新型負(fù)泊松比高強(qiáng)鋼筋與混凝土黏結(jié)性能的研究*

邵姝文 商懷帥 馮海暴 李永升 袁守濤

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033；2.中交一航局有限公司，天津 300456；3.青島中航工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，山東青島 266044)

推廣和應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋對(duì)建筑行業(yè)的節(jié)能減排意義重大，鋼筋強(qiáng)度每提高100 MPa，可節(jié)約鋼材用量10%左右[1]。關(guān)于高強(qiáng)鋼筋的使用，國外開始的較早。近年來，我國學(xué)者也陸續(xù)開展了關(guān)于高強(qiáng)鋼筋的試驗(yàn)研究。姚瑞研究了HRB500級(jí)鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能，并分析了不同因素對(duì)黏結(jié)性能的影響，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式及合理錨固長(zhǎng)度[2]。管俊峰等對(duì)600 MPa級(jí)鋼筋的力學(xué)性能及配置600 MPa級(jí)鋼筋的梁構(gòu)件抗裂性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了600 MPa級(jí)鋼筋的本構(gòu)關(guān)系及配置600 MPa級(jí)鋼筋的梁構(gòu)件抗裂度計(jì)算式[3-4]。除此以外，文獻(xiàn)[5-6]介紹了對(duì)630 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋及HTRB700鋼筋的試驗(yàn)研究，給出了630 MPa級(jí)鋼筋的低周疲勞性能及HTRB700鋼筋的材料特性。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高強(qiáng)鋼筋的研究已經(jīng)較為深入，但目前國內(nèi)研究應(yīng)用的高強(qiáng)鋼筋屈服強(qiáng)度普遍介于500～600 MPa，較發(fā)達(dá)國家仍存在差距，且普遍存在強(qiáng)度提高、延性降低的問題。除鋼筋的強(qiáng)度和延性外，鋼筋的耐腐蝕性能也是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的重要因素；但目前研究應(yīng)用的高強(qiáng)鋼筋，強(qiáng)度提高的同時(shí)，延性和耐腐蝕性能并未得到改善。

基于此，我國自主研發(fā)了一種新型負(fù)泊松比高強(qiáng)高延性耐腐蝕的鋼筋——NPR鋼筋；NPR鋼筋與普通高強(qiáng)鋼筋相比，除強(qiáng)度提高外，延性和耐腐蝕性能均得到了改善。但目前關(guān)于NPR鋼筋的研究國內(nèi)外均鮮有報(bào)道。作為新型鋼筋，當(dāng)其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，其與混凝土的黏結(jié)性能是否與普通鋼筋、高強(qiáng)鋼筋及各類FRP筋與混凝土間的黏結(jié)性能相似，需通過試驗(yàn)研究確定。故開展NPR鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能研究，可為NPR鋼筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)提供參考。

1 NPR鋼筋簡(jiǎn)介及靜載拉伸試驗(yàn)

NPR鋼筋與普通鋼筋相比主要有以下特點(diǎn)：1)NPR鋼筋中Mn元素含量高達(dá)10.7%，Mn元素對(duì)提高鋼材的強(qiáng)度、硬度、韌性及熱加工性能有積極作用；此外，NPR鋼筋中Ni 、Cr、Cu微量元素含量高于普通鋼筋，使其耐腐蝕性能提高，NPR鋼筋的化學(xué)成分及含量如表1所示。2)由于其特殊的退火保溫工藝，NPR鋼筋在常溫下為全奧氏體材料，奧氏體具有無磁、韌性高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)全奧氏體的單相組織比其他復(fù)相組織材料的耐腐蝕性更高，NPR鋼筋的金相組織如圖1所示。3)NPR鋼筋外表面為連續(xù)均勻分布的凸起螺旋肋，通體橫截面積相等；其特殊的表面形式實(shí)現(xiàn)了高均勻、大變形的特性，同時(shí)解決了月牙肋鋼筋在拉伸時(shí)由于肋根部應(yīng)力集中而出現(xiàn)剪切斷裂，斷裂延伸率不可控等問題。

