工程水泥基復(fù)合材料與銹蝕鋼筋黏結(jié)性能研究

關(guān)鍵詞：工程水泥基復(fù)合材料；銹蝕鋼筋；拉拔試驗(yàn)；黏結(jié)強(qiáng)度；黏結(jié)韌性指數(shù)

中圖分類號(hào)：TU502 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-582X（2025）01-090-08

工程水泥基復(fù)合材料（engineered cementitious composite， ECC）是一種具有拉伸應(yīng)變硬化行為且極限拉伸應(yīng)變超過(guò)3% 的高性能材料[1]，在單調(diào)和循環(huán)荷載下表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和裂縫控制能力[2]，正是因?yàn)镋CC 優(yōu)良的材料性能，在建筑加固修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3?4]。復(fù)雜環(huán)境下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋在碳化和氯鹽侵蝕作用下發(fā)生銹蝕，銹蝕產(chǎn)物破壞鋼筋與水泥膠體間的化學(xué)膠結(jié)力，體積膨脹導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脫落降低了混凝土對(duì)鋼筋的約束作用，削弱甚至破壞鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)錨固作用，造成結(jié)構(gòu)的破壞[5?6]。為了保證結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，需要對(duì)損傷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，在使用ECC 加固鋼筋銹蝕的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，ECC 與銹蝕鋼筋間良好的黏結(jié)性能是保證加固效果的前提。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)改變纖維體積摻量、錨固長(zhǎng)度和配箍率等參數(shù)對(duì)ECC 與鋼筋的黏結(jié)性能展開(kāi)一系列試驗(yàn)。劉曙光等[7]提出存在最佳纖維體積摻量使得黏結(jié)性能最好，黏結(jié)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨保護(hù)層厚度的增大而增大。米淵等[8]提出黏結(jié)強(qiáng)度隨著黏結(jié)長(zhǎng)度的增大而減小，隨著配箍率的提高而增大。Chao 等[9]提出纖維能夠有效增強(qiáng)鋼筋與基體的黏結(jié)強(qiáng)度和控制裂紋寬度，減小變形鋼筋與基體的錨固長(zhǎng)度。蔡景明等[10]分析得出ECC中的纖維可以參與拉伸荷載的傳遞，使得鋼筋與ECC 的黏結(jié)強(qiáng)度更高。目前，針對(duì)ECC 與鋼筋的黏結(jié)性能研究日趨成熟，但對(duì)ECC與銹蝕鋼筋的黏結(jié)性能研究還不夠深入。

筆者以銀川地區(qū)的騰格里沙漠砂為細(xì)集料制備ECC，并對(duì)其進(jìn)行了單軸拉伸、單軸壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)[11?12]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究ECC與銹蝕鋼筋的黏結(jié)性能，通過(guò)中心拉拔試驗(yàn)，研究鋼筋銹蝕率、黏結(jié)錨固長(zhǎng)度、鋼筋直徑和纖維摻量等因素對(duì)鋼筋與ECC的黏結(jié)性能的影響。

1試驗(yàn)概況

1.1原材料的力學(xué)性能

ECC所用材料分別是普通硅酸鹽水泥、騰格里沙漠砂、PVA纖維、粉煤灰、聚羧酸高效減水劑和水，纖維主要參數(shù)由廠家提供，如表1 所示；鋼筋的力學(xué)性能，如表2所示；試件同齡期力學(xué)性能，如表3所示。

1.2試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)裝置

對(duì)12組ECC與銹蝕鋼筋中心拉拔試件和1 組混凝土與銹蝕鋼筋的對(duì)比試件進(jìn)行黏結(jié)性能試驗(yàn)，每組3個(gè)試件，控制變量是鋼筋銹蝕率、黏結(jié)錨固長(zhǎng)度、鋼筋直徑和纖維摻量，試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表4 所示。為了保證鋼筋黏結(jié)錨固長(zhǎng)度，試件尺寸分別取為150mm×150mm×150mm 和150mm×150 mm×200mm。鋼筋位于試件中心，鋼筋黏結(jié)錨固長(zhǎng)度分別設(shè)置為5d、8d 和12d，在鋼筋錨固區(qū)兩端埋置PVC 套管以消除端部效應(yīng)并控制錨固長(zhǎng)度，試件澆筑前PVC管與鋼筋縫隙填充玻璃膠密封，防止?jié){體進(jìn)入管內(nèi)以保證鋼筋與混凝土的黏結(jié)長(zhǎng)度，試件尺寸如圖1所示。中心拉拔試驗(yàn)在1 000 kN 電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在鋼筋自由端和加載端分別對(duì)稱布置2個(gè)LVDT，以測(cè)量加載端和自由端鋼筋與試件的相對(duì)滑移。加載全程采用位移控制加載方式，加載速率為1mm/min，連續(xù)加載直至試件破壞；試驗(yàn)后，取下試件觀察鋼筋拔出情況及混凝土裂縫展開(kāi)狀況，確定試件的破壞形式及拔出類型，加載裝置如圖2 所示。

