钢筋与钢_碳纤维混杂纤维增韧混凝土粘结性能试验.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第38卷 第6期建 筑 结 构2008年6月 钢筋与钢2碳纤维混杂纤维增韧混凝土粘结性能试验 3 高向玲 李 杰 同济大学建筑工程系 上海200092 摘要 将碳纤维和钢纤维同时添加到混凝土中形成混杂纤维增韧混凝土 采用钢筋对剖开槽贴片的方法 进行了 钢筋有效粘结区长度分别为8d 12d 24d d为钢筋直径 的粘结性能试验研究 根据试验结果 分析了由于粘结长 度的不同以及裂缝的开展对于粘结应力和滑移分布规律的影响 给出了裂缝间粘结应力分布规律的表达式以及滑 移沿试件长度分布规律的表达式 建立了混凝土与变形钢筋粘结应力和滑移沿试件长度分布规律的表达式 推导 了实用的荷载 试件长度以及加载端滑移三者间的关系表达式 关键词 两端对拉试件 混杂纤维增韧混凝土 粘结性能 分布规律 Experimental study of bond performance between deformed bar and steel2carbon hybrid fiber reinforced concrete Gao Xiangling Li Jie Department of Civil Engineering T ongji University Shanghai 200092 China Abstract The distribution law of bond stress and slip of different anchored ribbed bar is studied Tests were conducted on the specimens reinforced with hot2rolled ribbed bars that had beenfully instrumented internally with electrical resistance strain gauges Meanwhile 012 carbon fiber volume fraction and 013 steel fiber were added to high performance concrete simultaneously Six specimens with three different bond lengths had been researched According to the experimental results the empirical formulas of distribution law of the bond stress and the strain were presented The relationship between load bond length and slip was derived The distance of transverse crack has been taken into account Keywords double pullout specimens hybrid2fiber reinforced concrete bond performance distribution law 3 国家自然科学基金创新研究群体基金项目 50621062 作者简介 高向玲 博士 副教授 Email gaoxl 1 引言 近年来的研究发现 在混凝土基材中添加各类纤 维是提高混凝土延性的一条有效途径 常用的纤维有 钢纤维 聚丙烯纤维及碳纤维 但国内外的文献基本上 都是研究单一纤维的作用 由于碳纤维具有密度低 强度高 弹性模量高 延伸率低等特性 而钢纤维具有 密度高 强度高 弹性模量高 延伸率高等特性 碳纤维 和钢纤维材料在某些材料性能方面是互补的 文 6 的试验研究表明 碳纤维和钢纤维的混杂纤维增韧混 凝土具有很好的延性和屈服后强化性质 在此基础 上 进一步研究混杂纤维增韧混凝土与变形钢筋的粘 结性能以及粘结应力的分布规律 2 试验基本条件 211材料选用 试验采用C50高性能混凝土 在混凝土的基本组 分中添加了012 体积比 的碳纤维和013 的钢纤 维 高性能混凝土的配比为 重量比 水 水泥 粗骨 料 中砂 磨细矿渣 188 260 1 024 684 260 高效减 水剂采用镇江外加剂厂生产的FDN超塑化剂 