圖1 NPR鋼筋的金相組織Fig.1 Metallographic structure of NPR rebars

表1 NPR鋼筋的化學(xué)成分及含量Table 1 Chemistry and contents of NPR rebars %

采用300 kN的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)NPR鋼筋進(jìn)行了室溫下拉伸試驗(yàn)。NPR鋼筋的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。從表2和圖2可以看出：1)不同直徑NPR鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢(shì)基本相同，其屈服平臺(tái)消失，無明顯屈服強(qiáng)度。2)對(duì)于直徑為8 mm的兩種鋼筋，HRB400鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度僅為NPR鋼筋的61.33%和63.74%，NPR鋼筋的斷后伸長(zhǎng)率和最大力總伸長(zhǎng)率較HRB400鋼筋分別提高了78.11%和125.60%。3)對(duì)于直徑為18 mm的兩種鋼筋，NPR鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及最大力總伸長(zhǎng)率較HRB400鋼筋分別提高了50.80%、42.42%、44.10%和87.86，表明NPR鋼筋具有更高的強(qiáng)度和延性。

HRB400(18 mm);HRB400(8 mm);NPR(18 mm);NPR(8 mm)。圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves

2 中心拔出試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

2.1.1鋼 筋

試驗(yàn)選用直徑為8，18 mm的NPR鋼筋和HRB400級(jí)普通月牙紋鋼筋，鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示，外形如圖3所示，參數(shù)如表3～4所示。

mm

表2 不同類型鋼筋的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of different rebars

無明顯屈服平臺(tái)的鋼筋，其屈服強(qiáng)度取殘余變形為0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值。

a—NPR鋼筋；b—普通鋼筋。圖3 鋼筋示意Fig.3 Schematic diagrams of rebars

表3 普通鋼筋外形參數(shù)Table 3 Shape parameters of conventional rebars

表4 NPR鋼筋外形參數(shù)Table 4 Shape parameters of NPR rebars

螺旋槽數(shù)為沿鋼筋全長(zhǎng)連續(xù)均勻分布的螺旋肋數(shù)量。

2.1.2海工混凝土

為了更貼合工程實(shí)際，試驗(yàn)選用中交一航局第二工程有限公司預(yù)制分公司生產(chǎn)的海工混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗凍等級(jí)為F250；水泥選用山鋁P·O 42.5R水泥；粗骨料選用連續(xù)級(jí)配為5～25 mm的碎石，其堆積密度為1 789 kg/m3，表觀密度為2 670 kg/m3，含泥量低于1.5%；細(xì)骨料選用青島市河沙，其細(xì)度模數(shù)為3.1，含泥量低于2.0%；拌和水選用青島市自來水。此外還摻有引氣劑、礦粉、高性能減水劑等，由于引氣劑等外加劑的加入，使海工混凝土的抗凍及抗?jié)B性能與普通混凝土相比大幅度提高。海工混凝土具體配合比如表5所示，其材料性能如表6所示。

表5 海工混凝土配合比Table 5 Proportion of marine concrete mix kg/m3

表6 海工混凝土材料性能指標(biāo)Table 6 Material property indexes of marine concrete

2.2 試件制備

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)24組尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm的中心拔出試件，鋼筋選取NPR鋼筋和普通鋼筋、鋼筋直徑為8，18 mm、黏結(jié)長(zhǎng)度為5d和7d(d為鋼筋直徑)。試件編號(hào)由3部分組成，鋼筋種類和直徑-黏結(jié)長(zhǎng)度-混凝土強(qiáng)度等級(jí)。例如，N18-5d-30表示：直徑為18 mm的NPR鋼筋，其與強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土黏結(jié)長(zhǎng)度為5d。

在澆筑前，為防止邊界效應(yīng)的影響，在加載端和自由端分別設(shè)置聚氯乙烯管，并通過調(diào)整聚氯乙烯管位置來設(shè)置黏結(jié)長(zhǎng)度；通過纏繞泡沫狀的雙面膠固定聚氯乙烯管和鋼筋的相對(duì)位置，同時(shí)為防止砂漿流入聚氯乙烯管與鋼筋之間的空隙，進(jìn)而影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度，采用樹脂將聚氯乙烯管兩端封堵；自由端鋼筋預(yù)留長(zhǎng)度為100 mm，加載端預(yù)留350 mm，試件詳圖如圖4所示。澆筑24 h后拆模，然后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

