型鋼高性能纖維混凝土粘結(jié)滑移性能試驗(yàn)研究

明 銘，鄭山鎖,2，鄭 淏，賀金川，董立國(guó)，宋明辰

(1. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西，西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西，西安 710055；3. 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西，西安 710055 )

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)因承載力高、剛度大、抗震性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用。良好的粘結(jié)性能是保證兩種不同性質(zhì)的材料協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)[1 ? 4]。既有研究表明，因型鋼表面較光滑，與混凝土的粘結(jié)力較小[5 ? 6]，在荷載作用下材料的界面間易發(fā)生相對(duì)滑移，制約了型鋼高延性和混凝土高抗壓強(qiáng)度能力的充分發(fā)揮，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能[7 ? 8]。鑒于此，為保證型鋼與混凝土間的協(xié)同工作，研發(fā)與型鋼界面間粘結(jié)性能優(yōu)異的高延性混凝土是充分發(fā)揮型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢(shì)的有效途徑，對(duì)進(jìn)一步推廣型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)具有重要意義。

在混凝土中添加不連續(xù)的延性纖維能夠顯著提升混凝土的抗拉、抗剪強(qiáng)度和斷裂韌性，改善其脆性特征。工程中常用的聚乙烯醇纖維[9 ? 10]、聚丙烯纖維[11]或鋼纖維[12 ? 16]對(duì)混凝土的工作性能影響較大，且難以用于摻有較大粒徑粗骨料的混凝土中。纖維素纖維是由高寒地區(qū)特殊植物制備的新一代高性能纖維，已有研究結(jié)果表明[17 ? 20]，纖維素纖維具有高強(qiáng)高彈性模量、良好的親水性和體積分散性，將這種短切纖維添加到混凝土中，可以在不影響粗骨料使用的前提下，改善因混凝土強(qiáng)度增加而脆性明顯等問題。

型鋼與混凝土界面間的粘結(jié)性能與混凝土材料的密實(shí)性相關(guān)。已有研究表明[21]，將硅灰等活性礦物摻合料添加到混凝土中，能顯著提高混凝土材料的致密性，進(jìn)而增強(qiáng)型鋼與混凝土的粘結(jié)性能。但現(xiàn)階段硅灰產(chǎn)量小、價(jià)格高的問題導(dǎo)致其難以滿足工程的大量需求。國(guó)外學(xué)者首先對(duì)稻殼展開了較系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，稻殼在適當(dāng)條件下經(jīng)焚燒、研磨制成的稻殼灰中含有90%～96%的SiO2，化學(xué)組分跟硅灰極為接近，能夠在一定程度上取代硅灰[22 ? 23]。

在混凝土中摻加纖維素纖維和稻殼灰，可制備出具有高強(qiáng)度、高工作性及高韌性的高性能纖維混凝土。將高性能纖維混凝土用于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)中，首先需要對(duì)型鋼與高性能纖維混凝土間的粘結(jié)性能進(jìn)行深入研究。課題組經(jīng)過前期的研究對(duì)材料配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備出高性能纖維混凝土[24]。本文以不同強(qiáng)度的高性能纖維混凝土、型鋼保護(hù)層厚度以及型鋼錨固長(zhǎng)度為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)并制作了10 個(gè)型鋼高性能纖維混凝土試件，采用推出試驗(yàn)方法，對(duì)型鋼與高性能纖維混凝土之間粘結(jié)滑移性能進(jìn)行揭示。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了10 個(gè)型鋼高性能纖維混凝土推出試件，截面特征見圖1。型鋼采用普通熱軋工字鋼I10，縱筋采用直徑14 mm 的HRB335 級(jí)鋼，箍筋采用直徑6 mm 的HPB300 級(jí)鋼；高性能纖維混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C40、C50、C60、C70，水泥采用秦嶺P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用中粗河沙，粗骨料采用粒徑為5 mm～20 mm均勻級(jí)配碎石，聚羧酸系高效減水劑按1.0%～1.5%水泥質(zhì)量比例摻入城市自來水，各材料組分見表1。本試驗(yàn)采用的稻殼灰系安徽省某保溫材料廠生產(chǎn)，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.2%，燒失量為3.90%，其化學(xué)組分與硅灰接近；纖維采用上海羅洋新材料科技有限公司從美國(guó)Buckeye 公司引進(jìn)的UF500纖維素纖維，其物理力學(xué)性能見表2。各強(qiáng)度等級(jí)的高性能纖維混凝土試件均預(yù)留了6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，鋼材及高性能纖維混凝土力學(xué)性能指標(biāo)見表3。試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

