高強鋼絞線與工程水泥基復(fù)合材料黏結(jié)性能試驗

李 可， 李思辰， 周擎威， 王新玲

（1. 鄭州大學 土木工程學院， 鄭州 450001； 2. 杭州融浩置業(yè)有限公司， 杭州 311215）

由于鋼筋強度較低，屈服應(yīng)變遠小于ECC極限拉應(yīng)變，當用作ECC的增強筋材時，不足以充分發(fā)揮ECC應(yīng)變硬化特性.而FRP筋或編織網(wǎng)的價格相對較高，不利于推廣使用于普通結(jié)構(gòu).高強鋼絞線具有高強、耐腐蝕等優(yōu)點，其極限拉應(yīng)變（3%～4%之間）和ECC接近，同時較FRP有明顯的經(jīng)濟性.因此，本文提出一種新型復(fù)合材料——高強鋼絞線網(wǎng)增強ECC，并驗證了其優(yōu)越的抗裂、延性和高強度等性能[8].為使二者更好地協(xié)同工作，朱俊濤等[9]考慮橫向鋼絞線影響，研究了高強鋼絞線網(wǎng)和ECC黏結(jié)性能，但尚未綜合考慮ECC強度和保護層厚度等因素的影響.深入了解ECC與高強鋼絞線的黏結(jié)性能，是對新型復(fù)合材料“高強鋼絞線網(wǎng)增強ECC”受力性能分析的基礎(chǔ).因此，為推廣高強鋼絞線網(wǎng)增強ECC的工程應(yīng)用，亟需進行ECC與高強鋼絞線黏結(jié)性能的系統(tǒng)研究.本文考慮鋼絞線直徑、錨固長度、ECC的強度和保護層厚度4個影響因素，對高強鋼絞線與ECC黏結(jié)性能進行了試驗研究.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

1.1.1 高強鋼絞線在ECC棱柱體中拉拔試件設(shè)計

為研究鋼絞線的公稱直徑d、鋼絞線錨固長度la、ECC強度（通過改變ECC水膠比r來改變其強度）對高強鋼絞線與ECC黏結(jié)性能的影響規(guī)律，設(shè)計5組試件（A*～E*組），每種同樣規(guī)格試件制作3個，共84個棱柱體拉拔試件.試件詳圖如圖1a所示（單位：mm）.所采用不同水膠比的ECC配合比如表1所示.各試件采用中心置筋，并在ECC試塊兩端各嵌入內(nèi)徑為8 mm的聚氯乙烯（PVC）管，其長度大于5d，以防止ECC與鋼絞線黏結(jié)端部因應(yīng)力集中發(fā)生錐形破壞.在5組試件中，B*組中錨固長度為25d的ECC試塊以及C*、D*、E*組中錨固長度大于等于15d的ECC試塊的尺寸均為100 mm×100 mm×150 mm，其余ECC試塊尺寸均為100 mm×100 mm×100 m.

圖1 試件尺寸及加載裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen size and loading device

1.1.2 高強鋼絞線在ECC薄板中拉拔試件設(shè)計

試驗以鋼絞線的保護層厚度c為試驗參數(shù)，研究保護層厚度對黏結(jié)性能的影響.根據(jù)高強鋼絞線在ECC棱柱體中拉拔試驗結(jié)果（見表2），薄板拉拔試件的錨固長度取22d（大于試驗確定的有效錨固長度），以防止黏結(jié)破壞.薄板試件（定義為F*組）設(shè)計為4種工況，每種同樣規(guī)格的試件制作3個，共12個薄板試件.ECC薄板尺寸為150 mm×150 mm.表2中，試件號第一個數(shù)字代表鋼絞線直徑；第二個數(shù)字代表水膠比，第三個數(shù)字代表錨固長度；L表示ECC保護層厚度遠大于臨界保護層厚度；P表示從ECC拉出高強鋼絞線；R表示鋼絞線斷裂；Tu為平均極限拉力；τu為平均結(jié)合強度.

