超高韌性水泥基復(fù)合材料與銹蝕鋼筋的梁式黏結(jié)試驗(yàn)研究

侯利軍，郭 尚，周秉軒，陳 達(dá)

（河海大學(xué) 海岸災(zāi)害與防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

水工結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復(fù)雜，可能遭受凍融和侵蝕（如氯鹽、硫酸鹽等）作用，運(yùn)行多年后其力學(xué)與耐久性退化問題逐漸凸顯。在普通混凝土中摻加亂向分布的纖維，不僅能改善拉伸性能與韌性，而且可提高其抗?jié)B、抗凍融和抗化學(xué)侵蝕等耐久性能［1-2］。超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHTCC）是一種高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有顯著的拉伸應(yīng)變硬化特征和優(yōu)良的裂縫控制能力［3-4］，而且表現(xiàn)出良好的抗彎、抗剪等力學(xué)性能［3，5］，以及抗?jié)B、抗氯離子擴(kuò)散和裂縫自愈合等耐久性能［6-7］。同時(shí)，采用低縮復(fù)合水泥優(yōu)化配比后，收縮應(yīng)變可降低至150～240 μm/m，約為常規(guī)收縮的12%～20%［8-9］?？梢?，具有優(yōu)良力學(xué)與耐久性能的UHTCC可用于水工結(jié)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位，而且可作為高效抗侵蝕的水工結(jié)構(gòu)新材料用于受損構(gòu)件的修復(fù)加固，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

然而，對于采用鋼筋UHTCC的水工結(jié)構(gòu)構(gòu)件，盡管UHTCC能夠有效保護(hù)鋼筋，提高其抗侵蝕能力［10］，但在長期遭受氯鹽等侵蝕下，內(nèi)部鋼筋仍然可能發(fā)生一定程度的銹蝕，進(jìn)而影響UHTCC與鋼筋的界面黏結(jié)性能，甚至結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。中心拉拔黏結(jié)試驗(yàn)研究表明，銹蝕率低于3%時(shí)，鋼筋與UHTCC的黏結(jié)強(qiáng)度基本呈線性增大，銹蝕率在3%～5%時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度基本不變［11］。相比之下，約5.2%的銹蝕水平導(dǎo)致未約束鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度損失高達(dá)78%［12］；而在4%的銹蝕水平內(nèi)，受約束鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度基本沒有下降，銹蝕率超過6%后，黏結(jié)強(qiáng)度顯著退化［13］。此外，UHTCC控裂的RC/UHTCC復(fù)合梁的銹蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，UHTCC保護(hù)層顯著延緩了銹蝕進(jìn)程，延遲銹脹開裂，銹蝕復(fù)合梁仍有較高的剛度和承載力［14］。Hou等［15］模擬修復(fù)工況，進(jìn)一步研究了預(yù)銹蝕鋼筋與UHTCC的界面黏結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)銹蝕率在10%范圍內(nèi)，黏結(jié)強(qiáng)度基本不變，而達(dá)到約14%銹蝕水平時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度下降約19%。

然而，在實(shí)際梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，受拉區(qū)鋼筋與混凝土的黏結(jié)對結(jié)構(gòu)性能影響較大。該區(qū)域不僅縱向鋼筋受拉，而且周圍混凝土也處于受拉狀態(tài)。但在中心拉拔試驗(yàn)中，試件加載端面受到壓板的壓力作用，加載端部混凝土處于受壓狀態(tài)，其受力模式與實(shí)際梁柱等構(gòu)件中鋼筋與混凝土界面受力狀態(tài)有所不同。因此，為了更好地反應(yīng)實(shí)際受力狀態(tài)，本文以銹蝕率為參數(shù)，通過梁式界面黏結(jié)試驗(yàn)研究不同銹蝕程度鋼筋與UHTCC的黏結(jié)性能，分析銹蝕對黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)滑移特征及破壞模式等的影響效應(yīng)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件制備本文試驗(yàn)采用梁式黏結(jié)試件，共有試件8組，每組3個(gè)試件。梁式黏結(jié)試件由左右對稱的兩肢構(gòu)成，通過貫穿腹中的縱向鋼筋連為一體，并在梁跨中受壓區(qū)設(shè)置壓鉸支座，如圖1所示。試驗(yàn)梁的截面寬度100 mm，高度160 mm，跨長630 mm，跨中無基體區(qū)域長度46 mm，其它尺寸見圖1。所有試件均采用直徑為16 mm的HRB400級變形鋼筋。試驗(yàn)參數(shù)為鋼筋銹蝕率和基體材料。鋼筋目標(biāo)銹蝕率為0%、5%、10%、15%共4個(gè)等級，基體材料為UHTCC和普通混凝土。

