3 d龄期超高性能混凝土中钢筋粘结锚固试验研究

Experimental Investigation on Bond-Anchorage Behaviour of Rebar in 3 Day Age Ultra-High-Performance Concrete

摘要

超高性能混凝土（UHPC）是一种具有高强度、高延性、高耐久性的水泥基复合材料，目前被广泛用于预制结构钢筋搭接连接湿接头，早龄期UHPC中钢筋的有效粘结锚固是快速拼装建造的重要保障。本文对处于3天龄期的UHPC中的钢筋进行了拉拔试验，考虑了钢筋锚固长度对粘结锚固行为的影响。结果表明：①试验出现两种破坏模式，分别是钢筋拔出破坏但钢筋未屈服和钢筋拔出破坏且屈服；②对于3天早龄期后浇UHPC接头中的钢筋锚固设计，建议保护层厚度大于2.5倍钢筋直径；③对于3天龄期UHPC中的HRB400钢筋，临界屈服锚固长度为6倍钢筋直径，相比于普通混凝土有效减小了锚固长度；④《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）中的锚固长度计算公式对于早龄期UHPC中钢筋锚固长度的计算可靠且相对安全，但对于UHPC材料建议放宽规范对抗拉强度的条件限值。

Abstract

Ultra-High-Performance Concrete （UHPC）， a cementitious composite material with high strength， ductility and durability， is now widely used for wet joints of overlapping rebar connections in prefabricated structure. Effective bonding and anchoring of the steel bars in early-age UHPC is an important guarantee for rapid assembly construction. In this paper， pull-out tests were conducted on rebars in UHPC specimens at 3-day age， considering the effects of development length on the bond-anchorage behavior. The results show that： （1） two failure patterns appeared in the tests， namely， the rebar pullout failure without yielding and the rebar pullout failure with yielding； （2） for the anchorage design of rebar in 3-day age post-cast UHPC joints， a cover thickness greater than 2.5times the diameter of the rebar is recommended； （3） for the HRB400 rebar in UHPC at 3-day age， the critical yield development length is 6 times the diameter of the rebar， which effectively reduces the development length compared with that of normal strength concrete； （4） the calculation formula for the development length in the Code for Design of Concrete Structures （GB 50010—2010） is reliable and relatively safe， but it is recommended to relax code limit conditions of tensile strength for UHPC.

Graphical abstract

关键词

超高性能混凝土 / 早龄期 / 拉拔试验 / 粘结锚固强度 / 临界屈服锚固长度

Key words

ultra-high-performance concrete / early-age / pull-out test / bond strength / critical yield development length

0 引 言

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）是一种剔除粗骨料，基于最大密实度理论，使其中材料的颗粒以最佳比例形成最紧密堆积的水泥基复合材料，同时掺和微小钢纤维，使这种材料表现出高强度、高延性、高耐久性等特点^［1］。与普通混凝土相比，UHPC的高粘结性能能够大幅减小埋置其中的受力钢筋的锚固长度^［2］，并且普通混凝土与后浇UHPC界面会表现出良好的抗拉和抗剪性能^［3-4］，这使得UHPC成为一种优异的预制构件连接材料。目前，业界针对UHPC在预制桥面板接缝连接^［5-6］、预制梁柱连接^［7］、预制柱基础连接^［8］等方面已开展广泛的运用与研究。

当采用UHPC作为预制构件连接湿接头材料时，通常会在预制构件中预留出露钢筋，并在接头区域形成钢筋搭接连接，通过后浇UHPC来传递钢筋受力，因此研究UHPC中钢筋的粘结锚固性能是保证预制构件间有效传力的基础。对于28 d龄期后UHPC中钢筋的粘结锚固性能，国内外已开展一系列试验研究，其中主要以直接拉拔试验为主，并考虑钢筋直径、保护层厚度、锚固长度、UHPC抗压强度以及纤维掺量等影响因素。Fehling等^［2］以钢筋保护层厚度和锚固长度为变量，开展了纤维体积含量为1.5%的UHPC（抗压强度为170 MPa）中12 mm直径钢筋的直接拉拔试验，根据试验结果，为保证钢筋屈服，建议保护层厚度为1.5d时，锚固长度为6d或8d；保护层厚度为2d时，锚固长度为6d，其中d是钢筋直径。Yoo等^［9］通过拉拔试验确定UHPC（抗压强度为196.4 MPa）中直径为16 mm钢筋（屈服强度为607 MPa）的临界屈服锚固长度为2d。Ronanki等^［10］通过抗压强度为145 MPa的UHPC中钢筋的拉拔试验及梁式试验，考虑直径10~22 mm的钢筋（屈服强度为414 MPa）、锚固长度及保护层厚度影响，综合建议保护层厚度为2d时，临界屈服锚固长度为10d；保护层厚度为3.5d时，临界屈服锚固长度为8d。Soliman等^［11］通过在UHPC中同时掺入钢纤维和钢丝绒，提高了UHPC的抗拉强度。相比于同等钢纤维UHPC，抗压强度略有下降，但与钢筋的粘结性能平均提高了14%。