1.2 加載及測量方案

試驗加載方案參考Canadian Standards Association（CSA）標準[10]，關(guān)于拉拔試驗方法的規(guī)定，采用100 kN電伺服萬能試驗機對試件進行拉拔試驗，試驗加載裝置及位移計（LVDT）布置如圖1b所示.試驗采用位移控制，速度為0.3 mm/min.直至發(fā)生如下現(xiàn)象時停止加載：1）鋼絞線被拔出或者斷裂；2）ECC試件破壞.試驗過程中，由于鋼絞線最大拉拔力僅為14 kN左右，因此可忽略ECC試塊的變形.自由端伸出的AB段鋼絞線在加載過程中沒有變形，故把自由端的位移計所測得的數(shù)據(jù)SA即認為是自由端B點處鋼絞線與ECC的相對滑移.下端位移計測量的是鋼絞線的D點相對試件錨固段最底部C點的滑移，但CD段鋼絞線的變形較大，不能忽略.試驗中CD段鋼絞線的變形為

SCD=PlCD/EsAs

（1）

式中：P為施加拉力；Es為鋼絞線彈性模量；As為鋼絞線截面面積；lCD為CD段鋼絞線長度.加載端鋼絞線相對ECC的實際滑移SL為

SL=SD-SCD

（2）

式中，SD為下端位移計測得的位移.平均滑移量計算公式為

S=（SL+SA）/2

（3）

式中，SA為自由端滑移量.錨固長度內(nèi)的平均黏結(jié)應(yīng)力τ計算公式為

τ=F/（πdla）

（4）

式中，F(xiàn)為平均極限拉拔力.

1.3 材料性能試驗結(jié)果

制作ECC采用的原料有普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、微硅粉、細沙、PVA纖維、水及高效減水劑.試驗按照3種不同的水膠比r各澆筑5個試件，標準養(yǎng)護28 d（抗壓試件為邊長70.7 mm的立方體，受拉試件為13 mm×40 mm×280 mm薄板），并進行ECC的單軸受壓和受拉試驗，確定ECC抗壓強度fcu、受拉開裂強度ftc、抗拉強度fet以及極限拉應(yīng)變εu，試驗結(jié)果如表3所示.對3種直徑鋼絞線試樣各取3個進行受拉試驗，測得的平均拉斷力Pu、極限抗拉強度fy、平均彈性模量Es、極限拉應(yīng)變εu如表3所示.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 高強鋼絞線在ECC棱柱體中拉拔試驗結(jié)果及分析

2.1.1 ECC棱柱體拉拔試驗破壞模式

當錨固長度較小時，試件發(fā)生拔出破壞，其荷載達到峰值后突然下降，且滑移量迅速增加，荷載下降到一定程度后不再降低，而是出現(xiàn)小幅上下波動，滑移量仍繼續(xù)增加，直到鋼絞線拔出.撥出破壞模式如圖2所示，可見ECC基體粉末嵌入鋼絞線表面鋼絲之間，說明鋼絞線拔出過程中，其表面鋼絲間的基體被擠碎切斷.隨著錨固長度增大，平均極限拉拔力也增加，當拉拔力增至鋼絞線拉斷力后試件發(fā)生鋼絞線斷裂破壞.所有試件ECC試塊表面均未出現(xiàn)裂縫.各試件試驗結(jié)果如表2所示.

圖2 ECC棱柱體試件拔出破壞圖Fig.2 Failure mode of ECC prismatic specimens with pull-out failure

上升段（OA段）.即從零點（O點）到峰值荷載A點；加荷初期，曲線呈線性上升，這是由于界面黏結(jié)力主要由化學膠結(jié)力提供，相對滑移較??；當荷載增至極限荷載的10%～20%時，曲線開始非線性上升，這是由于隨著滑移量增大，化學膠結(jié)力從加載端向自由端逐漸喪失，界面力轉(zhuǎn)由界面機械咬合力和摩擦力提供，使得滑移量增速加快，直至峰值荷載.