黏結(jié)長度以根據(jù)規(guī)范計(jì)算的鋼筋混凝土梁平均裂縫間距確定，裂縫間距計(jì)算公式可以表示為［16］：

式中：lcr為平均裂縫間距；c為保護(hù)層厚度；deq為鋼筋等效直徑；ρte為按有效受拉混凝土面積計(jì)算的縱筋配筋率；ni、vi和di分別為第i種鋼筋的根數(shù)、相對黏性特征系數(shù)和直徑；As、Ap分別為受拉縱向普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積；Ate為有效混凝土面積，取為0.5bh，b、h為截面寬度和高度。

對于本文梁式混凝土構(gòu)件，保護(hù)層厚度c取為30mm，截面寬度和高度為100和160 mm，As為200.96 mm2，Ap為0，鋼筋的ni和di分別為1和16 mm，根據(jù)規(guī)范vi取值為1.0［16］。根據(jù)式（1）則可計(jì)算得到混凝土裂縫間距約為108 mm，故黏結(jié)長度取為7d=112 mm。同時(shí)，為了便于對比，UHTCC試件的黏結(jié)長度也取為7d。

本文試驗(yàn)試件以其中一肢作為黏結(jié)性能研究對象，另一肢設(shè)計(jì)為完全黏結(jié)形式。在左肢剪跨段中部設(shè)置長度為7d的黏結(jié)區(qū)，并在端部脫黏區(qū)套PVC管以控制黏結(jié)長度；右肢為鋼纖維混凝土，與鋼筋全部黏結(jié)。同時(shí)，為防止鋼纖維混凝土發(fā)生剪切破壞，加載試驗(yàn)時(shí)在剪跨段外置兩個(gè)鋼環(huán)箍。

普通混凝土用材料分別為水、普通硅酸鹽水泥（P.O 32.5）、砂、碎石，配合比為0.5∶1∶1.84∶2.5。鋼纖維混凝土的基體同普通混凝土，采用端鉤型鋼纖維，纖維體積摻量為0.5%。UHTCC用材料分別為水、膠凝材料、細(xì)砂和聚乙烯醇（PVA）纖維。其中，膠凝材料由普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）、粉煤灰等組成；纖維體積摻量為2.0%。表1匯總了2種纖維的基本參數(shù)。

表1 纖維材料參數(shù)

圖1 梁式試件形式（單位：mm）

圖2 UHTCC單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

試件在木模中分層澆注成型，初凝前在試件表面覆蓋塑料薄膜，硬化后脫模并在室外澆水養(yǎng)護(hù)28 d。同批次試件制備1組立方體試件用于測定抗壓強(qiáng)度。UHTCC采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試件，普通混凝土與鋼纖維混凝土采用100 mm×100 mm×100 mm試件，實(shí)測的UHTCC、普通混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為36.12、38.03和39.49 MPa。

同時(shí)，澆筑一組尺寸為350 mm×70 mm×13 mm的UHTCC薄板試件，測量其單軸拉伸性能。圖2所示為UHTCC的單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖2可見，UHTCC表現(xiàn)出顯著的拉伸應(yīng)變硬化特征，其極限拉應(yīng)變約為2.31%～2.85%。

按照基體材料、銹蝕率參數(shù)對試件編號。UHTCC簡寫為U，普通混凝土簡寫為C。鋼筋目標(biāo)銹蝕率與實(shí)際銹蝕率有一定差異，試件編號時(shí)以實(shí)測銹蝕率百分?jǐn)?shù)標(biāo)記，例如，試件U-10.87代表實(shí)際銹蝕率為10.87%的UHTCC試件。