圖4 中心拔出試件 mmFig.4 Details of central pull-out specimens

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及加載方案

中心拔出試驗(yàn)在600 kN的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)通過在加載端設(shè)置荷載傳感器和位移計(jì)來采集荷載及加載端滑移，試驗(yàn)采用力控制加載模式，加載速率為0.1 kN/s，直至試驗(yàn)結(jié)束；試驗(yàn)過程中若出現(xiàn)混凝土劈裂或加載端滑移超過36 mm時(shí)停止加載，試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)加載裝置Fig.5 The test loading device

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋類型對(duì)破壞形態(tài)無明顯影響，試驗(yàn)主要發(fā)生鋼筋拔出破壞和混凝土劈裂兩種破壞模式(表7)。直徑8 mm的兩種鋼筋均發(fā)生拔出破壞，直徑18 mm的兩種鋼筋均發(fā)生混凝土劈裂破壞；其中劈裂破壞是由于鋼筋肋作用在混凝中產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力的橫向分力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，而在混凝土的薄弱部位產(chǎn)生裂縫，裂縫隨荷載的增大不斷擴(kuò)展，最終因混凝土能力不足而發(fā)生的破壞，劈裂破壞所得黏結(jié)強(qiáng)度小于鋼筋與混凝土的實(shí)際極限黏結(jié)強(qiáng)度。發(fā)生劈裂破壞的試件至少產(chǎn)生一條貫穿裂縫，且普通鋼筋試件的裂縫發(fā)展情況較NPR鋼筋試件嚴(yán)重，裂縫寬度稍大于NPR鋼筋試件(圖6a)；從破壞面可見混凝土黏結(jié)段的鋼筋凹槽明顯，凹槽前有摩擦痕跡且有少量被擠碎的碎屑，普通鋼筋凹槽的摩擦現(xiàn)象較NPR鋼筋嚴(yán)重(圖6b)；發(fā)生劈裂破壞的鋼筋肋表面基本無磨損，鋼筋肋間殘留混凝土碎屑，且普通鋼筋肋間碎屑較NPR鋼筋更多(圖6c)。出現(xiàn)以上劈裂現(xiàn)象的原因是：NPR鋼筋的肋高較普通鋼筋低，其肋對(duì)混凝土的斜向擠壓力更小，從而使得斜向擠壓力的徑向分力更小，裂縫開展更慢，破壞現(xiàn)象更輕。

表7 中心拔出試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of central pull-out test

a—混凝土裂縫；b—鋼筋凹槽；c—鋼筋表面形態(tài)。圖6 試件劈裂破壞形態(tài)Fig.6 Fracture failure modes of specimens

當(dāng)荷載較小時(shí)，黏結(jié)力主要由化學(xué)膠著力提供；隨荷載的增加，加載端膠著力逐漸破壞，抗力主要由鋼筋肋與混凝土間機(jī)械咬合力和摩擦力提供；接近破壞時(shí)，鋼筋肋間混凝土被磨平(圖7a、7b)，鋼筋肋表面也出現(xiàn)磨損現(xiàn)象(圖7c)。由于NPR鋼筋表面形式的影響，使得其與混凝土間的機(jī)械咬合力和摩擦力較小，因此NPR鋼筋凹槽及肋表面磨損情況與普通鋼筋試件相比較輕。

a—NPR鋼筋凹槽；b—普通鋼筋凹槽；c—鋼筋表面形態(tài)。圖7 試件拔出破壞形態(tài)Fig.7 Pull-out failure modes of specimens

3.2 黏結(jié)強(qiáng)度

平均黏結(jié)應(yīng)力按(1a)式計(jì)算，加載端黏結(jié)滑移的計(jì)算見式(1b)。

(1a)

s=s1-Δs

(1b)

式中：τ為平均黏結(jié)應(yīng)力；F為拉拔力；d為鋼筋直徑；la為黏結(jié)長(zhǎng)度；s為加載端黏結(jié)滑移值；s1為加載端實(shí)際滑移值；Δs為墊板表面至位移計(jì)架立處鋼筋伸長(zhǎng)量；l為圖5中位移計(jì)架立處至試件底面的垂直距離；E為鋼筋彈性模量；A為鋼筋計(jì)算截面面積。

