鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷僚c鋼筋黏結錨固性能試驗研究

朱紅兵，王 燁，余志武，許成祥，徐文康

(1. 武漢科技大學城市建設學院,湖北武漢 430065； 2. 中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室,湖南長沙 410075)

0 引 言

陶?；炷辆哂休p質高強的優(yōu)點，主要性能指標能滿足工程要求，具有廣闊的應用前景[1-2]。為了提高陶粒混凝土的韌性，可按合適比例摻入不同性能、不同尺度的混雜纖維，達到逐級強化與阻裂、性能互補的正混雜效應[3-4]。鋼纖維與聚丙烯纖維互補性強，按一定比例摻入陶?；炷林校苄纬蓜側峤Y合的亂向分布空間三維網。利用聚丙烯纖維橋接混凝土內微裂縫并抑制其擴展，利用鋼纖維橋接宏觀裂縫，從而實現(xiàn)陶?；炷恋脑鰪娫鲰g[5]。鋼筋與陶?；炷林g的黏結性能是保證兩者共同受力的關鍵，對結構正常使用具有重大影響[6]。鋼-聚丙烯混雜纖維不僅能提高混凝土抗壓、抗折和抗拉強度[7-8]，還能改善混凝土與鋼筋的黏結性能，提高結構的延性[9-10]，加強對鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷僚c鋼筋的黏結性能研究很有意義。

徐禮華等[11]研究了混凝土強度、纖維摻量以及纖維長徑比對鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土黏結強度的影響規(guī)律。葉列平等[1,12]認為，普通混凝土與變形鋼筋的黏結最先在粗骨料與砂漿的界面形成剪切破壞，而輕骨料混凝土在鋼筋拔出過程中會出現(xiàn)骨料擠壓破碎現(xiàn)象。Mitchell等[13-14]認為高強輕骨料混凝土黏結強度略大于高強度普通混凝土，黏結破壞時顯示出較大的脆性，二者黏結特性非常類似。增加鋼纖維摻量會提升輕骨料混凝土的黏結強度，與普通混凝土相比，輕骨料混凝土在峰值荷載后顯現(xiàn)出更大的脆性。張歡歡等[15]用能量吸收值和等效黏結強度評價了鋼纖維高強陶?；炷僚c鋼筋之間的黏結特性，分析了纖維摻量對混凝土試件黏結特征的影響。此外，牛建剛等[16]對塑鋼纖維輕骨料混凝土的黏結性能進行了研究，顧聰等[17]采用半梁式黏結試件對陶?；炷琉そY性能進行了研究。

綜上所述，輕骨料混凝土或混雜纖維混凝土與鋼筋的黏結性能引起了學者們的關注，但是鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷僚c鋼筋的黏結特性目前還不明晰，值得開展深入研究。

本文針對一系列不同鋼纖維、聚丙烯纖維混雜比的陶?；炷?，采用中心拉拔試驗，分析了混雜纖維摻量對陶?；炷僚c鋼筋黏結破壞形態(tài)、黏結強度以及黏結滑移曲線的影響規(guī)律，并得到了鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷僚c鋼筋的臨界錨固長度。