2.2 腐蝕方案在試件的局部黏結(jié)區(qū)域布置塑料溶液盒，灌入濃度3.5%的氯化鈉溶液。采用外接直流電源的方式加速銹蝕，鋼筋接電源正極，不銹鋼電極棒接電源負(fù)極并置于溶液中。采用恒流通電模式，施加的腐蝕電流密度為200 μA/cm2。腐蝕結(jié)束后，拆除溶液盒，并清理表面銹蝕產(chǎn)物以準(zhǔn)備黏結(jié)試驗(yàn)。

2.3 加載試驗(yàn)方案黏結(jié)試驗(yàn)在300 kN電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)采用位移控制的加載方式，位移在0～8 mm內(nèi)時(shí)加載速率為0.5 mm/min，位移8 mm以上時(shí)加載速率為1.0 mm/min。在試驗(yàn)機(jī)加載板下方外接量程為100 kN的荷載傳感器測量施加的荷載。在加載端與自由端鋼筋端頭各夾持一個(gè)LVDT位移計(jì)，測量加載端與自由端鋼筋和基體材料的相對位移Sld、Sfe。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電腦連接同步采集。

2.4 鋼筋實(shí)際銹蝕率測定試驗(yàn)結(jié)束后，破壞試件，取出鋼筋并截取黏結(jié)段，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082-2009［17］規(guī)程測定待測鋼筋銹蝕率。首先清除黏結(jié)于鋼筋的混凝土或UHTCC基體，然后置于20℃環(huán)境下濃度為12%的鹽酸溶液中酸洗20 min，再取出分別用澄清石灰水與清水沖洗，烘干后測得銹蝕后質(zhì)量及長度，根據(jù)下式計(jì)算鋼筋實(shí)際銹蝕率：

式中：m0、l0分別為銹蝕鋼筋的初始質(zhì)量和全長；l1為截取鋼筋段的長度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

表2匯總了所有試件的試驗(yàn)結(jié)果，包括破壞形式、實(shí)際銹蝕率ρc、峰值荷載Pu、黏結(jié)強(qiáng)度τu和規(guī)則化黏結(jié)強(qiáng)度τr，u。基于彎矩平衡，梁式黏結(jié)試件的界面黏結(jié)應(yīng)力可通過下式計(jì)算：

式中：P為荷載，N；a為剪跨長度，mm；l為黏結(jié)長度，mm；hb為黏結(jié)鋼筋中心到球鉸中心豎向距離，mm；d為鋼筋公稱直徑，mm。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于鋼筋肋紋和不均勻的銹蝕，銹蝕鋼筋直徑難以準(zhǔn)確測定，同時(shí)在銹蝕對黏結(jié)性能影響的相關(guān)研究中，也均以未銹蝕鋼筋的初始直徑進(jìn)行表征［11-13］。因此，在本文仍然以未銹蝕鋼筋的公稱直徑表征銹蝕鋼筋的直徑。

需要指出，本文黏結(jié)應(yīng)力采用平均黏結(jié)應(yīng)力表示，這也是目前黏結(jié)性能研究中普遍采用的簡化方法［11-13，15，18］。若要更為準(zhǔn)確地測量不同位置的黏結(jié)應(yīng)力，通常方法是在鋼筋上開槽，每隔一定間距粘貼應(yīng)變片，測得不同位置鋼筋的拉應(yīng)變和拉應(yīng)力［18］。然后通過相鄰截面鋼筋的拉力和鋼筋與周圍基體的黏結(jié)力的內(nèi)力平衡，計(jì)算該區(qū)段的黏結(jié)應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)變片布置較為密集時(shí)，則可較為準(zhǔn)確地得到黏結(jié)應(yīng)力沿黏結(jié)長度的分布曲線。但是，在加速氯鹽侵蝕作用下，黏貼的應(yīng)變片可能遭受損傷或破壞，通過該方法準(zhǔn)確測量黏結(jié)應(yīng)力可能較為困難。

此外，基體材料的抗壓強(qiáng)度對黏結(jié)性能有一定影響，本文試驗(yàn)中UHTCC與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度存在差異。為了消除抗壓強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步將黏結(jié)應(yīng)力規(guī)則化［19］：

式中：fcu為UHTCC或混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。相應(yīng)地，規(guī)則化黏結(jié)強(qiáng)度τr，u則為τu/fcu0.5，MPa1/2。