下降段（AB段）.即從峰值點A到荷載開始停止下降點B之間的階段；達到峰值后曲線開始非線性快速下降，這是由于鋼絞線表面鋼絲間的基體被擠碎切斷，咬合齒破壞導(dǎo)致荷載迅速下降，滑移量快速增大；且界面基體顆粒不斷被磨細，導(dǎo)致摩擦力也不斷下降.

殘余段（BC段）.滑移量增至一定值后，基體顆粒被充分磨細后摩擦力不再下降，使荷載保持基本不變（殘余承載力約為峰值荷載的50%～60%），但由于界面不均勻性發(fā)生小幅波動.

2.1.3 黏結(jié)性能影響因素分析

在圖3a中，對于鋼絞線拔出破壞試件，隨著錨固長度增大，峰值拉拔荷載不斷增大，峰值荷載對應(yīng)的滑移量也不斷增大，且在上升段內(nèi)相同荷載對應(yīng)的滑移量減小.這是由于增加錨固長度，可以提供更大的黏結(jié)面積，從而增加界面總黏結(jié)力和整體剛度.由圖3b可知，隨著鋼絞線直徑增大，試件峰值拉拔力增大，且在上升段內(nèi)相同荷載對應(yīng)的滑移量減小.這是由于隨著鋼絞線直徑增大，黏結(jié)面積增加，從而提供更大界面整體黏結(jié)力和剛度.由圖3c可知，隨著ECC抗壓（抗拉）強度提高，峰值荷載增大，但其對應(yīng)滑移量幾乎不變，且在上升段內(nèi)相同荷載對應(yīng)的滑移量減小.這是由于ECC強度越高（即水膠比越低），其與鋼絞線的化學膠結(jié)力越大，且基體越不易被擠碎或切斷，從而增加界面整體黏結(jié)力和剛度.

圖3 參數(shù)對ECC棱柱體拉拔試件荷載滑移關(guān)系的影響Fig.3 Influences of parameters on load-slip relationships of ECC prismatic pull-out specimens

2.2 高強鋼絞線在ECC薄板中拉拔試驗結(jié)果及分析

2.2.1 ECC薄板拉拔試驗現(xiàn)象分析

對于保護層厚度為1.5d、2.5d、3.5d的ECC薄板試件，加載至開裂荷載（分別為其峰值荷載的10%、15%、30%）時，試件加載端底部中間出現(xiàn)豎向細小裂縫；荷載增至峰值荷載的20%～30%時，試件上端開始出現(xiàn)滑移.隨著荷載繼續(xù)增加，裂縫向上延伸，且下部裂縫寬度也在增加.當達到峰值荷載時，伴隨“砰”的響聲，保護層厚度為1.5d、2.5d的試件豎向裂縫貫通，滑移迅速增大，荷載快速下降；當荷載降至一定值后不再單調(diào)降低，此時裂縫最大寬度達到約0.2 mm；之后荷載波動式下降至一定值（即殘余承載力，分別約為其峰值荷載的30%、40%）后便維持在該值小幅波動，且裂縫寬度也不再增大，直至鋼絞線拔出，如圖4a、b所示.對于保護層厚度為3.5d的試件達到峰值荷載時，伴隨“砰”的響聲，其豎向裂縫延伸至約試件3/4高度處，并未貫通，之后荷載迅速下降，而滑移量快速增加；當荷載降至一定值后不再單調(diào)下降，此時最大裂縫寬度達到0.08 mm，之后荷載波動式下降至殘余承載力，并小幅波動（殘余承載力約為其峰值荷載的45%），且裂縫寬度也不再增大，直至鋼絞線拔出，如圖4c所示.保護層厚度為5d的試件均發(fā)生了鋼絞線拉斷破壞，且試驗過程中ECC薄板都未出現(xiàn)裂縫，如圖4d所示.