圖1 試件截面尺寸 /mm Fig.1 Section of specimens

表1 高性能纖維混凝土配合比 /(kg/m3)Table1 High performance fiber reinforced concrete proportions

表2 纖維素纖維物理力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of cellulose fiber

表3 鋼材、高性能纖維混凝土材料性能Table3 Material properties of steel and high performance fiber reinforced concrete

表4 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table4 Design parameters of specimens

1.2 量測(cè)方案

通過在加載端和自由端布置位移計(jì)量測(cè)型鋼與高性能纖維混凝土之間的相對(duì)滑移量。加載端的相對(duì)滑移由布置在型鋼與高性能纖維混凝土上位移計(jì)的差值得到。自由端的相對(duì)滑移借助于焊接在型鋼自由端的鋼棒實(shí)現(xiàn)，位移計(jì)底座固定在特制鋼墊板上，鋼墊板使得自由端混凝土固定不動(dòng)，指針垂直打在粘貼在鋼棒上的小木條上，型鋼從鋼墊板的“工”字形縫中推出，推出的距離即為自由端型鋼與高性能纖維混凝土之間的相對(duì)滑移，詳見圖2(b)。

1.3 加載方案

試件推出試驗(yàn)的加載裝置如圖2 所示，加載速率為0.3 mm/min，加載端型鋼和自由端混凝土在試驗(yàn)前打磨平整后，荷載直接作用在加載端型鋼上，自由端混凝土通過30 mm 厚的特制鋼墊板與試驗(yàn)臺(tái)座相連。當(dāng)自由端的相對(duì)滑移量達(dá)到6 mm，或試件表面裂縫不再發(fā)展，荷載下降速率基本不變時(shí)，停止加載。

圖2 試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Test loading devices

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

加載初期，加載端和自由端均無滑移產(chǎn)生。荷載增至極限荷載的30%～50%時(shí)，加載端開始滑移，試件表面未出現(xiàn)裂縫。荷載增至極限荷載的80%左右時(shí)，加載端滑移逐漸發(fā)展，且附近混凝土表面出現(xiàn)裂縫，部分試件自由端滑移，但滑移量較小，發(fā)展較慢。荷載增至極限荷載時(shí)，伴隨著一陣劈裂聲，裂縫由加載端附近向上迅速發(fā)展，并形成許多細(xì)小分支裂縫，同時(shí)加載端面裂縫由型鋼翼緣肢尖和中部向外延伸至混凝土側(cè)表面。

由于試件設(shè)計(jì)參數(shù)的變化，試件的裂縫形態(tài)表現(xiàn)出一定差異：保護(hù)層厚度(SHPFRC-5)、錨固長(zhǎng)度(SHPFRC-8)較小試件的荷載出現(xiàn)了陡降，裂縫在澆筑面產(chǎn)生并迅速貫通試件全截面，表現(xiàn)出較大的脆性；保護(hù)層厚度較大(SHPFRC-6、SHPFRC-7)的試件四個(gè)側(cè)面均有裂縫產(chǎn)生，由加載端角部向上發(fā)展，裂縫發(fā)展到約1/3 型鋼錨固長(zhǎng)度時(shí)停止發(fā)展，寬度自加載端向上逐漸減小，試件呈瓜梨形破壞。部分試件破壞形態(tài)見圖3，可見隨著保護(hù)層厚度和錨固長(zhǎng)度的增加，各試件裂縫的寬度增加，長(zhǎng)度有所減小。隨著荷載下降速率平緩，裂縫停止發(fā)展，型鋼與混凝土之間的相對(duì)滑移趨于穩(wěn)定。自由端面基本無裂縫產(chǎn)生，推出的型鋼表面較光滑，并伴隨混凝土磨削。

