新型环氧树脂混凝土与钢筋粘结滑移性能研究

《Materials》：Analysis of Bonding Slip Performance Between Novel Epoxy Resin Concrete and Reinforcement

　　

本研究通过中心拉拔试验系统研究了新型环氧树脂混凝土（ERC）与带肋HRB400钢筋之间的粘结行为。共设计30组试件，以评估混凝土强度、混凝土保护层厚度、钢筋直径、锚固长度及配箍率对粘结性能的影响。结果表明：提高ERC强度可显著增强其与钢筋的粘结，主要通过改善化学粘结与机械咬合并抑制内部裂缝发展实现。混凝土保护层厚度对粘结强度具有显著影响，在合理范围内增大保护层厚度可有效防止劈裂破坏。将钢筋直径从16 mm增大至20 mm可提高粘结强度，但超过20 mm后增益减弱。锚固长度与极限粘结强度呈负相关关系。粘结应力沿锚固长度分布不均，两端较高而中部区域较低。与同强度等级的传统混凝土相比，ERC与钢筋的粘结性能提高了79%。上述研究结果为ERC在工程结构中的设计与应用提供了理论依据。

研究背景方面，环氧树脂混凝土（ERC）是一种具有高强度、良好韧性、抗冲击、耐腐蚀、抗渗及抗冻融耐久性等优势的先进混凝土材料，其结构设计中的关键问题之一即为ERC与钢筋之间的粘结性能。已有研究表明，特定条件下ERC的抗拉强度显著高于同强度等级的传统混凝土，而根据混凝土结构设计规范GB 50010-2002，混凝土与钢筋之间的粘结滑移强度与混凝土抗拉强度呈正相关。然而，针对钢筋与ERC之间粘结行为的系统性研究数量有限。为此，研究人员设计并制作了24组含HRB400带肋钢筋的ERC试件开展粘结锚固试验，采用中心拉拔方式考察ERC强度、保护层厚度、锚固长度、钢筋直径及配箍率等参数对粘结性能的影响，并基于试验结果提出了新型环氧树脂混凝土中钢筋锚固长度的简化计算公式及沿锚固长度的局部粘结应力分布表达式，为锚固长度效应提供了解释，研究结果为ERC在工程结构中的应用与设计提供了理论依据。

关键技术方法方面，研究人员采用中心拉拔试验，设计3种规格（150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm、200 mm×200 mm×200 mm）共30组试件；通过偏心配筋改变保护层厚度；在E、F系列试件钢筋上局部铣削并开设2 mm×8 mm纵向槽，以2 mm间距布置应变片测量沿锚固长度的局部粘结应力；采用200吨万能拉伸压缩试验机在反力架内单向加载，并在加载端、自由端及反力架设置位移计以计算相对滑移，按公式（1）和（2）计算相对滑移s与粘结强度τ。

