余琼,魏晋文,张亮,许雪静,余江滔
(同济大学 土木工程学院,上海 200092)
摘要:
超高延性水泥基复合材料（UHDCC）是新型纤维增强混凝土,受拉时表现出超高的延性和应变硬化能力。为提供UHDCC应用于受力构件的界面黏结理论依据,进行了45个钢筋在UHDCC中锚固的拉拔试验,考察了锚固长度、浇筑方式、保护层厚度、90°弯钩等对黏结性能的影响。试验结果表明:由于纤维约束作用,试件未发生劈裂破坏；UHDCC的浇筑方式显著影响黏结强度,垂直浇筑的黏结强度大于平行浇筑；由于UHDCC的应变硬化现象,试件锚固长度从4d增大到6d时黏结强度有上升趋势,大于6d时中心锚固试件（保护层较厚）锚固长度对黏结强度影响不大,偏心锚固试件（保护层较薄UHDCC材料的约束作用减小）随锚固长度增加黏结强度降低；直锚段钢筋长度为4d时,增设90°弯钩(4d)后,承载力提升幅度可达67%,但随着直锚段长度增加,弯钩对承载力提升幅度减小；绝对锚固长度相等时直锚组试件承载力大于带弯钩的试件,弯钩段锚固并不等价于直锚钢筋,弯钩锚固必须保证直锚段长度。论文分析了带肋钢筋与UHDCC之间的黏结滑移机理,给出了UHDCC直接锚固的黏结强度公式。
关键词: 超高延性水泥基复合材料（UHDCC） 锚固长度 黏结滑移 弯钩锚固 保护层厚度
DOI：10.11918/202104070
分类号:TU502
文献标识码:A
基金项目:
Bond behavior between ribbed steel bar and ultra-high ductile cementitious composite
YU Qiong,WEI Jinwen,ZHANG Liang,XU Xuejing,YU Jiangtao
(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract:
Ultra-high ductile cementitious composite (UHDCC), a new type of fiber reinforced concrete, exhibits ultra-high ductility and strain hardening ability during stretching. In this study, pull tests were conducted on 45 specimens whose ribbed steel bars were all anchored in UHDCC. The influences of anchorage length, pouring method, protective layer thickness, 90-degree hook, and other parameters on the bonding performance were investigated, and a theoretical basis for the bonding strength of the force-bearing members using UHDCC was provided. Results show that all the specimens did not split due to the restraint of the fiber in the UHDCC. The pouring method of UHDCC had significant impact on the bonding strength, and the bonding strength of the specimen poured vertically was greater than that of the specimen poured horizontally. As the anchorage length of the specimen increased from 4d to 6d, the bonding strength tended to increase due to the strain hardening of UHDCC. When the anchorage length was longer than 6d, the anchorage length of the central anchoring specimen (with a thicker protective layer) had little effect on the bonding strength. However, the bonding strength of the eccentric anchoring specimen (whose restraint of UHDCC to the ribbed steel bar decreased due to the thinner protective layer) decreased with the anchorage length increased. A 90-degree hook with the length of 4d was added at the end of the steel bar when the length of the straight anchor section was 4d, and the ultimate bearing capacity was increased by 67%. However, when the length of the straight anchor section increased, the effect of the 90-degree hook on the ultimate bearing capacity began to decrease. When the absolute anchorage lengths were the same, the bearing capacity of the specimens without hooks was greater than that of the specimens with hooks. For the specimen whose steel bar had a 90-degree hook, the anchorage length must be guaranteed. Based on the test results, the bond-slip mechanism between ribbed steel bar and UHDCC was analyzed, and the equation of bonding strength between UHDCC and ribbed steel bar without 90-degree hook was given.
Key words: ultra-high ductile cementitious composite (UHDCC) anchorage length bond slip anchorage with hook protective layer thickness
余琼, 魏晋文, 张亮, 许雪静, 余江滔. 带肋钢筋与超高延性水泥基复合材料的黏结性能[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2022, 54(4): 132-140. DOI: 10.11918/202104070.
YU Qiong, WEI Jinwen, ZHANG Liang, XU Xuejing, YU Jiangtao. Bond behavior between ribbed steel bar and ultra-high ductile cementitious composite[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2022, 54(4): 132-140. DOI: 10.11918/202104070.