添加量 为012 110 水采用自来水 水泥是安徽宁国水 泥厂生产的525 普通硅酸盐水泥 磨细矿渣是上海 水泥厂生产的 细度为500cm2 g 钢纤维直径为 015mm 长度是30mm 碳纤维直径为017 m 长度是 6mm 砂选用河中砂 粗骨料的最大粒径是15mm 钢 筋选用直径22mm的月牙肋热轧钢筋 212材料的性能 在浇注试件的同时 留有6个100 100 100的立 方体试块 以测定混凝土的立方体劈裂抗拉强度和抗 压强度 从结果知 添加混杂纤维混凝土的抗压强度 为45177MPa 抗拉强度为3199MPa 这两个强度值均比 作者前期进行的添加单一碳纤维的混凝土的抗压强度 44107MPa和抗拉强度315MPa有所提高 选用同一批钢筋进行拉伸试验 用以测定钢筋的 抗拉屈服强度 试验钢筋的标距为10d 根数为2 实测 钢筋的屈服强度是373MPa 极限抗拉强度是526MPa 弹性模量是118 105MPa 伸长率为27 213试件尺寸及加载装置 如图1 试件的总长度分别为276 364和628mm 201 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 试件断面尺寸为154 154 试件的粘结区长度分别为 8d 12d和24d d为钢筋直径22mm 即176 264和 528mm 钢筋的保护层厚度为3d 在试件的两端分别 预埋有50mm长的PVC套管 使钢筋居中 为了得到 沿钢筋长度上每一点的应变随拉力变化的情况 并使 所测数值误差减小 采用将钢筋剖开 并在剖开的钢筋 上铣出6 3的槽 以便在钢筋的内部粘贴应变片 具 体贴片情况见图2 贴应变片之前先将贴片处剖光 磨平 然后用502胶粘贴应变片 最后用703胶合剂密 封 应变片导线沿钢筋的铣槽从两端分别引出 图3 是一根钢筋对剖及贴好应变片的情况 将两根剖开的 钢筋用环氧树脂粘结成一根圆钢筋 沿试件全长布置 有直径6mm 间距50mm的箍筋 图1 试件尺寸 图2 应变片位置及编号 图4是现场试验时的照片 荷载采用100kN的液 压试验机夹住试件外露钢筋端直接加载 荷载传感器 及应变片读数均通过计算机每秒钟采集记录一次 3 试验结果 对所有试件均做两端对拉试验 荷载持续增加 加 载速度为6kN min 试件L121和L122到最后破坏时表 面未见裂缝 试件L221和L222在中部有裂缝出现 试件 L321和L322破坏后 表面有4 5条十分明显的横向裂 缝 裂缝最宽可达5mm 试件破坏后的照片见图5 试 件裂缝处可见钢纤维贯穿其中 说明钢纤维对受拉构件 的抗裂起了一定作用 试件的极限承载力见表1 试件的极限承载力表1 试件有效长度 mm试件名称 极限承载力 kN极限承载力平均值 kN 276L121 L122168 160164 364L221 L222176 166171 628L321 L322180 196188 311钢筋的应变分布曲线 图 6 a 和 b 是试验测得的试件L121和L122沿钢 筋长度上各点应变随荷载的变化情况 试件L121在荷 载达120kN时 距离加载端为8mm的应变片9应变达 1 883 表明此处钢筋进入流幅阶段 继续加载到 图3 钢筋对剖 开槽贴片 图4 加载装置 图5 试件破坏情况 图6 钢筋应变与荷载的关系 132kN时 距离加载端为28mm处的应变片8应变达 1 842 钢筋达到抗拉屈服强度 当荷载增加到160kN 时 应变片6和5的读数分别为1 872 和2 157 钢 筋相继达到屈服强度 随后整根钢筋进入流幅阶段 荷 载达168kN时不再增加 此时即认为试件破坏 从图6 301 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved b 中可看出L122钢筋应变的变化规律与L121相似 试件L221当拉力达90kN时 应变片5 6 7的读数 分别从426 506和722 突然增到1 054 1 091和1 050 见图 6 c 出现这一现象的原因是试件中部出现 了横向裂缝 裂缝处由混凝土承担的那一部分拉力转 移给钢筋 因钢筋处于弹性变形范围内 所以钢筋的应 变剧增 随后随荷载增加 应变片的读数继续增加 当 荷载达120kN时 距离加载端12mm处的应变片9的应 变达1 839 钢筋达到屈服强度 当拉力继续增大到 126kN时 整根钢筋全部进入流幅阶段 荷载达到 176kN时 荷载不再增加 认为试件破坏 