圖4 薄板拉拔試件破壞圖Fig.4 Failure modes of thin plate pull-out specimens

綜上所述，隨著ECC保護層厚度增加，提供更大的橫向約束力，試件由劈裂拔出破壞轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻g線斷裂破壞.當厚度增至3.5d時，荷載已增至約14 kN，接近鋼絞線拉斷力，裂縫并未貫通，說明此時的保護層厚度已接近臨界保護層厚度.另外，由于ECC中短纖維的橋聯(lián)作用，出現(xiàn)劈裂裂縫的試件是裂而不碎，仍保持良好的完整性，且裂縫寬度較小.

圖5 不同保護層厚度ECC薄板拉拔試件荷載滑移曲線對比

3 高強鋼絞線與ECC的黏結(jié)強度分析

3.1 直徑對黏結(jié)強度的影響

圖6為黏結(jié)強度與影響因素關(guān)系曲線.圖6a為不同錨固長度試件的平均黏結(jié)強度τu與鋼絞線直徑的關(guān)系曲線.由圖6a可見，在其他條件相同情況下，隨著直徑增加，鋼絞線與ECC的最大平均黏結(jié)應(yīng)力（即平均黏結(jié)強度）基本呈線性減小.分析其原因，由于泊松效應(yīng)，鋼絞線縱向拉伸時會導(dǎo)致徑向收縮，從而降低鋼絞線與ECC的貼合度，減弱兩者間的機械咬合力和摩擦力，導(dǎo)致黏結(jié)強度降低.

3.2 錨固長度對黏結(jié)強度的影響

圖6b為不同鋼絞線直徑試件的平均黏結(jié)強度τu與相對錨固長度la/d的關(guān)系曲線，可以看出，在其他條件相同情況下，隨著錨固長度的增加，峰值拉拔荷載增大，但高強鋼絞線與ECC的平均黏結(jié)強度卻逐漸降低，且基本呈線性減小.分析其原因，由于試件中存在應(yīng)力拱而引起的黏結(jié)應(yīng)力峰值效應(yīng)現(xiàn)象，使得界面應(yīng)力分布并不均勻，且錨固長度越長，應(yīng)力分布越不均勻，高應(yīng)力區(qū)占黏結(jié)總長度的比例較短，故平均黏結(jié)強度較低.

3.3 ECC強度對黏結(jié)強度的影響

圖6c為不同錨固長度試件的平均黏結(jié)強度τu與ECC抗壓強度fcu平方根的關(guān)系曲線，可以看出，在其他條件相同的情況下，隨著ECC強度等級的提高，高強鋼絞線與ECC的平均黏結(jié)強度增大，且平均黏結(jié)強度與ECC抗壓強度平方根基本呈線性關(guān)系.根據(jù)前文分析，界面化學膠結(jié)力、機械咬合力、摩擦力均隨著ECC抗壓強度增加而提高，從而使平均黏結(jié)強度得到了提高.

3.4 保護層厚度對黏結(jié)強度的影響

圖6d為發(fā)生劈裂拔出破壞的薄板拉拔試件的相對平均黏結(jié)強度τu/τ0與相對保護層厚度c/d的關(guān)系曲線.τ0=10.15 MPa，為當薄板試件的拉拔力等于高強鋼絞線平均拉斷力時對應(yīng)的平均黏結(jié)應(yīng)力.由圖6d可見，在其他條件相同的情況下，隨著相對保護層厚度的增加，高強鋼絞線與ECC的相對平均黏結(jié)強度呈線性增大.利用最小二乘法進行線性回歸分析得到τu/τ0與c/d的關(guān)系式為

τu/τ0=0.091 3c/d+0.662

（5）

圖6 黏結(jié)強度與影響因素關(guān)系Fig.6 Relationship between bond strength and influencing factors

式（5）的相關(guān)系數(shù)為0.989.根據(jù)試驗結(jié)果，當c/d>3.5時，增加保護層厚度對鋼絞線與ECC的黏結(jié)強度影響較小.令式（5）等于1，可得到ECC相對臨界保護層厚度為c/d=3.7，即當保護層厚度大于3.7d時，黏結(jié)強度不再增加，即不再出現(xiàn)劈裂裂縫.則式（5）的適用條件為：c≥3.7d時取c=3.7d.

