鋼纖維改性橡膠混凝土與變形鋼筋的粘結性能

王一泓，陳 超，黃夢龍

(鄭州大學土木工程學院，鄭州 450001)

0 引 言

近年來，隨著國內外汽車制造業的快速發展，廢舊橡膠輪胎的數量逐年上升，其在自然條件下很難降解，給生態環境造成嚴重的污染。橡膠混凝土(crumb rubber concrete， CRC)是把廢橡膠輪胎研磨成橡膠顆粒并按一定體積取代混凝土中的骨料配置而成的新型復合材料，為廢舊橡膠輪胎的回收處理提供了有效和科學的途徑。研究表明，橡膠混凝土具有彈性模量低、變形能力強、阻尼性能好、抗爆性能強以及隔熱降噪等優良性能[1]。但是橡膠的加入會使混凝土的強度降低，這也是國內外學者得出的一致結論，這限制了其在構件層次上的使用[2-5]。橡膠混凝土中加入鋼纖維的物理改性方法，即利用鋼纖維的微筋材橋接作用改性橡膠混凝土來提高其力學性能，是解決其強度低的有效途徑。

張巖等[6]通過試驗研究表明，相對于基準橡膠混凝土，鋼纖維的加入使得橡膠混凝土的劈裂抗拉強度顯著提高。嚴智卓等[7]發現隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維改性橡膠混凝土抗壓、抗折強度隨之增加，同時試件破壞后整體性較好，表明鋼纖維與橡膠顆粒具有正向協同作用使鋼纖維橡膠混凝土的延性、韌性增強。趙秋紅等[8]進行了鋼纖維橡膠混凝土的抗剪性能研究，結果表明，橡膠混凝土的抗剪強度和剪切韌性均隨著鋼纖維含量的增大而顯著增強，此外還擬合出了關于橡膠含量以及鋼纖維含量的抗剪強度計算公式，該公式計算值與試驗值吻合良好。Abaza等[9]研究了鋼纖維改性橡膠混凝土的抗彎性能，結果表明,鋼纖維改性橡膠混凝土彎曲韌性以及抗彎初裂強度明顯高于橡膠混凝土，并且鋼纖維摻量越高，增強效果越顯著。Abdelaleem等[10]通過抗沖擊試驗研究表明，鋼纖維自密實橡膠混凝土的抗沖擊性能與鋼纖維的長度有關，長度越長，抗沖擊性能越強。綜上所述，鋼纖維的摻入能顯著提高橡膠混凝土的抗拉、抗壓、抗折以及抗剪強度，這是由于鋼纖維在混凝土內部呈三維亂向分布，形成了多向錨固體系，阻止了試件受荷時內部裂縫的發展以及混凝土硬化時的初始裂縫擴展。混凝土與鋼筋的粘結性能是反映鋼筋混凝土構件可靠性的重要指標，為了使鋼纖維改性橡膠混凝土在工程結構中得到廣泛的應用，有必要深入研究其與鋼筋之間的粘結性能。

本文對鋼纖維改性橡膠混凝土(steel fiber modified crumb rubber concrete， SFCRC)進行了中心拉拔試驗，分析了鋼纖維體積率變化如何影響鋼纖維改性橡膠混凝土與變形鋼筋的初始粘結強度、極限粘結強度、破壞形態以及粘結滑移曲線，并建立了粘結滑移本構方程。

1 實 驗

1.1 原材料

采用天瑞牌普通硅酸鹽水泥(標號為P·O 42.5)，可飲用的潔凈水，粒徑為1～2 mm的橡膠顆粒，細度模數為2.7的天然河砂，粒徑為10～20 mm級配連續的碎石，減水率不低于25%的奈系粉末減水劑，切斷弓形鋼纖維產自上海貝卡爾特-二鋼有限公司，長徑比為65，長度35 mm，抗拉強度1 345 MPa，鋼筋采用河南福華鋼鐵集團有限公司生產的熱軋帶肋鋼筋，牌號為HRB400，直徑16 mm。