作者简介 余琼(1968—)，女，副教授，硕士生导师 通信作者 余琼，yiongyu2005@163.com 文章历史 收稿日期: 2021-04-16
Abstract Full text Figures/Tables PDF
带肋钢筋与超高延性水泥基复合材料的黏结性能
余琼
, 魏晋文, 张亮, 许雪静, 余江滔 同济大学 土木工程学院，上海 200092
收稿日期: 2021-04-16
作者简介: 余琼(1968—)，女，副教授，硕士生导师
通信作者: 余琼，yiongyu2005@163.com
摘要: 超高延性水泥基复合材料(UHDCC)是新型纤维增强混凝土，受拉时表现出超高的延性和应变硬化能力。为提供UHDCC应用于受力构件的界面黏结理论依据，进行了45个钢筋在UHDCC中锚固的拉拔试验，考察了锚固长度、浇筑方式、保护层厚度、90°弯钩等对黏结性能的影响。试验结果表明: 由于纤维约束作用，试件未发生劈裂破坏；UHDCC的浇筑方式显著影响黏结强度，垂直浇筑的黏结强度大于平行浇筑；由于UHDCC的应变硬化现象，试件锚固长度从4d增大到6d时黏结强度有上升趋势，大于6d时中心锚固试件(保护层较厚)锚固长度对黏结强度影响不大，偏心锚固试件(保护层较薄UHDCC材料的约束作用减小)随锚固长度增加黏结强度降低；直锚段钢筋长度为4d时，增设90°弯钩(4d)后，承载力提升幅度可达67%，但随着直锚段长度增加，弯钩对承载力提升幅度减小；绝对锚固长度相等时直锚组试件承载力大于带弯钩的试件，弯钩段锚固并不等价于直锚钢筋，弯钩锚固必须保证直锚段长度。论文分析了带肋钢筋与UHDCC之间的黏结滑移机理，给出了UHDCC直接锚固的黏结强度公式。
关键词: 超高延性水泥基复合材料(UHDCC) 锚固长度 黏结滑移 弯钩锚固 保护层厚度
Bond behavior between ribbed steel bar and ultra-high ductile cementitious composite
YU Qiong
, WEI Jinwen, ZHANG Liang, XU Xuejing, YU Jiangtao College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: Ultra-high ductile cementitious composite (UHDCC), a new type of fiber reinforced concrete, exhibits ultra-high ductility and strain hardening ability during stretching. In this study, pull tests were conducted on 45 specimens whose ribbed steel bars were all anchored in UHDCC. The influences of anchorage length, pouring method, protective layer thickness, 90-degree hook, and other parameters on the bonding performance were investigated, and a theoretical basis for the bonding strength of the force-bearing members using UHDCC was provided. Results show that all the specimens did not split due to the restraint of the fiber in the UHDCC. The pouring method of UHDCC had significant impact on the bonding strength, and the bonding strength of the specimen poured vertically was greater than that of the specimen poured horizontally. As the anchorage length of the specimen increased from 4d to 6d, the bonding strength tended to increase due to the strain hardening of UHDCC. When the anchorage length was longer than 6d, the anchorage length of the central anchoring specimen (with a thicker protective layer) had little effect on the bonding strength. However, the bonding strength of the eccentric anchoring specimen (whose restraint of UHDCC to the ribbed steel bar decreased due to the thinner protective layer) decreased with the anchorage length increased. A 90-degree hook with the length of 4d was added at the end of the steel bar when the length of the straight anchor section was 4d, and the ultimate bearing capacity was increased by 67%. However, when the length of the straight anchor section increased, the effect of the 90-degree hook on the ultimate bearing capacity began to decrease. When the absolute anchorage lengths were the same, the bearing capacity of the specimens without hooks was greater than that of the specimens with hooks. For the specimen whose steel bar had a 90-degree hook, the anchorage length must be guaranteed. Based on the test results, the bond-slip mechanism between ribbed steel bar and UHDCC was analyzed, and the equation of bonding strength between UHDCC and ribbed steel bar without 90-degree hook was given.