3.5 黏結(jié)強度計算公式的提出及驗證

根據(jù)上述分析，基于前文中對試驗結(jié)果分析得到的高強鋼絞線直徑、錨固長度、保護層厚度以及ECC強度對黏結(jié)強度的影響規(guī)律，并參考文獻[11]假定各因素的影響相互獨立，對拉拔破壞試件（除試件4.5-0.280-20d和4.5-0.250-18d外）的平均黏結(jié)強度的試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計回歸擬合，得到高強鋼絞線與ECC平均黏結(jié)強度以及各影響因素的關(guān)系式為

（1.228-0.136d/d2.4）·

（2.458-0.018la/d）

（6）

式中：當c/d>3.7時，取c/d=3.7；d2.4為公稱直徑為2.4 mm的鋼絞線.該擬合公式與試驗結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.996.

未參與擬合的試件4.5-0.280-20d和4.5-0.250-18d的平均黏結(jié)強度試驗值τu，c分別為10.94 MPa、11.88 MPa，按照式（6）計算得到的平均黏結(jié)強度計算值τu，t分別為10.91 MPa、12.01 MPa.可以看出，式（6）能較準確地預(yù)測高強鋼絞線與ECC的平均黏結(jié)強度.

4 高強鋼絞線在ECC中的臨界錨固長度分析

為得到ECC保護層厚度大于臨界保護層厚度的情況下高強鋼絞線與ECC的臨界錨固長度，令平均黏結(jié)強度乘以鋼絞線與ECC的接觸面積等于鋼絞線的拉斷力，即式（7），可以得到不同直徑鋼鉸線在不同水膠比的ECC中的臨界錨固長度lc的值，其表達式為

（2.458-0.018lc/d）πdlc=Pu

（7）

表4為臨界錨固長度計算與試驗結(jié)果對比.將表4中按式（7）計算的臨界錨固長度值lc，7與各影響因素（包括ECC抗壓強度fcu、鋼絞線直徑d和抗拉強度fy）的關(guān)系進行擬合分析，得到臨界錨固長度簡化計算公式為

（8）

將式（8）計算得到的臨界錨固長度lc，8列于表4，可以看出，按式（8）與式（7）計算結(jié)果的比值lc，8/lc，7的平均值為1.0，變異系數(shù)為0.039.說明式（8）能較準確計算臨界錨固長度.

表4 臨界錨固長度計算與試驗結(jié)果對比Tab.4 Comparison between calculated and test results for critical anchorage lengths

5 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

2） 隨著高強鋼絞線直徑或錨固長度增加，鋼絞線在ECC中的峰值拉拔力及對應(yīng)滑移值均增大，但平均黏結(jié)強度線性減小.隨著ECC抗壓（抗拉）強度增大，峰值拉拔力增大，但其對應(yīng)滑移值基本不變，且平均黏結(jié)強度與ECC抗壓強度的平方根線性正相關(guān).

3） 高強鋼絞線在ECC中的臨界保護層厚度為鋼絞線直徑的3.7倍.在不大于臨界保護層厚度值時，平均黏結(jié)強度隨相對保護層厚度增加呈線性增加趨勢，當其值大于臨界保護層厚度值時，繼續(xù)增大保護層厚度，平均黏結(jié)強度保持不變.

4） 考慮錨固長度、保護層厚度、ECC基體抗拉強度、高強鋼絞線直徑4個影響因素，提出高強鋼絞線與ECC間的平均黏結(jié)強度及臨界錨固長度計算公式，與試驗結(jié)果吻合良好.但該公式是在有限試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得到的，還需要進一步研究來驗證其有效性.