2.2 荷載-滑移曲線

圖3 部分試件破壞形態(tài)圖Fig.3 Failure modes of specimens

各試件的荷載-滑移曲線(P-S 曲線)如圖4 所示?？梢钥闯?，各試件的P-S 曲線呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，歸納出的典型曲線如圖5(a)和圖5(b)所示。加載端P-S 曲線呈現(xiàn)直線上升段(OA)、荷載上升段(AB)、荷載下降段(BC)和水平殘余段(CD)四個(gè)階段，直線上升段A 點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載為初始滑移荷載P0，P-S 曲線峰值B 點(diǎn)荷載為極限荷載Pu，荷載下降段C 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為殘余荷載Pr，各試件特征荷載值見表5；試件自由端P-S 曲線與加載端的下降段曲線基本一致，荷載達(dá)到殘余荷載后曲線出現(xiàn)重合，并維持在極限荷載的約50%～70%。

3 特征粘結(jié)強(qiáng)度

3.1 特征粘結(jié)強(qiáng)度定義及影響因素分析

采用平均粘結(jié)應(yīng)力描述型鋼高性能纖維混凝土界面粘結(jié)應(yīng)力在加載過程的分布規(guī)律，假定粘結(jié)應(yīng)力沿型鋼錨固長(zhǎng)度均勻分布，計(jì)算公式如下：

圖4 荷載-滑移曲線Fig.4 Load-slip curves

圖5 典型荷載-滑移分布曲線Fig.5 Classic load-slip curves

表5 試件特征值Table5 Characteristic values of specimens

式中：P/kN 為試驗(yàn)時(shí)施加的外荷載；Ca為型鋼截面周長(zhǎng)，取458.69 mm； la/mm 為型鋼與高性能纖維混凝土的錨固長(zhǎng)度。采用平均粘結(jié)應(yīng)力分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)型鋼高性能纖維混凝土界面滑移的影響規(guī)律，各試件粘結(jié)強(qiáng)度特征值計(jì)算結(jié)果見表5，其中，初始粘結(jié)強(qiáng)度τ0、極限粘結(jié)強(qiáng)度τu、殘余粘結(jié)強(qiáng)度τr分別為對(duì)應(yīng)于P0、Pu、Pr的粘結(jié)應(yīng)力。

1)高性能纖維混凝土強(qiáng)度

圖6 給出了特征粘結(jié)強(qiáng)度與高性能纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯?，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，特征粘結(jié)強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)，其中極限粘結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)速率最為顯著。這是因?yàn)椋涸谛弯撆c高性能纖維混凝土的粘結(jié)力組成中，化學(xué)膠結(jié)力是主要的組成成分，化學(xué)膠結(jié)力的大小取決于混凝土材料組分和抗拉強(qiáng)度的大小，因而可通過提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗裂韌性來提高型鋼與混凝土界面過渡層的強(qiáng)度，進(jìn)而提高型鋼與高性能纖維混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度；纖維素纖維具有良好的阻裂增韌性能，能夠改善由于混凝土強(qiáng)度提高而脆性更加顯著的問題，使得極限粘結(jié)強(qiáng)度和殘余粘結(jié)強(qiáng)度不僅沒有因?yàn)榛炷翉?qiáng)度的提高而降低，反而有所提升。

圖6 粘結(jié)強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationship between bond strength and splitting tensile strength

2)保護(hù)層厚度

圖7 為各特征粘結(jié)強(qiáng)度與相對(duì)保護(hù)層厚度(保護(hù)層厚度Ca與型鋼截面高度ha之比)之間的相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯觯辰Y(jié)強(qiáng)度特征值均隨型鋼相對(duì)保護(hù)層厚度的增大呈增大趨勢(shì)，其中在保護(hù)層厚度較大時(shí)初始粘結(jié)強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率略高于其他特征粘結(jié)強(qiáng)度。這是因?yàn)椋谝欢ǚ秶鷥?nèi)，混凝土對(duì)型鋼的約束能力隨保護(hù)層厚度的增大而增大，進(jìn)而粘結(jié)界面上的正應(yīng)力及相應(yīng)的摩擦阻力越大；初始粘結(jié)強(qiáng)度主要以化學(xué)膠結(jié)力的形式存在，而極限粘結(jié)強(qiáng)度和殘余粘結(jié)強(qiáng)度則主要以摩擦阻力和機(jī)械咬合力的形式存在，在滑移階段，保護(hù)層厚度的增加對(duì)機(jī)械咬合力和摩擦阻力的提高作用會(huì)逐漸減弱。

