PVA纤维水泥基复合材料与钢筋黏结强度的试验研究

邓轶涵，刘曙光，张菊，王玉清，成芳

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特 010051;2.内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特 010051; 3.赤峰学院，内蒙古赤峰 024000)

PVA纤维水泥基复合材料与钢筋黏结强度的试验研究

邓轶涵1，刘曙光2，张菊2，王玉清1，成芳3

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特 010051;2.内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特 010051; 3.赤峰学院，内蒙古赤峰 024000)

为了进一步在工程中应用PVA纤维水泥基复合材料，通过拉拔试验，研究PVA纤维水泥基复合材料抗拉强度、纤维体积掺量、钢筋锚固长度、相对保护层厚度对PVA纤维水泥基复合材料与钢筋平均黏结强度的影响。结果表明:PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的平均黏结强度在纤维体积掺量为1.71% 时最大;PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的平均黏结强度随相对锚固长度的增加而减小;PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的平均黏结强度随相对保护层厚度的增加而增加，但存在一个临界值，在4.19～5.75之间。最后回归得出了PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的平均黏结强度计算公式，与试验值吻合较好。

PVA纤维 水泥基复合材料 钢筋 平均黏结应力 滑移量 黏结强度

自聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，简称PVA)纤维水泥基复合材料问世以来，以强度高、韧性好、耐久性能好等优点，受到了广大学者和研究人员的重视，并取得了一系列研究成果［1－3］。同时给既有结构加固、改造领域带来了机遇。Xu B等［4］研究了PVA－ECC的抗冲击性能，由于PVA纤维与基体之间具有良好的黏结性能，掺入PVA纤维后抗冲击性能得到显著改善。Şahmaran M等［5］分析了粉煤灰和PVA纤维对水泥基材料微观损伤和性能劣化的影响，得出掺入PVA纤维可降低高温作用下材料的剥落程度，而掺入粉煤灰能够改善材料的耐久性能。Gustavo J等［6］研究了在位移变化作用下PVA－FRCC弯曲构件的变形能力和剪切强度，得出所有PVA－FRCC试验试件，无论有无横向钢筋，都具有稳定的≥4% 的变形能力;而所有PVAFRCC试件在剪切应力＞0.30作用下，表现出剪切延性的失效或是严重的衰减性能。

实际工程中，PVA纤维水泥基复合材料与钢筋之间的黏结作用是保证该类新型结构正常工作的基础，然而由于材料的不同，对普通混凝土与钢筋间的黏结机理是否同样适用于PVA纤维水泥基复合材料与钢筋，还有待进一步考证。基于此，本文对PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的黏结性能进行试验研究，结合42个试件的荷载—滑移曲线的分析，提出了特征黏结—滑移模式，回归得到了平均黏结强度的计算公式。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验PVA纤维体积掺量为0，0.5% ，1.0% ，2.0% ，前三者试件的水胶比为0.26，而纤维体积掺量为2.0% 试件的水胶比为0.28。采用内蒙古冀东水泥有限公司生产的42.5级水泥，Ⅰ级粉煤灰为内蒙古达旗建材公司生产，细骨料为70～140目优质石英砂，增稠剂为山东生化公司生产，型号为MK－100000S。高效减水剂采用大连西卡建材公司生产的高效减水剂。高效消泡剂为北京金亮博科技有限公司生产的JXPT－1206。PVA纤维采用日本Kuraray公司生产的K－Ⅱ可乐纶，特性如表1所示。选用包头钢铁有限责任公司生产的变形钢筋。

1.2 PVA纤维水泥基复合材料抗拉强度测试

为了得到PVA纤维水泥基复合材料的抗拉强度，对纤维体积掺量分别为0，0.5% ，1.0% ，2.0% 的4组试件进行了直接拉伸试验。试件截面尺寸20 mm× 100 mm，长500 mm。为防止试件两端受压破坏以及使拉力传递均匀，在试件两端用角磨机打磨后粘贴3 mm厚的铝板，再利用万能试验机进行拉伸试验。

表1 PVA纤维特性

根据试验结果得到的材料抗拉强度拟合曲线如图1所示。可见，在一定范围内，随着纤维体积掺量Vf的增加，PVA纤维水泥基复合材料的抗拉强度ft有逐渐增大的趋势。拟合后的关系式为

图1 纤维体积掺量对抗拉强度的影响

1.3 拉拔试件设计

试件形式为国内外普遍采用的中心拉拔试件。尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准试件;钢筋总长度为400 mm，拉拔端长度为200 mm，自由端长度为50 mm。具体尺寸如表2所示。试件制作过程中，为了避免试件在受力过程中出现应力集中与实际结构中钢筋的应力状态差别大，影响试验结果的真实性，同时也为了消除端部效应，在钢筋两端一定长度内用PVC套管将二者隔离(见图2)。此外，夹具上端设有穿心球铰以避免钢筋偏斜引起的撕裂和偏心受拉，参见图3。