在进一步的研究中，学着们对UHPC中钢筋的粘结锚固性能建立了定量的评价模型。Saleem等^［12］采用拉拔试验和梁式试验对UHPC（抗压强度为170 MPa）中直径9.5 mm和22.2 mm高强钢筋（屈服强度为690 MPa）的粘结性能进行研究，在最小保护层厚度为13 mm情况下，临界屈服锚固长度分别为12d和18d，并建议采用ACI 408R-03的锚固长度计算公式。Marchand等^［13］根据UHPC中（平均抗压强度为205 MPa）不同钢筋直径（8~12 mm）、锚固长度（2.5d~8d），以及保护层厚度（20 mm、30 mm、190 mm）的拉拔试验结果对fib规范中在良好锚固下的最大平均粘结应力及滑移-粘结应力曲线上升段进行了修正。Pishro等^［14］基于UHPC中直径为12~20 mm钢筋的拉拔试验和数值模拟，修正了UHPC中钢筋的局部粘结强度计算公式，适用于UHPC受压强度高于80 MPa情况，但实际用于拟合的UHPC强度值较大，适用性待进一步考量。马福栋等^［15］开展了UHPC（单轴抗压强度为101~106 MPa）中25 mm直径的HRB400钢筋的直接拉拔试验，得出在保护层厚度为45 mm且未配箍筋时，其临界屈服和极限锚固长度分别为3.6倍钢筋直径和7.1倍钢筋直径，并拟合出相关变量的粘结锚固强度计算公式及临界锚固长度计算公式，但由于未涉及早龄期因素，该公式对早龄期UHPC的适用性未知。Khaksefidi等^［16］主要基于UHPC（抗压强度103 MPa）中直径为12~25 mm AIII型高强钢筋（屈服强度为500 MPa）和AIV型高强钢筋（屈服强度为600 MPa）的粘结拉拔试验，提出了两类粘结-滑移曲线模型，并拟合了其中的参数和粘结强度计算模型。Qi等^［17］从细观角度考虑UHPC中纤维和基体作用，建立了粘结强度的解析计算公式，预测值与相关文献实测粘结强度的平均比值为1.039，标准差为0.252。Liang等^［18］相比Khaksefidi等进一步调整了UHPC中钢筋粘结-滑移模型的上升段，并考虑了纤维掺量对粘结强度的影响，基于拉拔试验拟合了模型中的相关参数。Shao等^［19］建立了一种新型的循环拉拔模型试验，基于试验结果提出了UHPC中钢筋的循环粘结-滑移本构模型。

随着预制装配结构快速施工概念的推广，业界对预制构件连接接头在施工阶段早龄期的性能有了更高的要求，这意味着对于UHPC湿接头应在早龄期阶段就与钢筋形成良好的粘结锚固作用，从而传递受力。目前对于早龄期UHPC中钢筋的粘结锚固研究尚不完善，Alkaysi等^［20］由早龄期UHPC中钢筋的拉拔试验发现7 d龄期的UHPC能够形成最终抗压强度和粘结强度的75%。Yuan和Graybeal^［21］通过1 d、7 d和14 d龄期的UHPC，来研究UHPC强度对钢筋粘结锚固性能的影响，为使钢筋屈服，建议UHPC抗压强度大于93 MPa时，最小锚固长度为8d，最小保护层厚度为3d，钢筋搭接净间距大于2d且大于搭接长度。Zhou等^［22］对7 d龄期UHPC（抗压强度为71~75 MPa）中具有环氧涂层的直径16 mm的钢筋进行了搭接拉拔试验，在搭接钢筋中心间距87.5 mm下，当保护层达到50 mm，锚固长度达到12d时，钢筋发生屈服拔出破坏，相比Yuan和Graybeal的结果明显增大，因此Yuan和Graybeal的结论对于早龄期UHPC抗压强度低于93 MPa情况未必适用。同时环氧涂层对粘结作用有一定削弱作用，对于普通带肋钢筋的适用性未知。Xu等^［23］基于7 d和28 d龄期不同养护条件下的UHPC（抗压强度为66~130 MPa）中短锚固拉拔试验提出了简化的粘结-滑移模型，并应用于长锚固下粘结应力分布预测，认为当锚固长度不大于2d时，滑移应力和粘结应力可以假设为均匀分布，而当锚固长度不大于7.5d时，滑移应力和粘结应力可以假设为线性分布，仅适用于拔出状况，但实际长锚固下粘结应力的线性分布是较为简化的结果。

