钢-聚乙烯混杂纤维增强高延性水泥基复合材料(HECC)与钢筋的粘结锚固性能研究

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工程水泥基复合材料(ECC)是基于断裂力学和微观力学基本原理进行系统设计、可运用于土木工程领域的一种新型纤维增强水泥基复合材料。当ECC受拉时,可以展现出明显的拉伸应变-硬化性能和多缝开裂特征,对于结构的安全可靠性十分有利。为保证ECC在工程运用中更好地发挥优越性能,其与钢筋之间必须拥有可靠的粘结和锚固。因此,ECC与钢筋之间粘结性能的研究尤为重要。现有关于ECC与钢筋粘结性能的研究多数围绕单纤维增强水泥基复合材料展开,但两种不同纤维的掺入能够在不同层次提升基体性能。因此,本文通过混杂钢纤维和聚乙烯(PE)纤维,制备出高性能钢-聚乙烯混杂纤维增强高延性水泥基复合材料(HECC),并采用钢筋开槽内贴片的中心拉拔试验,系统研究了HECC与钢筋的粘结锚固性能。主要工作及研究结果如下:(1)综合考虑纤维种类、基体强度、钢筋直径和荷载工况四个因素,设计制作了20组共60个试件,通过单调荷载和反复荷载下的中心拉拔试验分别得到粘结-滑移关系曲线、粘结-滑移滞回关系曲线以及骨架曲线。研究表明,单调荷载下粘结-滑移关系曲线分为四个阶段:微滑移阶段、滑移阶段、下降阶段、残余阶段;反复荷载下粘结-滑移滞回关系曲线分为六个阶段:微滑移阶段、滑移与初始裂缝开展阶段、多缝开裂稳态阶段、下降阶段、裂缝重新闭合阶段和摩擦阶段,揭示了各阶段的破坏机理。(2)与普通混凝土、单掺PE纤维和单掺钢纤维试件相比,单调荷载下HECC的极限粘结应力分别提高了27.83%、24.09%和37.83%,反复荷载下极限粘结应力亦有较大的提升;粘结破坏时试件表面的裂缝数量大幅度减少,试件保持完整;HECC滞回环饱满、捏缩现象减少,耗能性能优异;基体强度的提高有利于抑制裂缝的开展,能在一定程度上提升粘结性能;当钢筋直径从20 mm增大到25 mm、32 mm、36 mm时,单调和反复荷载下极限粘结应力均呈现降低的趋势;相比单调荷载,反复荷载对HECC的极限粘结应力有一定程度的削弱。(3)结合HECC与钢筋粘结-滑移曲线的特点,对现有粘结-滑移本构模型进行了修正。并基于钢筋贴片得到的粘结应力沿粘结长度的分布规律,拟合得到了粘结应力位置函数。最后,结合修正的平均粘结应力-滑移本构关系和位置函数,提出了更为精细化的考虑锚固位置影响的粘结-滑移本构模型。
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