表2 试件设计

图2 试件(单位:mm)

1.4 加载与测试

本试验使用1 000 kN万能试验机加载。为配合本试验特别制作加载架(如图3所示)，以便放置试件并提供反力、安装拉压力传感器。在钢筋的自由端和加载端各安装两个位移传感器，用于量测加载端和自由端钢筋相对于PVA纤维水泥基的滑移量。试验采用等速位移控制，加载速率为1 mm/min。各试件加载结束的标志为钢筋拔出或基体开裂。

图3 加载架示意

如图2所示，CD段钢筋受拉拔荷载作用产生的非滑移变形(因为CD段钢筋长度相对较长)，在加载端滑移计算时应该减去加载端lCD段材料本身的变形，如式

则平均滑移量s=(s1+sf)/2，钢筋的平均黏结应力τ=P/(πdla)。

式中:s1为加载端实际滑移量;sf为自由端实测滑移量为仪器量测加载端滑移量;P为拉拔力;lCD为加载端夹头距黏结起始端距离;Es为钢筋弹性模量，As为钢筋有效截面面积;d为钢筋直径;la为锚固长度。

2 试验结果及参数影响分析

2.1 黏结应力—滑移量关系曲线

图4所示为试件F1－12－50的黏结应力—滑移量关系曲线。其中，黏结应力为平均黏结应力τ，滑移量为加载端滑移量与自由端滑移量的平均值，即前述s。

图4 试件F1－12－50的τ－s关系曲线

可以将滑移破坏过程分为以下几个阶段:

1)上升段(OA)。①线性阶段:从加载开始到钢筋加载端开始滑移的阶段(在峰值黏结应力的60% 左右)，加载端滑移量很小，自由端尚未开始滑移(几乎为0)，滑移量与平均黏结应力的关系接近90°直线。可以认为，此阶段钢筋与PVA纤维水泥基复合材料之间处于完全黏结状态，黏结界面刚刚开始受剪，主要由化学胶着力抵抗因加载产生的滑移变形。②非线性阶段:随着荷载的增加，平均黏结应力不断增大，当达到峰值黏结应力的60% 以后，首先在加载端出现局部脱黏现象，逐渐由加载端沿钢筋与PVA纤维增强水泥基复合材料的黏结界面向纵向深处发展，滑移量增加的速度加快，黏结—滑移表现为非线性关系。

2)下降段(AB)。荷载达到峰值后，加载端和自由端的滑移量均大幅增加，机械咬合力开始逐渐丧失，荷载下降，钢筋开始从加载端拔出。纤维体积掺量低的试块发生劈裂现象，荷载突然下降，破坏突然，脆性大;而纤维体积掺量高的试块，荷载下降较慢且相对平缓，钢筋拔出的速度缓慢，表现出良好的黏结性能。

3)残余段(BC)。当荷载下降到一定程度时，滑移量大幅增加，平均黏结应力并没有完全消失，而是进入残余阶段。平均黏结应力主要由钢筋表面与PVA纤维增强水泥基复合材料之间的摩阻力组成。由于变形钢筋肋的存在，使摩擦力在相邻肋之间少许增加又下降，连续起来就形成周期性衰减。对于纤维体积掺量较低的试块，平均黏结应力在相邻肋之间增加又下降的过程比较突然，残余段曲线呈锯齿形;而对于纤维体积掺量较高的试块，平均黏结应力在相邻变形肋之间增加又下降的过程比较平缓，残余段曲线呈波浪形。

2.2 PVA纤维体积掺量的影响

在相同钢筋直径、锚固长度和保护层厚度的条件下，本文探讨了PVA纤维体积掺量的影响。

平均黏结强度与纤维体积掺量之间的关系见式(2)和图5。

式中:τu为PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的平均黏结强度;Vf为纤维体积掺量。

图5 纤维体积掺量对平均黏结强度的影响

由图5可以看出:平均黏结强度随着PVA纤维体积掺量的增加而提高，纤维掺量的提高可有效抑制试件的开裂，有助于提高平均黏结强度。这是因为PVA纤维水泥基复合材料中乱向分布的纤维对周围水泥基复合材料基体产生类似于箍筋的环箍效应。由于纤维的阻裂作用，使水泥基复合材料具有更大的变形能力，抑制因斜向挤压力产生的内部裂缝的发展。当Vf= 1.71% 时平均黏结强度最高。当Vf＞1.71% 时，界面处的纤维增多，虽然可以抑制内部裂缝的发展，但是却增加了界面处黏结破坏的几率，综合来看，平均黏结强度下降。