Keywords: ultra-high ductile cementitious composite (UHDCC) anchorage length bond slip anchorage with hook protective layer thickness
普通混凝土具有很好的抗压性能，但受拉极易开裂，正常使用阶段混凝土的开裂会导致钢筋锈蚀、结构耐久性不足，在地震、爆炸等荷载作用下也可能出现脆性断裂，因此研究人员开展了高性能混凝土的制备试验。例如：1992年，Li等[1]将短纤维掺入胶凝材料、砂和水泥中，得到了具有明显应变硬化特征的复合材料ECC(engineered cementitious composites)。2001年，Li等[2]又研制成功了聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)，这些复合材料极限应变超过3%。Ranade等[3]研制的高强高延性混凝土(HSHDC)抗压强度大于150 MPa、拉伸应变在3% ~4%，使得水泥基复合材料第一次同时实现高强度、高延性。
近年来国内学者关于高延性混凝土也已做了许多研究。高淑玲等[4]成功配制了PVA-ECC，徐世烺等[5]测得PVA-ECC极限拉应变达3.8%~4.2%，裂缝宽度控制在100 μm以内，且对缺口不敏感。陆洲导等[6]配制出了具有超高强度和超高延性的纤维混凝土(UHDCC)，平均拉伸应变超过8%，抗压强度在45.9~121.5 MPa。
高延性混凝土主要应用于结构维修、桥面板、隧道衬砌等领域，在抗震节点[7]、抗震阻尼器、拼装式剪力墙[8]等方面也有广泛应用前景。但目前高延性混凝土与带肋钢筋之间的黏结滑移性能的研究还比较少，仅徐世烺等[9]分析了钢筋与水泥基复合材料之间的黏结应力沿锚固长度的分布规律，得出黏结滑移本构关系；于明鑫等[10]进行了带肋钢筋与ECC黏结性能试验，仅研究了钢筋直径、锚固长度及纤维体积掺量对黏结应力-滑移曲线的影响。
本文进行了20组共45个试件的钢筋与UHDCC拉拔试验，考察了锚固长度、浇筑方式、保护层厚度、90°弯钩以及偏心锚固等对黏结强度的影响，同时也分析了UHDCC应力沿黏结长度的分布规律、带肋钢筋与UHDCC之间的黏结滑移机理，以期为高强水泥基复合材料在受力构件中的应用提供理论依据。
1 试验概况 1.1 试件设计与制作UHDCC制备材料主要包括硅酸盐水泥、硅灰、矿粉、石英砂、水、聚乙烯(PE)纤维、减水剂等，表 1为各材料粒径范围及配合比，表 2为所用PE纤维的性能。
表 1
表 1 UHDCC材料及配合比 Tab. 1 Material and mix proportion of UHDCC 组成 粒径范围/μm 配合比 质量/(g·L-1) 硅酸盐水泥 30~80 1.00 500.00
硅灰 0.1~1 0.27 135.93
矿粉 5~100 1.83 913.50
石英砂 106~212 0.92 457.95
水 0.62 309.88
PE纤维 0.04 20.00
减水剂 0.01 7.00
表 1 UHDCC材料及配合比 Tab. 1 Material and mix proportion of UHDCC
表 2
表 2 PE纤维性能 Tab. 2 Properties of PE fiber 直径d/μm 纤维长径比 弹性模量E/GPa 断后伸长率/% 密度ρ/(g·cm-3) 熔点/℃ 25 720 116 2.42 0.97 150
表 2 PE纤维性能 Tab. 2 Properties of PE fiber
试验基准试件的外形和尺寸见图 1。
Fig. 1
图 1 基准试件的外形和尺寸(mm) Fig. 1 Shape and dimensions of reference specimens (mm) 第一批试验探索钢筋锚固长度和浇筑方式对黏结性能的影响。表 3为第一批试件基本情况，试件为中心锚固，考虑了浇筑面平行钢筋轴向方向(梁构件)和浇筑面垂直钢筋方向(柱构件)两种浇筑方式，见图 2。
表 3
表 3 第一批试验试件基本情况 Tab. 3 Basic parameters of the first batch of experimental specimens 影响因素 试件组 试件个数 试件编号 钢筋直径d/mm 锚固长度la/mm 保护层厚度c/mm 浇筑方式 锚固长度A1 3 12-12d-5.8d-T 1214469 垂直
A2 3 12-10d-5.8d-T 120
A3 3 12-8d-5.8d-T 96
A4 3 12-6d-5.8d-T 72
A5 3 12-4d-5.8d-T 48
浇筑方式B1 3 12-10d-5.8d-P 12120 69 平行
B2 3 12-4d-5.8d-P 48
注：UHDCC中纤维的质量分数均为2%。试件编号释义为“直径-相对锚固长度-相对保护层厚度-浇筑方向”，12d表示12倍钢筋直径，T表示垂直浇筑，P表示水平浇筑。
