钢筋与超高性能混凝土粘结锚固试验研究

王瑞龙，马 骉

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

超高性能混凝土（UH PC）作为一种新型材料，由水泥、硅灰、石英粉、硅砂、细钢纤维等材料加水拌合而成[1]。由于其细小颗粒混合料具有高均匀性与高致密性、细钢纤维空间桥接可弥合微裂纹，故UH PC的抗压强度可达到150 M Pa，抗拉强度可达到10 M Pa，防腐性能和耐久性能可达到普通混凝土的数十倍[2]。

目前，UH PC在桥梁预制拼装的接缝区域有着很大的应用前景。由于其与钢筋的握裹力强，可简化接缝区域的钢筋连接方式（采用搭接，无需焊接或绑扎），大幅减少现场作业量、缩短养护时间。因此，为保证钢筋在UH PC接缝中具有足够的锚固长度，需明确钢筋与UH PC之间的粘结强度。

上世纪90年代以来，国内外许多学者针对普通强度钢筋和混凝土做了大量的粘结锚固试验，得到了一系列成果。Kheder[3]对钢筋与普通混凝土和粘结性能进行了试验研究。结果表明，钢筋与混凝土之间的粘结强度随混凝土的抗压强度及保护层厚度的增大而增大，随钢筋直径的增大而减小。

随着钢筋和混凝土强度的发展，近年来，粘结锚固试验逐渐聚焦到高强和高性能混凝土。谢剑等[4]对高强钢筋和高强混凝土的粘结性能进行了拔出试验。结果表明，两者之间的粘结锚固性能与普通强度钢筋混凝土类似，但破坏时延性较差。

国内外诸多研究者均开展了关于钢筋与纤维混凝土间黏结性能的试验研究，探讨纤维掺入对混凝土与变形钢筋间黏结强度的影响规律。安明喆等[5]对不同直径和不同埋长的普通热轧变形钢筋与活性粉末混凝土的粘结性能进行了钢筋拔出试验，结果表明活性粉末混凝土与钢筋的极限粘结应力随着钢筋直径的增加而下降,钢筋直径相同时随着锚固长度的增加而降低。牛建刚等[6]对塑钢纤维轻骨料混凝土与钢筋间粘结性能进行了钢筋拔出试验，得到了塑钢纤维轻骨料混凝土钢筋锚固长度。徐礼华[7]等对钢-聚丙烯混杂纤维混凝土与钢筋黏结强度进行了试验研究，结果表明，混杂纤维的掺入对混凝土与钢筋间的黏结强度存在正混杂效应，其中钢纤维对黏结强度的提高作用更为明显。

综上，目前关于钢筋与普通混凝土、高强混凝土、纤维混凝土的粘结强度均有了一定的试验研究，但UH PC作为新一代混凝土材料，其与钢筋的共同工作性能如何还不明确，且无规范可循。

因此，通过对UH PC与钢筋的粘结性能进行试验研究，得到UH PC材料、钢筋直径、钢筋粘结长度等因素对粘结性能的破坏规律，从而为钢筋在UH PC中的锚固长度提供可靠的试验依据，为UH PC在预制拼装桥梁接缝处的应用提供设计建议。

1 试验方案设计

1.1 试件设计

该试验采用无横向钢筋的中心拔出试件，研究钢筋与UH PC之间的粘结性能。釆用单端拉拔的立方体中心拔出试件，试件平面尺寸为150 m m×150 m m，高度根据粘结长度进行调整，钢筋采用普通热轧变形钢筋H RB400。粘结区设置于试件中心，非粘结区（加载端及自由端）的钢筋用塑料套管套住，使其与周围UH PC隔离，形成一段无粘结区域，避免试件加载端混凝土受到局部挤压，与实际结构中钢筋的应力状态差别大，影响试验结果的准确性。无粘结区加载端一段控制长度为35 m m，自由端一段长度根据需要调整。加载端钢筋伸出试件240 m m，自由端钢筋伸出试件30 m m。试件示意图见图1所示。

1.2 试件参数分组

桥梁预制拼装接缝分为上部结构接缝和下部结构接缝。根据接缝区域的受力不同，所用的UH PC材料及钢筋直径有所区别，见表1所列。其中，试验所用UH PC为上海某厂家提供的材料。

根据实际采用的接缝材料，粘结锚固试验分为8组，每组9个试件（粘结长度为4 d、5 d、6 d，每种各3个），共计72个试件。分别研究了UH PC材料、锚固长度、钢筋直径对粘结锚固强度的影响，试验参数见表2所列。

表2 试件参数表

1.3 试件加载

试件在标准养护室内进行标准养护（温度20±3℃，相对湿度90%以上），在试件龄期为28d时进行试验。该项试验利用液压伺服万能试验机进行加载。采用力控制与位移控制的混合加载模式：（1）力加载：加载速率为6 M Pa/s，从0到350 M Pa；（2）位移加载：加载速率为1.8 m m/m i n，自由端的滑移值达到8 m m或钢筋拉断时，停止试验。

