PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

鄧軼涵，劉曙光，張菊，王玉清，成芳

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051; 3.赤峰學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰 024000)

PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

鄧軼涵1，劉曙光2，張菊2，王玉清1，成芳3

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051; 3.赤峰學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰 024000)

為了進(jìn)一步在工程中應(yīng)用PVA纖維水泥基復(fù)合材料，通過拉拔試驗(yàn)，研究PVA纖維水泥基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、纖維體積摻量、鋼筋錨固長度、相對保護(hù)層厚度對PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋平均黏結(jié)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的平均黏結(jié)強(qiáng)度在纖維體積摻量為1.71% 時最大;PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的平均黏結(jié)強(qiáng)度隨相對錨固長度的增加而減小;PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的平均黏結(jié)強(qiáng)度隨相對保護(hù)層厚度的增加而增加，但存在一個臨界值，在4.19～5.75之間。最后回歸得出了PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的平均黏結(jié)強(qiáng)度計算公式，與試驗(yàn)值吻合較好。

PVA纖維 水泥基復(fù)合材料 鋼筋 平均黏結(jié)應(yīng)力 滑移量 黏結(jié)強(qiáng)度

自聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，簡稱PVA)纖維水泥基復(fù)合材料問世以來，以強(qiáng)度高、韌性好、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣大學(xué)者和研究人員的重視，并取得了一系列研究成果［1－3］。同時給既有結(jié)構(gòu)加固、改造領(lǐng)域帶來了機(jī)遇。Xu B等［4］研究了PVA－ECC的抗沖擊性能，由于PVA纖維與基體之間具有良好的黏結(jié)性能，摻入PVA纖維后抗沖擊性能得到顯著改善。?ahmaran M等［5］分析了粉煤灰和PVA纖維對水泥基材料微觀損傷和性能劣化的影響，得出摻入PVA纖維可降低高溫作用下材料的剝落程度，而摻入粉煤灰能夠改善材料的耐久性能。Gustavo J等［6］研究了在位移變化作用下PVA－FRCC彎曲構(gòu)件的變形能力和剪切強(qiáng)度，得出所有PVA－FRCC試驗(yàn)試件，無論有無橫向鋼筋，都具有穩(wěn)定的≥4% 的變形能力;而所有PVAFRCC試件在剪切應(yīng)力＞0.30作用下，表現(xiàn)出剪切延性的失效或是嚴(yán)重的衰減性能。

實(shí)際工程中，PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋之間的黏結(jié)作用是保證該類新型結(jié)構(gòu)正常工作的基礎(chǔ)，然而由于材料的不同，對普通混凝土與鋼筋間的黏結(jié)機(jī)理是否同樣適用于PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋，還有待進(jìn)一步考證。基于此，本文對PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的黏結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)合42個試件的荷載—滑移曲線的分析，提出了特征黏結(jié)—滑移模式，回歸得到了平均黏結(jié)強(qiáng)度的計算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)PVA纖維體積摻量為0，0.5% ，1.0% ，2.0% ，前三者試件的水膠比為0.26，而纖維體積摻量為2.0% 試件的水膠比為0.28。采用內(nèi)蒙古冀東水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級水泥，Ⅰ級粉煤灰為內(nèi)蒙古達(dá)旗建材公司生產(chǎn)，細(xì)骨料為70～140目優(yōu)質(zhì)石英砂，增稠劑為山東生化公司生產(chǎn)，型號為MK－100000S。高效減水劑采用大連西卡建材公司生產(chǎn)的高效減水劑。高效消泡劑為北京金亮博科技有限公司生產(chǎn)的JXPT－1206。PVA纖維采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的K－Ⅱ可樂綸，特性如表1所示。選用包頭鋼鐵有限責(zé)任公司生產(chǎn)的變形鋼筋。

1.2 PVA纖維水泥基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度測試

為了得到PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，對纖維體積摻量分別為0，0.5% ，1.0% ，2.0% 的4組試件進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)。試件截面尺寸20 mm× 100 mm，長500 mm。為防止試件兩端受壓破壞以及使拉力傳遞均勻，在試件兩端用角磨機(jī)打磨后粘貼3 mm厚的鋁板，再利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