表 3 第一批试验试件基本情况 Tab. 3 Basic parameters of the first batch of experimental specimens
Fig. 2
图 2 浇筑方向示意 Fig. 2 Pouring directions 根据第一批试件试验结果，当试件锚固长度为6d、浇筑方式为垂直浇筑时黏结强度较高(详见2、3节)，故定义后续浇筑方式为垂直浇筑，研究保护层厚度时，锚固长度取6d。
表 4为第二批试件基本情况，研究参数为钢筋直径、保护层厚度、锚固钢筋形状(直锚和弯锚)。
表 4
表 4 第二批试验试件基本情况 Tab. 4 Basic parameters of the second batch of experimental specimens 影响因素 试件组 试件个数 试件编号 钢筋直径d/mm 锚固长度la/mm 保护层厚度c/mm 保护层厚度D1 2 12-6d-2.5d 12 7230
D2 2 12-6d-3.5d 42
D3 2 12-6d-4.5d 54
A4 3 12-6d-5.8d 69
(90°弯钩)锚固长度F1 2 W-12-10d-2.5d 1212030
F2 2 W-12-8d-2.5d 96
F3 2 W-12-6d-2.5d 72
F4 2 W-12-4d-2.5d 48
(直锚)锚固长度E1 2 12-12d-2.5d 1214430
E2 2 12-10d-2.5d 120
E3 2 12-8d-2.5d 96
D1 2 12-6d-2.5d 72
E4 2 12-4d-2.5d 48
注：试件编号释义为“(弯钩-)直径-相对锚固长度-相对保护层厚度”，试件纤维质量分数均为2%。
表 4 第二批试验试件基本情况 Tab. 4 Basic parameters of the second batch of experimental specimens
本次试验采用HRB400月牙肋钢筋，钢筋力学性能见表 5。
表 5
表 5 钢筋材性试验性能 Tab. 5 Properties of steel bar 钢筋直径d/mm 承载力Pu/kN 屈服强度fy/MPa 12 63.00 391.63
14 87.08 403.72
16 105.46 407.39
表 5 钢筋材性试验性能 Tab. 5 Properties of steel bar
本文采用狗骨型平板试件[11]测试UHDCC抗拉性能。UHDCC混凝土需分多次制备，每次都保留3~5根狗骨试件，最后在20余根狗骨试件中选取标距段内裂缝得到充分开展的作为UHDCC材料的强度依据。
UHDCC的抗拉应力-应变关系与混凝土的应力应变明显不同[12]，UHDCC存在应变硬化现象，即在达到峰值荷载前一段相当长范围内，应变增加时，应力也会增大，其平均抗拉强度为9.05 MPa，是同等水泥标号(P. Ⅱ 52.5)对应的C50普通混凝土(ftk=2.64 MPa)的3.43倍，平均峰值应变为7%，是C50混凝土(εu = 0.01%)的700倍。
测得40 mm×40 mm×160 mm试件的三点弯曲平均抗折强度为18.0 MPa，50 mm×100 mm的圆柱体平均抗压强度为50.51 MPa。
1.2 加载装置图 3为试验装置示意，加载主要利用钢反力架，包含上层顶板(厚40 mm)、下层底板(厚30 mm，开槽，以观察试件开裂)及连接上、下层板的4根直径为20 mm的高强螺栓。
Fig. 3
图 3 试验装置及钢反力架示意 Fig. 3 Schematic of test equipment and steel reaction frame 图 4为引伸计、拉线式位移计的布置位置示意。试验共设置2个标距为20 mm的引伸计A、B，分别测量钢筋自由端和钢筋加载端的位移；设置2个拉线式位移计C、D，用于测量试件的横向膨胀率，分别放置在试件中部和下部。
Fig. 4
图 4 引伸计、拉线式位移计测点布置 Fig. 4 Arrangement of measuring points for extensometer and pull wire displacement meter 试验通过测量钢筋两端的位移来得到黏结长度上的平均滑移量。从图 4可看出，钢筋在UHDCC内的锚固段为CD段。由于自由端钢筋在加载过程中不受力，因此可认为自由端没有变形，所以可用A点引伸计测得的位移SF来代替C点位移。B点离加载端混凝土非常近，此段区间内钢筋变形可忽略。因此，可认为B点引伸计测得的位移SL为D点的位移。CD段滑移平均值S为
$S = \frac{{{S_{\rm{F}}} + {S_{\rm{L}}}}}{2}$ (1)
钢筋与UHDCC黏结段平均黏结应力τ为
$\tau = \frac{P}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}d{l_{\rm{a}}}}}$ (2)