试件破坏后 在中部有一条横向裂缝 试件L322当荷载达70kN时 应变片15 16 17的应 变分别从165 138和202 突然增加到616 798和 562 表明在试件的此部位有裂缝出现 见图 6 f 当 荷载达140kN时 应变片12应变达2 084 钢筋在此部 位首先屈服 当荷载分别达148 158和161kN时 应变 片16 15和17的应变分别达到流幅阶段 随后荷载继续 增加 整根钢筋进入流幅阶段 最终极限荷载达196kN 试件L121和L122在不同荷载等级时钢筋应变沿 钢筋长度的分布见图 7 a 和 b 在荷载小于120kN 范围内 荷载达120kN后 钢筋某些部位屈服 沿钢筋 长度每一点的应变基本上是按比例增加的 由图7 c 和 d 可见 荷载从8014kN增加到 9019kN时 试件L221钢筋的应变规律发生了一次明显 的变化 宏观观察也发现此过程中试件有裂缝出现 同样地对于试件L222 当荷载从8917kN增加到9918kN 时 钢筋的应变分布规律也发生了变化 裂缝在试件中 部出现 当荷载从5915kN增加到6910kN时 试件L322钢 筋的应变规律发生了明显的变化 图7 f 钢筋应变 变化最大处在试件右端距中点150mm处 此处即试件 第一条裂缝出现的位置 在荷载从6910kN增加到 8114kN的过程中 试件左端距中心50 mm处的应变片 变化幅度最大 此处即试件第二条裂缝出现的位置 当拉力大于140kN后 钢筋的某些部位进入流幅阶段 整根钢筋已处于塑性状态 故未画出以后的应变变化 情况 试件L321的变化规律见图 7 e 312粘结应力的分布曲线 6根两端对拉试件在不同荷载等级时粘结应力沿 钢筋长度的变化情况见图8 图中粘结应力是通过计 算得到的 计算时假定粘结应力在两个应变片之间的 区段内是均匀分布的 E As d e E d 4 e 1 式中 E是钢筋的弹性模量 为应变差值 d是钢筋 图7 不同荷载等级时钢筋应变的分布 的直径 e是两个应变片间的距离 试件L121和L122的粘结应力在钢筋屈服前的每 级荷载下分布规律基本保持不变 图 8 a 和 b 中点 的粘结应力为零 峰值粘结应力在靠近加载端处 最大 粘结应力达16N mm2 图 8 c 中L221当荷载不超过 8014kN时 粘结应力从加载端到试件中点是逐渐减小 的 但当荷载达9019kN后 由于裂缝的出现 粘结应力 分布规律发生变化 裂缝处粘结应力为0 然后往两侧 逐渐增大 L222的粘结应力变化规律与L221相同 见 图 8 d 对于试件L32 2 图8 f 当荷载达6910kN 时 出现第一条裂缝 粘结应力的分布与前几级荷载有 显著不同 当荷载达8114kN时 又有新裂缝出现 粘结 应力的分布再次发生了变化 313滑移沿试件长度的分布 由相邻两测点间的应变差及两测点间的距离 可 计算出相应微段的变形量 并假定试件中点无相对位 移 同时对于未开裂试件忽略混凝土的变形 在此基础 上可以得到试件相应点的滑移量值 图9分别是三个 不同长度的试件的滑移量值在不同荷载时 沿试件长 度的分布情况 试件L121在钢筋未屈服前 随着荷载 的逐级增大 每级荷载量值约为10kN 滑移沿试件长 401 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图8 不同荷载等级时粘结应力的分布 图9 不同荷载等级 1kN 时滑移沿试件的分布 度的分布规律基本不变 且逐级增加 而试件L221在 荷载小于8014kN时 每级荷载下的滑移分布规律相 同 当从8014kN增大到9019kN时 滑移分布规律发生 了明显变化 这是由于试件中部出现了裂缝 随后滑 移分布规律不变 试件L322 在荷载从6819kN增大到 8119kN时 滑移分布规律也是由于裂缝的出现而发生 了变化 4 试验结果分析 411试件的极限承载力 由表1知试件L1 L2 L3的极限承载力分别为 164 171和188kN 试验结果均大于 混凝土结构设计 规范 G B50010 2002 规定的轴心受拉构件的承载力 Nu fyAs 373 38011 14119kN 且不同长度试件的 极限承载力亦各不相同 出现以上结果的原因是实测极限承载力包括了裂 缝间钢筋与混凝土的粘结强度以及缝间混凝土的抗拉 作用 同时随着试件长度的增长 缝间混凝土的抗拉 作用力的合力增大从而导致了构件承载力的增大 412裂缝间距 从钢筋应变随荷载变化的关系以及粘结应力与荷 