研究结果方面，3.1拉拔破坏：当保护层充足或配置箍筋提供较强侧向约束时，钢筋横肋的剪切作用使混凝土内部产生裂缝，但裂缝扩展至表面之前肋间混凝土被压碎而丧失约束，钢筋直接被拔出，试件表面无明显裂缝。3.2劈裂-拉拔破坏：当保护层厚度适中且配置箍筋时，横肋剪切作用引起的裂缝最终扩展至混凝土表面导致劈裂，粘结强度迅速丧失，钢筋被拔出且混凝土表面出现可见裂缝。3.3钢筋屈服破坏：当锚固长度过长、混凝土与钢筋粘结过强时，拉拔过程中钢筋在试验机参考点与粘结起始点之间的中点处发生屈服，钢筋未被拔出且混凝土表面无可见裂缝。4.1带肋钢筋与新型ERC的粘结性能：给出了同养护条件下立方体平均抗压强度、平均劈裂抗拉强度、平均极限荷载、平均极限粘结强度、极限荷载时平均相对滑移及破坏模式（B为拔出破坏，S为劈裂-拉拔破坏，Y为钢筋屈服破坏）。4.2混凝土强度的影响：锚固长度为1d和5d的试验组对比表明，ERC抗压与抗拉强度的提高显著提升了极限粘结强度；粘结行为主要受化学粘结、摩擦阻力和机械咬合控制，环氧树脂含量增加在提高化学粘结与拉伸性能的同时有效抑制内部裂缝发展，延缓裂缝扩展从而减轻肋间混凝土压碎引起的粘结退化；由于ERC为无粗骨料的全砂浆材料，缺少大骨料显著降低了横肋传递力的纵向分量，有助于减缓内部裂缝发展。4.3侧向约束的影响：C1-16-5d与C2-16-5d采用两种配筋方式分别发生拔出破坏与劈裂-拉拔破坏，与A1-16-5d等劈裂-拉拔试件相比，C2-16-5d裂缝更明显、横向裂缝扩展长度更长，极限粘结应力分别降低16.5%和25.9%，表明一定条件下极限粘结应力随保护层厚度增加而增大；去除内部箍筋的D1-16-5d与D2-20-5d极限粘结应力分别下降0.01%和19.0%，D1-16-5d无箍筋试件平均粘结强度为20.11 MPa，仅比配箍试件A1-16-5d的20.31 MPa低1.0%，表明本试验配置下箍筋对极限粘结强度影响可忽略；C3-25-3d通过增大试件整体尺寸增加25 mm钢筋周围保护层厚度，发生拔出破坏，与发生劈裂-拉拔破坏的A8-25-3d相比极限粘结应力提高39.6%，表明保护层厚度对粘结强度影响更为显著，当保护层达到一定阈值并可防止劈裂-拉拔破坏时，箍筋对粘结应力的影响可忽略。4.4钢筋直径的影响：选取三组纯拔出破坏试件比较，ERC相对粘结强度随钢筋直径增大呈增大趋势，但直径超过20 mm后增益变小，归因于直径超过20 mm时相对肋面积减小；传统混凝土中增大钢筋直径一般导致极限粘结强度降低或变化不大，而ERC中增大受力钢筋直径可使粘结强度提高达39%，可能归因于ERC无粗骨料、本质为砂浆基复合材料，显著降低横肋产生的横向劈裂力，且ERC优良的拉伸性能有助于抑制钢筋周围裂缝扩展；增大钢筋直径显著提高极限荷载并加剧肋与周围混凝土的相互作用，导致粘结区混凝土压碎更严重、碎屑更细、破坏界面更光滑，剥落现象更明显；150 mm立方体试件中钢筋直径由16 mm增至20 mm和25 mm使净保护层与直径比c/d由约4.19分别降至3.25和2.50，因此观察到的粘结强度变化反映的是钢筋直径与相对约束的共同影响而非单纯直径效应，本试件几何条件下二者无法分离，结果按直径与相对保护层的综合效应解释，未声称粘结强度可独立于约束随直径增大至20 mm而提高；严格评估直径效应需按比例调整净保护层以保持c/d不变的试件，留待后续研究。4.5锚固长度的影响：随锚固长度增加，试件平均极限荷载呈增大趋势而平均极限粘结应力相应降低；对直径16 mm的ERC试件数据拟合表明极限粘结强度与抗拉强度之比（τu/ftu）与相对锚固长度（la/d）呈近似线性关系，公式（3）应视为初步估算参考而非充分验证的设计公式，尚需更广钢筋直径与混凝土强度范围的拉拔试验提高统计置信度并扩展适用性；新型ERC与传统环氧树脂混凝土的τu/ftu均随la/d增大而减小，但当la/d达到或超过5时，新型ERC的τu/ftu未出现传统混凝土中观察到的逐渐趋平行为，归因于新型ERC弹性模量较低且抗拉与劈裂抗拉强度较高，使材料内粘结应力分布更均匀。4.6沿锚固长度的粘结应力分布：E组试验在钢筋有效锚固长度内等间距埋设应变片，直接测量加载下特定点的微应变，并在各应变片位置直接测量钢筋实际缩减截面积代入公式（4）以显式考虑面积缩减影响，据此计算各点应力水平并确定相邻两点间粘结应力；结果表明粘结应力在加载端与自由端附近最高，短锚固长度试件中粘结应力分布较不均匀，归因于粘结区中段肋间新型环氧树脂混凝土在拉拔过程中较传统混凝土更易碎裂成粉而丧失粘结有效性，摩擦引起的混凝土与钢筋相对位移增大进一步使粘结区中段混凝土破碎并向自由端累积，导致端部局部应力较高；通过将计算结果与实测拉拔荷载比较并调整相邻测点间粘结应力进行数据拟合，得到不同锚固长度试件粘结区粘结应力分布的经验公式（5）和（6），相关系数分别为0.76和0.79；为验证局部粘结应力分布的可靠性，沿锚固长度对局部粘结应力积分，F1-16-5d试件各应变片位置局部粘结应力乘以其 tributary 表面积并在全锚固长度求和，所得总力为79.8 kN，与实测破坏荷载80.83 kN接近，差异仅1.3%，表明应变片测量与缩减截面修正共同产生一致的界面力平衡，也证实局部粘结应力曲线物理可靠，可作为锚固长度效应机理阐释的基础；公式（5）和（6）为ERC中局部粘结应力分布的首次定量经验描述。

讨论与结论部分，结论如下：（1）ERC强度的提高显著改善其与钢筋的粘结性能，与同强度等级普通混凝土及低环氧树脂含量ERC相比，ERC通过增强化学粘结与机械咬合有效提高极限粘结强度，同时抑制内部裂缝发展、减少粘结性能退化。（2）侧向约束条件是影响ERC与钢筋粘结强度的关键因素，其中混凝土保护层厚度影响尤为显著；在满足配箍率的条件下，增大保护层厚度可显著提高极限粘结强度并降低劈裂破坏风险。（3）与传统混凝土相比，钢筋直径在16 mm至20 mm之间增大有助于提高粘结强度，但直径超过20 mm后粘结强度增益趋于平缓。（4）锚固长度与ERC与钢筋之间的极限粘结应力呈负相关，随锚固长度增加极限粘结应力逐渐降低，粘结强度与抗拉强度之比随相对锚固长度变化保持相对稳定。（5）ERC与钢筋之间的粘结应力分布不均，加载端与自由端附近粘结应力较高而中段粘结应力相对较低。