1.3加速銹蝕試驗(yàn)方法

鋼筋銹蝕采用外加電流加速銹蝕法，根據(jù)法拉第定律控制鋼筋銹蝕率，預(yù)銹蝕鋼筋與直流電源正極相連，不銹鋼片與直流電源負(fù)極相連，氯化鈉溶液為傳輸介質(zhì)，加速銹蝕鋼筋試驗(yàn)裝置如圖3（a）所示，拉拔試驗(yàn)結(jié)束后，將拉拔試件中鋼筋取出，截取黏結(jié)區(qū)段鋼筋如圖3（b）所示。通電時(shí)間t 由式（1）計(jì)算確定：

2黏結(jié)滑移機(jī)理分析

圖4是ECC與銹蝕鋼筋的典型黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線，可分為微滑移階段（OA）、滑移階段（AB）、破壞階段（BC）和殘余階段（CD），對(duì)照組銹蝕鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線可分為上升階段（OE），下降階段（EF）和殘余階段（FG）。

1）微滑移階段（OA）：鋼筋開(kāi)始滑移，銹蝕層結(jié)構(gòu)被擠壓破壞，鋼筋與ECC間的膠結(jié)力減小，此時(shí)黏結(jié)應(yīng)力主要取決于機(jī)械咬合力和握裹力，黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線基本呈線性上升趨勢(shì)。

2）滑移階段（AB）：鋼筋周?chē)鶨CC產(chǎn)生不同程度的徑向裂縫，銹蝕產(chǎn)物被擠壓密實(shí)，鋼筋與ECC 間咬合齒逐漸被剪斷擠壓，ECC中的纖維被拔出或拉斷，吸收耗散鋼筋滑移過(guò)程中產(chǎn)生的能量，黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線上升趨勢(shì)放緩，直至黏結(jié)應(yīng)力到達(dá)峰值點(diǎn)（黏結(jié)強(qiáng)度）。

3）破壞階段（BC）：鋼筋與周?chē)鶨CC間的咬合齒基本被破壞，鋼筋與ECC 的滑移量迅速增大，機(jī)械咬合力和摩擦力隨之減小，接觸界面也逐漸被磨平。試件內(nèi)部破壞情況如圖5 所示，試件破壞類型為剪切-拔出破壞，由于ECC 中的纖維抑制了混凝土中裂縫的發(fā)展，試件表面無(wú)明顯裂縫。

4）殘余階段（CD）：鋼筋連同螺紋間ECC被緩緩拔出，黏結(jié)應(yīng)力主要取決于拔出界面滑動(dòng)摩擦力，由于鋼筋的拔出界面趨向平滑，殘余黏結(jié)應(yīng)力變化較小。

3影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度的因素

3.1鋼筋銹蝕率

圖6是不同銹蝕率下銹蝕螺紋鋼筋與ECC的平均黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線，圖7 是不同銹蝕率下黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比。由圖可知，當(dāng)銹蝕率由0增加到5%，試件黏結(jié)強(qiáng)度提高了6.5%，殘余黏結(jié)應(yīng)力提高了10.37%，鋼筋銹蝕率較小時(shí)，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，ECC提供的握裹力增強(qiáng)，黏結(jié)強(qiáng)度和殘余黏結(jié)應(yīng)力提高；當(dāng)鋼筋銹蝕率由5%增加到15%，試件的黏結(jié)強(qiáng)度下降了20.04%，殘余黏結(jié)應(yīng)力下降了57.91%，銹蝕率繼續(xù)增大時(shí)，螺紋鋼筋橫肋有效高度減小，黏結(jié)應(yīng)力傳遞速度加快，機(jī)械咬合力減小，黏結(jié)強(qiáng)度降低。試件黏結(jié)強(qiáng)度和殘余黏結(jié)應(yīng)力隨鋼筋銹蝕率的增加先增大后減小，說(shuō)明存在鋼筋臨界銹蝕率使得試件黏結(jié)性能最好。