式中d为钢筋直径，la为钢筋锚固长度。
为了消除加载速度对试验结果的影响，试验以1 mm/min的速度进行单调加载。
2 试验结果 2.1 试件破坏形式图 5为UHDCC试件出现的3种破坏形态：钢筋拔出破坏、钢筋拔出及UHDCC锥形破坏、钢筋屈服强化后拉断破坏，试件的具体破坏形态见表 6。
Fig. 5
图 5 UHDCC试件破坏类型 Fig. 5 Failure types of UHDCC specimens 表 6
表 6 试件破坏类型 Tab. 6 Failure types of specimens 试验批次 变量 试件组 试件参数简写 试件编号 钢筋屈服 破坏形式Pu/kNτu/MPa 试件1 试件2 试件3
第一批试验 锚固长度(中心锚固+直锚)A5 12-4d-5.8d-T A5-1、2 N 钢筋拔出 19.98 23.09 11.91
A4 12-6d-5.8d-T A4-1、2、3 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 36.18 47.34 32.13 14.21
A3 12-8d-5.8d-T A3-1、2、3 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 44.16 52.84 48.93 13.45
A2 12-10d-5.8d-T A2-1
A2-2、3 钢筋屈服、强化*
钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 67.61 62.20 61.80 14.13
A1 12-12d-5.8d-T A1-1、2 钢筋拉断 66.65 67.12 12.33
浇筑方式B2 12-4d-5.8d-P B2-1
B2-2 N 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏
钢筋拔出 19.19 19.56 12.62
B1 12-10d-5.8d-P B1-1、2、3 Y 钢筋拔出 53.40 48.78 51.73 11.35
第二批试验钢筋直径A4 12-6d-5.8d-T A4-1、2、3 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 36.18 47.34 32.13 14.21
C1 14-6d-5.8d-T C1-1、2、3 N 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 47.64 57.64 16.63
C2 16-6d-5.8d-T C2-1、2 钢筋拔出及30 mm范围锥形破坏 46.07 52.92 13.68
保护层厚度D1 12-6d-2.5d-T D1-1、2 N 钢筋拔出 39.92 43.55 15.38
D2 12-6d-3.5d-T D2-1、2 钢筋拔出及25 mm范围锥形破坏 44.46 37.40 15.09
D3 12-6d-4.5d-T D3-1、2 钢筋拔出及30 mm范围锥形破坏 44.91 43.14 16.23
A4 12-6d-5.8d-T A4-1、2、3 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 36.18 47.34 32.13 14.21
锚固长度(30 mm保护层+ 90°弯钩) F4 W-12-4d-2.5d-T F4-1、2 N 钢筋拔出及70 mm范围锥形破坏 35.01 33.39 18.91
F3 W-12-6d-2.5d-T F3-1、2 钢筋拔出及15 mm范围锥形破坏 50.46 54.85 19.41
F2 W-12-8d-2.5d-T F2-1、2 Y 钢筋拔出 56.09 60.47 16.11
F1 W-12-10d-2.5d-T F1-1、2 钢筋拉断 64.29 66.25 14.44
锚固长度(30 mm保护层+直锚) E4 12-4d-2.5d-T E4-1、2 N 钢筋拔出 22.37 18.40 11.27
D1 12-6d-2.5d-T D1-1、2 N 钢筋拔出 39.92 43.55 15.38
E3 12-8d-2.5d-T E3-1、2 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 48.95 56.02 14.51
E2 12-10d-2.5d-T E2-1、2 Y 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 56.33 59.59 12.82
E1 12-12d-2.5d-T E1-1、2 钢筋拔出及UHDCC锥形破坏 67.53 64.53 12.17