本文以上海市竹园污水处理厂四期工程预制装配式AAO生物反应池结构为研究背景，其中预制隔墙与底板之间钢筋搭接，通过后浇UHPC来传递受力^［24］。受施工工期限制，在后浇UHPC接头早龄期阶段拆除墙体临时支撑，为合理衔接施工，期望时间是3 d。因此在3 d龄期UHPC中设计合理的钢筋锚固长度，保证接头中钢筋的有效传力是保证安全的关键因素。本文开展3 d龄期UHPC中钢筋粘结锚固拉拔试验，探究3 d龄期UHPC中钢筋的临界屈服锚固长度，建议合理的锚固长度、保护层厚度及搭接钢筋间距，并讨论现有规范中粘结锚固长度计算公式的可靠性，为实际工程建设提供设计依据。

1 试验设计

1.1　试验试件

UHPC中单根钢筋拉拔试验试件尺寸为2 225 mm×450 mm×200 mm，参见图1。钢筋一端埋置在UHPC试块中，另一端从UHPC中伸出以施加荷载。试验主要考虑锚固长度对早龄期UHPC中钢筋粘结锚固性能的影响。基于早龄期UHPC的抗压强度，参考文献［15］，对临界屈服锚固长度进行估计，设计试件中钢筋的锚固长度l为5d和6d（d为钢筋直径），并分别进行一次重复试验，共4组试验。在本研究中，根据加载装置放置尺寸，设计加载钢筋最小保护层厚度为8.5d，通过加载钢筋周围UHPC表面的破坏范围监测，以给出合理的保护层设计建议。具体试验组编号及锚固长度，参见表1。试验组编号如“D5-1”表示加载钢筋锚固长度为5d的第一组试验。

试验采用的UHPC配比参见表2，其中钢纤维为端勾型镀铜钢纤维，体积掺量为2.3%。试验试件均在UHPC达到3 d龄期时，进行加载。对于3 d龄期UHPC，制作边长为100 mm的立方体试块、100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块和截面为50 mm×100 mm的狗骨状试块，测量其立方体抗压强度f_cu、单轴抗压强度f_c和单轴抗拉强度f_t分别为81.0 MPa、70.2 MPa和9.0 MPa。加载钢筋均为HRB400，直径为25 mm，钢筋的力学性能参见表3。

1.2　试验装置

为对加载钢筋施加轴向拉拔力，制作了一个自平衡反力支架进行加载，参见图2。在支架3个螺杆底部分别放置钢垫块，使支架的反作用力作用在加载钢筋周围UHPC试块的破坏影响范围之外。支架底部的三角形钢板镂空，以避免对UHPC试块表面隆起破坏产生限制。由锚具固定加载钢筋，通过液压泵控制安装在支架上的液压千斤顶来对加载钢筋施加拉拔力，千斤顶的出力能力为600 kN。每组试验加载时均在相应加载钢筋位置安装自平衡反力支架进行加载。

1.3　测试内容

试验采用力控制加载，在液压泵的控制下千斤顶以500N/s的速度进行加载。以试验钢筋被拔出或断裂来判断试验终止时刻。液压千斤顶的拉拔力由力传感器监测，参见图2。各试验组位移计的现场布置情况参见图3，包括回弹式LVDT位移计和穿心式LVDT位移计。其中在加载钢筋周围布置T1—T9，共9个穿心式LVDT位移传感器，定量监测钢筋周围UHPC的破坏情况。穿心式位移计通过夹具固定在反力支架下方，布置位置参见图4。在加载钢筋上布置T10和T11，共2个回弹式LVDT位移计，测量钢筋的滑移和变形。回弹式位移计夹持在两根固定在加载钢筋的引出钢棒上，布置位置参见图5。从钢筋锚固端至自由端布置C1—C6，共6个应变片，监测锚固区钢筋的应变情况，参见图6。

