建筑结构 建筑结构 Building Structure ISSN 1002-848X CN 11-2833/TU 《建筑结构》网络首发论文 题目： 超高性能混凝土与钢筋的粘结滑移本构关系 作者： 李新星，周泉，李水生 网络首发日期： 2024-09-14 引用格式： 李新星，周泉，李水生.超高性能混凝土与钢筋的粘结滑移本构关系[J/OL].建 筑结格 https:/link.cnki.net/urlid/11.2833.TU.20240914.1318.004 可 尚 n<i中国扣例 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶 段. 录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件. 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码. 整期汇编定稿指出 版年、卷、期、页码均已确定的印剧或数字出版的整期汇编稿件. 录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出 版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定：学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编 辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他行为：稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、 出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等. 为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容， 只可基于编辑规范进行少量文字的修改. 出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国 学术期刊（网络版》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿. 因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版. 网络首发时间：2024-09-1414:11:10 网络首发地址 ： htps:/Mink.cnki.net/urlid/11.2833.TU.20240914.1318.004 超高性能混凝土与钢筋的粘结滑移本构关系* 李新星"，周泉，李水生 （1中建建筑第五工程局有限公司，长沙410004：2湖南中建五局绿色市政工程研究中心有限公司，长 （0001 摘要：为研究超高性能混凝土（UHPC）和含小型租骨料超高性能混凝土（CA-UHPC）与钢筋的粘结滑移本构关 系，开展了20组拉拔试验，分析了锚固长度、保护层厚度和钢筋直径对粘结性能的影响. 结果表明：试件破坏 模式包括钢筋拔出破坏和拔断破坏：粘结强度随着锚固长度的增加而降低，增大保护层厚度对粘结强度有一定的 提高，在锚固长度大于3d时，粘结强度提高不明显：峰值滑移随着锚固长度的增大，表现出先减小后增大再减 小的趋势，增大保护层厚度对峰值滑移有不同程度的提高. 基于试验数据提出了粘结-滑移特征值计算公式，建立 的UHPC与钢筋的粘结-滑移本构关系，与文献结果吻合较好. 关键词：超高性能混凝土：粘结强度：锚固长度：保护层厚度：粘结滑移本构关系 中图分类号：TU528.572 文献标志码：A *国家重点研发计划（2019YFC1904705），中建股份科技研发项目（CSCEC-2020-Z-4）. 第一作者：李新星，硕士，工程师，主要从事高性能水泥基复合材料和结构抗震研究，Email:992021186@qq. 通信作者：周泉，博士，高级工程师，主要从事装配式结构研究，Email:cscec0419@163.. Bond slip constitutive relation between ultra high performance concrete and reinforcement LI Xinxing2 ZHOU Qun2. LI Shuisheng].2 (1 China Construction Fifh Engineering Division Co. Ltd. Changsha 41004 China: 2 Hunan China Construction Fifh Bureau Green Municipal Engineering Research Center Co. Ld. Changsha 410004 China) Abstraet: In order to study the bond slip constitutive relationship between ultra-high performance concrete (UHPC) and ultra-high perfomance concrete containing small coarse aggregate (CA-UHPC) and steel bar 20 groups of pull-out tests were carried out