表1 PVA纖維特性

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到的材料抗拉強(qiáng)度擬合曲線如圖1所示?？梢?，在一定范圍內(nèi)，隨著纖維體積摻量Vf的增加，PVA纖維水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度ft有逐漸增大的趨勢。擬合后的關(guān)系式為

圖1 纖維體積摻量對抗拉強(qiáng)度的影響

1.3 拉拔試件設(shè)計

試件形式為國內(nèi)外普遍采用的中心拉拔試件。尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件;鋼筋總長度為400 mm，拉拔端長度為200 mm，自由端長度為50 mm。具體尺寸如表2所示。試件制作過程中，為了避免試件在受力過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中與實(shí)際結(jié)構(gòu)中鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)差別大，影響試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，同時也為了消除端部效應(yīng)，在鋼筋兩端一定長度內(nèi)用PVC套管將二者隔離(見圖2)。此外，夾具上端設(shè)有穿心球鉸以避免鋼筋偏斜引起的撕裂和偏心受拉，參見圖3。

表2 試件設(shè)計

圖2 試件(單位:mm)

1.4 加載與測試

本試驗(yàn)使用1 000 kN萬能試驗(yàn)機(jī)加載。為配合本試驗(yàn)特別制作加載架(如圖3所示)，以便放置試件并提供反力、安裝拉壓力傳感器。在鋼筋的自由端和加載端各安裝兩個位移傳感器，用于量測加載端和自由端鋼筋相對于PVA纖維水泥基的滑移量。試驗(yàn)采用等速位移控制，加載速率為1 mm/min。各試件加載結(jié)束的標(biāo)志為鋼筋拔出或基體開裂。

圖3 加載架示意

如圖2所示，CD段鋼筋受拉拔荷載作用產(chǎn)生的非滑移變形(因?yàn)镃D段鋼筋長度相對較長)，在加載端滑移計算時應(yīng)該減去加載端lCD段材料本身的變形，如式

則平均滑移量s=(s1+sf)/2，鋼筋的平均黏結(jié)應(yīng)力τ=P/(πdla)。

式中:s1為加載端實(shí)際滑移量;sf為自由端實(shí)測滑移量為儀器量測加載端滑移量;P為拉拔力;lCD為加載端夾頭距黏結(jié)起始端距離;Es為鋼筋彈性模量，As為鋼筋有效截面面積;d為鋼筋直徑;la為錨固長度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)影響分析

2.1 黏結(jié)應(yīng)力—滑移量關(guān)系曲線

圖4所示為試件F1－12－50的黏結(jié)應(yīng)力—滑移量關(guān)系曲線。其中，黏結(jié)應(yīng)力為平均黏結(jié)應(yīng)力τ，滑移量為加載端滑移量與自由端滑移量的平均值，即前述s。

圖4 試件F1－12－50的τ－s關(guān)系曲線

可以將滑移破壞過程分為以下幾個階段:

1)上升段(OA)。①線性階段:從加載開始到鋼筋加載端開始滑移的階段(在峰值黏結(jié)應(yīng)力的60% 左右)，加載端滑移量很小，自由端尚未開始滑移(幾乎為0)，滑移量與平均黏結(jié)應(yīng)力的關(guān)系接近90°直線。可以認(rèn)為，此階段鋼筋與PVA纖維水泥基復(fù)合材料之間處于完全黏結(jié)狀態(tài)，黏結(jié)界面剛剛開始受剪，主要由化學(xué)膠著力抵抗因加載產(chǎn)生的滑移變形。②非線性階段:隨著荷載的增加，平均黏結(jié)應(yīng)力不斷增大，當(dāng)達(dá)到峰值黏結(jié)應(yīng)力的60% 以后，首先在加載端出現(xiàn)局部脫黏現(xiàn)象，逐漸由加載端沿鋼筋與PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的黏結(jié)界面向縱向深處發(fā)展，滑移量增加的速度加快，黏結(jié)—滑移表現(xiàn)為非線性關(guān)系。