1.2 配合比與試驗設計

參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》和CECS 38—2004《纖維混凝土結構技術規程》中有關配合比計算的規定對鋼纖維改性橡膠混凝土進行配合比設計，其中鋼纖維改性橡膠混凝土的強度等級設計為C45，橡膠顆粒采用等量體積取代部分細骨料的方式內摻，取代率為5%(50 kg/m3)。鋼纖維采用外摻的方式設計為4種體積率，分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%，當鋼纖維體積率每遞增0.5%，相應的每立方混凝土就增加39 kg鋼纖維。共設計4組配合比，并進行了統一編號，編號為CRmSFn，其中CR表示橡膠，m表示橡膠的體積摻量，SF表示鋼纖維，n表示鋼纖維的體積摻量。表1給出了4組鋼纖維改性橡膠混凝土配合比，每組設計3個拉拔試件。

表1 鋼纖維改性橡膠混凝土的配合比Table 1 Composite ratio of steel fiber modified crumb rubber concrete /(kg·m-3)

1.3 材性試驗

在澆筑每組粘結試件的同時澆筑6個立方體伴隨試件(邊長為150 mm)，靜置1 d后用氣泵脫模，隨后把粘結試件和伴隨試件一起放入到標準養護室里養護28 d。伴隨試件達到齡期以后，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》中的加載以及操作規定進行測試立方體的抗壓以及劈裂抗拉強度，測試結果如表2所示。在同一批次鋼筋中，隨機抽取3個鋼筋試樣依照GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的規定進行鋼筋力學性能測試，測試結果為屈服強度為445 MPa、極限抗拉強度為600 MPa、斷后伸長率為26%、彈性模量為200 GPa。

表2 抗壓以及劈裂抗拉測試結果Table 2 Test results of compressive and splitting tensile resistance

1.4 試件設計

中心拉拔試件采用邊長為150 mm的立方體可拆卸鋼模，如圖1所示，鋼模對稱的兩側面開孔。為了防止在振搗過程中拉拔鋼筋與鋼模之間發生錯動，在鋼模一側布置一水平輔助鋼筋，將其兩端與拉拔鋼筋用細鐵絲纏繞并擰成麻花狀固定。變形鋼筋的有效粘結段設置于鋼模的中間部位并沿其軸心布置，長度為3 d(48 mm)[11-12]。試件兩端為非粘結段，用直徑為20 mm的PVC管把非粘結區段的鋼筋與混凝土隔離，兩端部PVC管埋置長度為51 mm，這樣設計可以消除端部擠壓效應。PVC管與鋼筋之間的縫隙填塞廢報紙以防止漏漿及相對滑動，拉拔試件的外形及尺寸如圖2所示。

圖1 拉拔試件模具Fig.1 Mould of pull-out specimen

圖2 拉拔試件尺寸圖Fig.2 Size chart of pull-out specimen

1.5 試驗方法與加載裝置

目前，對于混凝土與鋼筋粘結性能的試驗方法，國內外還沒有形成統一的標準。局部粘結的中心拔出試驗，因其試件形狀小、試驗設備操作簡單以及試驗數據易于處理和分析，且對鋼筋外表形狀的改變比較敏感，長期作為混凝土與鋼筋粘結性能相對比較的基準[13]。因此，SFCRC與變形鋼筋的粘結性能試驗采用局部粘結的中心拔出試驗。加載裝置采用1 000 kN的微機電液伺服萬能試驗機進行豎向加載，在加載端布置有穿心鋼墊板，以避免端部產生應力集中，在反力架的上端設置有穿心球鉸，以保證鋼筋不傾斜，從而避免鋼筋偏心受拉。全程采用位移控制的加載方式(速率為0.3 mm/min)[14]。在粘結試件的自由端和加載端用特制夾具分別固定兩個位移傳感器(LVDT)以量測鋼筋相對于混凝土的滑移值，計算時分別取各端兩者的平均值，以減小誤差。拉拔力以及各位移傳感器的測值均由DH3816型數據采集儀定時采集，采樣頻率為1 Hz。加載裝置以及測點布置分別如圖3和圖4所示。