3.2黏結(jié)錨固長(zhǎng)度

圖8為銹蝕率為10%時(shí)，不同錨固長(zhǎng)度下平均黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線。由圖可知，隨著錨固長(zhǎng)度的增加，黏結(jié)強(qiáng)度減小，錨固長(zhǎng)度5d試件的黏結(jié)強(qiáng)度是12d試件的1.81倍，這歸因于黏結(jié)應(yīng)力在黏結(jié)錨固區(qū)域內(nèi)沿鋼筋方向分布不均勻，隨著黏結(jié)錨固長(zhǎng)度的增加，高應(yīng)力區(qū)長(zhǎng)度減小，從而黏結(jié)強(qiáng)度減小。

3.3鋼筋直徑

圖9為鋼筋銹蝕率10%時(shí)，不同鋼筋直徑下平均黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線，圖10為試件黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比圖。由圖可知，鋼筋直徑增大，微滑移階段曲線上升斜率減小，黏結(jié)剛度減小。黏結(jié)強(qiáng)度和殘余黏結(jié)應(yīng)力隨鋼筋直徑的增大明顯減小，鋼筋直徑18mm與10mm的試件相比，黏結(jié)強(qiáng)度和殘余黏結(jié)應(yīng)力分別下降了48.81% 和58.06%，這是由于鋼筋的相對(duì)肋高和肋距隨鋼筋直徑的增大而減小，相對(duì)黏結(jié)面積也隨之減小，使得鋼筋與ECC之間的機(jī)械咬合力相對(duì)較小，黏結(jié)強(qiáng)度和殘余黏結(jié)應(yīng)力降低。

3.4纖維摻量

圖11為鋼筋銹蝕率10%時(shí)，不同纖維摻量下平均黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線對(duì)比圖。由圖可知，黏結(jié)強(qiáng)度隨纖維體積摻量的增加先增大后減小，纖維體積摻量為2%時(shí)，ECC與銹蝕鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度和殘余黏結(jié)應(yīng)力最大。這是因?yàn)槔芜^(guò)程中黏結(jié)應(yīng)力主要取決于ECC與鋼筋的機(jī)械咬合力和ECC對(duì)鋼筋提供的握裹力，纖維體積摻量2%時(shí)，ECC的綜合力學(xué)性能最優(yōu)[13?15]。

4黏結(jié)韌性指數(shù)

美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）C1018利用能量比值法計(jì)算黏結(jié)韌性指數(shù)[16]，文中依據(jù)能量比值法并結(jié)合ECC與銹蝕鋼筋平均黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線的特點(diǎn)，提出適用于ECC與銹蝕螺紋鋼筋的黏結(jié)韌性指數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算公式為

表5是黏結(jié)韌性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，在鋼筋直徑、鋼筋外形、銹蝕率相同情況下，黏結(jié)韌性指數(shù)I_1.0和I_0.5都隨纖維體積摻量的增加先增大后減小，在纖維體積摻量為2%時(shí)，黏結(jié)韌性指數(shù)最高，曲線最飽滿，纖維的增韌和阻裂效果最明顯。

5結(jié)論

1）ECC與銹蝕鋼筋的典型黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線可分為微滑移階段、滑移階段、破壞階段和殘余階段。纖維的橋接作用大量吸收和耗散滑移過(guò)程中產(chǎn)生的能量，抑制了裂縫的發(fā)展，試件破壞類型為剪切-拔出破壞。

2）試件黏結(jié)強(qiáng)度和殘余黏結(jié)應(yīng)力隨著鋼筋銹蝕率的增加先增大后減小，存在臨界鋼筋銹蝕率使得銹蝕鋼筋與ECC的黏結(jié)性能最好。

3）鋼筋銹蝕率為10%時(shí)，試件黏結(jié)強(qiáng)度隨鋼筋錨固長(zhǎng)度和鋼筋直徑的增大而減小，其中，錨固長(zhǎng)度5d試的黏結(jié)強(qiáng)度是12d試件的1.81倍。

4）隨著纖維體積摻量的增加，黏結(jié)韌性指數(shù)和黏結(jié)強(qiáng)度先增大后減小，纖維體積摻量2%時(shí)纖維的增韌和阻裂效果最明顯。