圖7 粘結(jié)強(qiáng)度與相對(duì)保護(hù)層厚度的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Relationship between bond strength and relative thickness of concrete cover

3)錨固長(zhǎng)度

各特征粘結(jié)強(qiáng)度與相對(duì)錨固長(zhǎng)度(錨固長(zhǎng)度la與型鋼截面高度ha之比)之間的相關(guān)關(guān)系如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，特征粘結(jié)強(qiáng)度均隨錨固長(zhǎng)度的增加呈下降趨勢(shì)。其中，極限粘結(jié)強(qiáng)度的下降速率最為顯著，這是由于隨著錨固長(zhǎng)度的增加，粘結(jié)應(yīng)力擴(kuò)散長(zhǎng)度上高應(yīng)力區(qū)相對(duì)分布長(zhǎng)度逐漸變??；初始粘結(jié)強(qiáng)度由于型鋼與高性能纖維混凝土界面主要以化學(xué)膠結(jié)力的形式存在，而化學(xué)膠結(jié)力在試件產(chǎn)生滑移前，只在加載端附近存在，隨著錨固長(zhǎng)度的增加，遠(yuǎn)離加載端無粘結(jié)力部分的長(zhǎng)度增加，則按沿型鋼全錨固長(zhǎng)度上計(jì)算的初始粘結(jié)強(qiáng)度降低；殘余粘結(jié)力是在型鋼高性能纖維混凝土全截面產(chǎn)生滑移后，主要以摩擦阻力和機(jī)械咬合力的形式存在，受錨固長(zhǎng)度的影響較小。

圖8 粘結(jié)強(qiáng)度與相對(duì)錨固長(zhǎng)度的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Relationship between bond strength and relative embedded length

3.2 特征粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式和驗(yàn)證

圖6～圖8 為各特征粘結(jié)強(qiáng)度與高性能纖維混凝土強(qiáng)度、型鋼相對(duì)保護(hù)層厚度和相對(duì)錨固長(zhǎng)度的散點(diǎn)圖及擬合結(jié)果?？梢钥闯?，各特征粘結(jié)強(qiáng)度受不同影響因素的變化規(guī)律不盡相同，但均呈線性變化趨勢(shì)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各特征粘結(jié)強(qiáng)度與高性能纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、型鋼相對(duì)保護(hù)層厚度以及相對(duì)錨固長(zhǎng)度進(jìn)行多元線性回歸，在進(jìn)行多元線性回歸時(shí)，不同影響因素的試驗(yàn)結(jié)果均預(yù)留一個(gè)試件，對(duì)回歸結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，建立各特征粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：

初始粘結(jié)強(qiáng)度：

極限粘結(jié)強(qiáng)度：

殘余粘結(jié)強(qiáng)度：

式中：ft/MPa 為高性能纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度；Ca/mm 為型鋼的保護(hù)層厚度；ha/mm 為型鋼的截面高度；la/mm 為型鋼的錨固長(zhǎng)度。

表6 為預(yù)留試件特征粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果，可以看出，初始粘結(jié)應(yīng)力、極限粘結(jié)應(yīng)力和殘余粘結(jié)應(yīng)力的試驗(yàn)值與計(jì)算值比值的平均值分別為0.893、0.982、1.027，相應(yīng)的變異系數(shù)分別為0.070、0.007、0.008。因此，基于混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度以及錨固長(zhǎng)度這四種因素統(tǒng)計(jì)回歸出的公式，能夠滿足型鋼與高性能纖維混凝土之間特征粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算要求。

表6 特征粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Table6 Comparison measured characteristic bond strength with calculated strength