3.1 腐蝕形態(tài)所有混凝土試件均在保護(hù)層底面或側(cè)面出現(xiàn)沿縱向鋼筋的銹脹裂縫，甚至半邊保護(hù)層松動(dòng)與脫落。然而，對于UHTCC試件，盡管銹蝕率高達(dá)16.15%，仍然未出現(xiàn)銹脹裂縫，UHTCC能夠有效限制銹脹開裂。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在銹蝕到一定程度后，從黏結(jié)區(qū)兩側(cè)的PVC管中滲出銹跡，可能在鋼筋周圍形成銹蝕產(chǎn)物排出通道，從而降低內(nèi)部的銹脹應(yīng)力。

圖3所示為不同基體中各銹蝕率下的鋼筋銹蝕形態(tài)，其均為接近氯鹽溶液一側(cè)的銹蝕鋼筋形態(tài)，即銹蝕嚴(yán)重的一側(cè)。由圖3可見，從左至右銹蝕率依次增大，鋼筋肋逐漸模糊，并伴有不同程度的銹坑。對比兩種材料下的銹蝕形態(tài)，可發(fā)現(xiàn)UHTCC中鋼筋銹蝕較為均勻，沿鋼筋縱向出現(xiàn)條紋狀銹跡，鋼筋肋損失較輕；而在普通混凝土中，銹蝕率小于10.73%時(shí)鋼筋肋紋較為清晰，銹蝕率更大時(shí)，鋼筋肋紋損失嚴(yán)重，并表現(xiàn)出嚴(yán)重的銹坑，至17%時(shí)，鋼筋肋基本消失。這是因?yàn)槠胀ɑ炷亮芽p開展至一定程度后，溶液直接滲入混凝土內(nèi)部，相當(dāng)于接近溶液的鋼筋一側(cè)直接暴露在氯鹽溶液中，因此銹蝕較為嚴(yán)重。相比之下，UHTCC能夠有效控制銹脹裂縫的發(fā)生與開展，氯離子只能通過擴(kuò)散滲入鋼筋表面，延緩了鋼筋銹蝕進(jìn)程，降低了局部坑蝕程度。此外，由圖3（a）可見，在鋼筋縱肋附近出現(xiàn)不同程度的縱向凹槽，而且隨著銹蝕率增大愈加明顯，該凹槽可能為銹蝕產(chǎn)物從PVC管排出的內(nèi)部通道。

圖3 不同銹蝕率下鋼筋銹蝕形態(tài)

3.2 試件破壞形態(tài)試驗(yàn)表現(xiàn)出4種破壞模式，分別為剪切、劈裂、剪切-劈裂和拔出破壞?；炷猎嚰l(fā)生脆性的破壞模式。未銹蝕試件發(fā)生剪切破壞，表現(xiàn)為在荷載達(dá)到峰值時(shí)，突然形成穿過黏結(jié)區(qū)的斜裂縫，將黏結(jié)區(qū)分為左右兩部分，黏結(jié)力轉(zhuǎn)而由裂縫右邊靠自由端一側(cè)黏結(jié)區(qū)承擔(dān)，黏結(jié)錨固不足而發(fā)生剪切破壞。銹蝕較輕或中度銹蝕時(shí)，試件僅出現(xiàn)底面銹脹裂縫，破壞時(shí)或者表現(xiàn)為剪切破壞，或者為斜裂縫與水平界面劈裂裂縫的復(fù)合開裂形態(tài)，即剪切-劈裂破壞。銹蝕嚴(yán)重時(shí)，試件側(cè)面也出現(xiàn)銹脹裂縫，加載時(shí)該裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展為界面劈裂裂縫，并沿該裂縫發(fā)生界面脫黏，表現(xiàn)為劈裂破壞。圖4所示為典型的混凝土試件破壞形態(tài)。

圖4 普通混凝土典型試件破壞形態(tài)