to analyze the effcts of anchorage length protective layer thickness and steel bar diameter on bond properties. The results show that the fsilure modes of CA-UHPC include pull oet failure and pull out failure of reinforcement. The bond strength decreases with the increase of anchorage length and increases with the increase of protective layer thiknes but the bon strength de nt increase bviously when the anchrage lngth is larger than 3. With the increase of anchorage ngth the peak slip decreases frst and then inereases and then decreases. The increase of protective layer thickness increases the peak slip in difrent degrees. Based on the experimental datas a fomla for calculating the eigenvalues of bond and slip was proposed. The bond and slip constiutive relationship between UHPC and steel bar was in good agrement with the literature results. Keywords: ultra high performance concrete: bond strength: anchorage length: thickness of protective layer: bond slip constitutive relation 0引言 系来表示，为了解UHPC与钢筋的粘结性能的影响 超高性能混凝土（ultra-highperformance 因素，国内外相关学者开展了一系列的研究，认为 concrete，UHPC）是一种具有高强度、高韧性、高 影响粘结性能主要因素包括钢纤维掺量、钢筋锚固 耐久和高流动性的纤维增强水泥基复合材料川，与 长度、保护层厚度、配箍率、混凝土类型和抗压强 钢筋具有超强的粘结性能2，可使钢筋的搭接锚固 度等1. 针对上述参数，Bac等[1基于拉拔试验 长度大幅缩短，使得UHPC在桥梁工程桥面湿接缝 发现：钢纤维体积分数由0%增加到1%再增大到2%， 连接4、装配式建筑结构中节点连接-7中广泛应 粘结强度提高幅度降低：Akaysi等14认为UHPC 用. 钢筋仅需较小的直锚长度即可满足结构的受力 的早期龄期的黏结强度增长较快，在7d龄期时， 要求，减少现场湿作业，提高了施工效率. 粘结强度可达到最终强度的75%. 马福栋等5研究 钢筋与混凝土之间的粘结体现了结构或构件中 表明：增加配箍率和适当增大纤维掺量均能减小 材料间的协同性能可由两者之间粘结滑移本构关 UHPC的临界搭接长度：邓宗才通过54个中心 拉拔、6个立方体偏心拉拔、6个棱柱体中心拉拔 0.590.85 86 和6个板式中心拉拔锚固试件系统研究了钢筋埋长、 保护层厚度、钢筋直径、RPC强度和钢纤维体积掺 表2钢纤维物理力学性能指标 量等因素对RPC黏结性能的影响规律，建立计算临 形状 长度mm 直径mm 长径比抗拉强度/MPa 界锚固长度的公式，拟合极限黏结应力与保护层厚 度、相对理长之间的关系式：高丹盈等"基于内贴 平直型 8 0.12 67 2850 应变片的钢筋与钢纤维混凝土局部黏结试件的拉 表3CA-UHPC 和 UHPC 配合比/（kg/m²) 拔试验，研究钢筋与不同强度钢纤维混凝土的黏结 种类 水泥 硅灰 的煤灰细借料期借料期纤维减水剂 性能，提出了三段式粘结滑移本构模型：安明喆等 水 [8，研究了变形钢筋直径和锚固长度对活性粉末混 - 560 112 160 758 505 86 29.1 149.8 凝土（RPC）黏结性能的影响，提出变形钢筋与RPC UHPC 0 156 77 1003 117 35.1170.4 的粘结滑移本构模型，但是本构模型只有上升段， 1.2试件设计及制作 并不能反映钢筋拔出过程中粘结滑移全曲线. 贾方 采用拉拔试验测试试件局部粘结滑移性能，钢 方通过梁式试验和拉拔试验，提出了四折线段的 筋为热轧带肋钢筋，力学性能指标见表4，试件的 钢筋与活性粉末混凝土的本构模型，指出本构模型 尺寸为150mm×150mm×150mm. 试验按照混凝土 中的特征参数与锚固长度、保护层厚度等相关，但 种类共设计2类共20组，每组3个试件，共60个 是并未给出具体的计算公式，此外，其他学者的本 构模型亦有类似间题2叫. 对于更为经济的含小型粗 试件. 其中混凝土为CA-UHPC的参数设计包括锚 固长度L分别为2d、3d、4d、5d、6d，d为钢筋直 骨料的UHPC材料，其与钢筋的粘结滑移本构关系 径：保护层厚度C分别为2d和4d.