注：1.试件参数简写释义为“(弯钩-)直径-相对锚固长度-相对保护层厚度-浇筑方向”，W表示带90°弯钩；
??????2.Pu表示各试件承载力(峰值荷载)，确定Pu时不考虑滑移平均值，列中空白表示未设试件3；τu表示试件组黏结强度平均值；
??????3.*表示钢筋屈服强化后，没有明显的拔出迹象，但变形较大，为了保护引伸计，故提前停止加载。
表 6 试件破坏类型 Tab. 6 Failure types of specimens
当锚固长度较小(4d~6d)时，一般出现钢筋拔出破坏，见图 5(a)(中心锚固，钢筋周边几乎无裂缝)、5(b)(保护层厚度为30 mm时，直锚构件，钢筋周边出现裂缝)、5(c)(弯钩试件，钢筋周边裂缝多)。
锚固长度达6d~10d时试件发生钢筋及UHDCC锥形拔出破坏，见图 5(d)(中心锚固)、5(e)(保护层厚度为30 mm时，直锚构件)、5(f)(弯钩试件)。
锚固长度较长(10d~12d)时，发生钢筋拉断破坏，见图 5(g)、(h)，试件表面无裂缝。
图 6为A组数据不同锚固长度试件的τ-s曲线，可以看出发生钢筋拔出破坏+钢筋拔出及UHDCC锥形破坏的试件(A3-2、A4-2、A5-1)，荷载达到最大值后即进入下降段，位移持续增加，荷载保持在一定水平并在较小的范围内波动(残余荷载)，此时是摩擦力起作用，观察完全拔出的钢筋，其肋间充满UHDCC混凝土碎屑。发生钢筋拉断破坏的试件钢筋变形小，最后钢筋拉伸断裂，试件积蓄的巨大能量在钢筋颈缩拉断瞬间被突然释放，发出巨大的响声。
Fig. 6
图 6 A组数据不同锚固长度试件的τ-s曲线 Fig. 6 τ-s curves of specimens in group A with different anchorage lengths 本试验中并未出现带肋钢筋与灌浆料拉拔试验中试件的脆性劈裂破坏[13]。这是因为纤维混凝土具有良好的横向约束作用，带肋钢筋与UHDCC混凝土间的黏结性能得以充分发挥，试件破坏模式为延性破坏。
3 试验结果分析 3.1 中心锚固时锚固长度对黏结性能的影响定义钢筋锚固长度与钢筋直径之比la/d为相对锚固长度，图 7为A组试件承载力、黏结强度随相对锚固长度变化趋势(A1组试件全部为拉断破坏，不参与拟合)。
Fig. 7
图 7 承载力、黏结强度随锚固长度的变化规律 Fig. 7 Variation of bearing capacity and bonding strength with anchorage length 图 7(a)表明随着钢筋锚固长度增加，试件承载力逐渐增加。这是由于锚固长度增大钢筋与UHDCC的接触面增大，接触面上的机械咬合作用随之增强。
图 7(b)表明当锚固长度从4d增大到6d，黏结强度有上升趋势；大于6d，黏结强度变化不大，这与余琼等[14]得出的“混凝土、灌浆料等脆性材料，锚固长度增大，黏结强度下降”不同。图 8为灌浆料黏结强度随相对锚固长度的变化规律。
Fig. 8
图 8 灌浆料黏结强度随锚固长度的变化规律 Fig. 8 Variation of bonding strength of grouting material with anchorage length 对于混凝土、灌浆料等脆性材料，黏结应力沿钢筋纵向分布是不均匀的。当钢筋锚固长度较小时，高应力区段比较饱满，黏结强度τu与实际最大黏结应力τmax的比值较大；而当锚固长度较大时，距加载端较远处的钢筋黏结应力小，黏结应力分布不均匀性更加突出，黏结强度τu与实际最大黏结应力τmax的比值较小。而不同钢筋锚固长度的试件τmax的变化不大，因此随着钢筋锚固长度的增加，试件的平均黏结应力越来越小。
但UHDCC材料受拉时具有应变硬化的特性，即材料应变增加时，应力也会增大，故UHDCC的极限抗拉承载力相比于普通混凝土是持续增大的。在持续加载后，即使钢筋周围混凝土产生放射状裂缝，由于纤维约束，裂缝宽度非常小(短锚试件的裂缝甚至未能穿透保护层)，UHDCC材料仍能持续地承载，并对钢筋提供足够的约束作用。因此，锚固长度增加到10d时，黏结力增加或保持不变。
3.2 中心锚固时浇筑方式对黏结性能的影响图 9为(B组试件)不同浇筑方式与黏结强度的关系。可以看出，垂直浇筑成型的试件，平均黏结应力普遍高于平行浇筑的试件；而对普通混凝土，两种浇筑方式基本没有差异。这是由于两种浇筑方式影响了纤维分布, 纤维的成型方向会对钢筋与UHDCC的黏结性能产生影响。Hambach等[17]的研究指出碳纤维沿着混凝土的受力方向进行排列可以有效提高纤维混凝土的强度，邱明红等[18]研究表明采用平行纤维取向可以显著提高纤维混凝土的首次开裂荷载和峰值荷载，并能显著抑制裂缝宽度的扩展。而纤维混凝土中纤维的排列在浇筑时倾向平行于流动方向，当垂直浇筑时纤维排列倾向于与钢筋垂直，能有效约束钢筋径向的膨胀力，因此黏结强度增加。
Fig. 9