所有UHTCC試件均發(fā)生拔出破壞。加載初期，加載端微小滑移，自由端保持不變，試件側(cè)面并未產(chǎn)生裂縫，隨著荷載增大，試件底面靠近支座附近逐漸產(chǎn)生數(shù)條彎曲裂縫，并延伸至側(cè)面。待加載過峰值荷載后，側(cè)面斜裂縫和底面的界面裂縫同時(shí)迅速開展，斜裂縫向加載點(diǎn)受壓區(qū)發(fā)展，形成多束細(xì)密的裂縫形態(tài)，界面裂縫由自由端逐漸向加載端發(fā)展，形成與縱筋平行或斜交的劈裂裂縫，直至鋼筋從UHTCC中拔出。盡管UHTCC和混凝土試件均有斜裂縫擴(kuò)展，但是UHTCC的纖維橋接作用和良好的裂縫控制能力有效約束了斜裂縫的擴(kuò)展，從而避免了脆性剪切破壞，而發(fā)生延性的拔出破壞。這也表明纖維橋接作用遠(yuǎn)高于混凝土斜裂縫上的骨料咬合作用，可以替代部分橫向腹筋，這也與Hou等［5］的RUHTCC梁剪切試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5所示為不同銹蝕率典型UHTCC試件的破壞形態(tài)。由圖5可見，銹蝕率低于約11%時(shí)，呈現(xiàn)出多束斜裂縫形態(tài)，最大斜裂縫寬度基本穩(wěn)定在0.12～0.14 mm，同時(shí)底面的界面裂縫寬度逐漸減小，最大裂縫寬度從0.64 mm降至0.20 mm。當(dāng)銹蝕率達(dá)約16%時(shí)，側(cè)面斜裂縫和底面界面裂縫僅輕微擴(kuò)展，裂縫條數(shù)顯著減少，裂縫最大寬度為0.04 mm。這可以歸結(jié)于，隨著銹蝕率的增大，鋼筋表面銹蝕嚴(yán)重，肋銹損傷加劇，鋼筋與UHTCC黏結(jié)位置處的應(yīng)力集中程度降低，弱化了斜裂縫和底面界面裂縫的局部化擴(kuò)展，故裂縫寬度隨銹蝕率增大而減?。辉阡P蝕嚴(yán)重時(shí)，界面黏結(jié)力嚴(yán)重退化，相應(yīng)的斜截面主拉應(yīng)力和應(yīng)變減小，不足以引起多束斜裂縫擴(kuò)展模式。

圖5 不同銹蝕率下側(cè)面及底面破壞形態(tài)對比

3.3 黏結(jié)-滑移曲線圖6所示為不同銹蝕率鋼筋與UHTCC的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線。需要指出，在加載過程中，鋼筋撓曲變形，夾持于加載端的LVDT隨著鋼筋彎曲變形為旋轉(zhuǎn)，因此加載端LVDT所測相對滑移試件的撓曲相關(guān)，低估了該位置處的實(shí)際滑移。另外，自由端所測滑移同樣也低估了實(shí)際滑移值。這是因?yàn)樵诩虞d過程中，加載端早于自由端發(fā)生滑移，在自由端與加載端同步滑移之前，自由端LVDT不能監(jiān)測該階段的滑移。相比而言，自由端滑移相對更適用于表征鋼筋與基體之間的滑移。此外，混凝土試件在峰值荷載時(shí)，試件突然破壞，鋼筋劇烈震動(dòng)，導(dǎo)致夾持于鋼筋自由端的LVDT測桿連接點(diǎn)被震斷。因此，混凝土試件僅測得荷載，而未得到自由端滑移。但是，可以推測其上升段應(yīng)該與UHTCC試件基本相近。

由圖6可見，UHTCC試件的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線呈明顯的微滑移段、滑移段、破壞段、下降段和殘余段5個(gè)階段。在自由端發(fā)生滑移前，滑移很小，處于微滑移段；自由端脫黏開始滑移后，滑移快速增大，進(jìn)入滑移段；試件達(dá)到峰值荷載時(shí)，斜裂縫顯著擴(kuò)展，試件底面界面裂縫開展，荷載發(fā)生突降，進(jìn)入破壞段；開裂后，斜裂縫和界面裂縫穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展，隨著滑移的增大，黏結(jié)應(yīng)力平緩減小，進(jìn)入下降段；當(dāng)滑移至6～8 mm時(shí)，黏結(jié)應(yīng)力趨于穩(wěn)定，進(jìn)入殘余段。