在加载过程中，用位移计量测钢筋自由端的滑移，并采用数据采集系统采集数据。

加载之实景如图2所示。

图2 加载实景

2 试验现象

试验前期，加载端滑移随着位移荷载的增加而增加，自由端基本没有滑移。随着位移的继续增加，自由端出现微小滑移。之后钢筋屈服，力和自由端的滑移值都基本不增加，加载端的滑移由于钢筋的伸长加快增长，最终发生破坏。根据试验参数的不同，试件发生钢筋拉断破坏或钢筋拔出破坏，试件均未发生UH PC的劈裂破坏，说明钢纤维的存在能大大提高UH PC的抗拉性能和整体性。

2.1 钢筋拉断破坏

钢筋直径12 m m、16 m m、20 m m在锚固长度为4 d、5 d、6 d，钢筋直径25 m m在锚固长度为5 d、6 d时，均发生钢筋拉断破坏。自由端虽有微量滑移，但未继续发展，说明钢筋与UH PC之间粘结强度较高，钢筋达到极限抗拉强度时，还未发生与UH PC之间的粘结破坏，即粘结长度满足锚固长度的要求。破坏结果见图3所示。

图3 钢筋拉断破坏之实景

2.2 钢筋拔出破坏

钢筋直径25 m m在锚固长度为4 d时，钢筋直径 28 m m、32 m m 在锚固长度为 4 d、5 d、6 d时，均发生钢筋拔出破坏。破坏时，钢筋均已屈服，自由端滑移较大，试件完整。破坏结果见图4所示。

图4 钢筋拔出破坏之实景

3 试验结果及分析

为方便分析，假定粘结应力在粘结长度范围内均匀分布，粘结长度内的平均粘结应力及钢筋应力计算公式如下：

式中：τ为平均粘结应力，M Pa；F为试验荷载，kN；d为钢筋直径，m m；l为钢筋粘结长度，m m。

根据式（1）可得到荷载最大时对应的粘结应力值，为极限粘结应力τu。另，对于发生钢筋拉断破坏的试件，由于锚固还未失效即发生钢筋拉断，所以极限荷载对应的粘结应力小于实际的极限粘结应力。

3.1 UHPC材料的影响

表3列出了UH PC材料对极限粘结应力和破坏模式的影响。其中，极限粘结应力为3个试件的平均值。从试验结果可看出，T150与T180两种UH PC材料在钢筋锚固性能方面差异不大，且试件最终的破坏模式一致。

表3 UHPC材料的影响结果一览表

3.2 相对锚固长度的影响

表4列出了相对锚固长度对极限粘结应力和破坏模式的影响。从试验结果可看出，随着相对锚固长度的增加，极限粘结应力越小，钢筋应力越大。这是由于粘结应力在锚固区分布不均匀，随着锚固长度的增加，高应力区占比越小，故平均极限粘结应力越小。但随着锚固长度的增加，钢筋在拔出时所能达到的应力越大。

表4 相对锚固长度的影响结果一览表

3.3 钢筋直径的影响

表5列出了钢筋直径对极限粘结应力和破坏模式的影响。从试验结果可看出，由于钢筋拉断破坏时的粘结应力小于实际的极限粘结应力，故粘结应力变化不大。但从钢筋拔出破坏结果看，随着钢筋直径的增加，极限粘结应力和钢筋应力均逐渐减小。这是由于直径越大的钢筋，相对粘结面积与横肋的相对高度越小。

表5 钢筋直径的影响结果一览表

4 结论及讨论

基于目前钢筋与UH PC的粘结强度尚无试验研究，而现行规范关于锚固长度的规定仅针对C60等级以下的普通混凝土的现状，现进行了钢筋与UH PC的粘结锚固试验研究，其试验变量为UH PC材料、锚固长度、钢筋直径，得到以下结论：

（1）试件的破坏模式随试验参数的不同分为钢筋拔出破坏和钢筋拉断破坏，试件均未发生UH PC的劈裂破坏，说明钢纤维的存在能大大提高UH PC的抗拉性能和整体性。

（2）试验所采用的两种UH PC 材料（T150、T180）在钢筋锚固性能方面差异不大；随着相对锚固长度的增加，平均极限粘结应力越小，钢筋应力越大；随着钢筋直径的增加，极限粘结应力和钢筋应力均越小。

（3）钢筋直径 12 m m、16 m m、20 m m、25 m m H RB400钢筋在锚固长度为4 d时，钢筋应力可达到600 M Pa左右；钢筋直径28 m m钢筋在锚固长度为4 d时，钢筋应力可达到580 M Pa左右；φ32H RB400钢筋在锚固长度为5 d时，钢筋应力可达到550 M Pa左右。

（4）钢筋直径在大于25 m m后，由于钢筋颈缩现象导致钢筋与UH PC接触面积减小，在粘结长度为6 d时仍表现为钢筋拔出破坏，颈缩现象影响显著。故大于25 m m钢筋直径在设计锚固长度时，应考虑锚固长度的适当增加。