载的关系中均可得到试件开裂时的荷载大小 根据不 同荷载等级下钢筋应变沿试件长度的变化情况 可以 确定裂缝出现的位置 进而确定裂缝的间距 试件L1 长度为176mm 未出现裂缝 试件L2长度为264mm 在 试件的中部出现1条裂缝 试件L3长度为528mm 在 试件中钢筋未达屈服强度前出现2条裂缝 裂缝间距 是200mm 根据混凝土规范 受拉构件平均裂缝间距 的计算公式为 lm 119c 0108deq te 2 式中 c为保护层厚度 deq为受拉纵向钢筋的等效直 径 te为按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉钢筋 配筋率 计算给出此类试件的平均裂缝间距是23315mm 则最小裂缝间距是23315 115 156mm 最大裂缝间距 是23315 2 115 312mm 从三个试件的实际开裂情 况可知 裂缝间距是满足上述计算公式的 因此 根据 本次试验 对于掺有微量钢纤维 碳纤维混杂纤维的高 性能混凝土 其轴向受拉裂缝间距的计算可以采用规 范给出的计算公式 413粘结应力沿试件长度的分布规律 根据图8可知 在试件混凝土未开裂前 粘结应力 的具体分布形式与试件的长短密切相关 试件长度不 同 粘结应力的分布规律亦随之发生变化 但是混凝 土开裂后裂缝间的粘结应力的分布规律即是相当稳定 的 图10是归一化的裂缝间的粘结应力在不同荷载等 级时的分布规律 横坐标为所研究点与中点的距离与 试件长度的一半的比值 纵坐标为所研究点的粘结应 力与最大粘结应力的比值 据此给出归一化的裂缝间 粘结应力的分布规律的表达式为 max 1104 xc lc 3 1106 xc lc 3 501 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图11 不同荷载等级时相对滑移沿试件的分布 图10 裂缝间的粘结应力在不同荷载等级时的分布规律 式中 xc为所研究点到两裂缝中心点的距离 lc为裂 缝间距的一半 由计算知 试验数据与式 3 计算结果的相关系数 为0196 414滑移沿试件长度的分布规律 将图9中的三个不同长度的试件的滑移分布规律 进行归一化分析 图11中横坐标为各点距中心点的距 离与加载点与试件中心点距离的比值 纵坐标为在每 级荷载作用下的各点的滑移与该级荷载作用下的最大 滑移的比值 从图11 a c 中可以看出 各试件在各级荷载作 用下的归一化的滑移沿试件长度的分布规律基本上没 有变化 图11 d 为三类试件的均值的比较 根据归一 化的滑移分布特点以及随试件长度的增加 滑移的变化 特征 给出滑移沿试件长度分布规律的经验表达式为 s a x l 2 b x l c sf 4 式中 x为所研究点到试件中心点的距离 a 0104lnl 0118 b 0187lnl 3146 c 0198lnl 4193 l为试 件末端到中心点的距离 sf为各级荷载作用下试件末 端的滑移量值 415荷载与钢筋端部伸长量s的关系 图12为三种类型试件的荷载与钢筋端部伸长量 的关系 钢筋端部伸长量根据钢筋的应变积分得出 注 此处称其为钢筋端部伸长量而不是滑移 是因在 荷载较大时试件L2和L3已开裂 受裂缝宽度的影响 滑移不能仅按钢筋应变得到 比较图中的三条曲线 可以看出 在同样荷载时 试件越长则对应的变形越 大 根据试验数据分析得到的荷载 加载端伸长量以 及试件粘结区长度三者间的关系为 P 5 643 15 6ll s2 1 483 2153ll s 01002 8ll 01404 5 图12 荷载与端部滑移的关系 式中 P为荷载 kN ll为轴 拉构件的长度 mm s为钢筋 在加载端的伸长量 mm 根 据式 5 可以在已知荷载和 试件长度的情况下 计算端 部的伸长量s 计算结果与 试验结果的对比见图12 5 结语 1 试验表明 在构件开裂处可以看到钢纤维贯穿 其中 说明钢纤维对于改善构件的抗拉性能有一定的 作用 2 根据本次试验 对于掺有微量钢 碳混杂纤维的 高性能混凝土 不出现劈裂破坏时其轴向受拉裂缝间 距的计算可以采用规范给出的计算公式 3 根据试验结果给出了两端对拉试件不出现劈裂 破坏时裂缝间粘结应力的分布规律的表达式 4 给出了不同位置点的滑移沿试件长度分布规律 的经验表达式 5 长试件荷载与加载端滑移的关系与试件长度密 切相关 试件长度越长则相同荷载时对应的滑移就越 大 根据试验给出的计算加载端伸长量表达式