图 9 不同浇筑方式下黏结强度对比 Fig. 9 Comparison of bonding strength under different pouring methods 3.3 保护层厚度对黏结性能的影响图 10为UHDCC及灌浆料的保护层厚度与试件的黏结强度关系图(均为中心锚固)，本文试验中UHDCC保护层厚度超过4.5d后，对黏结强度的影响不明显，而灌浆料的保护层厚度大于5.5d后对黏结强度才无明显影响。可见由于纤维拉结作用，UHDCC材料不受影响的最小保护层厚度降低。
Fig. 10
图 10 不同材料保护层厚度对黏结强度的影响对比 Fig. 10 Influence of protective layer thickness of different materials on bonding strength 3.4 保护层厚度为30 mm时锚固长度对黏结性能的影响保护层厚度30 mm的试件发生钢筋拔出或钢筋拔出及UHDCC锥形破坏。这主要是因为该组试件的保护层厚度偏小(2.5d)，黏结力的径向分量能使保护层开裂，黏结强度大幅降低。图 11为保护层厚度30 mm工况下承载力、黏结强度随锚固长度的变化规律。
Fig. 11
图 11 保护层厚度30 mm时锚固长度与承载力及黏结强度关系 Fig. 11 Relationship between anchorage length, bearing capacity, and bonding strength when protective layer thickness is 30 mm 图 11(b)偏心锚固(保护层厚度较薄)黏结强度变化规律与图 8(b)中心锚固不同，锚固长度从4d到6d，试件从钢筋拔出破坏转变为钢筋拔出及UHDCC锥形破坏，黏结强度增大，此时UHDCC材料PE纤维的约束作用得以发挥；当锚固长度从6d增大到12d，试件从钢筋拔出及UHDCC锥形破坏转换到拉断破坏，黏结强度下降，这是因为保护层偏薄，UHDCC材料的应变硬化及约束作用减小，试件的黏结性能类似灌浆料。
3.5 保护层厚度为30 mm时90°弯钩对黏结性能的影响工程中常常会在锚固钢筋的末端增设弯钩，以增大锚固的安全系数，抵御钢筋被拔出的风险。本文研究增设90°弯钩(4d)，考察其对承载力的提高作用。
3.5.1 直锚段相等时图 12为保护层厚度30 mm、弯钩工况下，直锚段锚固长度与承载力关系。短锚区段(4d~6d)的承载力增长速度大于中锚区段(6d~10d)。
Fig. 12
图 12 带90°弯钩的试件锚固长度-承载力关系 Fig. 12 Relationship between anchorage length and bearing capacity of specimen with 90-degree hook 表 7为直锚段相同时增设弯钩后承载力提升情况。当弯段钢筋(4d)与直段锚固钢筋(4d)等长时，承载力提升幅度可达67.78%。弯钩段长度一定时，随着直锚段长度增加，弯钩对承载力提升幅度减小。这主要是由于弯钩段钢筋有效起到抵抗滑移。对于短锚试件，钢筋与UHDCC较早黏结失效，产生滑移，弯钩能抵抗较多的滑移，极大地提升试件承载力；对于长锚试件，承载力增大，钢筋滑移量较小，因此弯钩抵抗的滑移量也相对减少，承载力增幅有限。
表 7
表 7 直锚段等长时增设90°弯钩后承载力提升 Tab. 7 Bearing capacity improvement after adding 90-degree hook under the condition of equal straight anchor length 组别 锚固长度 承载力Pu /kN 承载力提升值ΔP/kN 弯钩对承载力的提升幅度/% 直锚组 4d 20.38 13.82 67.78
弯钩组 4d+4d 34.20
直锚组 6d 41.74 10.92 26.17
弯钩组 6d+4d 52.66
直锚组 8d 52.48 5.80 11.04
弯钩组 8d+4d 58.28
直锚组 10d 57.96 7.31 12.60
弯钩组 10d+4d 65.27
表 7 直锚段等长时增设90°弯钩后承载力提升 Tab. 7 Bearing capacity improvement after adding 90-degree hook under the condition of equal straight anchor length
图 13为直锚段相等情况下弯钩组与直锚组荷载-滑移曲线对比，可以看出在不同的受力阶段，带弯钩试件直段钢筋的锚固力和弯钩段的锚固力的比例是变化的。
Fig. 13
图 13 直锚段相等情况下弯钩组与直锚组荷载-滑移曲线对比 Fig. 13 Comparison of load - slip curves between hook group and straight anchor group under the condition of equal straight anchor length 在加载前期，由于弯钩控制滑移，弯钩组的滑移小于直锚组；达到峰值荷载后，由于弯钩的机械锚固作用，弯钩组荷载-位移曲线没有下降的趋势，承载力较稳定，而直锚组承载力迅速下降。