2)下降段(AB)。荷載達(dá)到峰值后，加載端和自由端的滑移量均大幅增加，機(jī)械咬合力開始逐漸喪失，荷載下降，鋼筋開始從加載端拔出。纖維體積摻量低的試塊發(fā)生劈裂現(xiàn)象，荷載突然下降，破壞突然，脆性大;而纖維體積摻量高的試塊，荷載下降較慢且相對平緩，鋼筋拔出的速度緩慢，表現(xiàn)出良好的黏結(jié)性能。

3)殘余段(BC)。當(dāng)荷載下降到一定程度時，滑移量大幅增加，平均黏結(jié)應(yīng)力并沒有完全消失，而是進(jìn)入殘余階段。平均黏結(jié)應(yīng)力主要由鋼筋表面與PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料之間的摩阻力組成。由于變形鋼筋肋的存在，使摩擦力在相鄰肋之間少許增加又下降，連續(xù)起來就形成周期性衰減。對于纖維體積摻量較低的試塊，平均黏結(jié)應(yīng)力在相鄰肋之間增加又下降的過程比較突然，殘余段曲線呈鋸齒形;而對于纖維體積摻量較高的試塊，平均黏結(jié)應(yīng)力在相鄰變形肋之間增加又下降的過程比較平緩，殘余段曲線呈波浪形。

2.2 PVA纖維體積摻量的影響

在相同鋼筋直徑、錨固長度和保護(hù)層厚度的條件下，本文探討了PVA纖維體積摻量的影響。

平均黏結(jié)強(qiáng)度與纖維體積摻量之間的關(guān)系見式(2)和圖5。

式中:τu為PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的平均黏結(jié)強(qiáng)度;Vf為纖維體積摻量。

圖5 纖維體積摻量對平均黏結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖5可以看出:平均黏結(jié)強(qiáng)度隨著PVA纖維體積摻量的增加而提高，纖維摻量的提高可有效抑制試件的開裂，有助于提高平均黏結(jié)強(qiáng)度。這是因?yàn)镻VA纖維水泥基復(fù)合材料中亂向分布的纖維對周圍水泥基復(fù)合材料基體產(chǎn)生類似于箍筋的環(huán)箍效應(yīng)。由于纖維的阻裂作用，使水泥基復(fù)合材料具有更大的變形能力，抑制因斜向擠壓力產(chǎn)生的內(nèi)部裂縫的發(fā)展。當(dāng)Vf= 1.71% 時平均黏結(jié)強(qiáng)度最高。當(dāng)Vf＞1.71% 時，界面處的纖維增多，雖然可以抑制內(nèi)部裂縫的發(fā)展，但是卻增加了界面處黏結(jié)破壞的幾率，綜合來看，平均黏結(jié)強(qiáng)度下降。

2.3 相對錨固長度的影響

相對錨固長度與相對黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系見式(3)及圖6。

式中:ft為試件的抗拉強(qiáng)度;τu/ft為相對黏結(jié)強(qiáng)度; la/d為相對錨固長度。

由圖6可以看出，在纖維體積摻量、鋼筋直徑、保護(hù)層厚度相同的條件下，隨著相對錨固長度的增加，極限荷載增大，但是平均黏結(jié)應(yīng)力減小。這是因?yàn)閼?yīng)力拱的作用產(chǎn)生了黏結(jié)應(yīng)力峰值效應(yīng)。黏結(jié)應(yīng)力沿錨固長度的分布是不均勻的，而且錨固長度越長，黏結(jié)應(yīng)力的分布越不均勻，極限黏結(jié)應(yīng)力和平均黏結(jié)應(yīng)力的差值就越大。相對錨固長度較長時，高應(yīng)力區(qū)相對較窄，導(dǎo)致平均黏結(jié)應(yīng)力較低。相對錨固長度較短時，高應(yīng)力區(qū)相對較寬，平均黏結(jié)應(yīng)力相對較高。