2 結果與討論

2.1 粘結試件的破壞形態

鋼纖維改性橡膠混凝土粘結試件的破壞形態隨著鋼纖維摻量的變化而發生了不同程度的改變，如圖5所示，通過觀察可知，其粘結試件破壞形態可歸納為劈裂破壞、劈裂拔出破壞以及拔出破壞三種類型。

圖3 加載裝置Fig.3 Loading device

圖4 測點布置示意簡圖Fig.4 Schematic diagram of measuring point layout

圖5 SFCRC粘結試件破壞形態Fig.5 Failure mode of SFCRC bond specimens

未加鋼纖維的試件發生劈裂破壞，試件破壞時伴隨著沉悶的聲響。從圖5(a)中可以看出，在試件的表面產生一條縱向貫通裂縫，而裂縫沿高度方向沒有貫通，試件裂而不散，表明橡膠混凝土對變形鋼筋仍具有一定的約束力。添加鋼纖維的試件發生劈裂拔出破壞和拔出破壞。CR5SF0.5試件均發生劈裂拔出破壞，而CR5SF1.0試件以及CR5SF1.5試件大部分發生拔出破壞。圖5(b)為試件發生劈裂拔出破壞的形態，試件上表面雖然也產生了貫通裂縫但裂縫寬度明顯比CR5SF0試件破壞時的細，并且破壞聲響較CR5SF0試件破壞時小很多。如圖5(c)、(d)所示的破壞形態為拔出破壞，破壞時幾乎聽不到聲響，CR5SF1.0試件表面沒有任何的破壞痕跡，而CR5SF1.5試件受力鋼筋根部混凝土發生輕微的剝落。個別鋼纖維摻量為1.0%以及1.5%的試件發生劈裂拔出破壞，如圖5(d)、(f)所示，裂縫均發生在試件底部，可能是受粘結鋼筋以及大粒徑石子的影響，下沉到試件底部的鋼纖維較少造成的，且裂縫寬度隨鋼纖維摻量增加而減小。

2.2 SFCRC與變形鋼筋的粘結強度試驗結果

參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CESC 13—2009)中的相關定義，按(1)、(2)式分別對鋼纖維改性橡膠混凝土與變形鋼筋的初始粘結強度和極限粘結強度進行計算，粘結強度計算結果如表3所示。

τb=F0.02/πdla

(1)

τu=Fu/πdla

(2)

式中：τb為SFCRC的初始粘結強度；τu為SFCRC的極限粘結強度；F0.02為自由端滑移為0.02 mm時鋼筋所受的拉拔力；Fu為鋼筋所受的極限拉拔力；d為鋼筋直徑；la為粘結長度。