圖6 黏結(jié)應(yīng)力與滑移關(guān)系曲線

圖7 黏結(jié)強(qiáng)度與銹蝕率關(guān)系曲線

由圖6還可見，所有試件的初始黏結(jié)剛度基本一致，不同銹蝕程度下的下降段趨勢基本相當(dāng)。對于規(guī)則化殘余黏結(jié)應(yīng)力，除試件U-10.87為1.0以外，其余試件基本均為0.67左右。這是因?yàn)檫M(jìn)入殘余段后，鋼筋肋間填充的UHTCC材料基本剪斷，機(jī)械咬合力基本消失，此時(shí)黏結(jié)應(yīng)力主要取決于銹蝕鋼筋及肋間基體與周圍基體材料間的摩擦力，因此殘余黏結(jié)應(yīng)力較為接近。

3.4 黏結(jié)強(qiáng)度圖7所示為界面黏結(jié)強(qiáng)度隨銹蝕率的變化曲線。由圖7可見，對于普通混凝土，黏結(jié)強(qiáng)度隨銹蝕率的增大而下降，至銹蝕率為10%時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度損失達(dá)57%，而后趨于穩(wěn)定，銹蝕率為17%時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度略有上升。對照圖2的鋼筋銹蝕形態(tài)，可發(fā)現(xiàn)銹蝕率為17%時(shí)，鋼筋肋基本銹平，而且伴有大面積的銹坑，鋼筋表面較銹蝕率10%～12%試件更為粗糙，因此黏結(jié)強(qiáng)度有所提高。

對于UHTCC試件，隨著銹蝕率增大，黏結(jié)強(qiáng)度先增大后逐漸減小，銹蝕率約9%時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度提高達(dá)64%，銹蝕率達(dá)約16%時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度損失5%。此外，相比于未銹蝕UHTCC試件的黏結(jié)強(qiáng)度，在約14%銹蝕范圍內(nèi)，銹蝕試件的黏結(jié)強(qiáng)度沒有下降。也就是說，UHTCC試件的黏結(jié)強(qiáng)度劣化的臨界銹蝕率高達(dá)14%，遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。在加速銹蝕時(shí)，銹蝕產(chǎn)物堆積于鋼筋與混凝土之間，增大了鋼筋與UHTCC間的機(jī)械咬合力，而UHTCC又有效抑制了銹脹裂縫的產(chǎn)生，從而使黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)。在銹蝕達(dá)一定程度后，銹蝕鋼筋表面出現(xiàn)沿縱向的銹坑，與周圍UHTCC產(chǎn)生縫隙，銹蝕產(chǎn)物沿此通道滲出，此后機(jī)械咬合力逐漸降低，黏結(jié)強(qiáng)度逐漸下降。

對比表2普通混凝土與UHTCC試件的規(guī)則化黏結(jié)強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，鋼筋未銹蝕時(shí)，普通混凝土試件的黏結(jié)強(qiáng)度約為UHTCC試件的2倍。這是因?yàn)楸疚脑嚰艨绫葍H為1.79，荷載主要通過梁的拱作用機(jī)理傳遞。拱作用機(jī)理主要受基體抗壓強(qiáng)度和縱筋的黏結(jié)錨固控制，本文試驗(yàn)中混凝土和UHTCC的抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，那么承載能力主要決定于鋼筋與基體之間的黏結(jié)能力。在剪跨比小于2.0的短梁中，支座反力有效約束了延鋼筋的縱向劈裂裂縫擴(kuò)展，從而使得含有粗骨料的混凝土與鋼筋間的機(jī)械咬合作用充分發(fā)揮，其咬合作用高于僅含有精細(xì)砂的UHTCC，導(dǎo)致更高的界面黏結(jié)強(qiáng)度?？梢?，在小剪跨比下，鋼筋與基體材料的黏結(jié)性能主要決定于咬合效應(yīng)，而UHTCC的高延性特征并不能提高其與鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度，僅能抑制裂縫開展和改善破壞模式。但是，對于剪跨比較大的情況，梁作用機(jī)理為主要傳力機(jī)制，拱作用影響較小，支座反力的約束作用顯著減小。在同等黏結(jié)參數(shù)下，黏結(jié)強(qiáng)度主要決定于材料的劈拉性能，而骨料尺寸對黏結(jié)性能的影響預(yù)計(jì)會(huì)減弱，但尚需進(jìn)一步開展相關(guān)試驗(yàn)研究驗(yàn)證這一推測。