混凝土为UHPC 未见相关文献报道. 锚固长度分别为2d、3d、4d、5d、6d：保护层厚度 综上所述，本文进行了20组考虑UHPC种类、 为2d和4d.试件参数设计见表5. 锚固长度、保护层厚度和钢筋直径的钢筋拉拔试验， 分析各参数对UHPC粘结性能的影响，拟合得到了 表4HRB400钢筋物理力学性能 粘结强度计算公式，提出了粘结滑移本构模型中各 直径/mm 屈眼强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率% 特征参数的计算公式，从而建立UHPC与钢筋的粘 14 430 605 26 结滑移本构关系. 表5参数设计 1试验概况 种类 L/mm Cimm 1.1原材料 CA-UHPC 试验所用的混凝土包括强度等级为C100的含 2d 3 4d. 5d 6d 24 4d UHPC 2d 3d 4d. 5d. 6d 2d 4d 小型粗骨料的超高性能混凝土（CA-UHPC）和强度 等级为C120的超高性能混凝土（UHPC），其中 拉拔试件锚固钢筋埋设在试件中心，粘结区设 CA-UHPC小型粗骨料为级配碎石，石英含量大于 置在钢筋中间，非黏结区采用PVC管套住，防止 钢筋与混凝土界面应力集中受到局压破坏. 试件设 85%，粒径为5~10mm：细骨料为天然河沙，细度为 计及制作如图1所示. 2.95，表观密度为2.82g/cm²，含泥量小于1%.UHPC 细骨料为石英砂，粒径为20~40目，SiO含量为95%. 8 自由端 PVC格壁段 除此之外，其余原材料相同. 水泥为PO42.5普通硅 4 酸盐水泥，比表面积为330m²/kg，3d龄期抗压强度 为17.0MPa，28d龄期抗压强度为42.5MPa：粉煤灰 08 220 采用Ⅱ级粉煤灰，比表面积为425m²/kg：硅灰比表 图1试件设计制作 面积为18500m²/kg，平均粒径为0.1~0.2um，SiO 按照表3配合比称量原材料材料，先将胶凝材 含量不低于92%，水泥和硅灰的化学成分见表1：试 料和骨料倒入强制式搅拌机中干拌2min，将水和外 验所用减水剂为液态聚羧酸减水剂，减水率达30%， 加剂依次倒入干混料中搅拌3min得到混凝土均匀 固含量为20%：钢纤维为平直镀铜纤维，其物理力 浆体，最后将钢纤维均匀撒入混凝土浆体中继续搅 学性能指标见表2，CA-UHPC和UHPC配合比见表3. 拌3min. 待搅拌介绍后，将混凝土倒入抗压试件尺 表1水泥和硅灰的化学成分 寸为100mmx100mmx100mm的模具中和拉披试件 材料SiO:AlO Fe;O CaOMgOK;oN:O烧失量 尺寸为150mm×150mmx150mm的模具中，标准养 护28d后测试其力学性能如表6所示. 水泥21.915.30 3.6765.101.510.62 0.19 2.51 表6混凝土力学性能 混凝土种类 抗压强度/MPa 平均抗压强度/MPa 113.3 学胶着力和机械咬合力大于混凝土基体内的开裂 CA-UHPC 116.8 113.8 荷载，小于钢筋的抗拉强度. 混凝土为UHPC，锚 111.2 固长度为6d，保护层厚度为2d、4d和混凝土为 135.1 UHPC 132.8 134.9 CA-UHPC，锚固长度6d，保护层厚度为2d、4d，试 136.9 件发生混凝土未开裂，钢筋拔断破坏，这是因为钢 筋锚固长度较长且保护层厚度较大，混凝土基体内 1.3试件加载 按照规范要求，试件在WA-600B万能试 部的抗开裂荷载足够大，钢筋的化学胶着力和机械 验机进行加载. 试验装置如图2所示，由于加载端 咬合力大于钢筋的抗拉强度，钢筋被拉断. 钢筋自身会发生形变伸长，不能真实反映钢筋的滑 120 120 移量，因此本试验采用钢筋自由端的位移作为拉拔 试验钢筋的滑移量，在钢筋的自由端安装两个千分 表用于测量钢筋的相对滑移值取平均值，加载前先 拔出玻坏 进行0.5kN的预加载，卸载后按照加载速率为 0.18~0.2kN/s进行单调记载，通过高清摄像装置同 步录制千分表和荷载的数值，按照时间读取每帧的 荷载与位移数值使两者一一对应. （a）拔出破坏 （b）开裂拔出破坏 （c）拔断破坏 图3试件破坏形式 图2试验加转装置 2.2试验结果 2试验结果及分析 钢筋与混凝土的平均粘结应力可由下式计算： 2.1试件破坏形式 P 试件破坏有3种形式，包括混凝土未开裂，钢 r= πdL （1) 筋拔出破坏（图3（a））：混凝土开裂，钢筋拔出破 式中：为钢筋与混凝土的平均粘结应力，MPa：P 坏（图3（b））和混凝土未开裂，钢筋拔断破坏（图 为钢筋所受拉拔荷载，kN：d为钢筋直径，mm：L 3（c））.其中，混凝土为UHPC，锚固长度为2d、 为钢筋锚固长度，mm. 3d、4d、5d，保护层厚度为2d、4d和混凝土为 CA-UHPC，锚固长度为2d、3d，保护层厚度为2d、 试验结果如表7所示. 其中，P为极限拉拔荷 4d，锚固长度为4d、5d，保护层厚度为4d，试件发 载，为粘结强度，S为峰值滑移. 将试件编号为： 生混凝土未开裂，钢筋拔出破坏，主要是因为锚固 CU/U-L-C，CU表示CA-UHPC，U表示UHPC：L表 长度较小，化学胶着力钢筋的机械咬合力小于钢筋 示钢筋的锚固长度（L=nd）：C表示保护钢筋保护层 厚度（C=md）. 的抗拉强度和混凝土基体开裂荷载. 