1 鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷?/h2>

1.1 原材料

(1)纖維。采用華能牌束狀單絲聚丙烯纖維(PP)，物理性能見表1。鋼纖維采用史蔚克(SHWITCOM)端勾型鋼纖維(SF)，物理性能見表2。

表1 聚丙烯纖維物理性能Table 1 Physical Properties of Polypropylene Fiber

表2 鋼纖維物理性能Table 2 Physical Properties of Steel Fiber

(2)粗骨料。采用宜昌光大牌900級碎石型頁巖陶粒，物理性能見表3。陶粒在使用前先預濕處理。

表3 頁巖陶粒物理性能Table 3 Physical Properties of Shale Ceramsite

(3)細骨料。采用天然河砂，堆積密度為1 560 kg·m-3, 細度模數為2.65，含泥量小于2%，使用前過4.75 mm方孔篩篩分。

(4)水泥。采用湖北華新公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3 150 kg·m-3。

(5)減水劑。采用青島虹廈生產的高性能聚羧酸減水劑。

1.2 混凝土配合比

參考《輕骨料混凝土技術規(guī)程》(JGT 12-2006)，經多次試配，確定混凝土基準配合比(表4)。

表4 基準混凝土配合比Table 4 Reference Concrete Mix Proportion

參照《纖維混凝土結構技術規(guī)程》(CECS 38:2004)，鋼纖維摻量(體積率)分4種水平考慮：0%、0.5%、1.0%、1.5%。聚丙烯纖維摻量(體積率)采用4種水平：0%、0.06%、0.10%、0.14%[3,18-19]。采用不同的鋼纖維(SF)及聚丙烯纖維(PP)摻量，制作16組(每組3個)立方體試塊，標準養(yǎng)護28 d后進行立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗。

1.3 基本力學性能試驗

鋼-聚丙烯纖維陶?；炷亮⒎襟w抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗結果如表5、6所示。由表5、6可知：當采用同一聚丙烯纖維摻量時，試件抗壓強度及劈裂抗拉強度均隨著鋼纖維摻量的增大而增加；鋼纖維摻量相同時，隨聚丙烯纖維摻量的增加，強度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，在聚丙烯纖維(PP)摻量為0.1%時達到最大值。鋼纖維因其較高的彈性模量和幾何尺寸，在增強混凝土強度中占主導作用，增強作用遠大于聚丙烯纖維。

表5 鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷量箟簭姸萒able 5 Compressive Strength of Steel Fiber-polypropylene Fiber Hybrid Ceramsite Concrete

表6 鋼-聚丙烯纖維陶粒混凝土劈裂抗拉強度Table 6 Splitting Tensile Strength of Steel Fiber-polypropylene Fiber Hybrid Ceramsite Concrete

2 黏結性能試驗

2.1 拉拔試驗設計

2.1.1 拉拔試件制作

采用中心拉拔試件進行鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土黏結性能試驗?，F(xiàn)行《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)中并未提及黏結性能的試驗方法，本文拉拔試件的尺寸參考GB/T 50152—1992標準制作。

采用武鋼HRB400E鋼筋，直徑d=14 mm，實測屈服抗拉強度fy=445.7 MPa。立方體試件邊長取10d(140 mm)。鋼筋有效黏結長度為5d(70 mm)，為消除試件因加載端局部受壓對混凝土黏結強度的影響，在鋼筋的有效黏結區(qū)兩端各設置2.5d(35 mm)的非黏結區(qū)。非黏結區(qū)采用直徑25 mm的PVC套管，鋼筋和套管間用泡沫膠填充。鋼筋伸出混凝土自由端和加載段的長度分別為20 mm和300 mm。鋼筋放置于立方體試件中軸線上，澆筑試件時鋼筋縱軸與澆筑面平行，且與拉拔試件加載承壓面垂直并固定。

在拉拔試件中，鋼纖維的摻入能起到類似于箍筋的橫向約束作用，為減少相關因素對試驗的干擾，本試驗中的試件均未配制箍筋。拉拔試件按摻入的混雜纖維情況分為16組(每組3個試件，共48個試件)。拉拔試件的制作及試件模具見圖1。

2.1.2 加載裝置及方法

考慮到采用高強陶粒混凝土時，在試件破壞前自由端鋼筋會出現(xiàn)較大伸長量或屈服，會對加載端滑移值產生較大影響。自由端滑移值較加載端相對滯后，受鋼筋屈服影響較小。本試驗以自由端滑移值作為相對滑移，在鋼筋自由端底部安裝一組位移計，位移傳感器的精度為200×10-6mm-1。為了便于在試件自由端安裝位移計固定支座，在試件自由端用AB膠將一塊角鋼固定在混凝土表面。采用微機控制電液伺服萬能試驗機(WAW-1000)加載，加載反力裝置為自行設計的反力架。荷載-滑移曲線中的滑移值由位移計每2 s記錄一次，荷載采用萬能試驗機自動記錄保存。