2.3 鋼纖維體積率對SFCRC粘結強度的影響

圖6 鋼纖維體積率對粘結強度的影響Fig.6 Influence of steel fiber volume fraction on bond strength

圖6為鋼纖維體積率對粘結強度的影響，從圖6以及表3中可以看出，當鋼纖維體積率在0%～1.5%之間，隨著鋼纖維體積率的增大鋼纖維改性橡膠混凝土的初始粘結強度、極限粘結強度以及標準粘結強度均有不同程度的增加，相應的初始粘結強度分別提高了5.37%、8.35%、0.89%，極限粘結強度分別提高了9.44%、16.49%、12.91%，標準粘結強度分別提高了4.61%、9.80%、7.20%。當鋼纖維體積率為1.0%時，鋼纖維改性橡膠混凝土粘結性能的各相應指標增長最多，但鋼纖維體積率介于1.0%～1.5%之間的這一段折線發生了下降，表明鋼纖維的過量摻入并沒有使粘結強度繼續增加。這是由于摻入的鋼纖維超過一定量會使改性橡膠混凝土的工作性能降低，且在混凝土攪拌機里進行拌制時鋼纖維不易分散均勻，導致混凝土在單位體積內含有的鋼纖維過少或者過多，甚至結團，影響了改性橡膠混凝土內部界面面積的均勻性以及密實性，減弱了鋼纖維對初始以及極限粘結強度的正向增強作用。從而可知當摻入到橡膠混凝土內的鋼纖維體積率大于1.0%時，繼續增加鋼纖維的體積率對其粘結強度的提高意義不大。從圖6可以看出，隨著鋼纖維體積率的增加，鋼纖維改性橡膠混凝土的極限粘結強度和標準粘結強度變化趨勢接近，說明鋼纖維的摻入對鋼纖維改性橡膠混凝土粘結試件的極限粘結強度影響比較大，而對其初始粘結強度影響不太顯著。

2.4 鋼纖維體積率對平均粘結-滑移曲線的影響

在各級荷載作用下，變形鋼筋與鋼纖維改性橡膠混凝土之間的粘結應力沿有效粘結長度方向分布并不是均勻的。為了便于數據處理和分析，以極限拉拔力與有效粘結面積的比值表示粘結區段內每一點的粘結應力，即為平均粘結應力。從每組試驗數據中挑選一組具有代表性的試驗數據，繪制出不同鋼纖維體積率的粘結試件平均粘結應力隨自由端滑移以及加載端滑移變化的曲線如圖7所示。加載端的滑移值已經去除了鋼筋彈性變形產生的位移。從圖7中可以看出，基體強度為C45的鋼纖維改性CRC粘結試件的粘結滑移曲線均產生了上升段、下降段和殘余段，曲線比較完整，且下降段和殘余段均隨著鋼纖維體積率的增加呈明顯的增加趨勢，而未改性的CRC粘結試件卻只有上升段，這是因為未改性的CRC粘結試件缺少鋼纖維的橋接作用，當達到極限粘結強度時內裂縫迅速發展到試件的表面，混凝土失去對變形鋼筋的約束作用，粘結應力也隨之迅速消失。對于鋼纖維改性的CRC粘結試件，當混凝土開裂時，橋架與裂縫兩側的鋼纖維可以繼續承擔應力，阻滯裂縫的發展速度，隨著裂縫寬度的增加，錨固在裂縫兩側的鋼纖維被緩慢拔出，此時荷載也發生緩慢下降，荷載下降到一定值時保持穩定。從圖中還可以觀察到，極限粘結強度、粘結滑移曲線的飽滿程度，以及上升段的斜率均隨鋼纖維體積率的增加而分別有不同程度的增加，表明鋼纖維的摻入能提高橡膠混凝土的耗能能力以及粘結剛度。但鋼纖維體積率為1.5%時，相對于鋼纖維體積率為1.0%的粘結滑移曲線，其曲線峰值發生了微降，這可能是鋼纖維體積率過大，粘結試件內部不易振搗密實引起的。

SFCRC粘結試件的自由端粘結滑移曲線與加載端粘結滑移曲線走勢相同，這是因為粘結試件破壞時鋼筋尚未屈服。

圖7 平均粘結應力-滑移曲線Fig.7 Average bond stress-slip curves

3 SFCRC與變形鋼筋的粘結滑移本構方程

圖8 SFCRC與變形鋼筋的粘結滑移本構模型Fig.8 Bond-slip constitutive model of SFCRC and deformed steel bar

