近年来, 硫铝酸盐水泥的研究和生产取得巨大发展^[1], 由于其早期强度高、凝结时间短等, 被广泛用于快速修复、快速施工、抵御渗透工程和寒冷地区工程^[2,3,4]。另外, 硫铝酸盐水泥比普通波特兰水泥更绿色、环保, 生产温度低、CO₂排放少, 因此是研究的热点问题^[5,6]。与普通波特兰水泥基材料相同, 硫铝酸盐水泥基复合材料基体脆性也很明显, 可以通过选取合适的纤维进行改良, 增强、增韧。钢纤维在增强、增韧方面作用突出, 还可提高混凝土的耐久性, 与普通钢纤维相比, 微细钢纤维单位质量下的根数更多、分布更均匀, 因此增强、增韧的效果更突出^[7]。基于快硬硫铝酸盐水泥和微细钢纤维的优异性能, 可以配制快硬、早强和高韧性的高性能工程材料^[8], 应用于快速新建和修复工程, 而在这些工程中, 钢筋需与水泥基材料协调共同承载, 因此钢筋与水泥基体材料的黏结非常重要, 硫铝酸盐水泥的水化产物和微观结构皆不同于普通波特兰水泥, 其与钢筋的黏结性能也异于波特兰水泥, 关于硫铝酸盐水泥基复合材料与钢筋的黏结研究还很少。

本文首先配制高性能的微细钢纤维快硬早强水泥基复合材料, 通过钢筋拔出试验, 研究黏结性能, 并初步分析黏结-滑移本构关系。

水泥为52.5R快硬硫铝酸盐水泥 (R.CSA) ;细度模数为2.06的天然河砂;硅灰平均粒径为0.1～0.15μm, SiO₂含量92%;萘系减水剂主要成分为β-萘磺酸钠甲醛缩合物, 减水率18%～25%;端钩型微细钢纤维, 圆形横断面, 直径0.22mm, 长度为13mm, 长径比60, 抗拉屈服强度2 850MPa, 密度7 800 kg/m³, 如图1所示;钢筋为φ16的HRB500螺纹钢筋, 弹性模量为2.0×10⁵N/mm²。

已有文献研究结果表明, 纤维含量在1%左右时, 可有效对黏结强度峰值和平均黏结应力产生积极影响^[9], 试验中微细钢纤维体积掺量为1.5%, 即115.2kg/m³, 其他材料单位体积用量如表1所示。

黏结试块均为150mm×150mm×150mm, 采用局部黏结中心拔出试验, 分为单向拉拔试验 (A) 和中心对拉试验 (B) 2种方式。其中单向拉拔试验模拟一般受力构件中钢筋与混凝土的黏结, 黏结长度为5d (d为钢筋直径) ;中心对拉试验模拟地震等灾害后, 在受损结构钢筋拉断处剥除受损混凝土后直接浇筑快硬砂浆进行修复的情况。试验构件设计细节如图2所示。

每组配合比和龄期浇筑尺寸为100mm×100mm×100mm的伴随试块, 测试材料抗压强度。试件设计如表2所示。

砂浆浇筑到钢模并振捣后, 在室温 (20℃) 条件下养护, 龄期为2, 3, 24h。

为防止加载时试件偏心受力^[9], 同时为消除端部效应, 2组试验均采用在两端钢筋处各预埋20mm的PVC套管, 使砂浆与钢模分离, 如图3所示。

1) 单向拉拔试验

在试件的加载端和自由端分别安装2个C-30型位移计, 以测量加载端和自由端钢筋相对于砂浆的滑移。在万能试验机上、下各固定一组夹具, 将拉压力传感器及钢架固定在WE-600型万能试验机上, 混凝土试件放置在钢架钢垫上, 将4个C-30型位移计分别固定在钢架下侧和试件自由端上侧。采集板、位移计及传感器连接好及调零后开始加载, 加载直至自由端滑移数据达15mm或试件破坏为止。荷载读数和4个位移计均通过转换板与计算机连接, 由计算机直接采集数据。试验装置如图4所示。

2) 中心对拉试验

加载端在试件下端, 直接通过夹具将上、下两端的钢筋分别与万能试验机联系起来, 加载方法与单向拉拔试验基本相同。

1) 平均黏结应力

假定在钢筋埋设长度段内, 黏结应力均匀分布, 黏结强度计算如式 (1) 所示:

式中:τ为钢筋与混凝土间的黏结强度 (MPa) ;p为外加荷载值 (N) ;d为钢筋直径 (mm) ;l为钢筋埋设深度 (mm) , A组取值为80mm, B组取值为60mm。

2) 滑移量

对于钢筋自由端滑移, 位移计1, 2分别测得数值为s₁, s₂, 钢筋自由端滑移为:

假定砂浆试块未发生弹性变形, 位移计3, 4分别测得数值为s₃, s₄, 加载端滑移值计算为:

式中:s_c为砂浆弹性变形 (mm) ;p外加荷载值 (N) ;l为钢筋的埋设深度 (mm) , A组取值为80mm, B组取值为60mm;E_s为钢筋弹性模量 (MPa) ;A_s为钢筋横截面面积 (mm²) 。

钢筋平均滑移值取自由端与加载端滑移的平均值:

3) 极限黏结强度

钢纤维砂浆与钢筋的极限黏结强度为:

式中:τ_μ为钢纤维砂浆与螺纹钢筋的极限黏结强度 (MPa) ;F_max为拔出试验的最大荷载 (N) ;A为钢筋黏结面积。

拔出试验中钢筋的典型破坏为劈裂破坏和拔出破坏。根据龄期和试验方法的不同, 砂浆黏结性能也有显著变化, 其中, 单向拉拔试验 (A) 主要为劈裂破坏, 中心对拉试验 (B) 为拔出破坏, 分别如图5, 6所示。

根据1.5节的方法计算平均黏结应力、极限黏结强度和滑移量, 结果如表3、图7和图8所示。分析可知: (1) 对于单向拉拔试验, 龄期2, 3, 24h的极限黏结强度分别为21.12, 23.07, 30.00MPa, 分别占同龄期材料抗压强度的72%, 75%, 37%。 (2) 对于中心对拉试验, 龄期2, 3, 24h的极限黏结强度分别为7.78, 13.00, 22.22MPa, 分别占同龄期材料抗压强度的26%, 42%, 27%。2类对拉试验结果表明, 其早龄期的基体强度和与钢筋黏结强度非常高, 小龄期时黏结强度占基体强度的比例更高, 黏结强度比基体抗压强度发挥更快。 (3) 在2种试验方法下, 中心对拉试验的峰值滑移量总是高于单向拉拔试验。 (4) 在极限滑移、黏结强度等方面, 单向拉拔试验结果优于中心对拉试验, 说明黏结部位钢筋的整体性是黏结性能的重要保障。 (5) 对拉方式下, 黏结段会在两端存在缺陷的较薄弱部位首先破坏, 因此黏结强度较单向拉拔试验低, 在实际加固工程中, 如受灾后条件限制只能采用这种方式进行加固, 黏结强度需要按照对应方式的试验测得。

黏结-滑移曲线简化模型已有多种^[10], 根据2种黏结试验结果, 结合黏结机理和黏结应力-滑移曲线, 模型为微滑移阶段、滑移阶段、劈裂阶段、下降阶段和残余段的五折线, 如图9所示。根据试验结果, 微细钢纤维快硬高强砂浆与钢筋黏结应力-滑移本构模型简化如式 (6) 所示。

对于单向拉拔试验, 可分为5段进行拟合, 根据本文试验结果确定图9中的特征点数值, s点: (s_s, τ_s) = (0.02, 0.943) , c点: (s_c, τ_c) = (0.086, 24) , u点: (s_u, τ_u) = (1.25, 30) , r点: (s_r, τ_r) = (12.8, 13.82) , 基于此, 24h龄期微细钢纤维硫铝酸盐水泥砂浆与钢筋的单向拉拔黏结应力-滑移本构关系可以拟合为式 (7) 。

对于中心对拉试验, 根据本文试验结果, 由于没有明显的下降段和残余段转折点, 可分为3段进行拟合, 图9中的特征点数值根据试验结果确定, s点: (s_s, τ_s) = (0.02, 0.43) , c点: (s_c, τ_c) = (2.06, 17.78) , u点: (s_u, τ_u) = (3, 22.22) , 基于此, 24h龄期微细钢纤维硫铝酸盐水泥砂浆与钢筋的中心对拉黏结应力-滑移本构关系可以拟合为式 (8) 。

以此方法拟合得到的公式预测2h和3h的极限黏结强度, 与试验数据对比如表4所示, 吻合度良好。

1) 本文配制了快硬高强微细钢纤维硫铝酸盐水泥砂浆, 2, 3, 24h龄期时基体抗压强度和与螺纹钢筋黏结强度分别达29.47, 30.80, 81.45MPa和21.12, 23.07, 30.00MPa, 基体抗压强度和黏结强度的早强优势突出, 适于抢险加固工程。

2) 随龄期增加, 基体强度和黏结强度都显著增加, 小龄期时黏结强度占基体强度的比例更高, 黏结强度较基体抗压强度发挥更快。

3) 单向拉拔试验时, 快硬高强钢纤维砂浆与钢筋黏结各个龄期的破坏模式均为劈裂和延性破坏。

4) 中心拉拔试验较单向拉拔试验的黏结强度低, 破坏方式为延性和拔出破坏, 当只能采用这种方式进行抢修时, 需采用对应方式的试验测得黏结强度。