，隨著輕質混凝土中鋼纖維摻量的增加，試件抵抗滑移的能力也在增加，試塊的黏結應力增強.?混凝土中加入的鋼纖維在拉拔試驗中起到限制試塊中裂縫發展的作用.?裂縫產生后鋼纖維能夠將裂縫兩側的混凝土連接在一起，起到錨固作用，使其能繼續抵抗拉力從而增強了混凝土的殘余黏結強度.?并且隨著鋼纖維摻量的增加將會有更多的鋼纖維用于抵抗混凝土裂縫的發展.?因而，鋼纖維對于混凝土黏結性能的影響非常明顯.?當輕質混凝土與鋼筋之間達到最大黏結應力后，鋼纖維摻量越多，其黏結應力-滑移曲線后半段越平緩.?對于不含及含有少量鋼纖維的混凝土試塊，當達到最大黏結應力后，由于沒有或只有少量鋼纖維用于抵抗裂縫的發展，混凝土將突然破壞，拉拔力迅速降低.?此時的黏結殘余應力僅由混凝土和鋼筋之間拔出時的摩擦力提供.

2.4???兩種混凝土的黏結性能對比

相同鋼纖維摻量下，兩種混凝土的黏結應力-滑移曲線如圖8所示，兩種混凝土試塊的拉拔破壞面如圖9所示.

將圖8中數據與表13、表14中數據對比可知，在相同的鋼纖維摻量下，輕質混凝土的黏結強度均低于普通混凝土.?在圖9中，輕質混凝土的破壞面上大約90%的膨脹黏土被劈裂，但普通混凝土中的碎石均保持了基本形狀，裂縫只在碎石之間的水泥里傳播.?由圖9可知，試塊在膨脹黏土劈裂且水泥達到最大強度時產生破壞，這是由于輕質混凝土中的粗骨料強度低，無法限制裂縫的發展.?而在普通混凝土中，當水泥達到最大強度時，由于混凝土中的粗骨料強度較高，也可用來抵抗裂縫的發展，進而提高了混凝土與鋼筋的黏結強度.?因此在相同的鋼纖維摻量下，普通混凝土的黏結性能要高于輕質混凝土.

3???結???論

本文進行了變形鋼筋與普通混凝土和輕質混凝土之間黏結性能的試驗研究，對比了不同鋼纖維摻量下鋼筋和混凝土之間黏結應力的關系，之后分析比較了在相同鋼纖維摻量下，兩類混凝土與鋼筋的黏結性能.?通過對試驗數據的分析和總結，可得出下列結論：

1）鋼纖維的摻量對于鋼筋和混凝土之間的黏結性能有著很大的影響，鋼纖維摻量增加，混凝土的最大黏結應力也相應增加.?但鋼纖維在普通混凝土中的摻量存在最優值，當摻量大于最優值時，繼續增加鋼纖維摻量會導致混凝土和鋼筋的黏結應力增長率下降.

2）在拉拔試驗中，混凝土中的鋼纖維起到了限制裂縫發展的作用，由于鋼纖維能夠傳遞裂縫之間的應力，從而減弱了裂縫的發展速度，進而使得混凝土的殘余黏結應力也得到相應的增強.

3）在相同的鋼纖維摻量下，輕質混凝土的黏結強度均低于普通混凝土.?主要由于在水泥達到最大強度后，普通混凝土中的粗骨料起到了抵抗裂縫發展的作用，而輕質混凝土中的粗骨料會隨著裂縫的發展產生劈裂破壞，因此普通混凝土的黏結性能要高于輕質混凝土.

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