將SFCRC的粘結滑移曲線與Haskett等[16]、Mo等[17]、徐有鄰等[18]、Harajli等[19]提出的粘結滑移本構模型對比，發現Mo等提出的三段式粘結滑移本構模型與本試驗絕大部分粘結滑移曲線較為相似。因此本文按照Mo等提出的粘結滑移本構模型將SFCRC與變形鋼筋的粘結滑移曲線分為三段，即上升段、下降段以及殘余段，SFCRC與變形鋼筋的粘結滑移本構模型如圖8所示，其計算模型如式(3)所示。因粘結試件自由端無約束，故鋼筋與SFCRC的相對滑移可直接取自由端兩位移計的平均值。

(3)

式中:τ表示粘結強度；τu為SFCRC的極限粘結強度；τr為SFCRC的殘余粘結強度，本文取τr=0.4τu；S表示自由端滑移值；Su為τu對應的自由端滑移值；Sr為τr對應的自由端滑移值；α為上升段待定系數。

按照式(3)給出的本構模型方程，利用Origin軟件中的非線性擬合工具，對SFCRC與變形鋼筋的自由端粘結滑移曲線的上升段待定系數α進行擬合，得到了不同鋼纖維體積率影響的SFCRC粘結-自由端滑移曲線的上升段待定系數α，并列于表4中。

表4 SFCRC粘結滑移曲線上升段待定系數擬合值Table 4 Fitting values of undetermined coefficients in the rising section of SFCRC bond slip curve

依據擬合得到的SFCRC粘結滑移曲線的上升段待定系數α，并結合式(3)粘結滑移三段式本構模型，得出了變形鋼筋與SFCRC的粘結-自由端滑移本構方程。

基體強度為C45的SFCRC，其與變形鋼筋的粘結滑移本構方程如下：

(1)當鋼纖維體積率為0%：

τ=26.079S0.190 80≤S≤0.688

(4)

(2)當鋼纖維體積率為0.5%：

(5)

(3)當鋼纖維體積率為1.0%：

(6)

(4)當鋼纖維體積率為1.5%：

(7)

按照式(3)計算模型推出的變形鋼筋與SFCRC的粘結-自由端滑移本構方程(4)～(7)與通過試驗得到的粘結-自由端滑移曲線進行對比，如圖9所示。未改性的橡膠混凝土粘結試件發生了劈裂破壞，只有上升段，因此只對上升段進行了對比。

從圖9中可以看出，模型曲線的上升段、殘余段與試驗曲線的上升段、殘余段吻合較好，除CR5SF0.5粘結試件的曲線下降段與模型曲線的下降段吻合不佳外，其與粘結試件均吻合良好，表明本文建議的本構模型與試驗曲線基本相同。

圖9 本構模型曲線與試驗曲線對比Fig.9 Comparison of constitutive model curves and test curves

4 結 論

通過4組局部粘結的中心拉拔試驗，對比分析了變形鋼筋與鋼纖維改性橡膠混凝土在不同鋼纖維體積率下的拉拔破壞模式、初始粘結強度、極限粘結強度、標準粘結強度以及平均粘結應力-滑移關系，可以得出如下結論：

(1)橡膠混凝土粘結試件發生劈裂破壞，鋼纖維改性橡膠混凝土試件主要發生劈裂-拔出和拔出破壞，鋼纖維的摻入顯著提高了粘結試件的韌性。

(2)隨著鋼纖維體積率的增加，SFCRC粘結試件的初始粘結強度、極限粘結強度以及標準粘結強度均呈現出先增加后降低的趨勢。鋼纖維的摻入對極限粘結強度影響比較大，而對初始粘結強度影響比較小。當鋼纖維體積率為1.0%時，鋼纖維對CRC粘結試件的粘結性能改性增強效果達到最佳。

(3)SFCRC與變形鋼筋的粘結滑移曲線由上升段、下降段以及殘余段組成。隨著鋼纖維體積率的增加，粘結滑移曲線的飽滿程度以及曲線的上升段斜率均增加。

(4)基于中心拉拔試驗數據，建立了SFCRC與變形鋼筋的粘結滑移本構模型，且模型曲線與試驗曲線吻合良好，該模型能為SFCRC在結構設計中提供一定的參考。