含粗骨料超高性能混凝土與鋼筋黏結性能研究

摘要：在超高性能混凝土（UHPC）中加入粗骨料可以有效地解決UHPC自身收縮大、成本高等問題.為了研究彎曲應力狀態下含粗骨料超高性能混凝土（UHPC-CA）與鋼筋的黏結性能，對12根UHPC-CA搭接梁式試件進行4點彎曲加載試驗，并采用鋼筋開槽粘貼應變片的方式測量了沿搭接鋼筋長度方向黏結應力，研究其分布規律.主要研究參數包括粗骨料粒徑、粗骨料含量、搭接長度以及保護層厚度.試驗結果表明，試件破壞以劈裂破壞為主.粗骨料對鋼筋的黏結性能具有雙重影響，一方面，骨料與鋼筋的互鎖機制能增強機械咬合力，提升黏結強度；另一方面，骨料的加入會增加材料的不均勻程度，對黏結性能產生不利影響.5～10 mm粒徑的骨料對黏結性能的影響比10～15 mm粒徑的骨料更顯著，當骨料含量達到800 kg/m3時，鋼筋黏結應力沿搭接長度方向的分布變得更均勻.增大鋼筋搭接長度和增加混凝土保護層厚度均能增強對黏結強度的保持作用，從而提高試件的峰后黏結強度.提出了考慮粗骨料特征參數的UHPC-CA劈裂黏結強度計算表達式，計算結果與試驗結果吻合良好.

關鍵詞：超高性能混凝土；粗骨料；黏結性能；梁式試驗；搭接

中圖分類號：TU375.1 文獻標志碼：A

超高性能混凝土是一種新型水泥基復合材料，通常由水泥、硅粉、細石英砂、高摻量減水劑和纖維構成，有時也包含其他輔助膠凝材料和粗骨料［1］.UHPC具有優越的力學性能，但其水灰比低，導致較高的體積收縮率，且表面容易產生早期干燥裂縫［2］.為了解決上述問題，學者們提出在UHPC中加入粗骨料［3］，形成含粗骨料超高性能混凝土（UHPC-CA），通過粗骨料的約束作用降低UHPC的自收縮以及早期開裂的風險.與此同時，由于粗骨料取代了一部分膠凝材料，可以在一定程度上降低UHPC材料的成本［3］.目前UHPC-CA 已在實際工程中得到了應用，包括南京第五長江大橋和上海松浦大橋等［4-5］.為了推廣UHPC-CA 在結構工程中的應用，研究鋼筋與UHPC-CA之間的黏結性能至關重要［6-7］.

Iqbal等［8］通過研究不同粒徑骨料對鋼筋與普通混凝土黏結性能的影響，發現當最大骨料粒徑小于10 mm時，鋼筋的黏結強度明顯降低.Walach［9］研究了骨料粒徑對普通混凝土和高強混凝土中鋼筋黏結性能影響的差異，結果表明普通混凝土中鋼筋黏結性能隨骨料粒徑的增大而降低，但在高強混凝土中骨料粒徑變化對黏結強度沒有明顯影響. 本課題組［10］改進了拔出試驗，并進一步探究了粗骨料的加入對拔出試件中鋼筋黏結性能的影響，試驗結果表明較小粒徑的粗骨料對黏結強度的提升幅度能達到14.49%［11］.

相較于短錨試驗，梁式搭接試驗更能反映實際結構中鋼筋的黏結狀態［12］.Maya 等［13］開展了UHPC節點區域鋼筋搭接黏結性能試驗研究，得出15倍鋼筋直徑的搭接長度能夠使試件達到理論抗彎強度.Valentim等［14］同時開展了短錨拔出試驗和梁式搭接試驗，探究了不同參數對鋼筋-UHPC黏結性能的影響.Bae等［15］研究了兩種類型的鋼纖維混合對鋼筋黏結性能的影響，結果表明兩種鋼纖維混合能夠提高鋼筋的黏結強度.Ronanki等［6］開展了拉拔試驗和梁式搭接試驗，發現鋼筋黏結應力沿長度方向分布不均勻.Liang等［7］開展了一系列梁式搭接試驗，探究鋼筋與UHPC的黏結性能，并提出劈裂黏結強度的計算表達式.Hung等［16］對16個全尺寸UHPC梁進行4點加載試驗，得出粗骨料能夠增強鋼筋與UHPC的黏結強度的結論.

已有的相關研究中并未考慮到不同骨料粒徑以及不同骨料含量的變化對UHPC和鋼筋黏結性能的影響.因此本文設計梁式搭接試驗，以探究彎曲應力狀態下鋼筋與UHPC-CA的黏結性能.主要研究參數包括粗骨料含量、粗骨料粒徑、鋼筋搭接長度以及鋼筋保護層厚度.研究不同參數對鋼筋與UHPC-CA黏結性能的影響.探究了不同骨料含量下鋼筋黏結應力沿鋼筋搭接方向的分布規律.并提出了考慮粗骨料特征參數的UHPC-CA 構件劈裂黏結強度計算表達式.

1 試驗概況

1.1 試件設計

本研究一共設計了12根梁式試件，試件梁的截面尺寸均為200 mm×300 mm，梁長度為1 500 mm，計算跨度為1 300 mm.所有試件均采用4點加載的方式進行試驗.鋼筋搭接段均設在試件純彎段內，以確保搭接鋼筋與周圍UHPC-CA基體在加載過程中均處于受拉的應力狀態.同時，為了使UHPC-CA梁表面裂縫數量足夠多，避免加載點位置處可能形成塑性鉸區域而對鋼筋-UHPC-CA黏結性能產生影響，純彎段的長度不宜小于搭接段長度與梁截面高度之和［17］.

梁底縱筋選用2根直徑16 mm的HRB600熱軋帶肋鋼筋，梁頂架立筋選用2 根直徑10 mm 的HRB500熱軋帶肋鋼筋.為探究UHPC-CA梁的劈裂破壞特征，鋼筋的搭接長度取為8db（db 為鋼筋直徑）［13］.位于搭接段外側的鋼筋從梁內一直延伸到梁外，并用PVC 管將鋼筋與UHPC-CA 隔開，鋼筋與PVC管之間的空隙用發泡膠進行填充，防止澆筑時UHPC流入PVC管［7，12］.在梁的剪跨段范圍內布置直徑為6 mm，間距為70 mm的HRB400級雙支箍筋.