4 有效粘結(jié)應(yīng)力推導(dǎo)與分析

4.1 有效粘結(jié)應(yīng)力的定義與推導(dǎo)

在外荷載加載過程中，粘結(jié)應(yīng)力并不始終存在于型鋼與高性能纖維混凝土界面。粘結(jié)應(yīng)力產(chǎn)生于試件加載端，隨著外荷載的增加逐漸向自由端擴(kuò)散，并最終貫穿于型鋼全錨固長(zhǎng)度，而不同加載時(shí)期，化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力和摩擦阻力在粘結(jié)應(yīng)力中所占比重不同。平均粘結(jié)應(yīng)力是沿型鋼全錨固長(zhǎng)度上粘結(jié)應(yīng)力的平均值，不能表達(dá)粘結(jié)應(yīng)力各組成部分的發(fā)展變化過程。為精確反應(yīng)粘結(jié)應(yīng)力的發(fā)展變化過程，在荷載發(fā)展階段，型鋼與高性能纖維混凝土界面上粘結(jié)力作用段的長(zhǎng)度用有效錨固長(zhǎng)度ln表示，ln范圍內(nèi)界面層的粘結(jié)應(yīng)力的平均值稱為有效粘結(jié)應(yīng)力 τ′，如式(5)所示。

式中：Ca為型鋼的截面周長(zhǎng)，取458 mm；P/kN 為外荷載；ln/mm 為有效錨固長(zhǎng)度，由固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度l0和滑移段長(zhǎng)度lx組成，固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度是有效錨固長(zhǎng)度上存在化學(xué)膠結(jié)力的范圍，位于滑移段和無粘結(jié)應(yīng)力段間，文獻(xiàn)[7]取固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度近似為型鋼的橫截面高度。

對(duì)圖5(a)試件加載端典型荷載-滑移曲線荷載上升段(AB 段)的有效粘結(jié)應(yīng)力進(jìn)行推導(dǎo)。當(dāng)加載端型鋼與高性能纖維混凝土產(chǎn)生相對(duì)滑移，化學(xué)膠結(jié)力將喪失，此時(shí)對(duì)應(yīng)的初始滑移荷載為P0，滑移段上相應(yīng)地產(chǎn)生摩擦阻力和機(jī)械咬合力，同時(shí)，在與滑移段相鄰的未滑移段上產(chǎn)生了量值為P0的化學(xué)膠結(jié)力，存在化學(xué)膠結(jié)力的長(zhǎng)度為固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度l0。荷載增至Pu的過程中，固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度由加載端轉(zhuǎn)移至自由端，且化學(xué)膠結(jié)力始終存在于固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。故假定固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度l0和滑移段長(zhǎng)度lx上的粘結(jié)應(yīng)力為均勻分布，分別取 τ0和 τx。

圖9(a)～圖9(c)分別為試件加載端典型荷載-滑移曲線上初始滑移點(diǎn)A、極限荷載點(diǎn)B、A 與B 點(diǎn)間任一點(diǎn)E 的粘結(jié)應(yīng)力分布圖。在初始滑移點(diǎn)A，加載端形成固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度，化學(xué)膠結(jié)力達(dá)到最大值，并承擔(dān)全部外荷載，此時(shí)粘結(jié)應(yīng)力平衡方程可表示為式(6)；在極限荷載點(diǎn)B，固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度發(fā)展到試件的自由端，外荷載由未發(fā)生滑移段上的化學(xué)膠結(jié)力以及滑移段上的摩擦阻力和機(jī)械咬合力共同承擔(dān)，有效粘結(jié)長(zhǎng)度等于型鋼錨固長(zhǎng)度，該點(diǎn)粘結(jié)應(yīng)力平衡方程如式(7)所示；在E 點(diǎn)處有效錨固長(zhǎng)度介于固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度和型鋼錨固長(zhǎng)度之間，粘結(jié)應(yīng)力平衡方程見式(8)。