2 试验结果及分析

2.1　试件破坏模式及特征

在试验中主要发生两种破坏模式，其中D5-1和D5-2试验组发生钢筋拔出破坏，但钢筋未屈服。而D6-1和D6-2试验组同样发生钢筋拔出破坏，但钢筋发生屈服。加载钢筋发生拔出破坏后，锚固区的破坏情况参见图7，钢筋横肋发生了严重的磨损现象，这是由于在拉拔力作用下，钢筋横肋受到填充在横肋之间UHPC产生的挤压和剪切作用，当横肋无法承受剪压力时，发生磨损破坏，进一步导致钢筋发生滑移。相比于5d锚固长度，6d锚固长度下，钢筋横肋的破坏情况加剧，这是提高钢筋与UHPC之间粘结锚固作用的关键因素之一。

加载钢筋周围UHPC表面的破坏情况参见图8，UHPC表面发生了显著的隆起破坏，裂纹以加载钢筋为中心呈射线状向周围发展。这是由于钢筋周围的UHPC在剪压作用下发生破坏，随着钢筋发生变形和滑移，破碎的UHPC也随钢筋向上移动，而使UHPC表面受到挤压作用而发生隆起破坏，产生径向裂纹。而在以加载钢筋为中心的圆环内，在挤压作用下，UHPC环向发生开裂，导致UHPC表面裂纹近似圆环形。

以试验组D5-2和D6-2为例，在锚固长度5d和6d情况下，UHPC表面隆起位移情况参见图9。随着拉拔力增大，UHPC表面隆起位移逐渐增大，但变化较小；当拉拔力超过峰值发生下降时，UHPC表面隆起位移发生显著增大，最终趋于稳定或是发生少量下降。相比于D5-2，试验组D6-2整体的隆起位移变化更大。由于UHPC材料的离散性，在钢筋周围的UHPC隆起位移并未呈现出以钢筋为中心的对称性，但主要表现出接近加载钢筋中心，隆起位移越大的特征。对于离加载钢筋中心75 mm处的隆起位移在整个加载过程变化较小，表明在采用后浇UHPC钢筋搭接连接预制构件的3 d早龄期设计中，钢筋保护层应大于2.5d。同时，若完全消除搭接钢筋的影响，钢筋搭接净间距应大于5d。

以试验组D5-2和D6-1为例，在锚固长度5d和6d情况下，钢筋从锚固端至自由端的应变分布情况，参见图10和图11。在不同锚固长度下，随着拉拔力逐渐增大，各测点的应变值增大；随拉拔力减小，各测点的应变值减小。从钢筋锚固端至自由端，钢筋应变逐渐增大，表明锚固区内UHPC与钢筋之间粘结应力呈非均匀分布。而钢筋锚固端至自由端应变变化斜率反映了UHPC与钢筋之间的粘结应力变化，斜率越大，粘结应力越大。在拉拔力上升阶段，对于锚固长度5d，C5—C6段的粘结应力较大，粘结作用主要由C5—C6段提供；而对于锚固长度6d情况下，在加载前期C3—C5段粘结应力较大，表明主要由C3—C5段提供粘结作用，随着拉拔力增大，C5—C6段粘结力逐渐增大，并占主导作用。因此在锚固长度足备情况下，UHPC与钢筋之间的粘结作用是由自由端逐渐向锚固端发展，从而起到良好的锚固作用。

2.2　钢筋粘结锚固性能分析

根据回弹式位移计测量结果，由下式计算滑移位移：

s=\mathrm{\Delta }{s}_{\mathrm{1}}-\mathrm{\Delta }{s}_{\mathrm{2}}\frac{l_{\mathrm{1}}}{l_{\mathrm{2}}}（1）

式中：\mathrm{\Delta }{s}_{\mathrm{1}}为位移计T10所测得的位移变化量；\mathrm{\Delta }{s}_{\mathrm{2}}为位移计T11所测得的位移变化量；l_{\mathrm{1}}为位移计T10布置点与UHPC表面的垂直距离；l_{\mathrm{2}}为位移计T11与位移计T10布置点的垂直距离。由此，各试验组拉拔力与滑移位移的关系曲线参见图12，曲线变化规律基本相似。在加载初期，随拉拔力增加，钢筋发生的滑移位移较小，拉拔力与滑移位移基本呈线性关系；接着曲线斜率下降，随拉拔力增加，钢筋滑移位移快速增加，达到拉拔力极限值；最后拉拔力逐渐下降，钢筋滑移量进一步增加。

各试验组拉拔力峰值，即极限荷载F_u和对应的滑移位移s_u，参见表4，锚固长度为6d试验组相比锚固长度为5d试验组，极限拉拔荷载提升21%。由加载过程中的极限荷载与钢筋屈服荷载进行比较，可以判断锚固长度为5d情况下钢筋尚未发生屈服，锚固长度为6d情况下钢筋发生屈服。因此6d锚固长度为本研究中3 d龄期UHPC的临界屈服锚固长度。对于极限荷载对应的滑移位移，锚固长度为6d试验组相比锚固长度为5d试验组增加了65%，同时在拉拔力下降阶段，相同荷载值下，锚固长度为6d试验组发生的位移量更大，表明锚固长度从5d增加到6d，钢筋粘结锚固破坏过程的延性性能提高。