2.3 相对锚固长度的影响

相对锚固长度与相对黏结强度的关系见式(3)及图6。

式中:ft为试件的抗拉强度;τu/ft为相对黏结强度; la/d为相对锚固长度。

由图6可以看出，在纤维体积掺量、钢筋直径、保护层厚度相同的条件下，随着相对锚固长度的增加，极限荷载增大，但是平均黏结应力减小。这是因为应力拱的作用产生了黏结应力峰值效应。黏结应力沿锚固长度的分布是不均匀的，而且锚固长度越长，黏结应力的分布越不均匀，极限黏结应力和平均黏结应力的差值就越大。相对锚固长度较长时，高应力区相对较窄，导致平均黏结应力较低。相对锚固长度较短时，高应力区相对较宽，平均黏结应力相对较高。

图6 相对锚固长度对相对黏结强度的影响

2.4 相对保护层厚度的影响

变形钢筋锚固破坏是以劈裂为先导，保护层越厚，对基体的约束作用就越大，劈裂破坏就有可能推迟甚至不发生，所以混凝土保护层厚度也是影响黏结性能的重要因素。

相对保护层厚度与相对黏结强度的关系见式(4)及图7。

式中:τu/ft为相对黏结强度;c/d为相对保护层厚度。

图7 相对保护层厚度对相对黏结强度的影响

根据钢筋混凝土黏结理论［7］，对于螺纹钢，当相对保护层厚度c/d(保护层厚度与钢筋直径之比)＞4时，黏结应力不再提高。如图7所示，c/d分别为5.75，4.19，3.25。参考钢筋混凝土黏结理论可推断，钢筋与PVA纤维水泥基复合材料的黏结也存在一个临界相对保护层厚度(c/d)cr，在4.19～5.75之间，＜(c/d)cr时，平均黏结强度随保护层厚度的增大而提高，≥(c/d)cr时，平均黏结强度将不再增长。

3 PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的平均黏结强度计算公式

依据试验结果，考虑PVA纤维水泥基复合材料抗拉强度、相对锚固长度、相对保护层厚度等因素的影响，回归得到PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的平均黏结强度计算公式为

式中:c/d≥4.2时，取c/d=4.2;ft=ftk/γc，ftk为抗拉强度标准值，γc为分项系数，取1.4。利用式(5)的计算值τu与试验实测值进行比较，得平均值μ =0.970，变异系数δ=0.145。

4 结论

1)PVA纤维水泥基复合材料与钢筋拉拔至破坏的受力过程可分为上升段、下降段和残余段，上升段分为线性阶段和非线性阶段。

2)通过42个锚固构件的拉拔试验，详细分析了PVA纤维水泥基复合材料抗拉强度、相对锚固长度、相对保护层厚度等因素对平均黏结强度的影响。在试验结果的基础上，回归得到了PVA纤维水泥基复合材料与钢筋的平均黏结强度计算公式，计算结果与试验结果吻合良好。

［1］陈婷，詹炳根.设计PVA纤维水泥基复合材料的研究进展［J］.混凝土，2003(11):3－6.

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Experimental study on bond strength between PVA(Polyvinyl Alcohol) fiber reinforced cement-based composite material and steel bar

DENG Yihan1，LIU Shuguang2，ZHANG Ju2，WANG Yuqing1，CHENG Fang3
(1.School of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot Inner Mongolia 010051，China; 2.School of Mining and Technology，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot Inner Mongolia 010051，China; 3.Chifeng University，Chifeng Inner Mongolia 024000，China)

For further application of PVA fiber cement－based composites in engineering，the influence of PVA fiber cement－based composites tensile strength，fibers volume fraction，anchorage length of steel bar and relative protective thickness on PVA fiber cement－based composites and average bonding strength of steel bar by pull－out test.The results showed that average bond strength of PVA fiber cement－based composites and steel bar is maximal when fiber volume fraction is 1.71% ，average bond strength of PVA fiber cement－based composites and steel bar decreases with relative anchorage length increasing and increases with the increasing of relative protective thickness，the critical value of which is between 4.19 and 5.75.Average bond strength calculation equation of PVA fiber cement－based composites and steel bar was concluded，which is in good agreement with test values.

PVA fiber;Cement－based composites;Steel bar;Average bonding stress;Slippage;Bond strength

TU528.58

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.37

(责任审编 孟庆伶)

1003－1995(2015)10－0167－05

2015－03－26;

2015－07－28

国家自然科学基金项目(51168033，51368041);内蒙古自然科学基金(2012MS0706，2013MS0709);内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY13104)

邓轶涵(1988—)，女，硕士研究生。