圖9 粘結(jié)應(yīng)力分布圖Fig.9 Schematic plot of bond force distribution

結(jié)合式(6)～式(8)可得：

則有效錨固長(zhǎng)度為：

式中， τu為有效粘結(jié)應(yīng)力。在荷載上升段，荷載由P0增至Pu的過程中，有效粘結(jié)應(yīng)力隨殘余粘結(jié)應(yīng)力和極限荷載的增大而增大，與型鋼錨固長(zhǎng)度成負(fù)相關(guān)，故提高混凝土對(duì)型鋼的約束作用可有效提高型鋼與混凝土間的粘結(jié)應(yīng)力。而高性能纖維混凝土由于加入纖維素纖維，其阻裂與增韌性能得到的較大改善，對(duì)型鋼的整體約束能力增強(qiáng)，能顯著提高粘結(jié)力。當(dāng)荷載大于極限荷載Pu時(shí)，型鋼的有效錨固長(zhǎng)度為la，此時(shí)的有效粘結(jié)應(yīng)力按式(1)計(jì)算。

4.2 有效粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線全過程分析

各試件有效粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線見圖10，根據(jù)各試件τ′?S曲線呈現(xiàn)出的規(guī)律性，歸納得到典型曲線見圖11。可以看出，典型曲線可分為無粘結(jié)滑移段(OA 段)、曲線下降段(AB 段)、陡降段(BC段)、水平殘余段(CD 段)，各階段發(fā)展過程如下：

圖10 有效粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.10 Effective bond strength-slip curves

圖11 典型的有效粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.11 Classic effective bond strength-slip curve

曲線下降段(AB 段)：試件加載端產(chǎn)生滑移后，滑移段中的化學(xué)膠結(jié)力隨即消失，并逐漸向自由端擴(kuò)展；同時(shí)滑移段界面上微小厚度的混凝土被剪斷或壓碎使得體積增大，在箍筋的橫向約束下產(chǎn)生了正應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦阻力和機(jī)械咬合力。在與滑移段相鄰的固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度l0上產(chǎn)生了量值為P0的化學(xué)膠結(jié)力，此階段外荷載由固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度l0的化學(xué)膠結(jié)力和滑移段lx的摩擦阻力及機(jī)械咬合力共同提供。隨著滑移段的擴(kuò)展，摩擦阻力和機(jī)械咬合力的總和增大，有效錨固長(zhǎng)度增加，而有效粘結(jié)強(qiáng)度不斷降低，這說明化學(xué)膠結(jié)力的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摩擦組合和機(jī)械咬合力的總和。當(dāng)l0發(fā)展到自由端時(shí)，有效錨固長(zhǎng)度等于型鋼錨固長(zhǎng)度la，此時(shí)的有效粘結(jié)應(yīng)力與極限粘結(jié)應(yīng)力τu相等，對(duì)應(yīng)于τ′?S曲線上的B 點(diǎn)。

陡降段(BC 段)：固定粘結(jié)擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散到試件的自由端時(shí)，有效錨固長(zhǎng)度等于型鋼錨固長(zhǎng)度。滑移段繼續(xù)向自由端擴(kuò)展，化學(xué)膠結(jié)力逐漸在自由端喪失，摩擦阻力和機(jī)械咬合力的增量遠(yuǎn)小于化學(xué)膠結(jié)力的降低量，有效粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線出現(xiàn)了陡降。當(dāng)滑移段貫穿型鋼錨固長(zhǎng)度，化學(xué)膠結(jié)力全部消失，此時(shí)對(duì)應(yīng)的有效粘結(jié)應(yīng)力僅由摩擦阻力和機(jī)械咬合力組成。

水平殘余段(CD 段)：滑移擴(kuò)展至全錨固長(zhǎng)度后，界面層微小混凝土被全面壓碎，當(dāng)破損混凝土顆粒累積到一定程度，界面間壓應(yīng)力使得混凝土內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力而開裂。相對(duì)滑移繼續(xù)發(fā)展，混凝土內(nèi)裂縫達(dá)到穩(wěn)定，其界面上破損混凝土顆粒被整合，機(jī)械咬合力逐漸減小，當(dāng)有效粘結(jié)應(yīng)力τ′穩(wěn)定不變時(shí)，可認(rèn)為破損混凝土顆粒整合完成同時(shí)機(jī)械咬合力消失，此時(shí)有效粘結(jié)應(yīng)力即為摩擦阻力，大小為水平殘余段終點(diǎn)D 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力 τr2。