參照《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—1992)，拉拔試驗的加載速度為0.098 kN·s-1。試驗過程及拉拔試驗示意圖見圖2。

2.2 試驗現(xiàn)象與結果

本試驗中試件的破壞形態(tài)分為3種：劈裂破壞、劈裂拔出破壞和拔出破壞，各組試件的破壞形態(tài)見表7。

未摻加纖維(1組)以及單摻聚丙烯纖維(5～7組)的試件均為劈裂破壞，破壞形態(tài)見圖3。試驗過程中試件表面未觀察到裂縫，在達到峰值荷載時“砰”的一聲爆裂，試件劈裂成若干塊，鋼筋肋間有部分陶粒混凝土被橫肋擠壓破碎。此破壞類型的荷載滑移曲線只有上升段，破壞過程呈脆性破壞。劈裂破壞的實質并非陶粒混凝土與鋼筋的黏結錨固破壞，而是在試件混凝土保護層最薄弱面形成的混凝土劈裂破壞，其破壞荷載要小于鋼筋與陶?；炷敛牧系恼鎸嶐そY破環(huán)荷載。

當鋼纖維摻量較小時(2、8、11組)，部分試件出現(xiàn)劈裂拔出破壞，見圖4。在達到峰值荷載時，試件表面出現(xiàn)一條肉眼可見的細小裂縫，由于加載端黏結區(qū)域的應力要大于自由端，裂縫沿著鋼筋縱向從加載端逐漸向自由端發(fā)展。此類破壞的過程為陶?；炷裂刂摻羁v向產生劈裂裂縫，鋼筋肋間混凝土也逐漸被壓碎，在劈裂裂縫與肋前混凝土擠碎共同發(fā)展過程中，肋前混凝土咬合齒被鋼筋橫肋剪斷，隨即鋼筋被拔出。由于試件具有較好的韌性并未被完全劈裂開，荷載滑移曲線有完整的上升段和下降段。

當鋼纖維摻量較大(SF摻量大于等于1.0%)或聚丙烯纖維摻量為0.14%的混雜纖維時，拉拔試件均為拔出破壞，試件破壞形態(tài)見圖5。在拔出試件中，隨著荷載的增加，滑移值的增長速率逐漸加快，當達到荷載峰值后，滑移值迅速增加，隨后荷載急劇下降，鋼筋橫肋對陶?；炷廉a生“刮犁”式破壞，鋼筋被緩緩拔出，試件表面無肉眼可見的裂縫。

試驗所測得極限黏結強度及峰值滑移如表7所示，表中所列的極限黏結強度為3個試件的平均值，峰值滑移su為每組3個試件中的中值滑移。極限黏結強度采用有效黏結段內的平均黏結強度來表示。

表7 拉拔試驗結果Table 7 Pull-out Test Results

凝土強度與其基準混凝土強度之比。

3 混雜纖維對黏結性能的影響

3.1 混雜纖維對黏結強度的影響

由表7可知，單摻鋼纖維時陶粒混凝土的黏結性能明顯改善，黏結強度和峰值滑移隨鋼纖維摻量增加而增加。鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%時，黏結強度較未摻纖維試件分別提升9%、16%、21%，峰值滑移最大提升26%，試件由脆性破壞逐漸轉向延性破壞。

單摻聚丙烯纖維對陶?；炷恋酿そY性能影響不大，最大增益率僅為4%，試件的破壞形態(tài)均為脆性劈裂破壞，黏結滑移曲線并未獲得下降段。

摻加鋼-聚丙烯混雜纖維時，如聚丙烯纖維摻量不變，黏結強度以及峰值滑移隨鋼纖維摻量增加而增加；在聚丙烯纖維摻量為0.1%時，各種鋼纖維摻量下的混雜纖維陶?；炷琉そY強度和峰值滑移增益率達到最大。在鋼纖維摻量不變時，黏結強度與峰值滑移隨聚丙烯纖維的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且在鋼纖維摻量為1.5%時，各種聚丙烯纖維摻量的混雜纖維陶?；炷辆_到最大黏結強度和峰值滑移。