3.5.2 绝对锚固长度相等图 14为绝对锚固长度相等时直锚组与弯钩组荷载-滑移曲线对比。对于绝对锚固长度(实际埋入试件内的钢筋长度总和)相等的试件，直接锚固的试件承载力大于带90°弯钩的试件，故弯钩锚固不能等价直锚钢筋。在弯钩段长度均为4d时，弯钩组的直锚段越长，直锚组与弯钩组承载力相差越小，因此弯钩锚固必须保证其直锚段长度。
Fig. 14
图 14 绝对锚固长度相等时荷载-滑移曲线对比 Fig. 14 Comparison of load - slip curves with equal absolute anchorage length 在工程应用中，需要首先确保直接锚固段的长度满足要求，有条件的可以加上弯钩增大安全系数。
4 黏结强度计算公式参照王冰等[19]、山显彬[20]的函数形式，对本文试验结果进行统计回归，得出浇筑方式为垂直方向、锚固方式均为直接锚固的黏结强度τu的计算公式:
${\tau _{\rm{u}}} = \left[ {0.502 + 0.109\left( {\frac{d}{{{l_{\rm{a}}}}}} \right)} \right]\left[ {2.918 + 0.014\left( {\frac{c}{d}} \right)} \right]{f_{{\rm{ts}}}}$ (3)
试验计算结果见表 8，黏结强度计算值τu0与试验值τuc的比值τu0/τuc在区间0.85~1.25内，平均值1.02，标准差为0.124，变异系数为0.122，数据拟合程度良好。此公式适用于HRB400钢筋，UHDCC的抗拉、抗折、抗压强度分别在9、18、50 MPa左右。由于A5和E4实验组相对锚固长度过小(均为4d)，试验数据存在较大误差，此公式有待更多的试验验证。
表 8
表 8 直接锚固黏结强度试验值和计算值对比 Tab. 8 Comparison of test value and calculation value of ultimate bonding strength of direct anchorage 试件组 黏结强度试验值τuc/MPa 黏结强度计算值τu0/MPa τu0/τuc A2 14.13 13.92 0.99
A3 13.45 13.99 1.04
A4 14.21 14.12 0.99
A5 11.91 14.36 1.21
C1 16.63 14.14 0.85
C2 13.68 14.18 1.04
D1 15.38 13.90 0.90
D2 15.09 13.97 0.93
D3 16.23 14.03 0.86
E1 12.17 13.66 1.12
E2 12.82 13.71 1.07
E3 14.51 13.78 0.95
E4 11.27 14.14 1.25
表 8 直接锚固黏结强度试验值和计算值对比 Tab. 8 Comparison of test value and calculation value of ultimate bonding strength of direct anchorage
5 结论通过45个钢筋在UHDCC中锚固试件的拉拔试验，得出的主要结论可为UHDCC应用于受力构件提供理论依据。
1) UHDCC试件3种破坏形态：钢筋拔出破坏、钢筋拔出及UHDCC锥形破坏、钢筋拉断破坏。纤维混凝土具有良好的横向约束作用，使得带肋钢筋与UHDCC间的黏结性能得以充分发挥，试件未发生劈裂破坏。
2) 由于UHDCC应变硬化现象，试件锚固长度从4d增大到6d，黏结强度有上升趋势；大于6d时，中心锚固试件(保护层较厚)锚固长度对黏结强度影响不大，偏心锚固试件(保护层较薄UHDCC材料的约束作用减小)随锚固长度增加黏结强度降低。
3) 纤维混凝土中纤维的排列在浇筑时倾向平行于流动方向，当垂直浇筑时纤维排列与钢筋垂直，能有效约束钢筋径向的膨胀力，垂直浇筑的试件承载力大于水平浇筑。
4) 由于纤维拉结作用，本文试验条件下UHDCC材料不受影响的保护层厚度为4.5d后，比灌浆料的不受影响的保护层厚度5.5d小。
5) 增设90°弯钩4d后，直锚段钢筋为4d时，承载力提升幅度大，随着直锚段长度增加，90°弯钩对承载力提升幅度减小，弯钩试件在荷载超过峰值荷载后荷载-位移曲线没有下降的趋势。
6) 绝对锚固长度相等时直锚组试件承载力大于带弯钩的试件，弯钩锚固不能等价直锚钢筋。弯钩段长均为4d，实际锚固长度越长时，弯钩组直锚段越长，直锚组与弯钩组承载力相差越小，因此带弯钩段的锚固，必须保证直锚段长度。
7) 提出UHDCC黏结强度计算公式。
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