通過對(duì)有效粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線全過程分析可知，當(dāng)加載端產(chǎn)生滑移時(shí)，型鋼與高性能纖維混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力達(dá)到最大值，故化學(xué)膠結(jié)力可用加載端開始產(chǎn)生滑移時(shí)的初始粘結(jié)應(yīng)力τ0表示；水平殘余段起點(diǎn)處粘結(jié)應(yīng)力由摩擦阻力和機(jī)械咬合力提供，當(dāng)有效粘結(jié)應(yīng)力趨于穩(wěn)定時(shí)，可認(rèn)為界面層破損混凝土顆粒已被整合，進(jìn)而機(jī)械咬合力喪失，故摩擦阻力可由水平殘余段終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力 τr2代替；機(jī)械咬合力由水平殘余段起始點(diǎn)粘結(jié)應(yīng)力 τr1和終點(diǎn)粘結(jié)應(yīng)力 τr2的差值表示。

通過對(duì)各試件的分析，得到試件HPFRC-1～HPFRC-10 的有效粘結(jié)應(yīng)力各特征點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果如表7 所示，由表可知，化學(xué)膠結(jié)力、摩擦阻力和機(jī)械咬合力三者比值的平均值為1∶0.234∶0.073，摩擦阻力和機(jī)械咬合力相對(duì)于化學(xué)膠結(jié)力的變異系數(shù)分別為0.089、0.047，離散性較小。由此可見，在粘結(jié)應(yīng)力的各組成組分中，化學(xué)膠結(jié)力最大，摩擦阻力次之，機(jī)械咬合力最??；并且摩擦阻力和機(jī)械咬合力之和約占化學(xué)膠結(jié)力的1/3，機(jī)械咬合力約占摩擦阻力的1/3。

表7 粘結(jié)應(yīng)力組份Table7 Proportion of bond strength components

5 結(jié)論

本文通過10 個(gè)推出試件的試驗(yàn)與理論分析，對(duì)型鋼高性能纖維混凝土粘結(jié)滑移性能的主要問題進(jìn)行了研究。得到以下主要結(jié)論：

(1) 通過型鋼高性能纖維混凝土粘結(jié)性能推出試驗(yàn)得到各試件荷載-滑移曲線，試件加載端荷載-滑移曲線呈直線上升段、荷載上升段、荷載下降段和水平殘余段四個(gè)部分，荷載上升段、荷載下降段、水平殘余段起點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)初始荷載、極限荷載及殘余荷載；試件自由端荷載-滑移曲線規(guī)律與加載端曲線的下降段基本一致，荷載達(dá)到殘余荷載后二者出現(xiàn)重合，并維持在極限荷載的50%～70%。

(2) 特征粘結(jié)強(qiáng)度受不同設(shè)計(jì)參數(shù)影響的變化規(guī)律不盡相同，但基本呈線性變化趨勢(shì)。增加混凝土強(qiáng)度和型鋼保護(hù)層厚度，能有效提高型鋼與高性能纖維混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度；而隨著錨固長(zhǎng)度增加，特征粘結(jié)強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立特征粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式，初始粘結(jié)強(qiáng)度、極限粘結(jié)強(qiáng)度與殘余粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值比值的均值分別為0.893、0.987、1.030，表明計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

(3) 分析試件加載端荷載-滑移曲線各點(diǎn)粘結(jié)應(yīng)力分布，引入有效粘結(jié)應(yīng)力，其計(jì)算公式能夠反應(yīng)粘結(jié)應(yīng)力的發(fā)展變化過程；有效粘結(jié)應(yīng)力與型鋼的錨固長(zhǎng)度、極限荷載值和殘余粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，殘余粘結(jié)強(qiáng)度和極限荷載成正比，與型鋼的錨固長(zhǎng)度成反比。

(4) 對(duì)有效粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線全過程進(jìn)行分析，得到粘結(jié)應(yīng)力各組成部分的計(jì)算方法，化學(xué)膠結(jié)力、摩擦阻力和機(jī)械咬合力三者比值的平均值為1∶0.234∶0.073。