雖然單摻聚丙烯纖維對黏結強度提升效果不明顯，但與鋼纖維混摻卻能大幅提升纖維的增強效率，在鋼纖維(摻量為1.5%)與聚丙烯纖維(摻量為0.1%)混摻時，陶?；炷莲@得最大黏結強度，較未摻纖維時提升了30.8%。聚丙烯纖維的摻入使鋼纖維的增益率提升達42.9%，體現(xiàn)出較好的正混雜效益。

本試驗中各組纖維摻量下的黏結強度混雜系數均大于1，且當聚丙烯纖維摻量為0.1%時，各組鋼-聚丙烯混雜纖維均能獲得較高的混雜系數。從纖維增強系數不難看出，鋼纖維在陶?；炷琉そY強度的影響中起主導作用，聚丙烯纖維次之，二者混摻能較好提升陶?；炷恋酿そY強度，產生較好的正混雜效應。

3.2 混雜纖維對黏結滑移曲線的影響

本試驗的黏結滑移曲線(采用各組試驗的中值試件曲線)見圖6。未摻纖維的陶?；炷猎嚰诩虞d初期滑移值很小，基本呈線性增加。隨荷載增加及微裂縫發(fā)展，滑移值增長速率逐漸變大，呈非線性發(fā)展。在黏結強度達到約22 MPa(對應荷載67 kN)時，發(fā)生脆性劈裂破壞，黏結滑移曲線無下降段。單摻聚丙烯纖維時陶?；炷猎嚰l(fā)生劈裂破壞，黏結滑移曲線的上升段剛度和峰值滑移與未摻纖維試件基本一致，黏結滑移曲線無下降段。

單摻鋼纖維時，試件破壞形態(tài)呈現(xiàn)為拔出破壞(鋼纖維摻量較小時發(fā)生劈裂拔出破壞)，有完整的下降段。黏結滑移曲線的上升段初期滑移呈較明顯的線性增長。隨荷載增加，滑移值增長速率逐漸加快，在達到曲線峰值時滑移值迅速增長。隨著鋼纖維體積率增加，黏結滑移曲線上升段剛度略有增加，下降段黏結剛度隨著鋼纖維摻量的增加而降低。殘余黏結強度隨著鋼纖維摻量的增加略有提升，殘余黏結強度約為極限強度的23%。在鋼纖維(摻量為1.5%)與聚丙烯纖維(摻量為0.1%)混摻時，陶粒混凝土獲得最大峰值滑移，較未摻纖維時提升了32.6%。

使用鋼-聚丙烯混雜纖維時，試件均表現(xiàn)出較好的延性，曲線具有完整的上升段和下降段?；祀s纖維的黏結滑移曲線上升段與單摻鋼纖維時無異，峰值滑移較單摻鋼纖維時有一定提升；黏結滑移曲線下降段較單摻鋼纖維時更為飽滿、曲率更小。

3.3 能量吸收及等效平均黏結強度

鋼筋與陶?；炷林g的黏結滑移實質上是一個能量釋放的過程。當混凝土內部由加載所積蓄的內能與滑移釋放的能量形成動態(tài)平衡時，滑移值隨加載過程緩慢增加，最終發(fā)生鋼筋拔出破壞；當混凝土內積蓄的能量大于滑移所釋放能量時，滑移來不及發(fā)生，劈裂裂縫就已迅速發(fā)展，形成劈裂破壞。黏結滑移曲線能體現(xiàn)試件從加載到拔出破壞全過程的黏結應力與滑移的關系，是混凝土材料黏結性能的完整體現(xiàn)[15]。

為了量化評價纖維對陶?；炷琉そY滑移曲線的影響，采用能量吸收值和等效黏結強度來進行考量。能量吸收值Qs為黏結滑移曲線某一區(qū)間段的面積，等效黏結強度τs為對應黏結滑移曲線區(qū)間段內的平均黏結強度。能量吸收值Qs和等效平均黏結強度τs的定義見式(1)、(2)。