此外，對于剪跨比較小的鋼筋混凝土短梁和深梁，混凝土中的骨料咬合效應(yīng)能夠提供較高的黏結(jié)強(qiáng)度，從而可以考慮降低對端部錨固的要求。相比之下，對于鋼筋UHTCC短梁，則仍然需要足夠的端部錨固以避免脫黏破壞。

3.5 黏結(jié)韌性UHTCC的高延性將混凝土試件脆性的剪切或劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有缘陌纬銎茐模蟠筇岣吡损そY(jié)韌性。本文借鑒ASTMC1609［20］建議的纖維混凝土材料彎曲韌性評價(jià)方法，采用黏結(jié)-滑移曲線的下包面積表征滑移過程中的能量耗散，即黏結(jié)韌性：

式中，Si為目標(biāo)的滑移參考點(diǎn)，分別取為相應(yīng)于峰值黏結(jié)應(yīng)力處的滑移，以及曲線下降段中的3、5、8和15 mm滑移點(diǎn)，以覆蓋整個(gè)曲線下降段。相應(yīng)地，各滑移參考點(diǎn)處的黏結(jié)韌性指標(biāo)依次表征為Ap、A3、A5、A8和A15。

圖8給出了不同銹蝕程度下典型試件的黏結(jié)韌性指標(biāo)。由圖8可見，黏結(jié)韌性隨銹蝕率的變化規(guī)律與黏結(jié)強(qiáng)度相似。黏結(jié)韌性隨銹蝕率先增大后減小，在銹蝕率11%時(shí)達(dá)到最大值，約為未銹蝕試件的1.47倍。同時(shí)，銹蝕率達(dá)16%時(shí)，黏結(jié)滑移曲線的下降段最為平緩，黏結(jié)韌性較未銹蝕試件僅下降5%。可見，在16%銹蝕范圍內(nèi)，銹蝕對鋼筋與UHTCC的黏結(jié)韌性基本沒有影響，UHTCC良好的延性性能保證了良好的黏結(jié)耗能能力。

圖8 不同銹蝕率下UHTCC試件的黏結(jié)韌性

4 結(jié)論

本文通過銹蝕鋼筋與UHTCC和混凝土的梁式界面黏結(jié)試驗(yàn)，研究了銹蝕對兩種材料與鋼筋黏結(jié)性能的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：（1）UHTCC試件在銹蝕過程中均未產(chǎn)生銹脹裂縫，鋼筋銹蝕較為均勻，肋紋損傷較輕。普通混凝土試件產(chǎn)生不同程度的銹脹裂縫，在高銹蝕下鋼筋直接暴露于氯鹽溶液中，鋼筋肋紋損傷嚴(yán)重，且局部坑蝕嚴(yán)重；（2）普通混凝土試件破壞形式與銹脹裂縫形態(tài)有關(guān)，發(fā)生脆性的剪切或劈裂破壞。在UHTCC試件中，纖維橋接作用有效約束了斜裂縫的擴(kuò)展，所有試件均發(fā)生延性的拔出破壞，同時(shí)在銹蝕率低于約11%時(shí)，表現(xiàn)出多束斜裂縫擴(kuò)展形態(tài)；（3）對于未銹蝕試件，普通混凝土試件的黏結(jié)強(qiáng)度約為UHTCC試件的2倍，這主要?dú)w因于小剪跨比下支座壓力限制了沿鋼筋劈裂裂縫的發(fā)展，提高了混凝土與鋼筋的機(jī)械咬合作用；（4）普通混凝土與鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度隨銹蝕率增加而降低，銹蝕率在10%以上時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定。對于UHTCC試件，在銹蝕率約14%范圍內(nèi)，黏結(jié)強(qiáng)度基本沒有下降，銹蝕率達(dá)約16%時(shí)僅下降約5%。同時(shí)，在約9%銹蝕率時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值，約為未銹蝕試件的1.64倍；（5）隨著銹蝕率的增加，黏結(jié)韌性同黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律類似，在銹蝕率約11%時(shí)達(dá)到最大值，銹蝕率約16%時(shí)，黏結(jié)韌性損失僅為5%。