混凝土为 表7试验结果 CA-UHPC，锚固长度为4d、5d，保护层厚度为2d， 试件发生混凝土开裂，钢筋拔出破坏，混凝土保护 编号 dinm|L/mm|C/mm PAN t/MPa|S /mm 破坏模式 层薄弱侧从钢筋加载端到混凝土边缘首先出现横 PC-PC-13 14 2 2d 41.13 33.42 0.87 拔出破坏 向微裂缝，随着荷载的增加，开始出现竖向裂缝， CU-2d-4d 2 Ad 51.95 42.21 0.96 拔出破坏 从混凝土加载端边缘向下发展，裂缝长度约 P-P-13 14 3 2 75.69 41.00 0.47 拔出破坏 40~60mm，最大裂缝宽度为0.3mm，此时钢筋的化 P-P-13 14 3 4d 72.50 39.27 0.67 拨出破坏 CU-4d-2d144283.4033.880.59开裂技出破坏 CU-4d-4d 14 4d 4d 85.36 34.67 1.22 拔出破坏 曲线可分为上升段、下降段和残余段，上升段为微 CU-5d-2d 14 24 3.18 27.03 1.20 开裂拔出破坏 滑移段，粘结刚度大. 随着荷载的增大，钢筋表面 CU-5d-4d 14 5d 4d 91.50 29.73 1.62 拔出破坏 的化学消失，钢筋出现滑移，曲线进入下降段，此 CU-6d-2d 14 2d 94.92 25.71 0.09 按断破坏 时机械咬合力提供粘结力，随着荷载进一步增大， CU-6d-4d 14 6d 4d 93.69 25.37 0.11 按断破坏 钢筋肋前混凝土被压碎，钢筋周边产生斜裂缝，钢 U-2d-2d 8 31.22 拔出破坏 筋滑移量增大. 随着钢筋粘结区肋前混凝土压碎区 14 2d 24 1.18 进一步加大，钢筋的径向压力逐渐减小，最终机械 U-2d-4d 14 2d 4d 47.37 38.48 0.78 拔出破坏 咬合力消失，粘结滑移曲线进入残余段，此时粘结 U-3d-2d 14 3 2d 58.89 31.900.80 拔出破坏 力由摩擦力提供. U-3d-4d 14 3 4d 91 38.80 0.59 拉出破坏 图4（e）发生的是钢筋拉断破坏，粘结滑移曲 U-4d-2d 14 d 2 75.95 0.69 拉出破坏 线只有上升段，由于锚固长度较大，钢筋的粘结强 U-4d-4d 14 4d Ad 78.68 96 1.24 拔出破坏 度大于钢筋的抗拉强度，钢筋自由端产生微滑移， U-54-2d 14 5d 2 89.15 28.97 0.88 拔出破坏 此时化学胶着力并未消失，粘结力主要由化学胶着 U-5d-4d 5 4d 89.19 28.98 1.70 拔出破坏 力和机械咬合力提供. U-66-2d 95.16 25.77 0.18 拔断破坏 从图4可以看出，含小型粗骨料的超高性能混 14 6d 24 凝土的平均粘结强度高于不含粗骨料的超高性能 14 6d 4d 93.4725.310.21 按断破坏 2.3粘结滑移曲线 混凝土. 增大保护层厚度，平均粘结强度、峰值滑 图4（a）~（e）为不同锚固长度下粘结滑移曲 移量和残余粘结强度均增大，但是上升段的粘结刚 线，图4（a）~（d）试件发生拔出破坏，粘结滑移 度基本相同. 48 48 42 40 CU-24-24 40 CU-30-44 CU-30-24 36- CU-4I-2I CU-24-44 U-34-2d = TF-44-21 CU-44-4d 32 = U-24-24 e 30- = - U-2d-4d 24 = U-44-4d 24 2 24 16 4 6 810121416 6 S/mm 12 15 18 69121518 S/mm S/mm (a)2d （b)t-3d (c)4d CUS4 =U-54-2 CU-54d U-54-40 RC-P9-10 EN 18 (0-66-2) CU-64-4) = (-66-4) 6 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 Shmm S/mm (d)=5d (e)=6d 图4粘结滑移曲线 2.4粘结强度 锚固长度不小于3d时，保护层厚度的增加对粘结 图5为锚固长度和保护层厚度对极限粘结强度 强度的提高不明显，两者呈现交替增减，变化幅度 的影响，从图6可以看出，混凝土为UHPC和 介于2.3%~8.1%. 对于混凝土为UHPC，随着锚固 CA-UHPC，保护层厚度为2d的试件，极限粘结强 长度的增加，保护层厚度对极限粘结强度的提高幅 度随着锚固长度的增加先增大后降低，在锚固长度 度逐渐降低，当锚固长度为2d、3d和4d时，4d保 为3d时，粘结处于峰值. 混凝土为CA-UHPC，保 护层厚度较2d保护层厚度的极限粘结强度分别提 护层厚度为4d，随着锚固长度的增加，极限粘结强 高19%、18%和4%，当锚固长度为5d和6d时， 度逐渐降低. 这是由于锚固长度较小时，更加能发 两者粘结强度基本相等. 挥混凝土与钢筋的粘结能力. 当混凝土为 相对锚固长度（L/d）对粘结强度的影响起主导 CA-UHPC，保护层厚度为2d和4d在锚固长度为 作用，相对锚固长度对钢筋粘结强度的影响的试验 2d时，两者的粘结强度相差最大，4d保护层的粘 数据拟合如图7所示，此外，粘结强度的影响因数 结强度比2d提高20%，随着锚固长度的增加，当 还包括相对相对保护层厚度（Cid）和混凝土抗压
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