(1)

(2)

(3)

式中：F為拔出荷載；S為相對滑移值；s為相對應滑移區(qū)間的長度，本文計算中s分別取su、1、3、5 mm；Fs為相對應滑移范圍內的等效平均荷載；l為黏結長度。

結合圖6中的黏結滑移曲線，考慮選取上升段和下降段中的4個滑移段進行分析，能量吸收計算見圖7。圖7中Q0為峰值滑移su時的能量吸收值，Q1、Q3、Q5分別為滑移值為su+1 mm、su+3 mm、su+5 mm時的能量吸收值。Q1、Q3、Q5反映了試件的黏結韌性，在下降段中Q1、Q3、Q5越大，表明試件黏結韌性越好，等效平均黏結強度也越大。反之，表明試件黏結韌性和變形能力越差，等效平均黏結強度越小。

表8為能量吸收值和等效平均黏結強度計算結果。從表8可以看出，單摻聚丙烯纖維對黏結滑移曲線上升段剛度影響很小，達到峰值滑移時Q0和τ0基本無變化，由于發(fā)生脆性破壞，并無下降段能量吸收值。

表8 能量吸收值和等效平均黏結強度計算結果Table 8 Calculation Results of Energy Absorption Value and Equivalent Average Bond Strength

單摻鋼纖維時，Q0隨著鋼纖維摻量的增加而增加，最大增幅為56.6%，上升段能量吸收值的提升主要來源于黏結剛度和峰值滑移的增長。在鋼纖維摻量為1.5%時，下降段的能量吸收值和等效平均黏結強度都有較大幅度提升，Q5較鋼纖維摻量為0.5%時提升40.4%。

與單摻鋼纖維進行比較，鋼-聚丙烯混摻纖維的使用雖然對Q0的影響不大，但對黏結滑移曲線下降段的等效平均黏結強度有較大提升。隨著鋼纖維摻量的增加，等效平均黏結強度的提升越明顯，在黏結滑移曲線的殘余段，第13組試件的τ5相較第4組試件提升15.7%。表明即使在發(fā)生較大滑移時，鋼-聚丙烯混雜纖維陶粒混凝土依然能保持較好的黏結強度和韌性。

將纖維陶?；炷猎嚰c文獻[1]的配箍試件進行比較。在黏結滑移曲線的上升段，鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷恋哪芰课罩岛偷刃юそY強度均優(yōu)于配箍試件，這是因為鋼-聚丙烯混雜纖維在加載全過程中所體現(xiàn)的阻裂作用，而配制箍筋只有在劈裂裂縫發(fā)展至箍筋所在位置時才能發(fā)揮阻裂約束作用，導致鋼-聚丙烯混雜纖維試件的黏結滑移曲線上升段剛度要大于配箍試件。在黏結滑移曲線的下降段，配置箍筋的試件能量吸收值和等效黏結強度較高，在鋼纖維摻量不大于1.0%的單摻試件中，配箍試件體現(xiàn)出了更好的延性；在鋼纖維摻量為1.5%的單摻試件中，下降段的能量吸收值和等效平均黏結強度與配箍試件較為接近；在鋼纖維摻量大于1.0%的混雜纖維試件中，下降段的能量吸收值和等效平均黏結強度略高于配箍試件。這表明混雜纖維陶?；炷猎嚰谶_到峰值荷載后，仍具有較好的橫向約束作用，且橫向約束力的大小與鋼纖維摻量有較大關系。鋼-聚丙烯混雜纖維在黏結滑移曲線下降段的約束作用與箍筋類似，當鋼纖維摻量較大時，混雜纖維較配制箍筋具有更好的橫向約束作用和延性。

從上述分析可知：鋼纖維的增強作用主要體現(xiàn)在黏結滑移曲線上升段，可提升陶?；炷翗O限黏結強度；阻裂作用主要發(fā)揮在黏結滑移曲線的下降段，能明顯提升殘余荷載段的等效平均黏結強度。在鋼筋發(fā)生較大滑移時，鋼筋與陶?；炷林g的摩阻力隨鋼纖維摻量的增加而增加。單摻聚丙烯纖維雖然對陶?；炷翗O限黏結強度影響很小，但與鋼纖維混合使用時，能使鋼纖維表現(xiàn)出更好的增強和增韌效果。