3.2.1鋼筋直徑對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

鋼筋直徑對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響隨黏結(jié)長(zhǎng)度的不同而變化。如圖8所示，黏結(jié)長(zhǎng)度為5d的N18試件、P18試件比N08試件、P08試件的黏結(jié)強(qiáng)度分別提高了43.9%、66.24%；黏結(jié)長(zhǎng)度為7d的N18試件、P18試件，其黏結(jié)強(qiáng)度分別為11.31,12.62 MPa，比N08試件、P08試件的黏結(jié)強(qiáng)度分別降低了2.16%、7.82%。研究[7-8]表明：鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度隨鋼筋直徑的增大而減小，主要是由于鋼筋直徑增大，其相對(duì)肋高降低，導(dǎo)致鋼筋與混凝土間的機(jī)械咬合力降低，從而使黏結(jié)強(qiáng)度減小。一些學(xué)者也指出將相對(duì)肋面積(NPR鋼筋的相對(duì)肋面積為：螺旋肋在其垂直平面的投影面積/鋼筋周長(zhǎng)與螺旋肋寬的乘積)作為評(píng)價(jià)黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[8-9]，直徑18 mm的兩種鋼筋相對(duì)肋面積較直徑8 mm鋼筋有所提高；除此以外，對(duì)于直徑8 mm鋼筋，當(dāng)黏結(jié)長(zhǎng)度為5d時(shí)，相對(duì)黏結(jié)面積(鋼筋黏結(jié)面積與鋼筋拉應(yīng)力之比)較小，最終導(dǎo)致黏結(jié)長(zhǎng)度為5d、鋼筋直徑為8 mm的兩種鋼筋試件在較小荷載下發(fā)生黏結(jié)破壞。盡管試驗(yàn)結(jié)果存在離散性，但總體而言，NPR鋼筋和普通鋼筋在不同直徑下對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律相似。

3.2.2黏結(jié)長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

對(duì)于直徑為18 mm的兩類鋼筋，黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)長(zhǎng)度的增大而降低，P18-7d試件黏結(jié)強(qiáng)度為P18-5d的74.06%；N18-7d試件黏結(jié)強(qiáng)度為N18-5d的82.92%。而對(duì)于直徑為8 mm的兩類鋼筋，P08-7d和N08-7d試件的黏結(jié)強(qiáng)度比P08-5d和N08-5d試件分別提高了33.56%、21.94%(圖8)，說明黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)長(zhǎng)度的增加而提高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：對(duì)于直徑8 mm鋼筋，黏結(jié)長(zhǎng)度由5d增加到7d，鋼筋與混凝土的黏結(jié)錨固長(zhǎng)度變化范圍不大，使得試驗(yàn)結(jié)果與黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)長(zhǎng)度增加而降低的普遍規(guī)律不同[7,10-11]；同時(shí)，黏結(jié)長(zhǎng)度由5d增加到7d，鋼筋與混凝土的相對(duì)黏結(jié)面積增大，使得兩種鋼筋試件的黏結(jié)強(qiáng)度有所提高。

N08;P08;N18;P18。圖8 黏結(jié)強(qiáng)度的對(duì)比Fig.8 Comparisons of bond strength

3.2.3鋼筋類型對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

NPR鋼筋表面有多條凸起的、均勻分布的螺旋肋，且螺旋肋沿鋼筋軸向延伸設(shè)置，其特殊的表面形式可實(shí)現(xiàn)高均勻大變形的需求，同時(shí)對(duì)NPR鋼筋的黏結(jié)性能也有明顯影響。如圖8所示，對(duì)于直徑為8 mm的兩種鋼筋，黏結(jié)長(zhǎng)度為5d、7d時(shí)，N08試件的黏結(jié)強(qiáng)度比P08試件分別降低了7.51%、15.56%；對(duì)于直徑為18 mm的兩種鋼筋，黏結(jié)長(zhǎng)度為5d、7d時(shí)，N18試件的黏結(jié)強(qiáng)度比P18試件分別降低了19.95%、10.38%。NPR鋼筋外表面的螺旋肋和混凝土間的機(jī)械咬合力與普通月牙肋鋼筋相比有所降低，從而導(dǎo)致直徑和黏結(jié)長(zhǎng)度相同時(shí)，NPR鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度與普通鋼筋試件相比有不同程度的降低。