圖6 相對錨固長度對相對黏結(jié)強(qiáng)度的影響

2.4 相對保護(hù)層厚度的影響

變形鋼筋錨固破壞是以劈裂為先導(dǎo)，保護(hù)層越厚，對基體的約束作用就越大，劈裂破壞就有可能推遲甚至不發(fā)生，所以混凝土保護(hù)層厚度也是影響?zhàn)そY(jié)性能的重要因素。

相對保護(hù)層厚度與相對黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系見式(4)及圖7。

式中:τu/ft為相對黏結(jié)強(qiáng)度;c/d為相對保護(hù)層厚度。

圖7 相對保護(hù)層厚度對相對黏結(jié)強(qiáng)度的影響

根據(jù)鋼筋混凝土黏結(jié)理論［7］，對于螺紋鋼，當(dāng)相對保護(hù)層厚度c/d(保護(hù)層厚度與鋼筋直徑之比)＞4時，黏結(jié)應(yīng)力不再提高。如圖7所示，c/d分別為5.75，4.19，3.25。參考鋼筋混凝土黏結(jié)理論可推斷，鋼筋與PVA纖維水泥基復(fù)合材料的黏結(jié)也存在一個臨界相對保護(hù)層厚度(c/d)cr，在4.19～5.75之間，＜(c/d)cr時，平均黏結(jié)強(qiáng)度隨保護(hù)層厚度的增大而提高，≥(c/d)cr時，平均黏結(jié)強(qiáng)度將不再增長。

3 PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的平均黏結(jié)強(qiáng)度計算公式

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮PVA纖維水泥基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、相對錨固長度、相對保護(hù)層厚度等因素的影響，回歸得到PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的平均黏結(jié)強(qiáng)度計算公式為

式中:c/d≥4.2時，取c/d=4.2;ft=ftk/γc，ftk為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，γc為分項(xiàng)系數(shù)，取1.4。利用式(5)的計算值τu與試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行比較，得平均值μ =0.970，變異系數(shù)δ=0.145。

4 結(jié)論

1)PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋拉拔至破壞的受力過程可分為上升段、下降段和殘余段，上升段分為線性階段和非線性階段。

2)通過42個錨固構(gòu)件的拉拔試驗(yàn)，詳細(xì)分析了PVA纖維水泥基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、相對錨固長度、相對保護(hù)層厚度等因素對平均黏結(jié)強(qiáng)度的影響。在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，回歸得到了PVA纖維水泥基復(fù)合材料與鋼筋的平均黏結(jié)強(qiáng)度計算公式，計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

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Experimental study on bond strength between PVA(Polyvinyl Alcohol) fiber reinforced cement-based composite material and steel bar

DENG Yihan1，LIU Shuguang2，ZHANG Ju2，WANG Yuqing1，CHENG Fang3
(1.School of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot Inner Mongolia 010051，China; 2.School of Mining and Technology，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot Inner Mongolia 010051，China; 3.Chifeng University，Chifeng Inner Mongolia 024000，China)

For further application of PVA fiber cement－based composites in engineering，the influence of PVA fiber cement－based composites tensile strength，fibers volume fraction，anchorage length of steel bar and relative protective thickness on PVA fiber cement－based composites and average bonding strength of steel bar by pull－out test.The results showed that average bond strength of PVA fiber cement－based composites and steel bar is maximal when fiber volume fraction is 1.71% ，average bond strength of PVA fiber cement－based composites and steel bar decreases with relative anchorage length increasing and increases with the increasing of relative protective thickness，the critical value of which is between 4.19 and 5.75.Average bond strength calculation equation of PVA fiber cement－based composites and steel bar was concluded，which is in good agreement with test values.

PVA fiber;Cement－based composites;Steel bar;Average bonding stress;Slippage;Bond strength

TU528.58

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.37

(責(zé)任審編 孟慶伶)

1003－1995(2015)10－0167－05

2015－03－26;

2015－07－28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51168033，51368041);內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2012MS0706，2013MS0709);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY13104)

鄧軼涵(1988—)，女，碩士研究生。