4 臨界錨固長度

為了充分發(fā)揮鋼筋與混凝土的強度，在最大拔出荷載下，鋼筋屈服與錨固破壞同時發(fā)生的黏結長度稱為臨界錨固長度la。在此種狀態(tài)下，認為鋼筋所承受的最大拉拔力Fu與混凝土的極限黏結力Ru處于平衡狀態(tài)，根據平衡方程Fu=Ru可得Asfy=τuπdla(As為鋼筋截面面積)，la=fyd/(4τu)。本文試驗中的鋼材fy為445.7 MPa，黏結強度見表7，計算所得鋼-聚丙烯混雜纖維陶?；炷僚R界錨固長度見表9?！痘炷两Y構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)中規(guī)定的基本錨固長度計算式為lab=αdfy/ft，其中α為鋼筋外形系數，ft為混凝土抗拉強度。將臨界錨固長度計算公式和規(guī)范規(guī)定的基本長度計算公式進行對比分析，可得鋼筋外形系數α=ft/(4τu)，大多數的研究通過回歸統(tǒng)計認為混凝土抗拉強度與黏結強度呈線性關系，即τu=kft(k為常量)，故纖維的摻入對鋼筋外形系數不會有較大影響。

表9 鋼-聚丙烯纖維陶?；炷僚R界錨固長度Table 9 Critical Anchorage Length of Steel-polypropylene Fiber Ceramsite Concrete

從表9可以看出，單摻聚丙烯纖維對臨界黏結長度并無影響，臨界錨固長度la隨著混雜纖維中鋼纖維摻量的增加而減小，鋼纖維對臨界錨固長度具有較明顯的影響。當鋼纖維摻量為1.5%，聚丙烯纖維摻量為0.1%時，陶?；炷恋呐R界錨固長度較未摻纖維時減小23%。

5 結語

(1)摻入鋼-聚丙烯混雜纖維能顯著改善陶?；炷僚c變形鋼筋的錨固黏結性能，隨著纖維摻量增大，拉拔試件的破環(huán)形態(tài)由劈裂破壞逐漸轉變?yōu)榘纬銎茐?，由脆性破壞轉變?yōu)檠有云茐摹?/p>

(2)陶粒混凝土與變形鋼筋的黏結強度隨單摻鋼纖維摻量增大而增大，隨單摻聚丙烯纖維摻量增大而略有增大。鋼纖維與聚丙烯纖維混摻可產生混雜效應，且鋼纖維對黏結性能的改善起主導作用，聚丙烯纖維次之。

(3)使用鋼-聚丙烯混雜纖維時，陶粒混凝土與變形鋼筋的黏結滑移曲線具有完整的上升段和下降段，峰值滑移較單摻鋼纖維時有一定提升。黏結滑移曲線下降段較單摻鋼纖維時更為飽滿、曲率更小。鋼-聚丙烯混雜纖維對陶?；炷恋姆逯叼そY強度和峰值滑移有較大提升，最大提升率分別為30.8%和32.6%。

(4)鋼-聚丙烯混雜纖維能較大幅度提升陶?；炷僚c鋼筋黏結滑移曲線的上升段及下降段能量吸收值，下降段增幅更加顯著，明顯改善了陶?；炷僚c鋼筋的黏結韌性和變形能力。與配箍試件黏結滑移曲線相比，混雜纖維陶?；炷猎嚰仙蔚哪芰课罩岛偷刃юそY強度更大，鋼纖維摻量大于1.0%時其下降段也略高。

(5)單摻聚丙烯纖維對臨界錨固長度影響很小，但摻加鋼纖維則有較明顯影響。當鋼纖維及聚丙烯纖維摻量分別為1.5%、0.1%時，陶?；炷恋呐R界錨固長度較未摻纖維時可減小23%。