3.3 黏結(jié)應(yīng)力-滑移(τ-s)曲線

NPR鋼筋混凝土試件的黏結(jié)滑移破壞模式及受荷載作用下的表現(xiàn)與普通鋼筋高強(qiáng)混凝土[12]、FRP筋普通混凝土[13-14]、FRP筋珊瑚混凝土[15]、及環(huán)氧涂層鋼筋普通混凝土[16]基本相似。根據(jù)NPR鋼筋混凝土試件的破壞模式及加載端黏結(jié)應(yīng)力-滑移(τ-s)曲線(圖9、圖10)，可以將其受力過程分為微滑移階段、滑移階段、下降階段、殘余階段；對(duì)于劈裂破壞的試件只存在前兩個(gè)階段。

N08;P08;N18;P18。圖9 5d黏結(jié)長(zhǎng)度的τ-s曲線Fig.9 The τ-s curves for specimens with bond length of 5 times the diameter of rebars

N08;P08;N18;P18。圖10 7d黏結(jié)長(zhǎng)度的τ-s曲線Fig.10 The τ-s curves for specimens with bond length of 7 times the diameter of rebars

微滑移階段：黏結(jié)力主要由化學(xué)膠著力提供，試件受力較小，加載端有微小滑移，τ-s曲線成線性變化；普通鋼筋在此階段的微滑移與NPR鋼筋相比略大。

滑移階段：隨荷載的不斷增加，黏結(jié)力主要由機(jī)械咬合力和摩擦力提供。NPR鋼筋與普通鋼筋相比，其加載端滑移明顯增大，τ-s曲線的斜率明顯降低，這是由于NPR鋼筋表面凸起的螺旋肋和混凝土間的機(jī)械咬合力與普通月牙肋鋼筋相比略低，從而導(dǎo)致滑移增大，反映在τ-s曲線上表現(xiàn)為其增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。

下降階段：黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值后，由于鋼筋肋間混凝土被磨碎，使得機(jī)械咬合力迅速降低，同時(shí)由于鋼筋肋被磨損，摩擦力也開始降低，從而導(dǎo)致黏結(jié)應(yīng)力迅速減小，加載端滑移持續(xù)增大，τ-s曲線進(jìn)入下降段。此階段的黏結(jié)力仍由機(jī)械咬合力和摩擦力提供，由于NPR鋼筋的機(jī)械咬合力和摩擦系數(shù)較小，使得其τ-s曲線的下降段與普通鋼筋相比更長(zhǎng)，黏結(jié)應(yīng)力下降更多，滑移發(fā)展更快。

殘余階段：下降段結(jié)束后，τ-s曲線進(jìn)入殘余階段。此時(shí)黏結(jié)力并沒有消失，而是由于變形肋的機(jī)械咬合力和摩擦力共同作用使τ-s曲線進(jìn)入下一個(gè)“滑移階段-下降階段-殘余階段”的循環(huán)過程，直至鋼筋拔出。

4 結(jié)束語

1)NPR鋼筋由于化學(xué)成分及含量、金相組織、表面形式的改變，使其在強(qiáng)度、硬度、延性及耐腐蝕性等方面表現(xiàn)出比普通鋼筋更優(yōu)越的性能；不同直徑NPR鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢(shì)基本相同，其屈服平臺(tái)消失，無明顯屈服強(qiáng)度。

2)鋼筋類型對(duì)黏結(jié)破壞形式無明顯影響，直徑為8 mm的兩種鋼筋均發(fā)生拔出破壞，直徑為18 mm的兩種鋼筋均發(fā)生劈裂破壞。

3)其他條件相同時(shí)，直徑和黏結(jié)長(zhǎng)度對(duì)兩種鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律類似，即黏結(jié)長(zhǎng)度為5d的兩種鋼筋試件，其黏結(jié)強(qiáng)度均隨直徑的增大而增大；而黏結(jié)長(zhǎng)度為7d時(shí)，兩種鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度均隨直徑的增大而減小。N08、P08試件的黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)長(zhǎng)度的增大而增大，N18、P18試件的黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)長(zhǎng)度的增大而減小。直徑和黏結(jié)長(zhǎng)度相同時(shí)，NPR鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度較普通鋼筋試件偏低，降低值介于7.51%～19.55%，平均值在13.35%左右。

4)NPR鋼筋的τ-s曲線可分為微滑移階段、滑移階段、下降階段、殘余階段，其下降段與普通鋼筋試件相比略有差異。