各试验组粘结锚固强度参见表4，其中粘结锚固强度为平均粘结应力最大值。平均粘结应力由下式进行计算：

\overline{\tau }=\frac{F}{\mathrm{\pi }d{L}_{\mathrm{1}}}（2）

式中：F为拉拔荷载值；d为加载钢筋直径；l为加载钢筋锚固长度。由式（2）可计算出对应于F_{\mathrm{u}}的极限平均粘结应力{\overline{\tau }}_{\mathrm{u}}，即粘结锚固强度。锚固长度5d与锚固长度6d试验组在粘结锚固长度上相差较小，这是由于拉拔荷载值虽然随锚固长度增加而增大，但由于在更长的锚固长度内被平均，而导致粘结锚固强度相差较小。

2.3　粘结锚固长度计算公式讨论

根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）^［25］，受拉钢筋的锚固长度应满足下式要求：

l={\zeta }_{\mathrm{a}}\alpha \frac{f_{\mathrm{y}}}{f_{\mathrm{t}}}d（3）

式中：{\zeta }_{\mathrm{a}}为锚固长度修正系数，与钢筋直径、环氧涂层、施工扰动、抗震要求及保护层厚度等相关，本研究取1.0；\alpha为锚固钢筋的外形系数，本研究钢筋取0.14；f_y为抗拉强度设计值，本研究按钢筋实测屈服强度取值；f_{\mathrm{t}}为混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土强度等级高于C60时，按C60取值。由于UHPC抗压强度大于C60，当f_{\mathrm{t}}按C60取值时，根据公式（3）计算得到本研究3 d龄期UHPC中25 mm直径HRB400带肋钢筋的锚固长度为29d。而f_t按UHPC实测单轴抗拉强度取值时，根据公式（3）计算得到的锚固长度为6.5d，稍大于试验确定的6d临界屈服锚固长度，因此规范计算结果可靠且相对安全。但规范中f_{\mathrm{t}}在C60以上有一定限值且锚固长度不得小于200 mm，对于早龄期UHPC应适当放宽条件，可按照实测抗拉强度计算锚固长度。

对于同等条件下的C80普通混凝土，按照式（3）可确定25 mm直径HRB400钢筋的锚固长度为26.5d，表明3 d龄期UHPC已能够有效减小钢筋锚固长度。

3 结 论

本文开展3 d龄期UHPC中25 mm直径HRB400钢筋拉拔试验，研究3 d龄期UHPC中钢筋的粘结锚固性能，得出以下主要结论：

（1） 拉拔试验主要呈现两种破坏模式，当锚固长度为5d时，钢筋发生拔出破坏，但钢筋未发生屈服；当锚固长度为6d时，钢筋发生拔出破坏且钢筋发生屈服。在加载钢筋周围UHPC表面均发生隆起开裂现象，钢筋锚固区横肋发生显著的磨损破坏。

（2） 根据UHPC表面的破坏范围，对于UHPC的3 d早龄期锚固设计，建议钢筋保护层厚度应大于2.5d。同时，若完全消除搭接钢筋的影响，钢筋搭接净间距应大于5d。

（3） UHPC与钢筋之间的粘结应力并非均匀分布，当锚固长度足备情况下（达到钢筋屈服强度），UHPC与钢筋之间的粘结作用是由自由端逐渐向锚固端发展，从而起到良好的锚固作用。

（4） 锚固长度为6d试验组相比锚固长度为5d试验组，极限拉拔荷载提升21%，但粘结锚固强度相差较小。由钢筋屈服情况判断，6d锚固长度为本研究中3 d龄期UHPC的临界屈服锚固长度。相比于普通混凝土，3 d龄期UHPC已能够有效减小钢筋锚固长度。

（5） 根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）采用3 d UHPC实测抗拉强度计算的25 mm直径HRB400带肋钢筋的锚固长度为6.5d，稍大于试验值，因此规范公式计算结果可靠且相对安全可以采用。但规范要求的抗拉强度限值，对于UHPC材料建议放宽规范条件限值，采用实测抗拉强度值。

对于不同早龄期UHPC中钢筋粘结锚固性能的结果，在后续的研究中将进一步探究。

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基金资助

上海市科学技术委员会科研项目(21DZ1202803)

上海市科学技术委员会科研项目(21DZ1202806)